CN109812232A - 一种带支撑板的自进式多孔射流钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气开采用钻头装置技术领域，具体涉及一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，包括钻头体，所述钻头体包括入液段、中间段和开孔端，钻头体中间段上以钻头体的轴线为中心线均匀设有多个后向喷嘴；所述封闭面位于钻头体的开孔端，所述封闭面在钻头体轴线上设有一个中心喷嘴，所述中心喷嘴为圆锥收敛型喷嘴，在中心喷嘴周围的同一圆周按等角度分布三个前向喷嘴；封闭面前部均匀设有三个向开孔端前侧延伸的支撑板。本发明相比现有技术具有以下优点：整体结构简单合理，通过设置支撑板，在初步对井底岩石破碎的同时避免钻进时出现卡堵，支撑板内圆弧面具有较高的流体速度与静压，利于排出岩屑，具有及时清洗井底岩屑的作用。
Description
技术领域
本发明属于油气开采用钻头装置技术领域，具体涉及一种带支撑板的自进式多孔射流钻头。
背景技术
径向水平井技术开始于20世纪80年代，在过去的20年中，径向水平井技术迅速发展，已经具有开发非常规油气的潜力；该技术要求采用具有高效破岩的水射流钻头，将高压流体通过小直径连续油管和高压软管注入射流钻头，以达到破岩钻井的效果，在这种情况下，射流钻头是必不可少的技术，它不仅要破岩扩孔，而且要为高压软管提供牵引力；但实际钻进过程中，由于井底情况复杂，钻头的前向喷嘴经常直接与坚硬的待钻岩石层接触，再加上后向喷嘴施加的向前推力，导致前向喷嘴被岩石层牢牢堵住，这就是水射流钻头“卡堵”现象。
为了解决以上问题，申请号为201711431686X的专利文件中公开了一种自进式高压水射流钻头，通过设置涡轮转子旋转带动喷头及后面喷管连续跳动，以扩大井眼直径，减少射流喷头引导喷管前进阻力，高压钻井液在涡轮叶片作用下形成涡流，使从喷嘴喷出的流体具有旋转射流的特性，但其整体结构复杂，使用过程具有一定的不稳定性；申请号为2014102681799的专利文件中公开了一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，通过合理设置旋转钻头体、齿形滑环式组合密封等，通过前向喷嘴与旋转钻头体的轴线存在旋转偏角，按一定方位布设，为旋转钻头体提供扭矩，使钻头绕自身轴线旋转，增强了射流的作用面积，有利于形成较大孔眼，使得前向喷嘴射出的射流间歇性冲击岩石，具有脉冲射流的特性，但在一定程度上也减弱了前向的钻孔力，造成一定的能量浪费；同样的，申请号为2016100458517中公开了一种带切削翼的旋转自进式混合射流钻头，包括钻头本体和旋转壳体，通过在旋转壳体前端布置前向喷嘴，在高压射流作用下使其形成的射流具有三维速度，射流在切向上的速度分量利于破岩，同时射流反冲力作用于旋转壳体，使其自转，同时配合硬质合金切削齿，用于扩大井眼直径，同样存在结构复杂和能量消耗的问题；专利号为2014101119592公开了一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，包括后向喷嘴、直旋射流喷嘴、岩屑磨料漏斗、向前喷嘴、稳定支件，其中中间部分的钻井液为直射流，流经螺旋切槽部分钻井液产生旋转射流，在间隙段形成射流抽吸作用，吸入岩屑磨料漏斗中的岩屑并混合进入前向喷嘴及延长段，但是存在破岩面积过小的问题，如果靠圆周分部多个喷嘴，会在破岩面中心产生凸台，造成能量分散。
发明内容
本发明的目的是针对现有钻头的喷嘴会被岩石层堵住的问题，提供了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，包括钻头体，所述钻头体包括入液段、中间段和开孔端，所述钻头体为具有封闭面的空心圆柱体结构，其中入液段为未封闭端，钻头体入液段的内壁设有螺纹，通过连接高压软管连通高压泵；钻头体中间段上以钻头体的轴线为中心线均匀设有多个后向喷嘴；所述封闭面位于钻头体的开孔端，所述封闭面在钻头体轴线上设有一个中心喷嘴，所述中心喷嘴为圆锥收敛型喷嘴，在中心喷嘴周围的同一圆周按等角度分布三个前向喷嘴；封闭面前部均匀设有三个向开孔端前侧延伸的支撑板，所述支撑板的纵截面为以钻头体部分外边缘为底边的带弧边梯形，所述支撑板与三个同一圆周分部的三个前向喷嘴错开排列；
所述钻头体为一体式结构，后向喷嘴的个数大于4个。
作为对上述方案的进一步改进，每个支撑板纵截面的对称线与相邻前向喷嘴在封闭面上的对称线重合。
作为对上述方案的进一步改进，钻头体总长度为40mm，钻头体外径为18mm，流体入口内径为10mm，支撑板长度为10mm。
作为对上述方案的进一步改进，所述中心喷嘴收敛端即出口的直径为1mm，中心喷嘴的锥角度数为13.5°。
作为对上述方案的进一步改进，所述前向喷嘴的出口直径为1mm，前向喷嘴的扩散角即前向喷嘴中心轴线的向前延长线与钻头体轴线之间的夹角为15°。
作为对上述方案的进一步改进，所述后向喷嘴的个数为6个，后向喷嘴的直径为1mm，后向喷嘴的扩散角即后向喷嘴中心轴线的向后延长线与钻头体轴线之间的夹角为13.5°。
作为对上述方案的进一步改进，所述入液端流体的绝对速度为15m/s。
作为对上述方案的进一步改进，所述封闭面与钻头体侧面相交处以弧面平滑过渡，所述支撑板的顶面与侧面之间的相交处以弧面平滑过渡，能够减弱岩屑对钻头体边缘的磨损。
在使用时，在地面高压泵的作用下，高压软管内的流体流经钻头，在钻头喷嘴的加速作用下，流体分成多股射流射出钻头体，其中多股射流依靠分别依靠不同喷嘴形成前向射流和后向射流，由于后向射流与钻头轴线成一定角度，后向喷嘴射出的流体有利于冲刷井壁，达到扩孔与及时排屑的作用，由于后向喷嘴的个数大于前向喷嘴个数，后向射流产生的推进力大于前向射流产生的阻力，从而实现射流钻头能牵引着高压软管向前钻进，钻头体的前端设有支撑板，在后向射流产生的推理作用下，支撑板高速撞击井底对井底岩石造成初步破碎；前向喷嘴与中心喷嘴的合理分布，向前喷射出的流体会在一定直径范围内形成面积连通孔眼，同时由于中心喷嘴应用了圆锥收敛型喷嘴的结构设计，能尽量缩小射流扩散角，射流密集性就越高，能量就越集中，进而得到比直射更高的破岩效率。
本发明相比现有技术具有以下优点：整体结构简单合理，通过设置支撑板，在初步对井底岩石破碎的同时避免钻进时出现卡堵，考虑前向喷嘴的个数、结构以及支撑板对射流的影响，确定前向喷嘴的扩散角以及后向喷嘴的个数及扩散角，通过合理配置，得到比直射更高的破岩效率，后向喷嘴射出的流体在撞击壁面衰减后仍具有强烈的剪切应力，有利于扩大孔径，并通过强大的反向推动力为钻头自进提供动力；中心喷嘴结构的合理设计能进一步提高破岩效率，支撑板内圆弧面具有较高的流体速度与静压，利于排出岩屑，具有及时清洗井底岩屑的作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的正面剖视图。
图3是本发明的右视图。
图4是射流钻头中心轴横截面速度云图。
图5是自进式多孔射流钻头前向射流的速度分布云图。
图6是自进式多孔射流钻头后向喷嘴射流速度云图。
其中，1-钻头体，11-封闭面，12-螺纹，2-中心喷嘴，3-前向喷嘴，4-后向喷嘴， 5-支撑板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1-3中所示，一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，包括钻头体1，所述钻头体1为一体式结构，所述钻头体1包括入液段、中间段和开孔端，所述钻头体1为具有封闭面11的空心圆柱体结构，其中入液段为未封闭端，钻头体1入液段的内壁设有螺纹12，通过连接高压软管连通高压泵；钻头体1中间段上以1的轴线为中心线均匀设有多个后向喷嘴4；所述封闭面11位于钻头体1的开孔端，所述封闭面11在钻头体1轴线上设有一个中心喷嘴2，所述中心喷嘴2为圆锥收敛型喷嘴，在中心喷嘴2周围的同一圆周按等角度分布三个前向喷嘴3；封闭面11前部均匀设有三个向开孔端前侧延伸的支撑板5，所述支撑板5的纵截面为以钻头体1部分外边缘为底边的带弧边梯形，每个支撑板5纵截面的对称线与相邻前向喷嘴3在封闭面上的对称线重合；
所述入液端流体的绝对速度为15m/s，钻头体1总长度为40mm，钻头体1外径为18mm，流体入口内径为10mm，支撑板5长度为10mm；所述中心喷嘴2收敛端即出口的直径为1mm，中心喷嘴2的锥角度数α1为13.5°；所述前向喷嘴3的出口直径为1mm，前向喷嘴3的扩散角α3即前向喷嘴3中心轴线的向前延长线与钻头体1轴线之间的夹角为15°；所述后向喷嘴4的个数为6个，后向喷嘴4的直径为1mm，后向喷嘴4的扩散角α2即后向喷嘴4中心轴线的向后延长线与钻头体1轴线之间的夹角为13.5°。
其中，所述封闭面11与钻头体1侧面相交处以弧面平滑过渡，所述支撑板5的顶面与侧面之间的相交处以弧面平滑过渡，能够减弱岩屑对钻头体边缘的磨损。
按照上述对钻头体的限定进行试验，得到自进式多孔射流钻头前向和后向出口压力均为0.2MPa，其射流钻头中心轴横截面速度云图如图4所示，流体通过钻头前向喷嘴3、中心喷嘴2和后向喷嘴4以高速射出，其中通过前向喷嘴3、中心喷嘴2射出的流体主要起破碎岩石的作用，通过后向喷嘴4射出的流体主要起扩孔以及提供钻头自进力的作用。
如图5所示是自进式多孔射流钻头前向射流的速度分布云图，图示截面包括了一个圆周分布的前向喷嘴3、一个中心喷嘴2以及一个支撑板5，中心喷嘴3采用了锥角设计，形成了较小的射流扩散角，射流拥有更高的密集性，能量就越集中；显然，采用了圆台结构的中心喷嘴比其他圆周前向喷嘴有更长的射流等速核，冲击力量更大，破岩效果更佳，所以中心喷嘴起主要的破岩作用，其它三个同圆周分布的前向喷嘴3由于与钻头体1中心轴成一定的角度，所以三个同圆周分布的前向喷嘴3形成的射流冲击岩石时有一定的剪切力的，这样的剪切力更利于破碎岩石。
自进式多孔射流钻头后向喷嘴射流速度云图如图6所示，后向喷嘴4一共有6个，均匀分布在同一圆周上，部分流体由钻头体内部进入后向喷嘴4并喷射到环空，形成后向射流；后向喷嘴4出口处的流体速度最高达到了156.1m/s，在周围流体围压的影响下，后向射流流速有所耗散，但射流最后冲击岩石时，后向射流的流速仍有82.5 m/s，高速的流体对孔壁产生强烈的剪切应力，使其更利于破碎岩石扩大孔径；此外，后向射流产生的推进力是钻头实现自进的主要动力，井底产生的岩屑也可以通过后向射流进一步排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，包括钻头体，所述钻头体包括入液段、中间段和开孔端，其特征在于,所述钻头体为具有封闭面的空心圆柱体结构，其中入液段为未封闭端，钻头体入液段的内壁设有螺纹，通过连接高压软管连通高压泵；钻头体中间段上以钻头体的轴线为中心线均匀设有多个后向喷嘴；所述封闭面位于钻头体的开孔端，所述封闭面在钻头体轴线上设有一个中心喷嘴，所述中心喷嘴为圆锥收敛型喷嘴，在中心喷嘴周围的同一圆周按等角度分布三个前向喷嘴；封闭面前部均匀设有三个向开孔端前侧延伸的支撑板，所述支撑板的纵截面为以钻头体部分外边缘为底边的带弧边梯形，所述支撑板与三个同一圆周分部的三个前向喷嘴错开排列；
所述钻头体为一体式结构，后向喷嘴的个数大于4个。
2.如权利要求1所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，每个支撑板纵截面的对称线与相邻前向喷嘴在封闭面上的对称线重合。
3.如权利要求1所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，钻头体总长度为40mm，钻头体外径为18mm，流体入口内径为10mm，支撑板长度为10mm。
4.如权利要求3所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，所述中心喷嘴收敛端即出口的直径为1mm，中心喷嘴的锥角度数为13.5°。
5.如权利要求3所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，所述前向喷嘴的出口直径为1mm，前向喷嘴的扩散角即前向喷嘴中心轴线的向前延长线与钻头体轴线之间的夹角为15°。
6.如权利要求3所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，所述后向喷嘴的个数为6个，后向喷嘴的直径为1mm，后向喷嘴的扩散角即后向喷嘴中心轴线的向后延长线与钻头体轴线之间的夹角为13.5°。
7.如权利要求1所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，所述入液端流体的绝对速度为15m/s。
8.如权利要求1所述一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，其特征在于，所述封闭面与钻头体侧面相交处以弧面平滑过渡，所述支撑板的顶面与侧面之间的相交处以弧面平滑过渡。
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