CN110107227A - 一种具有高效水孔结构的金刚石钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文钻探技术领域，特别涉及一种具有高效水孔结构的金刚石钻头。该装置在至少一个所述刀翼的前方设置有延伸自钻头体或连接在钻头体上的后喷水孔座，后喷水孔座上设置有与钻头内流道相通的后喷水孔，后喷水孔能直接喷射到所述刀翼上的切削齿或切削齿前方的岩石。本发明实现了在高温钻井中对切削齿冷却充分、岩屑运移及时，大大提高钻头钻进性能。
Description
技术领域：
本发明涉及石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文钻探技术领域，特别涉及一种具有高效水孔结构的金刚石钻头。
背景技术：
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。除切削结构以外，钻头上的水力结构对钻头的破岩效率、使用寿命也起到了重要作用，即冷却切削齿、清洗井底、运移岩屑、辅助破岩等。目前，钻头上水力结构的设计均是在钻头体上的不同位置布置喷嘴或水眼(水孔)，内流道里的钻井液或冷却介质通过喷嘴或水孔喷射出去以达到冷却钻头切削元件，以及清洗井底排走岩屑的目的。
在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构的同时，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头的水力结构只能针对特定地层来进行设计，一是针对软地层来进行相应钻头的设计，来预防在钻进软地层中因岩屑过多而导致的钻头泥包；二是针对硬地层来进行相应的钻头的设计，来预防在钻进硬地层中因摩擦过大而使切削齿产生较大的热量，从而使其不能得到及时冷却而发生热磨损现象。以上钻头只能针对软地层或者硬地层等单一地层来进行钻进，而不能同时兼顾软、硬地层钻进。当喷嘴离切削齿距离较大即喷距大，在钻进软地层时将不能及时对岩屑进行清洗、运移，从而造成岩屑的不断堆积，进而导致钻头泥包的产生，最终引起钻头失效；在钻进硬地层时将会使切削齿因摩擦作用不能得到及时充分的冷却而使切削齿发生热磨损。特别是近年来深井超深井以及地热钻井的迅速发展，钻头的工作环境温度高达150°或更高，切削齿发生热磨损的现象大幅提升，显著降低了钻头的使用寿命和钻进性能。
随着钻井的不断发展，要使金刚石钻头特别是PDC钻头在难钻地层(包括硬地层、高研磨性地层、强不均质地层、易泥包地层、高温地层)具备更好的工作性能，就必须改善钻头水力结构设计的科学性，提高钻头冷却效果、携岩效果和辅助破岩效果，特别是要尽可能减少甚至避免切削齿的热磨损现象。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，该装置实现了在高温钻井中对切削齿冷却充分、岩屑运移及时，大大提高钻头钻进性能。克服了现有钻头在高温钻井中冷却不充分、岩屑运移不及时，因而降低钻头钻进性能的不足。
本发明所采取的技术方案是：一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体的刀翼，所述刀翼包括前侧面与后侧面，所述刀翼上还设置有金刚石切削齿，相邻所述刀翼之间形成水道槽，在至少一个所述刀翼的前方设置有延伸自钻头体或连接在钻头体上的后喷水孔座，后喷水孔座上设置有与钻头内流道相通的后喷水孔，后喷水孔能直接喷射到所述刀翼上的切削齿或切削齿前方的岩石。
作为选择，将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在所述刀翼体上。
作为选择，将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在所述刀翼体上，且所述刀翼上具有凸起水孔体，后喷水孔出口设置在所述的凸起水孔体上。
作为选择，所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口形状包括圆形、椭圆形、矩形、扁长型或它们之间的组合。
作为选择，所述后喷水孔座上装有可换式喷嘴。
作为选择，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿的切削区域。
作为选择，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或前部区域。
作为选择，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或后部区域。
作为选择，至少1个所述后喷水孔的喷射角范围为10°≤a≤70°。
作为选择，至少1个所述后喷水孔的喷射角范围为10°≤a≤45°。
作为选择，所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口为包括椭圆形、矩形、扁长形在内的立式非圆水孔。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在钻头上设置后喷式水孔，水孔喷射距离明显缩短，能量耗散小，能有效减少冷却介质的喷射发散现象，水力能量集聚性强，有利于改善对切削齿的冷却，以及对井底岩屑的清洗和运移，提高钻头的破岩性能。
2、本发明通过在钻头刀翼上设置后喷式水孔，还能提高钻头体结构空间的利用效率，减少甚至避免因后喷水孔座的设置而导致钻头布齿空间减少的现象。
3、后喷水孔易于实现较小的水孔喷射角，较小的水孔喷射角一方面有利于形成更宽的周向或切向射流覆盖区域，改善冷却效果，另一方面有利于增加对井底岩石的切向冲刷，将已破碎和部分破碎(已产生裂纹或局部破碎)的井底岩石冲离井底，从而起到更好的辅助破岩效果。
4、在水道槽中设置横式非圆水孔时，能够形成更宽的径向覆盖区域，利于各切削齿的均衡冷却，增强排屑能力，弱化切削元件的热磨损，进而提高钻头可持续的、高效的钻进能力。
5、在水道槽中设置立式非圆水孔时，能够形成更宽的周向或切向覆盖区域，利于强化对井底岩石的冷却，有利于降低切削齿的工作温度，提高钻头在高温条件下的钻进能力。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种钻头结构示意图。
图2为刀翼作为后喷水孔座且后喷水孔设置在刀翼体或水孔座上的本发明结构示意图。
图3为后喷水孔座上水孔的出口为圆形水孔及扁长水孔组合的钻头结构示意图。
图4为图3的轴测图。
图5为图3的正视图。
图6为图3的剖视图。
图7为扁长水孔的定义示意图。
图8为后喷水孔座上安装有可换式喷嘴示意图。
图9为后喷水孔喷射切削齿切削区域示意图。
图10为后喷水孔喷射井底岩石示意图。
图11为后喷水孔座上设置立式非圆水孔示意图。
附图中标记相应零部件名称：1-钻头体；101-内流道；2-刀翼；21-切削齿；201-刀翼后侧面水眼；202-刀翼前侧面；203-刀翼后侧面；3-流道槽；31-流道中的水眼；4-后喷水孔座；41-后喷水孔座端面；411-后喷水孔座上的圆形水孔；412-后喷水孔座上的横式扁长水孔；413-后喷水孔座上的可拆卸喷嘴；414-后喷水孔座上的立式扁长水孔；42-刀翼上的凸起水孔体；5-井底岩石。
具体实施方式：
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
切削齿的切削区域：在井底切削过程中，在牙齿或切削齿的切削作用下，岩石发生变形进而破碎的区域，该区域包括切削齿的切削刃及其前方的1.5倍切削齿直径范围内的岩石。
将相邻两刀翼之间的水道所对应的井底岩石区域按照圆周方向平均划分为三个部分：近齿区域(I区域)、中部区域(II区域)和远齿区域(III区域)，见图9。
对于出口长度d2和宽度d1不相等的非圆水孔(矩形水孔，椭圆水孔，扁长水孔等,见图7)，若其出口的长度方向与井底切削轮廓线平行或基本平行，则称其为横式水孔；立式水孔是指出口长度方向与横式水孔相垂直的情况，即出口长度方向与井底切削轮廓线垂直或基本垂直。
实施例
一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，如图1所示，包括钻头体1、延伸自钻头体的刀翼2，所述刀翼2包括刀翼前侧面202与刀翼后侧面203，所述刀翼2上还设置有金刚石切削齿21或切削元件，相邻所述刀翼之间形成水道槽3，其特征在于：在至少一个所述刀翼2的前方设置有延伸自钻头体或连接在钻头体1上的后喷水孔座4，后喷水孔座4的端面41上设置有与钻头内流道101相通的后喷水孔。即在钻头旋转方向上，至少一个所述刀翼的前方设置有水孔座，水孔座上具有能向后喷射的水孔，后喷水孔能直接喷射到所述刀翼上的切削齿或切削齿前方的岩石。
通常情况下，对一个刀翼而言，在钻头旋转方向上靠前的一侧面为前侧面，而在后的一面为后侧面，如图1中的件号202为刀翼前侧面，件号203为刀翼后侧面。
本发明中，后喷水孔座的设置，可以缩短与紧邻且旋转在刀翼上切削齿的距离，液流能耗小，喷射速度大，对切削齿的冷却和岩屑的运移能力有很大的提高。作为本领域内的研究人员很容易想到的是，后喷水孔座上还可以设置切削齿，如图2所示。
作为优选例，将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在刀翼体上，如图2所示。该方案能够针对不同地层条件，提高钻头的水力系统的设计灵活性。
上述方案中，有利于提高钻头体结构空间的利用效率，减少甚至避免因水孔座的设置而导致钻头布齿空间减少的现象。
作为优选例，将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在所述刀翼体上，且所述刀翼上具有凸起水孔体，后喷水孔出口设置在所述的凸起水孔体上,如图1、2所示。该方案可缩短液流对切削齿或岩石的喷射距离，提高喷射速度，减少水力能量的浪费。同时凸起水孔体的设置能降低对刀翼切削结构的影响。
作为优选例，所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口形状包括圆形、半圆形、椭圆形、矩形、菱形、扁长型或它们之间的组合，如图3、4、5所示，喷水孔座上的水孔为圆形水孔与扁长水孔组合。为便于理解扁长水孔，参考图7所示，d1为扁长水孔出口宽度，d2为扁长水孔出口长度；这里约定d2/d1的值大于1时，即为扁长水孔。显然，当水孔宽度方向和长度方向上不规则时，宽度为最大宽度，长度为最大长度。该方案不同的水孔出口形状，可针对不同的地层条件和冷却区域进行选择，合理优化水力能量的利用率，从而大大提高地层岩石及切削齿的冷却效果，提高钻井效率。
作为优选例，所述后喷水孔座上装有可换式喷嘴，如图8所示。该方案可对液流喷射过程中所造成的喷嘴损坏现象进行及时更换，从而提高钻头水力能量的利用率，提高对井底岩石或切削齿的冷却能量。此外，不同的应用条件往往需要不同的水孔参数组合，可换式喷嘴有利于提高钻头对使用条件的适应性。
作为优选例，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿的切削区域，如图9中I区域、图10所示。该方案可降低井底切削区域表面温度，有效缓解切削过程中切削齿产生的切削热，提高切削效率。
作为优选例，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或前部区域，如图9中的II区域。该方案可提前对该区域的岩石进行冷却，使切削齿在切削该部分岩石时，减少该过程作用与切削齿的摩擦热，从而提高切削齿的切削效率。
作为优选例，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或后部区域，如图9的中III区域所示。该方案可提前对该区域进行有效冷却。尤其在高温钻井中，在井下高温及切削热的共同作用下，切削区域温度极高，提前对将要切削区域进行冷却，对即将切削后的切削齿进行切削降温，从而避免将要切削区域产生与切削区域过程中切削热的升高，从而有效避免热磨损现象的发生。
作为优选例，至少1个所述后喷水孔在井底的喷射角度范围为10°≤a≤70°，后喷水孔在井底的喷射角度a为射流轴线或中线与井底岩石表面的夹角，如图10所示。该方案可实现水孔对不同区域的冷却范围，从而有针对性的对所要需要的冷却区域进行有效冷却，尤其在高温钻井中所切削部位温度较高时，可通过水孔对该区域的冷却加大切削齿的使用寿命，减小热磨损现象的发生，提高钻井效率。
作为优选例，所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口为包括椭圆形、矩形、菱形、扁长形在内的立式非圆水孔，如图11所示，为扁长立式水孔。该方案增大了水孔对井底岩石的周向或切向扫掠范围或覆盖范围，有利于提高射流对井底岩石和切削齿的冷却效果。
作为优选例，金刚石钻头的切削齿或切削元件为PDC齿(人造聚晶金刚石复合片)，或孕镶金刚石齿，或其它各种不同种类切削元件的组合，以适应钻井中不同地层条件的需要。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体的刀翼，所述刀翼包括前侧面与后侧面，所述刀翼上还设置有金刚石切削齿，相邻所述刀翼之间形成水道槽，其特征在于：在至少一个所述刀翼的前方设置有延伸自钻头体或连接在钻头体上的后喷水孔座，后喷水孔座上设置有与钻头内流道相通的后喷水孔，后喷水孔能直接喷射到所述刀翼上的切削齿或切削齿前方的岩石。
2.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在所述刀翼体上。
3.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：将至少一个刀翼作为后喷水孔座，后喷水孔设置在所述刀翼体上，且所述刀翼上具有凸起水孔体，后喷水孔出口设置在所述的凸起水孔体上。
4.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口形状包括圆形、椭圆形、矩形、扁长型或它们之间的组合。
5.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：所述后喷水孔座上装有可换式喷嘴。
6.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿的切削区域。
7.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或前部区域。
8.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：至少1个所述后喷水孔在井底的喷射位置为后方刀翼切削齿前方的井底岩石上，且在水道槽水道宽度的中部和/或后部区域。
9.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：至少1个所述后喷水孔的喷射角范围为10°≤a≤70°。
10.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：至少1个所述后喷水孔的喷射角范围为10°≤a≤45°。
11.如权利要求1所述的一种具有高效水孔结构的金刚石钻头，其特征在于：所述后喷水孔座上设置的后喷水孔的出口为包括椭圆形、矩形、扁长形在内的立式非圆水孔。
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