CN110359855B - 具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头 - Google Patents

具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头 Download PDF

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Abstract

一种具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，包含旋转喷头和喷头防失速装置，所述旋转喷头包含旋转喷头本体，在旋转喷头本体内设有导流腔，前端设有多个破岩喷孔，中部设有多个扩孔喷孔，后部设有多个破碎喷孔，所述喷头防失速装置包含有多孔控制壳，所述多孔控制壳的后部为圆柱结构，所述多孔控制壳的中部从圆柱结构向前呈直径渐大的扩大部，所述多孔控制壳的前部从扩大部向前延伸并环绕于旋转喷头本体的后部；本发明结构简单，操作维护简便，能有效克服目前自旋转射流钻头存在的喷头旋转失速、岩屑颗粒大小不可控等问题，充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用，提高钻进效率和钻进长度。

Description

具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头
技术领域
本发明涉及地层钻孔的技术领域，尤其涉及一种适用于煤层气、石油、天然气等开发领域的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头。
背景技术
现有技术中有一种自旋转射流钻头，其是在旋转射流的理论基础上衍生而来的一种具有特殊结构的钻头，是将一组或多组喷孔斜置在喷头上，利用射流反冲力因偏心而产生的反冲力矩实现喷头的自动旋转，钻孔施工时喷头高速旋转，多个喷孔联合扫描式破岩，可形成较为规则的大直径孔眼。
其不足之处在于，(1)旋转喷头在碰到前部岩壁时，易出现喷头旋转失速的问题，导致自旋转射流钻头无法发挥多喷孔联合扫描破岩作用，影响钻进效率；(2)射流破岩过程可能形成大小不一的岩屑，特别对于煤层更为明显，大颗粒岩屑的存在增加了钻进过程中的摩擦阻力及岩屑堵塞的机率，影响了钻进长度。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其结构简单，操作维护简便，能有效克服目前自旋转射流钻头存在的喷头旋转失速、岩屑颗粒大小不可控等问题，充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用，提高钻进效率和钻进长度。
为解决上述问题，本发明公开了一种具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，包含旋转喷头和喷头防失速装置，其特征在于：
所述旋转喷头包含旋转喷头本体，在旋转喷头本体内设有导流腔，前端设有多个破岩喷孔，中部设有多个扩孔喷孔，后部设有多个破碎喷孔，后端设有与钻头旋转轴螺纹连接的第一接口；
所述喷头防失速装置包含有多孔控制壳，所述多孔控制壳的后部为圆柱结构且设置有与钻头旋转体固定外壳螺纹连接的第二接口，所述多孔控制壳的中部从圆柱结构向前呈直径渐大的扩大部，所述多孔控制壳的前部从扩大部向前延伸并环绕于旋转喷头本体的后部。
其中：所述多孔控制壳的前部周缘设置有多排小孔眼通道，中部设有一排大孔眼通道，所述多孔控制壳的前端设置有多根向前延伸的防接触支撑柱，多个扩孔喷孔位于所述防接触支撑柱的内侧。
其中：所述防接触支撑柱为直径为0.5cm-1cm的圆柱。
其中：所述防接触支撑柱为2-4个且对称分布的圆柱。
其中：所述多个破岩喷孔包含从旋转喷头本体的中心周线向前倾斜设置的第一破岩喷孔、第二破岩喷孔和第三破岩喷孔，所述多个扩孔喷孔包含偏心于旋转喷头本体的中心轴线且向后倾斜的第一扩孔喷孔和第二扩孔喷孔，所述多个破碎喷孔包含从旋转喷头本体的中心轴线向后倾斜的第一破碎喷孔和第二破碎喷孔。
其中：所述第一破岩喷孔的倾斜角度为16-20度、第二破岩喷孔的倾斜角度为25-30度；第三破岩喷孔的倾斜角度为35-40度。
其中：所述第一扩孔喷孔和第二扩孔喷孔的倾斜角度相同且为45-60度。
其中：所述第一破碎喷孔的倾斜角度为65-80度、第二破碎喷孔的倾斜角度为15-30度。
通过上述结构可知，本发明的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头具有如下效果：
1、对称防接触支撑柱设计，实现了喷头不与前方岩壁接触，确保了喷头不会发生旋转失速，且可控制射流在最佳靶距范围内，从而充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用；
2、差别式多孔控制壳设计，平衡了岩屑颗粒大小控制与防止岩屑堵塞的矛盾，减小了“水垫效应”；
3、优化的喷头结构、喷孔组合设计，实现了与喷头防失速装置之间的合理匹配，降低了钻进风险，实现了在目标地层钻长钻孔的目的。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头的结构示意图。
图2显示了本发明的剖面图。
附图标记：
1-旋转喷头；1-1旋转喷头本体；1-2第一破岩喷孔；1-3-第二破岩喷孔；1-4-第三破岩喷孔；1-5-第一扩孔喷孔；1-6-第二扩孔喷孔；1-7-第一破碎喷孔；1-8-第二破碎喷孔；1-9-导流腔，1-10第一接口；2-喷头防失速装置；2-1-防接触支撑柱；2-2-多孔控制壳；2-3-小孔眼通道；2-4大孔眼通道；2-5第二接口；3-高压喷射流体。
具体实施方式
参见图1和2，显示了本发明的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头。
所述具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头包含旋转喷头1和喷头防失速装置2，其中，所述旋转喷头1包含旋转喷头本体1-1，在旋转喷头本体1-1内部设有导流腔1-9，前端设有多个破岩喷孔，中部设有多个扩孔喷孔，后部设有多个破碎喷孔，后端设有与钻头旋转轴螺纹连接的第一接口1-10。
所述喷头防失速装置2包含有多孔控制壳2-2，所述多孔控制壳2-2的后部为圆柱结构且设置有与钻头旋转体固定外壳螺纹连接的第二接口2-5，所述多孔控制壳2-2的中部从圆柱结构向前呈直径渐大的扩大部，所述多孔控制壳2-2的前部从扩大部向前延伸并环绕于旋转喷头本体1-1的后部，其中，所述多孔控制壳2-2的前部周缘设置有多排小孔眼通道2-3，中部设有一排大孔眼通道2-4，所述小孔眼通道2-3可为圆孔，所述大孔眼通道2-4为圆柱状的长条孔，且所述多孔控制壳2-2的前端设置有多根向前延伸的防接触支撑柱2-1，多个扩孔喷孔位于所述防接触支撑柱2-1的内侧，由此，喷头防失速装置2前端设置的防接触支撑柱2-1可避免喷头与前方岩壁接触，确保了喷头不会发生旋转失速，且可控制射流在最佳靶距范围内，从而充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用；多孔控制壳2-2上设置的小孔眼通道2-3可实现钻井液及小粒径岩屑的排出，避免出现喷头前部因排液不畅导致憋压，形成明显的“水垫效应”，影响破岩效率；多孔控制壳2-2上设置的大孔眼通道2-4可通过直径较大的岩屑，对于经过前端多次破碎尺寸仍较大的少数岩屑，确保其能及时排出，避免在旋转喷头根部堆积或卡在大孔眼通道，影响旋转喷头旋转及导致憋压。
可选的是，所述多个破岩喷孔包含从旋转喷头本体1-1的中心周线向前倾斜设置的第一破岩喷孔1-2、第二破岩喷孔1-3和第三破岩喷孔1-4，所述第一破岩喷孔1-2、第二破岩喷孔1-3和第三破岩喷孔1-4均倾斜向前设置，所述多个扩孔喷孔包含偏心于旋转喷头本体1-1的中心轴线且向后倾斜的第一扩孔喷孔1-5和第二扩孔喷孔1-6，所述多个破碎喷孔可包含从旋转喷头本体1-1的中心轴线向后倾斜的第一破碎喷孔1-7和第二破碎喷孔1-8。
由此，本发明中旋转喷头1利用在旋转喷头本体1-1中部设置的偏心于中轴线的第一扩孔喷孔1-5、第二扩孔喷孔1-6的射流反冲力矩实现喷头的自动旋转；利用在旋转喷头本体1-1前端设置的第一破岩喷孔1-2、第二破岩喷孔1-3；第三破岩喷孔1-4在旋转状态下实现扫描破岩形成大于旋转喷头本体直径的钻孔；利用在旋转喷头本体1-1侧部设置的第一扩孔喷孔1-5、第二扩孔喷孔1-6实现钻孔直径的扩大；利用在旋转喷头本体1-1侧部设置的第一破碎喷孔1-7、第二破碎喷孔1-8实现的进一步破碎；其中第一扩孔喷孔1-5、第二扩孔喷孔1-6、第一破碎喷孔1-7、第二破碎喷孔1-8向后的设置方式也可以给自旋转射流钻头提供一定的前进动力。
更为优选的是，所述第一破岩喷孔1-2的倾斜角度为16-20度、第二破岩喷孔1-3的倾斜角度为25-30度；第三破岩喷孔1-4的倾斜角度为35-40度；第一扩孔喷孔1-5和第二扩孔喷孔1-6的倾斜角度相同且为45-60度；所述第一破碎喷孔1-7的倾斜角度为65-80度、第二破碎喷孔1-8的倾斜角度为15-30度，如此设置的多个喷孔设置，能更好的得到破岩效果。
其中：为减小支撑柱遮挡射流对破岩效果的影响，避免在支撑柱后形成岩柱，所述防接触支撑柱为直径为0.5cm-1cm的圆柱；为保证防接触支撑柱2-1受力均衡，减小在钻进过程中发生偏斜，所述防接触支撑柱为2-4个对称分布的高强度圆柱。
其中，本发明的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头工作时，旋转喷头1通过第一接口1-10与钻头旋转轴螺纹连接，喷头防失速装置2通过第二接口2-5与钻头头旋转体固定外壳螺纹连接，高压流体通过导流腔1-9从旋转喷头上的多个喷孔喷出，其中第一扩孔控喷孔1-5和第二扩孔喷孔1-6提供旋转喷头自旋转所需的动力；多个破岩喷孔在防接触支撑柱2-1的保护下，不与前端岩壁接触，实现在旋转状态下破岩钻孔；扩孔喷孔实现对所钻成的钻孔的进一步旋转扩孔，增大钻孔直径；钻进中所形成的岩屑进入多孔控制壳2-2，在破碎喷孔旋转状态下进一步打磨破碎，对于到达大孔眼通道2-4位置仍无法打磨到小直径的岩屑，则在破碎喷孔的冲击下从大孔眼通道2-4排出；此外，整个喷射过程中扩孔喷孔和破碎喷孔同时也为自旋转射流钻头提供一定前进动力。
由此可见，本发明的优点在于：
1、对称防接触支撑柱设计，实现了喷头不与前方岩壁接触，确保了喷头不会发生旋转失速，且可控制射流在最佳靶距范围内，从而充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用；
2、差别式多孔控制壳设计，平衡了岩屑颗粒大小控制与防止岩屑堵塞的矛盾，减小了“水垫效应”；
3、优化的喷头结构、喷孔组合设计，实现了与喷头防失速装置之间的合理匹配，降低了钻进风险，实现了在目标地层钻长钻孔的目的。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (6)

1.一种具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，包含旋转喷头和喷头防失速装置，其特征在于：
所述旋转喷头包含旋转喷头本体，在旋转喷头本体内设有导流腔，前端设有多个破岩喷孔，中部设有多个扩孔喷孔，后部设有多个破碎喷孔，后端设有与钻头旋转轴螺纹连接的第一接口；
所述喷头防失速装置包含有多孔控制壳，所述多孔控制壳的后部为圆柱结构且设置有与钻头旋转体固定外壳螺纹连接的第二接口，所述多孔控制壳的中部从圆柱结构向前呈直径渐大的扩大部，所述多孔控制壳的前部从扩大部向前延伸并环绕于旋转喷头本体的后部；
所述多孔控制壳的前部周缘设置有多排小孔眼通道，中部设有一排大孔眼通道，所述小孔眼通道为圆孔以实现钻井液及小粒径岩屑的排出、避免出现喷头前部因排液不畅导致憋压且形成明显的水垫效应，所述大孔眼通道为圆柱状的长条孔以通过直径较大的岩屑且避免在旋转喷头根部堆积或卡在大孔眼通道来影响旋转喷头旋转及导致憋压，所述多孔控制壳的前端设置有多根向前延伸的防接触支撑柱，所述防接触支撑柱为2-4个且对称分布的圆柱，多个扩孔喷孔位于所述防接触支撑柱的内侧从而通过防接触支撑柱避免喷头与前方岩壁接触，确保了喷头不会发生旋转失速，从而充分发挥自旋转射流钻头多喷孔联合扫描破岩作用。
2.如权利要求1所述的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其特征在于：所述防接触支撑柱为直径为0.5cm-1cm的圆柱。
3.如权利要求1或2所述的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其特征在于：所述多个破岩喷孔包含从旋转喷头本体的中心周线向前倾斜设置的第一破岩喷孔、第二破岩喷孔和第三破岩喷孔，所述多个扩孔喷孔包含偏心于旋转喷头本体的中心轴线且向后倾斜的第一扩孔喷孔和第二扩孔喷孔，所述多个破碎喷孔包含从旋转喷头本体的中心轴线向后倾斜的第一破碎喷孔和第二破碎喷孔。
4.如权利要求3所述的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其特征在于：所述第一破岩喷孔的倾斜角度为16-20度、第二破岩喷孔的倾斜角度为25-30度；第三破岩喷孔的倾斜角度为35-40度。
5.如权利要求3所述的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其特征在于：所述第一扩孔喷孔和第二扩孔喷孔的倾斜角度相同且为45-60度。
6.如权利要求3所述的具有防失速装置的自旋转射流钻头用喷头，其特征在于：所述第一破碎喷孔的倾斜角度为65-80度、第二破碎喷孔的倾斜角度为15-30度。
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