CN111101868B - 射流pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流PDC钻头，其涉及石油天然气钻井工程领域，射流PDC钻头包括：钻头本体，钻头本体的下端具有切削结构，钻头本体上具有容纳腔室以及用于分流的流道单元；设置在容纳腔室中的液电脉冲机构，液电脉冲机构包括：固定件，固定件具有由上向下的导流通道，导流通道与流道单元相连通，固定件中开设有导线槽单元；设置在导流通道的侧壁上的至少一个电极单元，电极单元包括：相对设置的正电极和负电极；设置在导线槽单元中的第一导线和第二导线，第一导线与正电极相连接，第二导线与负电极相连接；钻头接头，钻头接头连接在钻头本体的上端。本身申请能够在钻头内部直接形成高压射流，无需其它增压设备。

Description

射流PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井工程领域，特别涉及一种射流PDC钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，由于地层环境的差异，导致软硬地层的不能均匀分布，当钻头钻达软硬交替地层时，常规PDC钻头在钻进过程中，钻头切削齿的损耗将会增大。因为，当进入软地层的时候，常规PDC钻头会出现泥包等现象，当进入硬地层的时候，硬地层的岩石又会对齿的反作用力增大，导致钻头出现崩齿现象，降低钻头的破岩效率，钻头的使用寿命也会因此降低。因此，为了适应复杂地层的高效钻进，设计研制新型PDC钻头成为满足油气资源开发的重要任务。

发明内容

目前，结合现有钻头设计技术方案与钻井工程实际情况，当钻头在硬地层或者研磨性较强的地层时，由于岩石的硬度大，钻头的破岩效率低。为了解决上述问题，通常在钻具组合中加入提速工具，辅助钻头破岩，但是现有的各类提速工具结构都较为复杂，且适用性不一定能够满足生产需求。并且由于加入提速工具，增加钻具组合长度，提速工具的工作参数对测井仪器的工作性能也会产生影响。因此，为了降低提速工具带来的不利影响，将提速工具的功能直接叠加在钻头上，使钻头具备一定的提速效果，将会成为重要发展方向。

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种射流PDC钻头，其能够在钻头内部直接形成高压射流，无需其它增压设备。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种射流PDC钻头，所述射流PDC钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体的下端具有切削结构，所述钻头本体上具有容纳腔室以及用于分流的流道单元；

设置在所述容纳腔室中的液电脉冲机构，所述液电脉冲机构包括：固定件，所述固定件具有由上向下的导流通道，所述导流通道与所述流道单元相连通，所述固定件中开设有导线槽单元；设置在所述导流通道的侧壁上的至少一个电极单元，所述电极单元包括：相对设置的正电极和负电极；设置在所述导线槽单元中的第一导线和第二导线，所述第一导线与正电极相连接，所述第二导线与负电极相连接；

钻头接头，所述钻头接头连接在所述钻头本体的上端。

优选地，所述流道单元包括：分流腔室，多个与所述分流腔室相连通的流道，多个所述流道延伸至所述钻头本体的下端的不同位置。

优选地，所述容纳腔室的壁面上具有凸起部，所述固定件上具有与所述凸起部相对应的凹陷部；当所述凸起部与所述凹陷部相卡合时，所述固定件与所述钻头本体之间无法转动。

优选地，所述固定件包括沿竖直方向的横截面分割的第一部分固定件和第二部分固定件，所述固定件上开设有至少一个贯穿孔，所述贯穿孔同时穿透所述第一部分固定件和所述第二部分固定件；在所述贯穿孔中设置有用于将所述第一部分固定件和所述第二部分固定件进行紧固的紧固件。

优选地，所述固定件包括沿竖直方向的横截面分割的第一部分固定件和第二部分固定件，所述导线槽单元开设在所述第一部分固定件朝向所述第二部分固定件的面上和/或所述第二部分固定件朝向所述第一部分固定件的面上。

优选地，所述导流通道的侧壁上开设有多个安装孔，所述安装孔与导线槽单元相连通；所述正电极和所述负电极分别安装在所述安装孔中。

优选地，所述正电极和所述负电极的表面均包裹有绝缘件，所述正电极和所述负电极的端部露出所述绝缘件。

优选地，所述电极单元为多个，多个所述电极单元在所述固定件上由上向下依次设置。

优选地，当所述电极单元为多个时，多个所述电极单元的放电顺序为由上向下依次轮流进行放电，相邻的所述电极单元的放电时间之间具有间隔。

优选地，所述固定件的上端设置有第一电缆接头和第二电缆接头，所述第一电缆接头与所述第一导线相连接，所述第二电缆接头与所述第二导线相连接；所述第一电缆接头和所述第二电缆接头能与穿过所述钻头接头的电缆单元相连接。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中的射流PDC钻头在通过切削结构向下钻进时，连续流动的钻井液通过钻头接头输送至固定件的导流通道中，导流通道中的钻井液在电极单元放电下形成冲击波，冲击波向下传递至流道单元中，会在流道单元中形成巨大的压力，从而挤压流体从流道单元中向下喷射射出，进而形成高压射流冲击岩石，辅助切削结构进行破岩，提高钻井效率。同时可以控制电极单元放电的时间间隔产生脉冲射流，从而达到以波动的压力方式作用在切削结构处需要破碎的岩石等，且会对钻头底部产生抽吸作用，减小井底围压，最终改变井底流场合岩石应力场的效果，如此可以大幅提高机械钻速。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中射流PDC钻头的剖面图。

图2为本发明实施例中射流PDC钻头的正视图。

图3为本发明实施例中液电脉冲机构的剖面图。

图4为本发明实施例中固定件的剖面图。

图5为本发明实施例中固定件的沿竖直方向的横截面的剖面图。

图6为图4中A-A处的截面图。

图7为图4中B-B处的截面图。

以上附图的附图标记：

1、钻头本体；11、切削结构；12、容纳腔室；13、流道单元；131、分流腔室；132、流道；14、凸起部；2、液电脉冲机构；21、固定件；211、导流通道；212、导线槽单元；213、安装孔；22、正电极；23、负电极；24、第一导线；25、第二导线；26、凹陷部；27、贯穿孔；28、绝缘件；29、第一电缆接头；210、第二电缆接头；3、钻头接头。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够在钻头内部直接形成高压射流，无需其它增压设备，在本申请中提出了一种射流PDC钻头，图1为本发明实施例中射流PDC钻头的剖面图，图2为本发明实施例中射流PDC钻头的正视图，如图1和图2所示，射流PDC钻头可以包括：钻头本体1，钻头本体1的下端具有切削结构11，钻头本体1上具有容纳腔室12以及用于分流的流道单元13；设置在容纳腔室12中的液电脉冲机构2，液电脉冲机构2包括：固定件21，固定件21具有由上向下的导流通道211，导流通道211与流道单元13相连通，固定件21中开设有导线槽单元212；设置在导流通道211的侧壁上的至少一个电极单元，电极单元包括：相对设置的正电极22和负电极23；设置在导线槽单元212中的第一导线24和第二导线25，第一导线24与正电极22相连接，第二导线25与负电极23相连接；钻头接头3，钻头接头3连接在钻头本体1的上端。

本申请中的射流PDC钻头在通过切削结构11向下钻进时，连续流动的钻井液通过钻头接头3输送至固定件21的导流通道211中，导流通道211中的钻井液在电极单元放电下形成冲击波，冲击波向下传递至流道单元13中，会在流道单元13中形成巨大的压力，从而挤压流体从流道单元13中向下喷射射出，进而形成高压射流冲击岩石，辅助切削结构11进行破岩，提高钻井效率。同时可以控制电极单元放电的时间间隔产生脉冲射流，从而达到以波动的压力方式作用在切削结构11处需要破碎的岩石等，且会对钻头底部产生抽吸作用，减小井底围压，最终改变井底流场合岩石应力场的效果，如此可以大幅提高机械钻速。

为了能够更好的了解本申请中的射流PDC钻头，下面将对其做进一步解释和说明。如图1，射流PDC钻头的钻头本体1具有沿竖直方向延伸的轴线，钻头本体1的最下端具有切削结构11，切削结构11用于在射流PDC钻头向下钻进时对岩石等进行破碎，从而保证射流PDC钻头能够顺利向下。切削结构11一般包括多个刀翼以及设置在刀翼上的切削齿。刀翼一般由钻头本体1的中部方向向钻头本体1的边缘方向延伸，可以是以螺旋的方式延伸，也可以是沿大体偏直线的方式延伸。位于边缘处的刀翼可以有钻头本体1的下端方向向上端方向延伸，以使刀翼到钻头本体1中心的距离大于钻头本体1直径的距离，这样有助于提高切削结构11的切削效果。

如图1所示，钻头本体1上具有容纳腔室12和用于分流的流道单元13。容纳腔室12大体位于钻头本体1的上端面。流道单元13位于容纳腔室12的下方。流道单元13与容纳腔室12相连通。流道单元13包括：分流腔室131，多个与分流腔室131相连通的流道132，多个流道132延伸至钻头本体1的下端的不同位置。例如流道132延伸至钻头本体1的相邻刀翼之间，流道132的出射口大体可以绕钻头本体1的轴线呈圆周分布。在优选的实施方式中，流道132接近分流腔室131处的直径大于远离分流腔室131处的直径，如此，有助于提高最终从流道132射出的钻井液的压力和流速。分流腔室131可以是一个大体呈圆球状的腔室，当钻井液的冲击波到达该分流腔室131时，就会在该腔室内形成巨大的压力，从而挤压钻井液从流道132中射出，通过上述方式形成高压射流。圆球状的腔室有助于将腔室中的钻井液较为均匀的分配至不同的流道132中射出。

图3为本发明实施例中液电脉冲机构的剖面图，如图1和图3所示，液电脉冲机构2设置在容纳腔室12中。液电脉冲机构2可以包括：固定件21，电极单元、第一导线24和第二导线25。固定件21设置在容纳腔室12中，为了防止固定件21在容纳腔室12中发生转动，容纳腔室12的壁面上可以具有凸起部14，固定件21上具有与凸起部14相对应的凹陷部26。当凸起部14与凹陷部26相卡合时，固定件21与钻头本体1之间无法转动。

如图1和图3所示，固定件21具有由上向下的导流通道211，导流通道211与流道单元13相连通。导流通道211位于固定件21的中心处，导流通道211与流道单元13的分流腔室131相连通。导流通道211的末端尺寸与分流腔室131和导流通道211连接处的尺寸相同，如此可以避免导流通道211中的带有冲击波的钻井液流至分流腔室131中时钻井液的参数发生巨变或钻井液发生各种扰动等。

图4为本发明实施例中固定件的剖面图，如图4所示，固定件21中开设有导线槽单元212，导流通道211的侧壁上开设有多个安装孔213，安装孔213与导线槽单元212相连通。导线槽单元212中设置有第一导线24和第二导线25。导流通道211的侧壁上设置有至少一个电极单元，电极单元包括：相对设置的正电极22和负电极23。正电极22和负电极23分别安装在安装孔213中。第一导线24用于与正电极22相连接，第二导线25用于与负电极23相连接。

通过电极单元在液体中发生快速高电压电弧放电，电弧通道快速膨胀以及液体汽化、膨胀会向外辐射强烈的激波，该现象为“液电效应”的物理效应之一。当放电等离子体产生在液体介质(钻井液)时，会在液体介质中产生放电的压力冲击波，这部分压力冲击波作用时间短，但峰值压力可达10⁹Pa至10¹⁰Pa；同时液体介质会产生气泡，气泡的溃灭会产生另一部分的压力波，这部分压力波峰值压力虽然只有放电时压力的10％至20％，但作用时间较长，如此可以产生一个持续性时间长的压力波。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，正电极22和负电极23均采用针电极，分别由高压电极和低压电极组成，正电极22和负电极23的几何中轴线重合并沿着固定件21的中轴线呈对称分布。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，正电极22和负电极23的表面均包裹有绝缘件28，正电极22和负电极23的端部露出绝缘件28。通过上述方式能够有效减少正电极22和负电极23在放电时的漏电，起到提高激波强度的效果。绝缘件28可以由热缩管、环氧、聚甲醛或聚醚酮材料等制成，其也可以由其它任何具有一定机械强度及电气绝缘强度的材料制成。

在一种可行的实施方式中，为了能够在固定件21内部开设导线槽单元212，铺设第一导线24、第二导线25以及安装电极单元等，图6为图4中A-A处的截面图，如图4和图6所示，固定件21可以包括沿竖直方向的横截面分割的第一部分固定件21和第二部分固定件21，图7为图4中B-B处的截面图，如图7所示，固定件21上开设有至少一个贯穿孔27，贯穿孔27同时穿透第一部分固定件21和第二部分固定件21；在贯穿孔27中设置有用于将第一部分固定件21和第二部分固定件21进行紧固的紧固件。导线槽单元212开设在第一部分固定件21朝向第二部分固定件21的面上和/或第二部分固定件21朝向第一部分固定件21的面上。通过上述结构可以在固定件21内部开设导线槽单元212。在一种可行的实施方式中，贯穿孔27两端的直径大于中间的直径，紧固件可以采用螺栓和螺母等，贯穿孔27的两端用于容置螺栓较大的端部和螺母。当通过固定件21收紧第一部分固定件21和第二部分固定件21时，第一部分固定件21和第二部分固定件21结合在一起，且钻井液无法进入导线槽单元212中。当需要开设导线槽单元212时，先将固定件21分成第一部分固定件21和第二部分固定件21，然后再开设导线槽单元212和安装孔213，开设完成以后，再在导线槽单元212中铺设第一导线24、第二导线25和电极单元，完成之后，再通过紧固件将第一部分固定件21和第二部分固定件21结合在一起。

如图1和图3所示，固定件21的上端可以设置有第一电缆接头29和第二电缆接头210，第一电缆接头29与第一导线24相连接，第二电缆接头210与第二导线25相连接；第一电缆接头29和第二电缆接头210能与穿过钻头接头3的电缆单元相连接。电缆单元可与地面电源、井下发电机或者电池相连接以实现供电，再由井下的钻头本体1上的液电脉冲机构2产生高压电，从而击穿正电极22和负电极23的间隙，产生激波。

图5为本发明实施例中固定件的沿竖直方向的横截面的剖面图，如图1、图3、图4和图5所示，电极单元为多个，多个电极单元在固定件21上由上向下依次设置。具体而言可以根据实际需求设置电极单元的个数，每隔一段距离就可以安装一对电极单元。通过安装多个电极单元可以有效提高形成的冲击波的强度。

在一种优选的实施方式中，当电极单元为多个时，多个电极单元的放电顺序可以为由上向下依次轮流进行放电，相邻的电极单元的放电时间之间具有间隔。如此，通过控制不同电极单元的放电时间，多个电极单元由上向下依次轮流进行放电，每次放电导流通道211中的钻井液都会产生一个冲击波，这样在导流通道211中就会形成一个逐渐增大的向井底传递的压力冲击波，当冲击波到达流道单元13中的分流腔室131时，就会在分流腔室131中形成巨大的压力。通过控制多个电极单元每一轮放电的时间间隔还可以产生脉冲射流，达到以波动压力作用井底岩石，从而改变井底流场及岩石应力场的效果。

如图1所示，射流PDC钻头的钻头接头3连接在钻头本体1的上端，钻头本体1上端内侧壁上可以开设有内螺纹，钻头接头3的下端可以开设有外螺纹，两者可以通过螺纹了解在一起。同时钻头接头3的下端抵住液电脉冲机构2，从而对液电脉冲机构2在轴向进行限位。钻头接头3上也具有通道，该通道供钻井液下流至固定件21的导流通道211以及电缆单元穿过。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种射流PDC钻头，其特征在于，所述射流PDC钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体的下端具有切削结构，所述钻头本体上具有容纳腔室以及用于分流的流道单元；

设置在所述容纳腔室中的液电脉冲机构，所述液电脉冲机构包括：固定件，所述固定件具有由上向下的导流通道，所述导流通道与所述流道单元相连通，所述固定件中开设有导线槽单元；设置在所述导流通道的侧壁上的多个电极单元，所述电极单元包括：相对设置的正电极和负电极；设置在所述导线槽单元中的第一导线和第二导线，所述第一导线与正电极相连接，所述第二导线与负电极相连接；多个所述电极单元在所述固定件上由上向下依次设置；多个所述电极单元的放电顺序为由上向下依次轮流进行放电，相邻的所述电极单元的放电时间之间具有间隔；所述正电极和所述负电极均采用针电极；

钻头接头，所述钻头接头连接在所述钻头本体的上端。

2.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述流道单元包括：分流腔室，多个与所述分流腔室相连通的流道，多个所述流道延伸至所述钻头本体的下端的不同位置。

3.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述容纳腔室的壁面上具有凸起部，所述固定件上具有与所述凸起部相对应的凹陷部；当所述凸起部与所述凹陷部相卡合时，所述固定件与所述钻头本体之间无法转动。

4.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述固定件包括沿竖直方向的横截面分割的第一部分固定件和第二部分固定件，所述固定件上开设有至少一个贯穿孔，所述贯穿孔同时穿透所述第一部分固定件和所述第二部分固定件；在所述贯穿孔中设置有用于将所述第一部分固定件和所述第二部分固定件进行紧固的紧固件。

5.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述固定件包括沿竖直方向的横截面分割的第一部分固定件和第二部分固定件，所述导线槽单元开设在所述第一部分固定件朝向所述第二部分固定件的面上和/或所述第二部分固定件朝向所述第一部分固定件的面上。

6.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述导流通道的侧壁上开设有多个安装孔，所述安装孔与导线槽单元相连通；所述正电极和所述负电极分别安装在所述安装孔中。

7.根据权利要求6所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述正电极和所述负电极的表面均包裹有绝缘件，所述正电极和所述负电极的端部露出所述绝缘件。

8.根据权利要求1所述的射流PDC钻头，其特征在于，所述固定件的上端设置有第一电缆接头和第二电缆接头，所述第一电缆接头与所述第一导线相连接，所述第二电缆接头与所述第二导线相连接；所述第一电缆接头和所述第二电缆接头能与穿过所述钻头接头的电缆单元相连接。

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