CN111485827A - 钻头及钻井装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于钻头及钻井装置，该钻头包括接头和钻头体；所述接头内设置有水力振荡腔，所述水力振荡腔用于使流入所述水力振荡腔的钻井液在所述水力振荡腔内形成自激振荡效应，产生压力波动，带动所述钻头纵向振动，钻头将高频振动传递给接触的岩石，进而诱发岩石发生共振破坏，辅助钻头破岩；所述钻头体内设置有喷嘴，所述水力振荡腔的出口连通所述喷嘴，所述喷嘴用于将所述水力振荡腔流出的钻井液喷出所述钻头。本技术方案可以提高破岩速度，延长钻具寿命，有利于形成平滑、稳定的井眼，提高钻井效率。

Description

钻头及钻井装置

技术领域

本公开涉及钻井破岩工艺领域，尤其涉及钻头及钻井装置。

背景技术

随着我国油气勘探开发向深部和西部地质复杂条件地区发展，深井钻井速度慢的问题日益突出，对总的建井周期和钻井成本的影响很大。如何提高深井超深井钻井速度，是钻井工程领域迫切需要解决的重大技术难题之一。国外研究与实践表明，如果钻井效率提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％，因此，钻井提速对于降低钻井成本、实现效益最大化和科学生产具有重要价值。而钻井提速的关键措施之一就是要提高破岩效率，破岩技术是油气钻井技术的核心内容，破岩效率的高低直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。

现有的钻井技术是在钻头加水射流的旋转钻井的基础上发展起来的，是当前应用最多、技术最为完善的钻井技术。在深部中硬、硬地层，该钻井方式的钻井效果并不是十分理想，经常发生钻具的严重磨损，井底温度、压力过高，导致钻具容易发生故障等，增加了钻井成本，降低了钻井效率。

发明内容

本公开实施例提供一种钻头及钻井装置。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种钻头，包括接头和钻头体；

所述接头内设置有水力振荡腔，所述水力振荡腔用于使流入所述水力振荡腔的钻井液在所述水力振荡腔内形成自激振荡效应，产生压力波动，带动所述钻头纵向高频振动，进而带动岩石发生共振破坏；

所述钻头体内设置有喷嘴，所述水力振荡腔的出口连通所述喷嘴，所述喷嘴用于将所述水力振荡腔流出的钻井液喷出所述钻头。

在一个实施例中，所述水力振荡腔的壳体可拆卸地固定在所述接头的内腔。

在一个实施例中，所述压力波动的波动频率随所述水力振荡腔的压力降的增大而增大。

在一个实施例中，所述压力降的范围包括1-7MPa，所述压力波动频率的范围包括300-800Hz。

在一个实施例中，所述压力波动的波动幅度的范围包括1-2Mpa。

在一个实施例中，所述水力振荡腔包括：

头部腔，包括第一入口和第一出口，所述第一出口的截面积小于所述第一入口的截面积；

尾部腔，包括第二入口和第二出口，所述第二入口的截面积小于所述第二出口的截面积，所述第二入口的截面积小于等于所述第一入口的截面积；

中部腔，位于所述头部腔和所述尾部腔之间，包括左子腔、中子腔和右子腔，所述中子腔的一个侧壁的两端与左子腔的一个侧壁的两端连接，所述中子腔的另一侧壁的两端与右子腔的一个侧壁的两端连接；所述左子腔的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第一弧面连接至所述第二入口的侧壁端；所述右子腔的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第二弧面连接至所述第二入口的侧壁端；

其中，所述左子腔形状为凹槽型，所述右子腔的形状为与所述左子腔对称的凹槽型，所述中子腔的形状为喇叭型，所述左子腔的出口的截面积小于左子腔腔体的截面积，所述右子腔的出口的截面积小于右子腔腔体的截面积。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种钻井装置，包括上述的钻头。

本实施例提供的钻头在钻井过程中，可以依靠钻井液在该钻头的水力振荡腔内产生的自激振荡效应生成压力波动，该压力波动带动钻头自身纵向高频振动，其振动频率与岩石固有频率接近时，诱发岩石共振，当岩石的整体振动位移达到峰值，会导致岩石强度大幅降低，加速岩石损伤破碎，提高破岩速度；而且采用共振原理进行破岩，钻压、扭矩、钻柱振动和钻头摩阻都会减小，这将导致井下工具磨损和钻柱失效的几率下降，钻头寿命延长，降低钻井成本；而且较为集中的能量和显著降低的钻井时间将有利于形成平滑、稳定的井眼，降低钻井事故；这些都可以提高钻井效率，减少钻井时间，节约成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种钻头的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种带壳体的水力振荡腔的结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种水力振荡腔内的水流情况示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种钻井装置的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种钻头的结构示意图，如图1所示，该钻头包括接头11和钻头体12。

如图1所示，该接头11内设置有水力振荡腔13，所述水力振荡腔13用于使流入所述水力振荡腔13的钻井液在所述水力振荡腔13内形成自激振荡效应，产生纵向的压力波动，带动所述钻头纵向高频振动，进而带动接触的岩石发生共振破坏，辅助钻头破碎岩石。

这里，自激振荡效应是钻井液进入水力振荡腔13后，利用液体的不稳定流动特性以及附壁效应，通过水力振荡腔13的腔体形状改变钻井液的流动方向和流速，形成涡流，与水力振荡腔13的腔壁碰撞，如此产生压力波动。本公开的水力振荡腔产生的压力波动可以带动该钻头纵向高频振动。

这里，当该水力振荡腔13的结构尺寸固定时，其产生的压力波动的频率就是固定的，该水力振荡腔13的结构尺寸不同就可以产生不同的压力波动频率。本公开的水力振荡腔13的结构尺寸是针对待破碎的岩石的固有频率来设置的，其产生的压力波动频率与该岩石的固有频率相近。

因此，本实施例公开的钻头在钻井过程中，就可以依靠钻井液在该水力振荡腔内产生的自激振荡效应生成压力波动，该压力波动带动钻头自身纵向高频振动，其振动频率与岩石固有频率接近时，诱发岩石共振，共振是指当物体受到外界的干扰而被激励并达到其固有振动频率，物体将以最大振幅进行振动，当岩石的整体振动位移达到峰值，会导致岩石强度大幅降低，加速岩石损伤破碎，提高破岩速度；而且采用共振原理进行破岩，钻压、扭矩、钻柱振动和钻头摩阻都会减小，这将导致井下工具磨损和钻柱失效的几率下降，钻头寿命延长，降低钻井成本；而且较为集中的能量和显著降低的钻井时间将有利于形成平滑、稳定的井眼，降低钻井事故；这些都可以提高钻井效率。

如图1所示，所述钻头体12内设置有喷嘴14，该水力振荡腔13的出口连通所述喷嘴14，所述喷嘴14用于将所述水力振荡腔流出的钻井液喷出所述钻头外。

这里，在使用该钻头进行破岩时，钻井液可以经过泥浆泵泵入钻柱进而进入钻头的水力振荡腔13中，该水力振荡腔13流出的钻井液流入喷嘴14后被喷出所述钻头外，带动钻出的岩屑返出达到钻柱与井眼之间的环形空间(简称环空)内，出了环空就到达固控设备，经净化处理后就会重新回到泥浆池内，通过泥浆泵重新泵入钻柱，如此实现钻井液的循环使用。

在一种可能的实施方式中，所述水力振荡腔13的壳体可拆卸地固定在所述接头的内腔。示例的，图2是根据一示例性实施例示出的一种带壳体的水力振荡腔的结构示意图，如图2所示，该水力振荡腔13可以由壳体130内的空腔形成。

这样，针对不同固有频率的岩石，可以设置各种结构尺寸的水力振荡腔，但是不同尺寸的水力振荡腔的壳体的外表面的尺寸是相同的，如可以都是一个相同尺寸的长方体，钻头的接头处也都会设置相应的长方体空腔；如此，在钻井破岩时，可以先对地层岩石材料的幅频特征进行扫描，确定岩石材料的固有频率；然后从各种不同尺寸的水力振荡腔中选择可以产生与该固有频率相近压力波动频率的水力振荡腔，将该水力振荡腔的壳体安装在相应钻头的空腔内，并驱动钻头开始工作。

在一种可能的实施方式中，本公开提供的水力振荡腔产生的压力波动的波动频率随所述水力振荡腔的压力降的增大而增大。

这里，压力降是压力降指的是压差，一般指流体经过某容器或设备等所损失的压力，本公开中水力振荡腔的压力降是指经过水力振荡腔的钻井液在水力振荡腔的入口处的压力减去在水力振荡腔的出口处的压力。这些损失的压力部分可以转化为压力波动的能量，所述水力振荡腔的压力降增大，则转化为压力波动的能量也增多，产生的压力波动的波动频率就增大。

在一种可能的实施方式中，所述压力降的范围包括1-7MPa，所述压力波动的波动频率的范围包括300-800Hz。

这里，由于井底坚硬岩石的固有频率一般为400-700Hz，故使用本公开提供的产生波动频率在300-800Hz的钻头，可以使大部分岩石都产生共振。

在一种可能的实施方式中，所述压力波动的波动幅度的范围包括1-2Mpa。

该压力波动由高压和低压组成，该高压峰值与低压峰值之间的幅度差值在1-2Mpa。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述水力振荡腔13包括：头部腔131，包括第一入口1311和第一出口1312，所述第一出口1312的截面积小于所述第一入口1311的截面积；尾部腔132，包括第二入口1321和第二出口1322，所述第二入口1321的截面积小于所述第二出口1322的截面积，所述第二入口1321的截面积小于等于所述第一入口1311的截面积；中部腔133，位于所述头部腔131和所述尾部腔132之间，包括左子腔1331、中子腔1332和右子腔1333，所述中子腔1332的一个侧壁的两端与左子腔1331的一个侧壁的两端连接，所述中子腔1332的另一侧壁的两端与右子腔1333的一个侧壁的两端连接；所述左子腔1331的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第一弧面1334连接至所述第二入口的侧壁端；所述右子腔1333的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第二弧面1335连接至所述第二入口的侧壁端；

其中，所述左子腔1331形状为凹槽型，所述右子腔1333的形状为与所述左子腔1331对称的凹槽型，所述中子腔1332的形状为喇叭型，所述左子腔1331的出口的截面积小于左子腔1331腔体的截面积，所述右子腔1333的出口的截面积小于右子腔1333腔体的截面积。

这里，该头部腔131的第一入口1311即为该水力振荡腔13的入口，该尾部腔132的第二出口1322即为该水力振荡腔13的出口。

该水力振荡腔的形状如图2所示，该水力振荡腔的各部位的尺寸不同，产生的压力波动的波动频率就会发生变化，可以制作不同的水力振荡腔来破碎不同固有频率的岩石。

图3是根据一示例性实施例示出的一种水力振荡腔内的钻井液流动情况示意图，如图3所示，当钻井液进入该水力振荡腔内后，钻井液在各位置处的流速如图3的灰白度所示，该钻井液会在该水力振荡腔内形成涡流30，进而形成压力波动，带动该钻头纵向振动。

这里需要说明的是，该钻井液泵入该钻头即水力振荡腔的速度是根据钻井深度、钻井液密度、井眼环境等实际情况来调整的，本领域技术人员清楚了解相应的泵入流速的设置，在此不再详述。

本实施例还提供了一种钻井装置，包括上述的钻头。

这里，图4是根据一示例性实施例示出的一种钻井装置的结构示意图，如图4所示，该钻井工具可以包括钻柱2和钻头1，该钻头1的接头11一端可以设置钻头公扣111，该钻头1可以通过该钻头公扣111与钻柱2连接。

该接头11内设置有水力振荡腔13，所述水力振荡腔13用于使流入所述水力振荡腔13的钻井液在所述水力振荡腔13内形成自激振荡效应，产生纵向的压力波动，带动所述钻头纵向高频振动，进而带动接触的岩石发生共振破坏，辅助钻头破碎岩石。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种钻头，其特征在于，包括接头和钻头体；

所述接头内设置有水力振荡腔，所述水力振荡腔用于使流入所述水力振荡腔的钻井液在所述水力振荡腔内形成自激振荡效应，产生压力波动，带动所述钻头纵向高频振动；

所述钻头体内设置有喷嘴，所述水力振荡腔的出口连通所述喷嘴，所述喷嘴用于将所述水力振荡腔流出的钻井液喷出所述钻头。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述水力振荡腔的壳体可拆卸地固定在所述接头的内腔。

3.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述压力波动的波动频率随所述水力振荡腔的压力降的增大而增大。

4.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于，所述压力降的范围包括1-7MPa，所述压力波动频率的范围包括300-800Hz。

5.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述压力波动的波动幅度的范围包括1-2Mpa。

6.根据权利要求1至4任一项所述的钻头，其特征在于，所述水力振荡腔包括：

头部腔，包括第一入口和第一出口，所述第一出口的截面积小于所述第一入口的截面积；

尾部腔，包括第二入口和第二出口，所述第二入口的截面积小于所述第二出口的截面积，所述第二入口的截面积小于等于所述第一入口的截面积；

中部腔，位于所述头部腔和所述尾部腔之间，包括左子腔、中子腔和右子腔，所述中子腔的一个侧壁的两端与左子腔的一个侧壁的两端连接，所述中子腔的另一侧壁的两端与右子腔的一个侧壁的两端连接；所述左子腔的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第一弧面连接至所述第二入口的侧壁端；所述右子腔的另一侧壁的一端连接所述第一出口的侧壁端，另一端通过第二弧面连接至所述第二入口的侧壁端；

其中，所述左子腔形状为凹槽型，所述右子腔的形状为与所述左子腔对称的凹槽型，所述中子腔的形状为喇叭型，所述左子腔的出口的截面积小于左子腔腔体的截面积，所述右子腔的出口的截面积小于右子腔腔体的截面积。

7.一种钻井装置，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的钻头。

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