CN113404439A - 一种粒子冲击钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油田钻井设备技术领域，具体涉及一种粒子冲击钻头，包括圆周分布的钻头主体、射吸装置外壳、射流喷嘴座、喷嘴螺丝帽、射流喷嘴、管壁螺丝帽、管壁入液喷嘴和钻头喷嘴；钻头主体设置在射吸装置外壳的底部，射流喷嘴座安装于射吸装置外壳的流道的底部，射流喷嘴安装在射流喷嘴座的底部，射流喷嘴位于进液室内；管壁入液喷嘴安装在导流孔内；进液室下方设有喉管，喉管下方设有分散管，钻头喷嘴安装在分散管下方的分流孔内。该钻头通过将自吸粒子冲击发生器应用于钻头内部，并配合优化后的钻头结构，产生带有岩屑粒子的高速流体，从而增强对岩石的冲击，降低压实效应，增强岩屑清洗和利用率，提高破岩效率，从而提高机械钻速。

Description

一种粒子冲击钻头
技术领域：
本发明属于油田钻井设备技术领域，具体涉及一种粒子冲击钻头。
背景技术：
随着油气勘探的不断深入，钻井行业向更深、更复杂的地层迈进，目前深井和超深井硬地层钻井普遍存在速度慢、周期长、成本高等问题。在深井和超深井钻井中，钻井成本可以占到总成本的70%以上，开展高效钻井破岩技术研究势在必行。
20世纪40年代末喷射钻井技术的出现是石油钻井技术的一场革命，使钻井速度上了一个台阶，1955年钻头设计时采用喷嘴组合系统，从此喷射式钻头与钻头水力学应运而生，人们开始意识到钻头水力参数是影响机械钻速的重要因素。2000年初粒子射流冲击钻进技术第一次被提出，随后科研人员开展了一系列相关工作，证实了粒子射流冲击破岩技术具有显著效果。
发明内容：
为了解决上述技术问题，结合钻头水力学和粒子射流冲击破岩理论，设计了一种粒子冲击钻头。该钻头适用于深部硬地层，能够通过粒子冲击提高破岩效率，同时通过冠部剖面结构及喷嘴水力结构，提高井眼清洁效率，并通过粒子射吸装置将环空岩屑吸入钻头从而重复利用达到粒子破岩效果。这种粒子冲击钻头能够有效提高钻井速度，适用于石油工程、采矿工程、岩土工程等领域。
本发明采用的技术方案为：一种粒子冲击钻头，所述粒子冲击钻头包括圆周分布的钻头主体、射吸装置外壳、射流喷嘴座、喷嘴螺丝帽、射流喷嘴、管壁螺丝帽、管壁入液喷嘴和钻头喷嘴；所述钻头主体设置在射吸装置外壳的底部，所述射流喷嘴座安装于射吸装置外壳的流道的底部（流道位于外壳的上部），射流喷嘴座通过喷嘴螺丝帽锁紧固定，所述射流喷嘴安装在射流喷嘴座的底部，射流喷嘴位于进液室内；所述管壁入液喷嘴安装在进液室外部圆周均布的导流孔内，并通过管壁螺丝帽锁紧固定；所述进液室下方设有喉管，喉管下方设有分散管，所述钻头喷嘴安装在分散管下方的分流孔内。
进一步的，所述钻头主体为6刀翼钻头，刀翼上布置有切削齿，在各刀翼之间布置有两组钻头喷嘴，两组钻头喷嘴分别冲蚀钻头中心直线冠部区岩石和圆弧冠部区岩石，每组喷嘴均匀的分布在射吸装置外壳底部圆顶平面上，钻头喷嘴通过螺纹与射吸装置外壳下部圆顶的沉头孔连接。
进一步的，所述刀翼上共设有27个直径为13.44mm的切削齿，其中一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有6个切削齿，另一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有3个切削齿。
进一步的，所述管壁入液喷嘴的数量为4个，其通过螺纹安装在导流孔内。
进一步的，所述喉管的上部为锥形，其下部为圆柱形。
进一步的，所述射吸装置外壳为公接头外壳，用以连接钻铤，内部设有文丘里管和安置喷嘴及喷嘴座的空间，外壳上部开有4个圆柱形孔，用以安置管壁入液喷嘴。
进一步的，所述射吸装置外壳上端内部车有螺纹，用以安置射流喷嘴座；射流喷嘴座上车有螺纹，用以安置喷嘴螺丝帽；喷嘴座底部环形空间用以安置射流喷嘴；射吸装置外壳下端车有两组共6个沉头孔，用以安置钻头喷嘴，两组钻头喷嘴分别布置在冠部直线区和圆弧区，用于冲蚀岩石和将岩屑返回环空。
本发明的有益效果：提供了一种基于文丘里效应和粒子冲击破岩原理而设计的钻头。该钻头主要是通过冠部剖面结构，将岩石破碎成细小的岩屑，并配合喷嘴将岩屑高效的返回环空。环空中的岩屑在粒子冲击钻头侧面的射吸喷嘴的吸取下重新进入钻头，与钻井液混合后形成冲击粒子，通过钻头喷嘴高速喷出，从而实现粒子冲击钻井，提高钻进效率。其主要优点如下：
（1）、该钻头能将环空中吸入的岩屑作为冲击粒子，大大提高机械钻速；
（2）、该钻头能够实现井下自循环，节省外部输送粒子的设备；
（3）、该钻头能够通过粒子冲击，在岩石中形成裂纹，从而提高破岩效率。
（4）、该钻头能够通过文丘里特殊结构，降低能量损耗。
（5）、该钻头能够通过冠部剖面、喷嘴布置设计和切削齿设计提高清岩效率，从而提高钻头整体工作效率。
附图说明：
图1是实施例一的结构示意图；
图2是实施例一中钻头主体的结构示意图；
图3是实施例一中射吸装置外壳的结构示意图；
图4是实施例一中射流喷嘴的结构示意图；
图5是实施例一中射流喷嘴螺丝帽的结构示意图；
图6是实施例一中射流喷嘴座的结构示意图；
图7是实施例一中钻头喷嘴的结构示意图；
图8是实施例一中管壁入液喷嘴的结构示意图。
具体实施方式：
实施例一
参照各图，一种粒子冲击钻头，所述粒子冲击钻头包括圆周分布的钻头主体1、射吸装置外壳2、射流喷嘴座3、喷嘴螺丝帽4、射流喷嘴5、管壁螺丝帽6、管壁入液喷嘴7和钻头喷嘴8；所述钻头主体1设置在射吸装置外壳2的底部，所述射流喷嘴座3安装于射吸装置外壳2的流道的底部，射流喷嘴座3通过喷嘴螺丝帽4锁紧固定，所述射流喷嘴5安装在射流喷嘴座3的底部，射流喷嘴5位于进液室9内；所述管壁入液喷嘴7安装在进液室9外部圆周均布的导流孔内，并通过管壁螺丝帽6锁紧；进液室9下方设有喉管10，喉管10下方设有分散管11，所述钻头喷嘴8安装在分散管11下方的分流孔内；所述钻头主体1为6刀翼钻头，刀翼上布置有切削齿，在各刀翼之间布置有两组钻头喷嘴8，两组钻头喷嘴8分别冲蚀钻头中心直线冠部区岩石和圆弧冠部区岩石，每组喷嘴均匀的分布在射吸装置外壳2底部圆顶平面上，钻头喷嘴8通过螺纹与射吸装置外壳2下部圆顶的沉头孔连接；所述刀翼上共设有27个切削齿，其中一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有6个切削齿，另一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有3个切削齿；所述管壁入液喷嘴7的数量为4个，其通过螺纹安装在导流孔内；所述喉管10的上部为锥形，其下部为圆柱形。
如图1所示，钻井液在流入射吸装置外壳后，通过公接头内部流道进入射流喷嘴座，通过射流喷嘴后形成高速射流，在进液室中形成低压区，从管壁入液喷嘴中吸入环空中的流体和岩屑。从钻柱中流入的钻井液与环空中吸入的钻井液在进液室和喉管中充分混合，并在分散管中发散，形成均匀的混合岩屑粒子的钻井液，最后通过钻头喷嘴排出，形成粒子脉冲射流，冲击井底岩石，从而在岩石中产生裂缝，并降低压实效应，从而提高破岩效率，提高机械钻速。
如图2所示，钻头主体为6刀翼钻头，刀翼上布置有27个13.44mm切削齿，在刀翼之间布置有两组钻头喷嘴分别冲蚀钻头中心直线冠部区岩石和圆弧冠部区岩石，每组喷嘴均匀的分布在射吸装置外壳底部圆顶平面上，钻头喷嘴通过螺纹与射吸装置外壳下部圆顶的沉头孔连接。钻头主体剖面结构为浅锥面、中抛面形剖面，鼻部距离钻头中心较远，浅锥面有利于增强清洗效果，使岩屑能更好地返入环空，从而提高射吸装置吸取岩屑的效率；中抛面适用于马达或螺杆等常用钻井方式，并且适用于中硬到硬且研磨性强的地层；鼻部距钻头中心较远，有利于为钻头冠部剖面提供更大的布齿面积，从而提高钻头抗冲击能力；采用13.44mm切削齿，产生的岩屑粒径较小，有利于提高粒子冲击能力，防止岩屑粒子嵌入岩石裂缝中造成重复破岩，同时小尺寸切削齿有利于提高钻头的研磨性，适用于深部中硬地层，直线区切削齿后倾角设为15°，圆弧区后倾角设为20°，采用力平衡布齿，提高切削齿破岩效率，增强钻头平衡性。
如图3所示，射吸装置外壳上部为公接头，公接头外侧车有螺纹，通过螺纹与上部钻铤连接。射吸装置外壳上部钻有4个圆柱形导流孔，内部车有螺纹，用以安放管壁入液喷嘴和螺纹连接管壁螺丝帽，管壁入液喷嘴用管壁螺丝帽旋紧。射吸装置外壳内部上端车有阶梯状圆柱形孔及螺纹，用以连接射流喷嘴座、喷嘴螺丝帽和射流喷嘴，射流喷嘴坐在射流喷嘴座中，并用喷嘴螺丝帽旋紧。射流喷嘴和管壁入液喷嘴在射流装置外壳上部内侧进液室内汇集，射流喷嘴喷出的高速射流会降低进液室的压力，从而使环空中的岩屑吸入管壁入液喷嘴中，进而进入粒子冲击钻头内部。在进液室下部车有一段锥形和一段圆柱形喉管，喉管下方是直径逐渐扩大的分散管，分散管尾部空间放大，为布置钻头喷嘴创造空间。携带岩屑粒子的钻井液通过两组钻头喷嘴产生高速射流，对井底岩石进行冲击，促进岩石产生裂缝，并将岩屑排至环空中，管壁入液喷嘴7又吸取一部分环空钻井液，从而完成一个循环。
本钻头通过将自吸粒子冲击发生器应用于钻头内部，并配合优化后的钻头结构，产生带有岩屑粒子的高速流体，从而增强对岩石的冲击，降低压实效应，增强岩屑清洗和利用率，提高破岩效率，从而提高机械钻速。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种粒子冲击钻头，其特征在于：所述粒子冲击钻头包括圆周分布的钻头主体（1）、射吸装置外壳（2）、射流喷嘴座（3）、喷嘴螺丝帽（4）、射流喷嘴（5）、管壁螺丝帽（6）、管壁入液喷嘴（7）和钻头喷嘴（8）；所述钻头主体（1）设置在射吸装置外壳（2）的底部，所述射流喷嘴座（3）安装于射吸装置外壳（2）的流道的底部，射流喷嘴座（3）通过喷嘴螺丝帽（4）锁紧固定，所述射流喷嘴（5）安装在射流喷嘴座（3）的底部，射流喷嘴（5）位于进液室（9）内；所述管壁入液喷嘴（7）安装在进液室（9）外部圆周均布的导流孔内，并通过管壁螺丝帽（6）锁紧；进液室（9）下方设有喉管（10），喉管（10）下方设有分散管（11），所述钻头喷嘴（8）安装在分散管（11）下方的分流孔内。
2.根据权利要求1所述的一种粒子冲击钻头，其特征在于：所述钻头主体（1）为6刀翼钻头，刀翼上布置有切削齿，在各刀翼之间布置有两组钻头喷嘴（8），两组钻头喷嘴（8）分别冲蚀钻头中心直线冠部区岩石和圆弧冠部区岩石，每组喷嘴均匀的分布在射吸装置外壳（2）底部圆顶平面上，钻头喷嘴（8）通过螺纹与射吸装置外壳2下部圆顶的沉头孔连接。
3.根据权利要求2所述的一种粒子冲击钻头，其特征在于：所述刀翼上共设有27个切削齿，其中一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有6个切削齿，另一组不相邻的3个刀翼上每个刀翼设有3个切削齿。
4.根据权利要求1所述的一种粒子冲击钻头，其特征在于：所述管壁入液喷嘴（7）的数量为4个，其通过螺纹安装在导流孔内。
5.根据权利要求1所述的一种粒子冲击钻头，其特征在于：所述喉管（10）的上部为锥形，其下部为圆柱形。
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