CN113790025B - 双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻采领域，特别涉及一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，包括外筒、圆柱过滤网、梯形过滤网、内置筒体、花键、定子、转子、泄流孔、上旋转块、中心轴、进流孔、下旋转块、钻头本体、耐磨喷嘴、切削齿等，通过设置粒子和流体双流道，粒子通过专门流道绕过螺杆转子部分，粒子和流体分离后再均匀混合，通过钻头内流道，并从喷嘴喷出粒子射流，辅助钻头机械破岩或磨铣，既能喷射粒子射流又能带动钻头旋转切削，从而有效提高井下钻头工作效率，降低作业成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，属于石油钻采领域。
背景技术
我国拥有丰富的深层油气资源，近几年发现的大型油气田，大部分在深层占。国内深层油气以海相和火山岩油气资源为主，主要集中在塔里木库车山前、川东北和松辽深层。深井硬地层占整口井进尺的20％左右，但是钻井成本占钻井总成本的70％左右，地层越硬，钻井速度越慢，钻井成本也越高。影响硬地层钻井速度的因素主要有地层岩石硬度大、研磨性强、可钻性差、易井斜等。深井硬地层、研磨性地层钻井存在的速度慢、钻井成本高、周期长等问题，制约着深井和超深井的钻井速度和油田勘探开发的整体效益，亟需探索新型提速技术。随着油田开发工艺的日益丰富，入井工具的质量日臻完善，井下作业处理井筒事故的难度越来越大。常规磨鞋磨铣存在着速度慢、使用寿命短、工具损耗快等问题，如何突破现有的常规磨铣工艺技术，研究井下高效磨铣工具，实现高强度井筒工具的高效磨铣，显得尤为重要。
粒子射流技术通过在射流中加入钢质(或陶粒、砂粒等)粒子，从喷嘴喷射粒子射流可有效提高岩石等材料破碎效率。在钻井和井下作业过程中，常用螺杆钻具作为井下钻头、磨鞋的旋转动力，螺杆钻具由于其结构、材质等限制，无法通过固体粒子。当大直径高浓度固体粒子通过后，将会对螺杆钻具造成严重冲蚀磨损，甚至卡住螺杆转子，导致转子无法旋转。如能将粒子射流与螺杆钻具优势结合起来，可有效提高石油钻进钻速或者井下工具的磨铣效率。
针对该问题，本发明提出了一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，通过设置粒子和流体双流道，粒子通过专门流道绕过螺杆转子部分，定子转子部分仅通过流体，通过定子转子后的粒子和流体均匀混合，通过进入钻头内流道，从喷嘴喷出粒子射流，辅助钻头机械破岩或磨铣，既能喷射粒子射流又能带动钻头旋转切削，有效提高井下钻头工作效率，降低作业成本，提高油气开发整体效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种实现粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣，粒子射流不通过定子转子，粒子与流体分离后能再均匀混合，既能喷射粒子射流又能带动钻头旋转切削，有效提高钻头的钻进破岩或磨铣速度，降低作业成本的双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具。
本发明所述的双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，由外筒、压盖、垫片、支撑块、圆柱过滤网、梯形过滤网、固定盖、内置筒体、花键、定子、转子、限位块、联轴器、泄流孔、上旋转块、上旋转块旋转密封组合、中心轴、中心轴入口、进流孔、下旋转块、下旋转块旋转密封组合、密封支撑件、钻头本体、内流道、耐磨喷嘴、切削齿组成。压盖设置在外筒内壁上，通过螺纹与外筒内壁连接，用于压紧下部垫片。垫片设置在压盖和支撑块之间，垫片与圆柱过滤网焊接，用于支撑圆柱过滤网，并使圆柱过滤网居中，圆柱过滤网设置在外筒内部居中布置，圆柱过滤网用于过滤流体中粒径较大的固体颗粒，防止流体中大直径颗粒堵塞下部流道和喷嘴，圆柱过滤网长度0.5-2m，材质为不锈钢。支撑块设置在垫片下部，用于支撑上部垫片，并通过压盖的压紧作用，使垫片位置密封。梯形过滤网设置在外筒内部，圆柱过滤网下部，梯形过滤网横截面呈梯形，更利于流体进入梯形过滤网内部，并防止梯形过滤网堵塞，梯形过滤网主要用于过滤流体中的固体颗粒，梯形过滤网孔眼直径要小于圆柱过滤网，梯形过滤网可防止流体中固体颗粒进入内置筒体内部，对内部的转子和定子造成冲蚀磨损。固定盖设置在梯形过滤网与内置筒体之间，用于固定梯形过滤网，并使固定梯形过滤网居中。花键设置在内置筒体外部，与内置筒体一体加工，花键数量为4-10个，均匀分布在内置筒体外部，并插入外筒中对应的花键槽内，花键使内置筒体在外筒内不能周向旋转运动，但能在外筒内上下轴向运动，花键也使外筒和内置筒体之间留出流体通道。内置筒体设置在外筒内部，用于支撑花键和内部转动部件，定子设置在内置筒体内壁，与内置筒体固定在一起，定子表面呈螺旋状。转子设置在定子内部，转子表面也呈螺旋状，通过定子和转子配合，流体通过后，流体可驱动转子旋转，从而带动下部联轴器旋转。限位块设置在外筒内壁，花键下部，限位块主要用于支撑上部花键，并固定花键。联轴器设置在转子下部，用于连接上部转子和下部中心轴，泄流孔设置在内置筒体上，泄流孔数量为4-10个，用于将从定子和转子之间流体泄流到外筒和内置筒体之间。上旋转块设置在内置筒体内壁和中心轴之间，与内置筒体固定，用于安装上旋转块旋转密封组合。上旋转块旋转密封组合安装在上旋转块与中心轴之间，用于实现中心轴的旋转密封，防止上部流体泄漏。中心轴设置在转子下部，中心轴在转子带动下旋转，并带动下部钻头本体旋转，中心轴内部设有流体通道，进流孔设置在内置筒体上，进流孔数量为4-10个，进流孔可使外筒和内置筒体环空中的流体和粒子进入内置筒体和中心轴环空，并继续进入中心轴入口。中心轴入口设置在中心轴上，中心轴入口数量设置2-6个，中心轴入口为粒子和流体进入中心轴内部的通道，并输送至内流道，下旋转块设置在内置筒体内壁和中心轴之间，与内置筒体固定，用于安装下旋转块旋转密封组合。下旋转块旋转密封组合安装在下旋转块与中心轴之间，用于实现中心轴的旋转密封，防止上部流体泄漏。密封支撑件设置在外筒和内置筒体之间，用于密封上部流体，并使内置筒体固定在外筒上。钻头本体与中心轴连接，用于设置内流道和安装切削齿，内流道设置在钻头本体内部，用于输送粒子和流体，耐磨喷嘴设置在钻头本体下部，用于喷射高压粒子射流，辅助钻头钻进或者磨铣，切削齿设置在钻头本体上，切削齿为地层钻进用PDC复合片，或为磨铣用硬质合金片，钻头本体旋转带动切削齿旋转，进行钻进或磨铣作业。
高压流体首先经过圆柱过滤网后，一部分流体通过梯形过滤网将其中固体粒子过滤后进入定子和转子之间，继续进入内置筒体和中心轴环空，并从泄流孔喷出，再进入外筒和内置筒体环空。另一部分流体不经过梯形过滤网，携带粒子进入外筒和内置筒体之间环空，并在泄流孔处，与泄流孔泄流出的另一部分流体混合，泄流孔泄流喷出作用，可有效防止粒子在环空中堵塞，并使流体与粒子混合均匀，混合后的粒子与流体，继续向下流动，由进流孔进入内置筒体与中心轴之间环空，继续通过中心轴入口，进入中心轴内部流道，然后继续进入内流道，最后从耐磨喷嘴喷出粒子射流，辅助钻头本体上的切削齿进行钻进或磨铣作业，有效提高钻头的工作效率。
本发明的有益效果是：
通过设置粒子和流体双流道，粒子通过专门流道绕过螺杆转子部分，定子转子部分仅通过流体，分离后粒子和流体再均匀混合，通过进入钻头内流道，从喷嘴喷出粒子射流，辅助钻头机械破岩或磨铣，既能喷射粒子射流又能带动钻头旋转切削，有效提高井下钻头工作效率，降低作业成本，提高油气开发整体效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A-A的俯视图。
图3为图1中B-B的俯视图。
图4为图1中C-C的俯视图。
图中：1、外筒；2、压盖；3、垫片；4、支撑块；5、圆柱过滤网；6、梯形过滤网；7、固定盖；8、内置筒体；9、花键；10、定子；11、转子；12、限位块；13、联轴器；14、泄流孔；15、上旋转块；16、上旋转块旋转密封组合；17、中心轴；18、中心轴入口；19、进流孔；20、下旋转块；21、下旋转块旋转密封组合；22、密封支撑件；23、钻头本体；24、内流道；25、耐磨喷嘴；26、切削齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1～4所示，本发明所述的双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，包括外筒1、压盖2、垫片3、支撑块4、圆柱过滤网5、梯形过滤网6、固定盖7、内置筒体8、花键9、定子10、转子11、限位块12、联轴器13、泄流孔14、上旋转块15、上旋转块旋转密封组合16、中心轴17、中心轴入口18、进流孔19、下旋转块20、下旋转块旋转密封组合21、密封支撑件22、钻头本体23、内流道24、耐磨喷嘴25、切削齿26。压盖2设置在外筒1内壁上，通过螺纹与外筒1内壁连接，用于压紧下部垫片3。垫片3设置在压盖2和支撑块4之间，垫片3与圆柱过滤网5焊接，用于支撑圆柱过滤网5，并使圆柱过滤网5居中，圆柱过滤网5设置在外筒1内部居中布置，圆柱过滤网5用于过滤流体中粒径较大的固体颗粒，防止流体中大直径颗粒堵塞下部流道和喷嘴，圆柱过滤网5长度0.5-2m，材质为不锈钢。支撑块4设置在垫片3下部，用于支撑上部垫片3，并通过压盖2的压紧作用，使垫片3位置密封。梯形过滤网6设置在外筒1内部，圆柱过滤网5下部，梯形过滤网6横截面呈梯形，更利于流体进入梯形过滤网6内部，并防止梯形过滤网6堵塞，梯形过滤网6主要用于过滤流体中的固体颗粒，梯形过滤网6孔眼直径要小于圆柱过滤网5，梯形过滤网6可防止流体中固体颗粒进入内置筒体8内部，对内部的转子11和定子10造成冲蚀磨损。固定盖7设置在梯形过滤网6与内置筒体8之间，用于固定梯形过滤网6，并使固定梯形过滤网6居中。花键9设置在内置筒体8外部，与内置筒体8一体加工，花键9数量为4-10个，均匀分布在内置筒体8外部，并插入外筒1中对应的花键槽内，花键9使内置筒体8在外筒1内不能周向旋转运动，但能在外筒1内上下轴向运动，花键9也使外筒1和内置筒体8之间留出流体通道。内置筒体8设置在外筒1内部，用于支撑花键9和内部转动部件，定子10设置在内置筒体8内壁，与内置筒体8固定在一起，定子10表面呈螺旋状。转子11设置在定子10内部，转子11表面也呈螺旋状，通过定子10和转子11配合，流体通过后，流体可驱动转子11旋转，从而带动下部联轴器13旋转。限位块12设置在外筒1内壁，花键9下部，限位块12主要用于支撑上部花键9，并固定花键9。联轴器13设置在转子11下部，用于连接上部转子11和下部中心轴17，泄流孔14设置在内置筒体8上，泄流孔14数量为4-10个，用于将从定子10和转子11之间流体泄流到外筒1和内置筒体8之间。上旋转块15设置在内置筒体8内壁和中心轴17之间，与内置筒体8固定，用于安装上旋转块旋转密封组合16。上旋转块旋转密封组合16安装在上旋转块15与中心轴17之间，用于实现中心轴17的旋转密封，防止上部流体泄漏。中心轴17设置在转子11下部，中心轴17在转子11带动下旋转，并带动下部钻头本体23旋转，中心轴17内部设有流体通道，进流孔19设置在内置筒体8上，进流孔19数量为4-10个，进流孔19可使外筒1和内置筒体8环空中的流体和粒子进入内置筒体8和中心轴17环空，并继续进入中心轴入口18。中心轴入口18设置在中心轴17上，中心轴入口18数量设置2-6个，中心轴入口18为粒子和流体进入中心轴17内部的通道，并输送至内流道24，下旋转块20设置在内置筒体8内壁和中心轴17之间，与内置筒体8固定，用于安装下旋转块旋转密封组合21。下旋转块旋转密封组合21安装在下旋转块20与中心轴17之间，用于实现中心轴17的旋转密封，防止上部流体泄漏。密封支撑件22设置在外筒1和内置筒体8之间，用于密封上部流体，并使内置筒体8固定在外筒1上。钻头本体23与中心轴17连接，用于设置内流道24和安装切削齿26，内流道24设置在钻头本体23内部，用于输送粒子和流体，耐磨喷嘴25设置在钻头本体23下部，用于喷射高压粒子射流，辅助钻头钻进或者磨铣，切削齿26设置在钻头本体23上，切削齿26为地层钻进用PDC复合片，或为磨铣用硬质合金片，钻头本体23旋转带动切削齿26旋转，进行钻进或磨铣作业。
高压流体首先经过圆柱过滤网5后，一部分流体通过梯形过滤网6将其中固体粒子过滤后进入定子10和转子11之间，继续进入内置筒体8和中心轴17环空，并从泄流孔14喷出，再进入外筒1和内置筒体8环空。另一部分流体不经过梯形过滤网6，携带粒子进入外筒1和内置筒体8之间环空，并在泄流孔14处，与泄流孔14泄流出的另一部分流体混合，泄流孔14泄流喷出作用，可有效防止粒子在环空中堵塞，并使流体与粒子混合均匀，混合后的粒子与流体，继续向下流动，由进流孔19进入内置筒体8与中心轴17之间环空，继续通过中心轴入口18，进入中心轴17内部流道，然后继续进入内流道24，最后从耐磨喷嘴25喷出粒子射流，辅助钻头本体23上的切削齿26进行钻进或磨铣作业，有效提高钻头的工作效率。
Claims (3)
1.一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，包括外筒(1)、压盖(2)、垫片(3)、支撑块(4)、圆柱过滤网(5)、梯形过滤网(6)、固定盖(7)、内置筒体(8)、花键(9)、定子(10)、转子(11)、限位块(12)、联轴器(13)、泄流孔(14)、上旋转块(15)、上旋转块旋转密封组合(16)、中心轴(17)、中心轴入口(18)、进流孔(19)、下旋转块(20)、下旋转块旋转密封组合(21)、密封支撑件(22)、钻头本体(23)、内流道(24)、耐磨喷嘴(25)、切削齿(26)，压盖(2)设置在外筒(1)内壁上，通过螺纹与外筒(1)内壁连接，用于压紧下部垫片(3)，垫片(3)设置在压盖(2)和支撑块(4)之间，圆柱过滤网(5)设置在外筒(1)内部居中布置，支撑块(4)设置在垫片(3)下部，用于支撑上部垫片(3)，并通过压盖(2)的压紧作用，使垫片(3)位置密封，梯形过滤网(6)设置在外筒(1)内部，圆柱过滤网(5)下部，梯形过滤网(6)横截面呈梯形，更利于流体进入梯形过滤网(6)内部，并防止梯形过滤网(6)堵塞，梯形过滤网(6)主要用于过滤流体中的固体颗粒，梯形过滤网(6)孔眼直径要小于圆柱过滤网(5)，梯形过滤网(6)可防止流体中固体颗粒进入内置筒体(8)内部，对内部的转子(11)和定子(10)造成冲蚀磨损，固定盖(7)设置在梯形过滤网(6)与内置筒体(8)之间，用于固定梯形过滤网(6)，并使固定梯形过滤网(6)居中，花键(9)设置在内置筒体(8)外部，与内置筒体(8)一体加工，花键(9)数量为4-10个，均匀分布在内置筒体(8)外部，并插入外筒(1)中对应的花键槽内，花键(9)使内置筒体(8)在外筒(1)内不能周向旋转运动，但能在外筒(1)内上下轴向运动，花键(9)也使外筒(1)和内置筒体(8)之间留出流体通道，内置筒体(8)设置在外筒(1)内部，用于支撑花键(9)和内部转动部件，定子(10)设置在内置筒体(8)内壁，与内置筒体(8)固定在一起，定子(10)表面呈螺旋状，转子(11)设置在定子(10)内部，转子(11)表面也呈螺旋状，限位块(12)设置在外筒(1)内壁，花键(9)下部，限位块(12)主要用于支撑上部花键(9)，并固定花键(9)，联轴器(13)设置在转子(11)下部，用于连接上部转子(11)和下部中心轴(17)，泄流孔(14)设置在内置筒体(8)上，泄流孔(14)数量为4-10个，用于将从定子(10)和转子(11)之间流体泄流到外筒(1)和内置筒体(8)之间，上旋转块(15)设置在内置筒体(8)内壁和中心轴(17)之间，与内置筒体(8)固定，用于安装上旋转块旋转密封组合(16)，上旋转块旋转密封组合(16)安装在上旋转块(15)与中心轴(17)之间，用于实现中心轴(17)的旋转密封，防止上部流体泄漏，中心轴(17)设置在转子(11)下部，中心轴(17)在转子(11)带动下旋转，并带动下部钻头本体(23)旋转，中心轴(17)内部设有流体通道，进流孔(19)设置在内置筒体(8)上，进流孔(19)数量为4-10个，进流孔(19)可使外筒(1)和内置筒体(8)环空中的流体和粒子进入内置筒体(8)和中心轴(17)环空，并继续进入中心轴入口(18)，中心轴入口(18)设置在中心轴(17)上，中心轴入口(18)数量设置2-6个，中心轴入口(18)为粒子和流体进入中心轴(17)内部的通道，并输送至内流道(24)，下旋转块(20)设置在内置筒体(8)内壁和中心轴(17)之间，与内置筒体(8)固定，用于安装下旋转块旋转密封组合(21)，下旋转块旋转密封组合(21)安装在下旋转块(20)与中心轴(17)之间，用于实现中心轴(17)的旋转密封，防止上部流体泄漏，密封支撑件(22)设置在外筒(1)和内置筒体(8)之间，用于密封上部流体，并使内置筒体(8)固定在外筒(1)上，钻头本体(23)与中心轴(17)连接，用于设置内流道(24)和安装切削齿(26)，内流道(24)设置在钻头本体(23)内部，用于输送粒子和流体，耐磨喷嘴(25)设置在钻头本体(23)下部，用于喷射高压粒子射流，辅助钻头钻进或者磨铣，切削齿(26)设置在钻头本体(23)上，切削齿(26)为地层钻进用PDC复合片，或为磨铣用硬质合金片，钻头本体(23)旋转带动切削齿(26)旋转，进行钻进或磨铣作业。
2.根据权利要求1所述的一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，其特征在于：高压流体首先经过圆柱过滤网(5)后，一部分流体通过梯形过滤网(6)将其中固体粒子过滤后进入定子(10)和转子(11)之间，继续进入内置筒体(8)和中心轴(17)环空，并从泄流孔(14)喷出，再进入外筒(1)和内置筒体(8)环空，另一部分流体不经过梯形过滤网(6)，携带粒子进入外筒(1)和内置筒体(8)之间环空，并在泄流孔(14)处，与泄流孔(14)泄流出的另一部分流体混合，泄流孔(14)泄流喷出作用，可有效防止粒子在环空中堵塞，并使流体与粒子混合均匀，混合后的粒子与流体，继续向下流动，由进流孔(19)进入内置筒体(8)与中心轴(17)之间环空，继续通过中心轴入口(18)，进入中心轴(17)内部流道，然后继续进入内流道(24)，最后从耐磨喷嘴(25)喷出粒子射流，辅助钻头本体(23)上的切削齿(26)进行钻进或磨铣作业，有效提高钻头的工作效率。
3.根据权利要求1所述的一种双流道粒子射流辅助钻头旋转钻进及磨铣工具，其特征在于：垫片(3)与圆柱过滤网(5)焊接，用于支撑圆柱过滤网(5)，并使圆柱过滤网(5)居中，圆柱过滤网(5)用于过滤流体中粒径较大的固体颗粒，防止流体中大直径颗粒堵塞下部流道和喷嘴，圆柱过滤网(5)长度0.5-2m，材质为不锈钢，通过定子(10)和转子(11)配合，流体通过后，流体可驱动转子(11)旋转，从而带动下部联轴器(13)旋转。
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