CN114109257B - 一种水射流辅助滚刀钻井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水射流辅助滚刀钻井装置。所述水射流辅助滚刀钻井装置由微型滚刀、刮刀、水射流喷嘴、排渣口、钻井液喷口、中间刀、刀臂、刀座、磨料通道、高压水射流通道、混合室、钻井液通道、高压水射流、岩石碎屑、水射流凹槽、微裂缝、岩石组成。钻进过程中，高压水射流首先对所述岩石进行切割，在形成所述水射流凹槽时构造出自由面，所述微型滚刀在自由面的基础上逐级切割所述岩石，形成全局自由面破岩，提升钻掘效率。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采钻井钻头技术领域，具体涉及一种水射流辅助滚刀钻井装置。
背景技术
油气是人类赖以生存的重要能源物质，储存于地下内部，目前陆地上主要通过油气钻井装备进行开采，钻井装备包含钻头、转盘、钻杆及井架等部件，其中钻头是钻井装备钻掘的核心装置，广泛使用的钻头装置有PDC钻头装置、牙轮钻装置等。PDC钻头装置主要依靠装置上的镶齿对岩石做滑动切割，而牙轮钻装置则是通过多个牙轮对岩石作挤压破碎。
目前油气勘探和开采已经逐渐向地球深部推进，开采深度已超千米数量级。受地应力等因素，该类地层岩石强度普遍超过160MPa，呈现出高强度岩石地层特点。面对该种极端地层，传统的PDC钻头装置或牙轮钻头装置在钻掘过程中承受强冲击、重载荷及高磨耗等多种恶劣工况，严重制约了钻头装置乃至整体钻井装备的钻掘效率和钻掘寿命。
深部极硬岩是一种典型“抗压不抗拉”的固体材料，即岩石容易发生张拉破碎，因此促进岩石的张拉破坏，是提升钻井装置钻掘效率的关键。因此设计合适的钻头钻井装置结构，促进岩石张拉破碎，可以显著提升深部复杂地层下钻井装置钻掘效率。
已有研究表明，通过构造自由面的方式来协助破岩，可以促进岩石张拉破碎，进而提升岩石破碎效率。在工程领域，构造自由面的手段主要可以采用高能激光切割和水射流切割，由于钻井过程中，井内充满钻井液与岩石碎屑，会使激光束发散，达不到切割钻进面的目的。水射流破岩技术是一种利用高压力射流挤压岩石成孔的绿色高效破岩方法，它将水流的压力提升到足够高(200MPa以上)，使水流具有极大的动能，在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料，井内的钻井液和岩石碎屑对水射流切割效果影响极小。
为此，本发明提供了一种水射流辅助滚刀钻井装置，通过高压水射流先使岩石产生凹槽的同时形成自由面，然后利用安装在钻井装置上的微型滚刀对自由面内的岩石进行切割，在此基础上，通过合理的钻臂结构和滚刀布局设计，实现微型滚刀逐级切割岩石，进而实现全局自由面破岩，促进岩石张拉破碎，提升钻井装置钻掘性能。本发明钻井破岩效率高，且钻井过程平稳可靠，并可降低其刀具磨损失效风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水射流辅助滚刀钻井装置，该钻井装置采用水射流辅助滚刀联合破岩，通过刀座外圈水射流首先构造自由面，在此基础上依靠螺旋式滚刀布局，实现逐级自由面条件下的滚刀逐级切割岩石，促进岩石张拉破碎，提升深部复杂地层下钻井装置的钻掘效率。
本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括微型滚刀、刮刀、水射流喷嘴、排渣口、钻井液喷口、中间刀、刀臂、刀座、磨料通道、高压水射流通道、混合室、钻井液通道、高压水射流、岩石碎屑、水射流凹槽、微裂缝、岩石。
所述刀座前端最外圈分别安装有若干个所述水射流喷嘴和所述刮刀，所述水射流喷嘴和所述刮刀间隔布置，所述水射流喷嘴凹陷在所述刀座前端内部3mm以内，便于保护所述水射流喷嘴；所述刀座前端的中间位置布有所述中间刀，所述中间刀刀体呈三角状；所述刀座前端布有所述刀臂，所述刀臂一般为偶数个，优选六个，均匀布置于所述刀座前端，所述刀臂与所述刀座连接为一个整体，所有的所述刀臂末端延长线汇交于所述中间刀上；所述刀臂上装有所述微型滚刀，所述微型滚刀可以在摩擦力作用下发生被动转动，以实现滚动式摩擦切割岩石，所述微型滚刀截面呈V形，可以降低破岩过程中的破岩阻力；所述刀臂分为高低两种姿态，高低两种姿态的所述刀臂在钻头轴向方向上存在高度差，且高低两种姿态的所述刀臂高低间隔均匀布置在所述刀座上，便于所述岩石碎屑的排出；单个所述刀臂沿径向方向呈螺旋线状延伸，且离所述中间刀中心越远，所述刀臂沿轴线方向上的高度越高，以实现安装在所述刀臂上的所述微型滚刀沿轴向方向的高度差，便于所述微型滚刀逐级切割所述岩石；所述刀座前端开有所述钻井液喷口，所述钻井液喷口与所述钻井液通道连接；所述刀座上开有所述排渣口，用于排掉钻掘过程中产生的所述岩石碎屑；所述水射流喷嘴后端连有所述混合室，所述混合室与所述磨料通道及所述高压水射流通道连接。
所述微型滚刀布置在所述钻臂上时在径向方向存在刀间距，一般优选在15mm到20mm之间，在轴向方向存在轴向间距，一般优选在10mm到15mm之间，以实现逐级切割岩石。
所述刀臂上最外圈所述微型滚刀与所述水射流凹槽在径向方向存在临空距，一般优选在10mm到15mm之间；所述水射流喷嘴与所述微型滚刀刀尖在轴向方向上存在靶距，一般优选在25mm到30mm之间，保证水射流构造的水射流凹槽深度较深。
水射流磨料通过所述磨料通道进入所述混合室，所述高压水射流通过所述高压水射流通道进入所述混合室，水射流磨料与所述高压水射流在所述混合室混合，磨料与高压水的混合比优选3:7，混合后的所述高压水射流经所述水射流喷嘴喷出。
钻进过程中，所述刀座在电机作用下驱动而旋转，同时所述水射流喷嘴喷出所述高压水射流对所述岩石进行切割，形成环形的所述水射流凹槽，进而构造出自由面以及所述微裂缝；所述微型滚刀在所述高压水射流切割形成所述水射流凹槽及自由面的基础上继续切割所述岩石，最外圈靠近所述水射流凹槽部分的所述岩石首先接触所述微型滚刀而形成所述岩石碎屑，并形成新的自由面；后续的所述微型滚刀及所述中间刀在先行的所述微型滚刀形成的自由面的基础上继续对所述岩石进行逐级切割，直至将该层所述岩石钻进完毕，所述微型滚刀在切割过程中，受摩擦力而被动转动，使所述微型滚刀能均匀磨损；钻井液通过所述钻井液通道经所述钻井液喷口喷出，所述岩石碎屑随钻井液经所述排渣口排出。
与现有的钻井装置相比，本发明优点主要体现在以下方面：
(1)采用水射流破岩技术构造自由面，促进岩石张拉破碎，降低钻井装置破岩载荷与破岩能耗；
(2)通过合理设计钻井装置内部结构及微型滚刀布局，使微型滚刀逐级切割岩石，实现在全局自由面条件下的滚刀张拉破岩，提升钻掘性能；
(3)采用微型滚刀滚动摩擦式破岩替代钻齿滑动摩擦式破岩，微型滚刀能被动滚动，磨损更均匀，延长了钻井装置使用寿命。
附图说明
附图1为本发明的正视结构示意图；
附图2为本发明的侧视结构示意图；
附图3为本发明的斜视结构示意图；
附图4为本发明的内部通道的局部视图；
附图5为本发明的工作示意图；
附图6为本发明工作过程简图；
附图中：1-微型滚刀、2-刮刀、3-水射流喷嘴、4-排渣口、5-钻井液喷口、6-中间刀、7-刀臂、8-刀座、9-磨料通道、10-高压水射流通道、11-混合室、12-钻井液通道、13-高压水射流、14-岩石碎屑、15-水射流凹槽、16-微裂隙、17-岩石。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6所示，一种水射流辅助滚刀钻井钻头由微型滚刀1、刮刀2、水射流喷嘴3、排渣口4、钻井液喷口5、中间刀6、刀臂7、刀座8、磨料通道9、高压水射流通道10、混合室11、钻井液通道12、高压水射流13、岩石碎屑14、水射流凹槽15、微裂隙16、岩石17组成。
如附图1、附图2、附图3所示，圆柱形刀座8前端最外圈分别安装有若干个水射流喷嘴3和刮刀2，水射流喷嘴3和刮刀2均匀间隔布置在刀座8前端最外圈，水射流喷嘴3直径不超过2mm，保证高压水射流的切割性能，刮刀2截面呈锯齿形，用于清理钻进面最外圈残留的岩石17，水射流喷嘴3凹陷在刀座8前端的内部，凹陷的深度不超过3mm,便于保护水射流喷嘴3；刀座8前端的中间位置布有中间刀6，中间刀6刀体呈三角状，可减少中间刀6与岩石的接触面积，中间刀6与刀座8之间采用螺纹连接，便于磨损后拆卸更换，在钻进过程中，中间刀6负责破碎钻进面中心区域的岩石17；刀座8前端布有刀臂7，刀臂7一般为偶数个，优选六个，使受力钻头受力均匀、对称，减小钻头装置受力应变，刀臂7均匀布置于刀座8前端，刀臂7与刀座8通过焊接的方式连接为一个整体，所有的刀臂7末端延长线汇交于中间刀6上；刀臂7上装有微型滚刀1，微型滚刀1在径向方向存在刀间距，一般优选在15mm到20mm之间，在轴向方向存在轴向间距，一般优选在10mm到15mm之间，如图5和图6所示；微型滚刀1可以在摩擦力作用下发生被动转动，以实现滚动式摩擦切割岩石，使微型滚刀1磨损更加均匀，微型滚刀1截面呈V形，以降低破岩过程中的破岩阻力；刀臂7分为高低两种姿态，高低两种姿态的刀臂7在钻头轴向方向上存在高度差，且高低两种姿态的刀臂7间隔均匀布置在刀座8上，便于岩石碎屑14的排出；单个刀臂7沿径向方向呈螺旋线状延伸，且离中间刀6中心越远，刀臂7沿轴线方向上的高度越高，以实现安装在刀臂7上的微型滚刀1沿轴向方向的高度差，便于微型滚刀1逐级切割岩石17；刀座8前端开有钻井液喷口5，钻井液喷口5与钻井液通道12连接；刀座8上开有排渣口4，用于排掉钻掘过程中产生的岩石碎屑14；水射流喷嘴3后端连有混合室11，混合室11与磨料通道9及高压水射流通道10连接。
如图5和图6所示，由于高压水射流13从高压水射流喷嘴3喷出后还要经过加速阶段速度才能达到最大，所以水射流喷嘴3与刀臂7上最外圈微型滚刀1刀尖在轴向方向上存在靶距，一般优选在25mm到30mm之间；为了使自由面协助下的破岩效果最佳即切割下的岩石碎屑14破碎总量尽量大，同时为避免高压水射流13对刀臂7上最外圈微型滚刀1造成损伤，微型滚刀1与水射流凹槽15在径向方向存在临空距，一般优选在10mm到15mm之间。
水射流磨料通过磨料通道进入混合室11，高压水射流13通过高压水射流通道10进入混合室11，水射流磨料与高压水射流13在混合室11混合，为了提高高压水射流13的切割效果，磨料与高压水的混合比优选为3：7，混合后的高压水射流13经水射流喷嘴3喷出。
钻进过程中，刀座8在电机作用下驱动而旋转，同时水射流喷嘴3喷出高压水射流13，高压水射流13首先对岩石17进行切割，在形成水射流凹槽15的同时构造出自由面以及微裂缝16，产生的水射流凹槽15呈环形；微型滚刀1在高压水射流13切割形成的水射流凹槽15及自由面的基础上继续切割岩石17，最外圈靠近水射流凹槽15的岩石17首先接触微型滚刀1形成岩石碎屑14，并形成新的自由面；后继的微型滚刀1在新的自由面的影响下继续切割剩下的岩石17，剩下岩石17最外圈再产生岩石碎屑14以及新的自由面，按此顺序由外到内逐级切割岩石17，最后中间刀6破碎岩石17的中心部分，将该层岩石17钻进完毕；微型滚刀1在切割过程中，受摩擦力而被动转动，使微型滚刀1能均匀磨损；钻井液通过钻井液通道12经钻井液喷口5喷出，岩石碎屑14随钻井液经排渣口4排出，避免微型滚刀1再次对岩石碎屑14进行切割而发生二次破碎。
上面结合附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。
Claims (7)
1.一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：由微型滚刀(1)、刮刀(2)、水射流喷嘴(3)、排渣口(4)、钻井液喷口(5)、中间刀(6)、刀臂(7)、刀座(8)、磨料通道(9)、高压水射流通道(10)、混合室(11)、钻井液通道(12)、高压水射流(13)、岩石碎屑(14)、水射流凹槽(15)、微裂隙(16)、岩石(17)构成；刀座(8)前端最外圈安装有水射流喷嘴(3)和刮刀(2)；刀座(8)前端的中间位置布有中间刀(6)，中间刀(6)刀体呈三角状；同时刀座(8)前端布有刀臂(7)，均匀布置于刀座(8)前端；刀臂(7)上装有微型滚刀(1)；刀座(8)前端开有钻井液喷口(5)，钻井液喷口(5)与钻井液通道(12)连接；刀座(8)上开有排渣口(4)，用于排掉钻掘过程中产生的所述岩石碎屑(14)；水射流喷嘴(3)后端连有混合室(11)，混合室(11)与磨料通道(9)及高压水射流通道(10)连接；
刀臂(7)分为高低两种姿态，一共为偶数个，高低两种姿态的刀臂(7)在钻头轴向方向上存在高度差，且高低两种姿态的刀臂(7)高低间隔均匀布置在刀座(8)上，便于岩渣的排出；单个刀臂(7)沿径向方向呈螺旋线状延伸，且离中间刀(6)中心越远，刀臂(7)沿轴线方向上的高度越高，以实现安装在刀臂(7)上的微型滚刀(1)沿轴向方向的高度差，便于微型滚刀(1)逐级切割岩石(17)；
微型滚刀1在径向方向存在刀间距，其值在15mm到20mm之间，在轴向方向存在轴向间距，其值在10mm到15mm之间，微型滚刀(1)可以在摩擦力作用下发生被动转动，以实现滚动式摩擦切割岩石，减缓刀具磨损；微型滚刀(1)截面呈V形，以降低破岩过程中的破岩阻力。
2.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：水射流喷嘴(3)和刮刀(2)为偶数个，且两者间隔布置在刀座(8)前端最外圈；水射流喷嘴(3)直径不超过2mm，水射流喷嘴(3)凹陷在刀座(8)前端内部3mm以内，刮刀(2)截面呈锯齿形。
3.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：刀臂(7)与刀座(8)通过焊接的方式连接为一个整体，所有的刀臂(7)末端延长线汇交于中间刀(6)上。
4.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：中间刀(6)与刀座(8)之间采用螺纹连接，便于磨损后拆卸更换。
5.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：高压水射流(13)与磨料在混合室(11)混合后从水射流喷嘴(3)喷出，磨料与高压水的混合比为3：7。
6.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：刀臂(7)上最外圈微型滚刀(1)与水射流凹槽(15)在径向方向存在临空距，其值在10mm到15mm之间；水射流喷嘴(3)与刀臂(7)上最外圈微型滚刀(1)刀尖在轴向方向上存在靶距，其值在25mm到30mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种水射流辅助滚刀钻井装置，其特征在于：水射流喷嘴(3)喷出的高压水射流(13)随刀座(8)的旋转率先切割岩石(17)，在岩石(17)表面形成环形的水射流凹槽(15)和微裂隙(16)，进而构成自由面，随后微型滚刀(1)逐级切割岩石(17)形成岩石碎屑(14)，逐级切割过程中每把微型滚刀(1)都是在前者造成的自由面条件下切割，中间刀(6)破碎岩石(17)的中心部分，岩石碎屑(14)由钻井液喷口(5)喷出的钻井液经排渣口(4)排出。
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