CN1952343B - 机械自激交互式水力脉动钻头短节 - Google Patents
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Abstract
一种机械自激交互式水力脉动钻头短节，包括短节本体，所述短节本体内设置有机械自激脉动腔，机械自激脉动腔中放有绕流振荡体，机械自激脉动腔通过入口流道与位于短节本体上部的连接螺孔I相通，通过出口流道与位于短节本体下部的连接螺孔II相通。连接螺孔I用于连接钻铤等作用体，连接螺孔II用于连接钻头。作业时，在高速流体的作用下，绕流振荡体在机械自激脉动腔内高速旋转，产生周期性的冲击力，从而使绕流振荡体与机械自激脉动腔均成为振源，机械自激脉动腔的激励与绕流振荡体给予的机械式阻断产生的激励共同作用形成高频脉动流体，该高频脉动流体由与钻头内腔相连的喷嘴射出，则可大大提高钻井井底破岩、辅助破岩的效率。
Description
技术领域
本发明属于钻头短节，特别涉及一种石油、天然气开采及其它地质钻探使用的钻头短节。
背景技术
在钻头破碎深部地层岩石时，普遍存在岩石破碎效率低下的问题，这制约了钻井机械钻速的提高，使得生产成本居高不下。围绕这一问题的解决，人们对钻头短节的改进进行了研究。专利号为ZL200420041254.X的中国专利公开了一种射吸球阀式脉冲振动钻井工具，该钻井工具是一种钻头短节，由钻头驱动联接短节、联接套、阀球、水力振荡器、壳体及钻柱联接短节等组成，钻头驱动联接短节在壳体下端与壳体配装，上端和下端分别与联接套和钻头相联，联接套的中部加工锥形阀座，阀球置于联接套上端的空腔内，联接套的上端接有水力振荡器，壳体上端通过钻柱联接短节与钻柱相联；作业时，水力振荡器调制和吸射阀球周期性阻断钻井液的通道，产生水力脉动作用于钻头，使钻头产生振动，同时钻井液的水力脉动向下传播至井底，使井底流场也产生脉动，钻头的振动和井底流场水力脉动的综合作用，使得钻头与井底附近岩石的受力状况改善，从而提高钻头的破岩钻进效率。由于该钻井工具以水力振荡器为振源，所述水力振荡器采用海姆赫兹(Himuhelz)共振腔的自激机理设计，在高速射流的冲击下，各孔腔的结构尺寸稍微变化就不能产生自激振荡的效果，因而可靠性较低，此外，从其组成构件和各构件的组合方式可以看出，结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机械自激交互式水力脉动钻头短节，此种钻头短节不仅可以产生高频脉动流体提高钻井井底破岩、辅助破岩的效率，而且可靠性提高，结构更为简单。
本发明的技术方案：在短节本体内设置机械自激脉动腔，在机械自激脉动腔内放置绕流振荡体，流体由入口流道进入机械自激脉动腔，自身在机械自激脉动腔中旋转会产生自激振荡，同时带动绕流振荡体在机械自激脉动腔内高速旋转，产生周期性的冲击力，从而使绕流振荡体与机械自激脉动腔均成为振源，机械自激脉动腔的激励与绕流振荡体给予的机械式阻断产生的激励共同作用形成高频脉动流体，该高频脉动流体由与钻头内腔相连的喷嘴射出，则可大大提高钻井井底破岩、辅助破岩的效率。
本发明所述机械自激交互式水力脉动钻头短节包括短节本体，所述短节本体内设置有机械自激脉动腔，机械自激脉动腔中放有绕流振荡体，机械自激脉动腔通过入口流道与位于短节本体上部的连接螺孔I相通，通过出口流道与位于短节本体下部的连接螺孔II相通。连接螺孔I用于连接钻铤等作用体，连接螺孔II用于连接钻头。
上述机械自激脉动腔的形状有多种，或为圆柱形腔体，或为圆球形腔体，或为半圆球与等直径的圆柱组合形成的腔体。机械自激脉动腔的中心线既可与短节本体的中心线重合，也可与短节本体的中心线平行且相隔一间距，但从提高激励效果的角度考虑，其中心线与短节本体的中心线平行且相隔一间距更好。
上述绕流振荡体为圆球体或椭球体或圆柱体。
为了提高激励效果，还采取了以下技术措施：
1、机械自激脉动腔位于短节本体的中部。
2、入口流道设计为锥形流道，出口流道设计为弧形流道，两流道与机械自激脉动腔的接口位于该腔体的同一侧。
从简化结构、提高耐磨性考虑，本发明所述短节本体为整体式结构，采用铸造的方法生产，材料为耐磨铸钢或铸铁。
本发明具有以下有益效果：
1、作业时，高速流体自身在机械自激脉动腔中旋转会产生自激振荡，同时绕流振荡体的无规则运动也会使流体产生震荡，机械自激脉动腔的激励与绕流振荡体给予的机械式阻断产生的激励共同作用，优于仅靠自身激励的Himuhelz式水力振荡器，因此所形成的高频脉动流体可大大提高钻井井底破岩、辅助破岩的效率。
2、本发明所述机械自激脉动腔的结构较Himuhelz式水力振荡器可靠性高，稳定性好，不容易产生失效现象。
3、短节本体为整体式结构，机械自激脉动腔、入口流道和出口流道直接设置在短节本体内，因而结构更为简单。
4、短节本体用耐磨铸钢或铸铁制作，因而耐磨性好，使用寿命提高。
附图说明
图1是本发明所述机械自激交互式水力脉动钻头短节的一种结构图；
图2是图1的A-A剖面图，该图表示出了机械自激脉动腔的一种形状；
图3是图1的A-A剖面图，该图表示出了机械自激脉动腔的另一种形状；
图4是图1的A-A剖面图，该图表示出了机械自激脉动腔的又一种形状。
图中，1-连接螺孔I、2-短节本体、3-入口流道、4-机械自激脉动腔、5-绕流振荡体、6-出口流道、7-连接螺孔II、8-钻头。
具体实施方式
本实施例中，机械自激交互式水力脉动钻头短节的形状和构造如图1、图3所示，短节本体2为整体式圆柱体；短节本体内设置有机械自激脉动腔4，机械自激脉动腔内放有圆球形绕流振荡体5，所述机械自激脉动腔位于短节本体的中部，为半圆球与等直径的圆柱组合形成的腔体(如图3所示)，所述半圆球与等直径的圆柱组合形成的腔体的中心线与短节本体2的中心线平行且左移一间距；机械自激脉动腔4通过入口流道3与位于短节本体上部的连接螺孔I相通，通过出口流道6与位于短节本体下部的连接螺孔II相通，连接螺孔I用于连接钻铤等作用体，连接螺孔II用于连接钻头8；入口流道3为锥形流道，出口流道6为弧形流道，入口流道和出口流道与机械自激脉动腔4的接口位于机械自激脉动腔的右侧。流体通过入口流道从机械自激脉动腔的切线方向进入腔内旋转流动后，从机械自激脉动腔的切线方向进入出口流道。
所述机械自激交互式水力脉动钻头短节采用铸造的方法生产，材料为耐磨铸钢或铸铁。
本发明不限于上述实施例，例如：机械自激脉动腔还可以是图2或图4所述的形状；机械自激脉动腔的中心线与短节本体2的中心线平行但右移一间距，入口流道和出口流道与机械自激脉动腔4的接口位于机械自激脉动腔的左侧。
Claims (3)
1.一种机械自激交互式水力脉动钻头短节，包括短节本体(2)，其特征在于短节本体(2)为整体式结构，短节本体内设置有机械自激脉动腔(4)，机械自激脉动腔中放有绕流振荡体(5)，机械自激脉动腔通过入口流道(3)与位于短节本体上部的连接螺孔I(1)相通，通过出口流道(6)与位于短节本体下部的连接螺孔II(7)相通，所述入口流道(3)和出口流道(6)与机械自激脉动腔(4)的接口位于机械自激脉动腔的同一侧，机械自激脉动腔(4)为圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的中心线与短节本体(2)的中心线平行且相隔一间距，或机械自激脉动腔(4)为圆球形腔体，所述圆球形腔体的中心线与短节本体(2)的中心线平行且相隔一间距，或机械自激脉动腔(4)为半圆球与等直径的圆柱组合形成的腔体，所述半圆球与等直径的圆柱组合形成的腔体的中心线与短节本体(2)的中心线平行且相隔一间距。
2.根据权利要求1所述的机械自激交互式水力脉动钻头短节，其特征在于机械自激脉动腔位于短节本体(2)的中部。
3.根据权利要求1所述的机械自激交互式水力脉动钻头短节，其特征在于入口流道(3)为锥形流道，出口流道(6)为弧形流道。
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