CN204552622U - 一种具有扁长水孔的钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有扁长水孔的钻头，属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域。包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，其特征在于：所述水孔至少有一个是扁长水孔，所述扁长水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形，扁长水孔的出口形状为扁长形。本实用新型的目的在于解决钻头在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

Description

一种具有扁长水孔的钻头

技术领域

本实用新型属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体是涉及一种具有新型水力结构的钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具，钻头的水力结构是决定钻头钻进性能的重要因素。钻头破岩钻进时，钻井液(流体)从钻头内流道通过钻头水孔喷射到井底，从钻头水孔喷出的钻井液主要起清洗井底，携带并运移钻头破碎岩石所形成的岩屑，冷却并清洗切削齿，以及辅助破岩等作用。在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构的同时，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中使用的水孔大多为圆形，受钻头切削结构及水道尺寸的影响，圆形水孔的尺寸有限。普通圆形水孔的喷射覆盖区域非常小，圆形水孔喷射流束较细小，直接清洗井底的面积有限，直接携岩运岩的能力也有限，圆形水孔直接喷射冷却清洗切削齿的区域也很小。采用圆形水孔的钻头，其大部分区域的井底清洗，岩屑携带运移，切削齿冷却都是利用圆形喷嘴喷射后的钻井液的漫流来完成的，漫流的水力能量远远小于直接喷射流体的水力能量，且喷射后所形成的漫流易形成涡流，涡流对钻头体和切削齿等会形成非常不利的影响，也不利于清洗和岩屑的及时快速运离。

近年，地热钻井发展迅速，地热钻井中常遇到高温井。很多地热井中地层温度已经达到150摄氏度或更高，钻头的工作温度甚至达到200摄氏度以上。常规圆形水孔的钻头，其水孔结构已不能满足高温井中钻头切削齿及时快速冷却、清洗的需要。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：克服上述现有技术的不足之处，提出一种具有扁长水孔的钻头，解决钻头在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种具有扁长水孔的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，所述水孔至少有一个是扁长水孔，所述扁长水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形，扁长水孔的出口形状为扁长形。

本专利中，为了便于理解，参考图示，如图3所示d1为扁长水孔的出口的宽度，d2为扁长水孔的出口的长度，如图4所示，扁长水孔的进口51与钻头内流道12相连通，扁长水孔的出口52与切削结构相对应；其中钻头的径向布齿覆盖区域的长度为L，扁长水孔的扇形角覆盖区域长度为L1，钻头切削结构的径向外二分之一区域的长度为P，扁长水孔的扇形角覆盖区域在该钻头切削结构的径向外二分之一区域的覆盖长度为P1。如图5所示，A-A是扁长水孔的长度方向纵剖面，B-B是扁长水孔的宽度方向纵剖面，C-C是扁长水孔的横向剖面，即可知，水孔的宽度方向纵剖面与水孔的长度方向纵剖面、水孔的横向剖面相互垂直。

上述方案中，扇形或者类扇形(或者叫放射状)的内腔形状，以及扁长形(顾名思义，即为通常意义上的长度大于宽度的形状)孔口的扁长水孔增加钻头水孔的过流面积和水孔的喷射覆盖范围，有效地利用其水力能量，并避免钻井液对切削结构、切削齿的冲蚀。

作为选择，所述扁长水孔的出口的长度是宽度的1.5倍以上。

上述方案中，特定的水孔的长宽比能够进一步有效地利用其水力能量，并避免钻井液对切削结构、切削齿的冲蚀。

作为选择，所述切削结构为固定切削结构，所述扁长水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致。

上述方案中，固定切削结构通常指PDC切削结构、孕镶金刚石切削结构等，扁长水孔的长度方向顺着钻头切削结构的布齿排布方向，能够提高钻头岩屑运移效率和自洁能力，将水力能量直接用于切削齿的清洗和冷却、岩屑运移。

作为选择，所述扁长水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上。

上述方案中，增加扁长水孔径向覆盖区域，从而扩大扁长水孔直接喷射清洗、冷却切削齿的区域。

作为选择，所述扁长水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头径向外二分之一区域。

上述方案中，这有利于破岩任务量大的钻头径向外二分之一区域切削齿冷却与清洗。

作为选择，所述扁长水孔的出口宽度小于扁长水孔内横向剖面中的最大宽度。

上述方案中，扁长水孔内腔的某横向剖面的长度为该横向剖面的最大尺寸，横向剖面的宽度为垂直于该剖面长度方向上的最大尺寸。扁长水孔的出口宽度小于扁长水孔内横向剖面中的最大宽度，即扁长水孔的出口宽度相对其内腔宽度收缩，其在不减少扁长水孔径向喷射覆盖范围的同时，提高扁长水孔出口处的喷射速度，有利于提高钻头清洗井底、运移岩屑和直接冷却切削结构的效果。

作为选择，所述扁长水孔的宽度方向的纵剖面形状为口小底大的反扇形或者类反扇形。

上述方案中，该内腔结构形式可增加水孔射流等速核的长度，对井底的清洗、冷却效果更好，且便于加工制造。

作为选择，所述扁长水孔内腔的横向截面形状为矩形、圆角矩形、曲边矩形或椭圆形。

上述方案中，上述内腔形状便于水孔的制造成型。

作为选择，所述扁长水孔的长度方向的纵剖面的扇形夹角为5～120°。

上述方案中，能扩大扁长水孔径向覆盖区域，有利于水孔大覆盖直接清洗井底、切削齿，提高钻头岩屑运移效率。

作为选择，所述扁长水孔的数量大于钻头水孔总数的二分之一。

上诉方案中，扁长水孔与圆形水孔的组合使用，能够有效的利用钻头上的水力空间，同时针对不同地层、钻井条件，合理选择扁长水孔的数量，从而有益于提高钻头与地层的水力匹配性。当钻头水力空间加大(如大尺寸钻头)时，可全部采用扁长水孔。

前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案：如本实用新型，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本实用新型的有益效果：能提高钻头水孔处钻井液的喷射速度，有利于提高钻头清洗井底效率。扁长水孔增加钻头水孔径向覆盖区域，能扩大水孔直接喷射冷却清洗切削齿的区域；增加过流面积(或降低过流面积的减小量)，降低钻头的水力能量损失，增加水孔射流等速核的长度，有利于井底的清洗，提高钻头岩屑运移效率和自洁能力。

附图说明

图1为本实用新型钻头示意图；

图2为图1钻头的俯视图；

图3为扁长水孔出口截面为矩形倒圆边示意图；

图4为扁长水孔径向覆盖区域示意图；

图5为扁长水孔示意图；

图6为图5扁长水孔俯视图；

图7为螺旋形扁长水孔示意图；

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、12-钻头内流道、2-固定刀翼、3-排屑槽、4-切削齿、5-水孔、51-水孔进口、52-水孔出口、55-水孔轴线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

基本例：如图1、图2、图4所示，一种扁长水孔的钻头，包括钻头本体1，设于钻头本体1上的切削结构2，切削结构2上设置有切削齿4，切削结构2之间设置有排屑槽3和流道12，流道12上设置有水孔5，该水孔5至少有一个为扁长水孔，所述扁长水孔是指该水孔长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形(或者叫放射状形状，参见图4即为长度方向的纵剖面)，且水孔的出口为扁长形(参见图2)。该扁长水孔可以在钻头本体上直接加工，亦可以作为一个整体件，加工好后通过焊接或者其他方式固定在钻头本体1上。该扁长水孔除了运用于常规的固定切削结构钻头，非固定切削结构(如牙轮切削结构等)等外，也可以运用于其他多种切削结构钻头，比如牙轮-PDC复合钻头，盘刀-PDC混合钻头等等。

作为基本例的选择例1，扁长水孔的出口的长度d2是宽度d1的1.5倍以上，即d2/d1≥1.5，如图3、6所示。

作为基本例的选择例2，切削结构2为固定切削结构(如PDC切削结构、孕镶金刚石切削结构等)，扁长水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致，扁长水孔的长度方向顺着钻头切削结构的布齿排布方向，参见图2所示的箭头方向，分别表示两者的方向/走向。例如，固定切削结构按照螺旋布齿或圆弧布齿等，扁长水孔的长度方向则顺着螺旋或圆弧设置，如图7所示。若为非固定切削结构(如牙轮切削结构等)，水孔的长度方向与切削结构的轮廓或钻头的径向一致。

作为基本例的选择例3，扁长水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上，即L1/L≥0.6，如图4。

作为基本例的选择例4，扁长水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外二分之一区域，即P1/P≥0.8，如图4。

作为基本例的选择例5，扁长水孔的出口宽度小于扁长水孔内横向剖面中的最大宽度(扁长水孔的某横向剖面的长度为该横向剖面的最大尺寸，横向剖面的宽度为垂直于该剖面长度方向上的最大尺寸)，如图5、6所示。

作为基本例的选择例6，扁长水孔的宽度方向的纵剖面为口小底大的反扇形或者类反扇形，如图5、6所示。

作为基本例的选择例7，水孔的出口形状为矩形、圆角矩形(图3)、曲边矩形(图7)或椭圆形等。

作为基本例的选择例8，扁长水孔的长度方向的纵剖面扇形夹角a为5～120°，如图4所示。

作为基本例的选择例9，所述扁长水孔的数量大于钻头水孔总数量的二分之一，乃至全部水孔均为扁长水孔，如图1、2所示。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图1还可视为选择例2和选择例3的组合，图2也还可视为选择例4和选择例7的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有扁长水孔的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，其特征在于：所述水孔至少有一个是扁长水孔，所述扁长水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形，扁长水孔的出口形状为扁长形。

2.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的出口的长度是宽度的1.5倍以上。

3.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述切削结构为固定切削结构，所述扁长水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致。

4.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上。

5.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外二分之一区域。

6.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的出口宽度小于扁长水孔内横向剖面中的最大宽度。

7.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的宽度方向的纵剖面形状为口小底大的反扇形或者类反扇形。

8.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的横向截面形状为矩形、圆角矩形、曲边矩形或椭圆形。

9.如权利要求1所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的长度方向的纵剖面的扇形夹角为5～120°。

10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的具有扁长水孔的钻头，其特征在于：所述扁长水孔的数量大于钻头水孔总数的二分之一。