CN207420456U - 振荡水射流扩孔钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振荡水射流扩孔钻具，属于钻探技术领域，提供一种孔底扩孔用钻具，用以解决现有锤击跟管、爆破跟管、伸缩式钻具扩孔跟管等套管护壁方式所存在的问题，以提供一种操作简单，扩孔效果好的新型振荡水射流扩孔钻具，更有利于套管护壁的施工。所述扩孔钻具，包括依次连接的连接头、储压段和钻头体，在连接头、储压段和钻头体内具有连通的导流道，在钻头体的周向设置有射流喷嘴，在射流喷嘴内具有射流道，射流道的一端与导流道连通，射流道的另一端从钻头体的周向表面穿出；沿射流方向，射流道的内径至少设置有一级阶梯收缩结构。本实用新型通过采用振荡射流技术设计而成的扩孔钻具，利用高速振荡流体进行切削，可提供更高的瞬时冲击力。

Description

振荡水射流扩孔钻具

技术领域

本实用新型涉及钻探技术领域，具体涉及一种振荡水射流扩孔钻具。

背景技术

套管护壁是目前工程勘察钻探中处理复杂地层中孔壁垮塌的重要手段，套管护壁目前的主要方法有锤击跟管、爆破跟管、伸缩式钻具扩孔跟管等方式。

在复杂地层中，钻进一定孔段，取芯后孔壁稳定完整，为防止钻进下部孔段过程中，因起下钻或因钻具高速回转导致已成孔孔段孔壁失去稳定，采用下入套管隔离保护孔壁。该方法护壁的前提是钻孔形成后在一定时间内，孔壁保持稳定，否则无法下套管。缺点是套管一旦下入后只能保持上一段孔壁的稳定，下一段钻孔出现了新的孔壁需要套管护壁时只能再下小一径的套管。因此，该种方式中相同口径的套管护壁孔段长度十分有限。

在复杂地层下管护壁效果差或根本无效的情况下，“先采用锤击跟管，再进行钻具取芯钻进”或者“小一径钻具超前取芯、锤击跟管”实现护壁。该护壁技术在淤泥层、砾石层、砂层等松散覆盖层中应用效果良好。跟进套管时的下行力取决于套管底部阻力、套管的重力、锤击的冲击力、套管与孔壁之间的摩擦阻力等，另外跟管时锤击力的传递还受套管强度、套管长度的限制，因此单径套管跟入深度有限，一般不超过10m，通常用于深度不超过40m的浅部松散地层中。

在含有大量漂石、孤石地层中跟进套管，往往孤石、漂石横亘在套管底部，增大阻力，锤击跟管无法进行时，运用爆破工程技术在钻孔中炸开孤石、漂石，孔内爆破减小漂(块)石直径，降低套管底部阻力，再采用锤击跟管，实现爆破跟管护壁。该技术于上世纪六十至七十年代出现，在西南地区大江大河水电钻探中有广泛应用，近年来其他勘探队伍在该地区钻探亦广泛采用，在水文地质勘察及路桥勘察中，也有勘察队伍使用。但该技术对作业的各个环节技术要求精细，操作稍有不当，容易造成孔内事故或伤及操作者，影响效率；并且，该技术需要民爆物品，受到较大限制。

近年来，有的单位研发出伸缩式扩孔器，利用机械原理，实现切削具的伸张和收缩，在不同口径套管底部伸出切削具，通过回转和压力作用下刻取套管底部的地层，实现同步扩孔跟管护壁。但是该技术仍然存在以下缺点：1、切削具承受的轴向压力较小，因而扩孔速度较低，一般在0.4m/h左右；2、受加工工艺限制，切削具的胎体厚度有限，因此单副切削具的寿命较短；3、实现伸张与收缩状态是在孔底进行，难于检测，而且有时难以达到理想的效果。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：上述现有锤击跟管、爆破跟管、伸缩式钻具扩孔跟管等套管护壁方式所存在的问题，以提供一种操作简单，扩孔效果好的新型振荡水射流扩孔钻具，更有利于套管护壁的施工。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：振荡水射流扩孔钻具，包括依次连接的连接头、储压段和钻头体，在连接头、储压段和钻头体内具有连通的导流道，在钻头体的周向设置有射流喷嘴，在射流喷嘴内具有射流道，射流道的一端与导流道连通，射流道的另一端从钻头体的周向表面穿出；沿射流方向，射流道的内径至少设置有一级阶梯收缩结构。

进一步的是：沿射流方向，射流道的第一级阶梯收缩由内径D₁缩小为内径D₂；当流体从内径D₁与内径D2之间的断面流过时，产生第一次自激振荡，该自激振荡的频率为f1，射流道固有频率为f₀，设置f₁＝f₀。

进一步的是：沿射流方向，射流道设置有两级阶梯收缩结构，射流道的第二级阶梯收缩由内径D2缩小为内径d。

进一步的是：D1/d＝4。

进一步的是：所述连接头为异径接头。

进一步的是：连接头、储压段和钻头体之间依次通过螺纹连接。

进一步的是：位于储压段内的导流道为储压室。

进一步的是：在钻头体的周向间隔均匀地设置有多个射流喷嘴。

进一步的是：射流道的射流方向为倾斜向下设置。

进一步的是：还包括钻杆和导向杆，所述钻杆与连接头相连，所述导向杆与钻头体相连。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过采用振荡射流技术设计而成的扩孔钻具，利用高速振荡流体进行切削，有效地解决了孤(漂)石锤击跟管的阻力大、爆破跟管难于采购使用民爆物品且操作危险性高、伸缩式钻具扩孔跟管切削具寿命短及控制难等套管护壁方式的缺陷，采用一种全新的孔底扩孔跟管钻具以实现套管护壁施工，其具有操作简单、安全可靠、高效施工等优势；尤其适用于复杂地层(如深厚覆盖层)的套管护壁钻进施工中。

附图说明

图1为本实用新型所述的振荡水射流扩孔钻具的剖视图；

图2为射流喷嘴的剖视图：

图中标记为：连接头1、储压段2、钻头体3、导流道4、射流喷嘴5、射流道6、储压室7、射流道第一管段内径D1、射流道第二管段内径D2、射流道第三管段内径d、射流道激振段长度L。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1中所示，本实用新型所述的振荡水射流扩孔钻具，其包括依次连接的连接头1、储压段2和钻头体3，在连接头1、储压段2和钻头体3内具有连通的导流道4，在钻头体3的周向设置有射流喷嘴5，在射流喷嘴5内具有射流道6，射流道6的一端与导流道4连通，射流道6的另一端从钻头体3的周向表面穿出；沿射流方向，射流道6的内径至少设置有一级阶梯收缩结构。

其中，在使用时需要通过连接头1将本实用新型所述的振荡水射流扩孔钻具整体安装到相应的钻杆上，并通过钻杆及配套的高压流体供给设备供给高压流体。另外，也可在钻头体3的下端延伸地连接有导向杆。更具体的，为了便于连接头1与相应钻杆的连接，连接头1一般采用异径接头。

使用时，喷射流体由高压流体供给设备供给，如有高压水泵供给高压水流；高压流体经钻杆以及连接头1、储压段2和钻头体3内的导流道4后进入射流喷嘴5并从射流喷嘴5喷出，借助流体的喷射力作用实现扩孔的目的。

更具体的，为了产生振荡射流，沿射流方向，射流道6的内径至少设置有一级阶梯收缩结构。如参照附图2中所示的具体结构中设置有两级阶梯收缩结构，即沿射流方向，射流道6的第一级阶梯收缩由内径D1缩小为内径D2，射流道的第二级阶梯收缩由内径D2缩小为内径d。

流体在流经第一级阶梯收缩断面位置时，过流断面的直径由D1收缩为D2，此时由于过流断面的收缩，将使流体产生第一次自激振荡，进而提高从射流喷嘴5喷射出的流体的冲击作用，最终提高其扩孔效果。更具体的，本实用新型中优选满足如下要求：当流体从内径D1与内径D2之间的断面流过时，其会产生第一次自激振荡，设该自激振荡的频率为f1，设射流道6固有频率为f0，优选设置f1＝f0。通过上述对相应频率的设定，当流体在经过第一级阶梯收缩的断面位置后，其产生频率为f1的第一次自激振荡，之后在下游的射流道激振段内，经过长度L的管道范围时由于流体的第一次自激振荡频率f1与射流道固有频率f0相同，因此将产生共振作用，进而可使得流体的振荡效果得到有效地放大，以提高其最终喷出时的冲击作用效果。

更优选的，沿射流方向，射流道6设置有两级阶梯收缩结构，其中第一级阶梯收缩由内径D1缩小为内径D2，射流道的第二级阶梯收缩由内径D2缩小为内径d；这样，流体经过第一级阶梯收缩断面位置后将产生第一次自激振荡，然后再经过下游的射流道激振段，产生振荡叠加，使得振荡作用被放大。之后，再通过第二级阶梯收缩断面时形成第二次自激振荡，设其频率为f2，当f2适宜时，对流入第二阶梯的高压水流的振荡进一步加强，可提高喷射流体的瞬间冲击强度；另外，第二次自激振荡还会反馈到射流道激振段的管路内并产生扰动，进而产生反馈压力振荡，产生扰动波，设其频率为f3；通过反馈压力振荡可产生更为强烈的高速紊流，有利于破碎地层，提高扩孔效果。

另外，如上所述，本实用新型所述的振荡水射流扩孔钻具在使用时应当尽量满足f1＝f0，以利用共振作用，增强流体的自激振荡作用，进而提高最终喷射流体对孔壁岩体的切削扩孔作用。在实际尺寸设计过程中，f1的大小主要与斯特劳哈尔数(Sr)、流体流速(u)、内径D1等参数有关，其中斯特劳哈尔数(Sr)与流体的雷偌数(Re)有关，且一般可取Sr＝0.198(1-19.7/Re)；而f0的大小则主要与D1/D2、射流道激振段长度L、反馈压力振荡的扰动波速等有关；其中，射流道激振段长度L如附图2中所示，指第一级阶梯收缩的阶梯位置至射流道6的出口之间的流道长度；而反馈压力振荡的扰动波速则是指在设置有第二级阶梯收缩结构时，第二次自激振荡反馈到射流道激振段的管路内所产生的反馈压力振荡引起的扰动波的波速。因此在设计过程中，应当综合上述各因素进行设计，以使振荡水射流扩孔钻具在正常工况条件下尽量满足f1＝f0，以产生共振作用。

另外，在设置有第一级阶梯收缩结构时，第二次自激振荡的频率f2主要与斯特劳哈尔数(Sr)、流体流速(u)、内径d等参数有关；因此必要时，可通过对上述参数的设定获得特定的频率f2。另外，为了提高最终从射流喷嘴5喷射出的流体的冲击作用，本实用新型中进一步优选设置D1/d＝4，即通过两级阶梯收缩结构，使得射流道6的最终直径d缩小至初始直径D1的四分之一。

另外，本实用新型中对于连接头1、储压段2和钻头体3之间的连接结构，优选采用螺纹连接；这样可更便于拆卸以及对其中部分部件的更换。当然，对于连接头1与钻杆之间的连接以及钻头体3与导向杆之间的连接也可分别采用螺纹连接。

更具体的，参照附图1所示，在以连接头1一端为上端、以钻头体3一端为下端时，射流道6的射流方向优选为倾斜向下设置；这样，从射流道6喷射出的流体将产生倾斜向下的冲击作用，更便于钻具的扩孔钻进作业。当然，不失一般性，在钻头体3的周向上一般可设置有多个射流喷嘴5，并且通常将多个射流喷嘴5沿周向间隔均匀地分布。另外，射流喷嘴5可以是独立的部件，通过固定地或者可拆卸地安装在钻头体3上；或者射流喷嘴5也可为钻头体3整体的部分结构。

另外，本实用新型中进一步将位于储压段2内的导流道设置为储压室7；储压室7对应部分的导流道的截面积可设置为较大尺寸，以形成具有较大空腔的结构，可使高压流体达到平衡稳压作用。

通过采用本实用新型所述的振荡水射流扩孔钻具，从射流喷嘴5喷射的流体可达到普通结构喷嘴喷射的流体1.5～2.5倍的瞬时冲击力，因此更有益于破碎地层或岩石，提高扩孔效率，以及实现方便、快速的套管护壁作业。不失一般性，本实用新型中射流喷嘴5的材料宜采用高强耐磨材质，以提高了喷嘴的耐磨性能和喷嘴的使用寿命。

Claims (10)

1.振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：包括依次连接的连接头(1)、储压段(2)和钻头体(3)，在连接头(1)、储压段(2)和钻头体(3)内具有连通的导流道(4)，在钻头体(3)的周向设置有射流喷嘴(5)，在射流喷嘴(5)内具有射流道(6)，射流道(6)的一端与导流道(4)连通，射流道(6)的另一端从钻头体(3)的周向表面穿出；沿射流方向，射流道(6)的内径至少设置有一级阶梯收缩结构。

2.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：沿射流方向，射流道(6)的第一级阶梯收缩由内径D1缩小为内径D2；当流体从内径D1与内径D2之间的断面流过时，产生第一次自激振荡，该自激振荡的频率为f1，射流道(6)固有频率为f0，设置f1＝f0。

3.如权利要求2所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：沿射流方向，射流道(6)设置有两级阶梯收缩结构，射流道(6)的第二级阶梯收缩由内径D2缩小为内径d。

4.如权利要求3所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：D1/d＝4。

5.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：所述连接头(1)为异径接头。

6.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：连接头(1)、储压段(2)和钻头体(3)之间依次通过螺纹连接。

7.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：位于储压段(2)内的导流道为储压室(7)。

8.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：在钻头体(3)的周向间隔均匀地设置有多个射流喷嘴(5)。

9.如权利要求1所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：射流道(6)的射流方向为倾斜向下设置。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的振荡水射流扩孔钻具，其特征在于：还包括钻杆和导向杆，所述钻杆与连接头(1)相连，所述导向杆与钻头体(3)相连。