CN210289632U - 干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置 - Google Patents

Abstract

干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，属于干热岩钻探钻具技术领域，包括外管、弹性挡圈、喷嘴、水射流通道、喷嘴套、潜孔锤液流通道、阀座、弹簧及钢球，外管上端与钻杆通过螺纹连接，外管下端与液动潜孔锤通过螺纹连接，钢球用于控制水射流通道和潜孔锤液流通道开关切换，钻进时钢球未放置在潜孔锤液流通道内，钻杆、外管以及液动潜孔锤的中心液流通道相互连通，水射流通道的水流被阀座上部隔断，钻进结束需要更换新的潜孔锤钻头时，钢球放置在潜孔锤液流通道内，潜孔锤液流通道关闭，水射流通道打开，钻井液通过喷嘴形成水射流破碎孔壁岩石，实现扩眼作业。本实用新型提钻的同时完成扩眼作业，节省时间成本和钻井成本，提高了干热岩的钻进效率。

Description

干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置

技术领域

本实用新型涉及干热岩钻探钻具技术领域，特别涉及一种干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置。

背景技术

地热能是一种分布广泛、储量丰富、可再生、无污染、具有巨大开发潜力的清洁能源。与水热型地热资源相比，更多的地热能储存于地下无水或少水的高温岩体中形成干热岩型地热资源。同时，由于地热资源蕴藏在干热岩中，因而相关的干热岩钻探开发技术的研究对地热资源的开发至关重要。

由于干热岩地层通常为火成岩，具有埋藏深、可钻性差、研磨性强等特点，因而钻井是干热岩开发的关键环节。目前，干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。

在使用潜孔锤钻进研磨性强的干热岩时，潜孔锤钻头球齿会逐渐磨损失效，其中由于边齿磨损变短，导致实际钻孔直径减小，小于新潜孔锤钻头的直径。通常在提钻更换新的潜孔锤钻头后要先下入牙轮钻头进行扩眼，以保证钻孔直径一致，使新的潜孔锤钻头能够顺利下入孔底。但使用牙轮钻头扩眼需要进行下钻扩眼和提钻作业，特别是对于深孔钻进，每次下钻和提钻需要花费大量时间成本和人力、财力成本，从而增加了钻井成本，降低了钻进效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有干热岩钻井工艺中每次更换新的潜孔锤钻头后需要下入牙轮钻头进行扩眼，导致干热岩钻井成本增加，钻进效率较低的问题，提供了一种新型可靠的用于降低干热岩钻井成本，提高钻进效率的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置。

本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，包括：外管、弹性挡圈、喷嘴、水射流通道、喷嘴套、潜孔锤液流通道、阀座、弹簧及钢球，所述外管的上端与钻杆通过螺纹连接，外管的下端与液动潜孔锤通过螺纹连接，外管、钻杆及液动潜孔锤同轴设置，外管的内侧壁为阶梯形结构，在外管的上部管壁内设置有水射流通道以及与水射流通道相通的用于安装喷嘴套的螺纹孔；所述水射流通道中心轴线与螺纹孔中心轴线重合，水射流通道及螺纹孔向上倾斜布置，水射流通道及螺纹孔的中心轴线与外管中心轴线夹角为20°～80°；所述喷嘴套通过螺纹连接固定在所述螺纹孔内，喷嘴套与螺纹孔同轴设置，喷嘴套上开设有沿水流方向截面积逐渐增大的锥形喷孔；所述喷嘴安装在喷嘴套内，喷嘴与喷嘴套同轴设置，喷嘴的内通道、水射流通道及设置在喷嘴套上的锥形喷孔相互连通；所述弹簧设置在外管的中心液流通道内，弹簧下端抵靠在位于外管下部的内肩台上；所述弹性挡圈安装在外管中心液流通道的侧壁上部；所述阀座安装在外管中心液流通道内，阀座底端面与弹簧上端面接触，阀座内部设有沿其轴向贯穿的潜孔锤液流通道，潜孔锤液流通道为变径结构，沿钻井液流向潜孔锤液流通道分为三段，第一段为内径大于钢球直径的圆柱形通道，第二段为沿钻井液流向内径逐渐减小的圆锥台形通道，第三段为内径小于钢球直径的圆柱形通道，

钢球用于控制水射流通道和潜孔锤液流通道开关切换，钢球未放置在潜孔锤液流通道内部时，阀座上端面顶在弹性挡圈上，钻杆、外管以及液动潜孔锤的中心液流通道相互连通，阀座上部堵住水射流通道，水射流通道关闭；

钢球放置在潜孔锤液流通道内，潜孔锤液流通道关闭，水射流通道打开。

进一步，所述水射流通道和螺纹孔数量均至少为三个，水射流通道和螺纹孔均围绕外管中心轴线均匀间隔分布。

进一步，所述喷嘴套外侧设置有外螺纹，外管管壁内的螺纹孔为与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

进一步，所述喷嘴和喷嘴套之间设置有密封圈。

进一步，所述喷嘴内部形成有收缩加速段与稳定射流段，收缩加速段设置有沿水射流方向截面积逐渐减小的锥形孔。

进一步，所述喷嘴的喷孔距离井壁岩石距离为5mm～15mm。

进一步，于所述阀座外侧上部和下部各安装有一环形密封圈。

进一步，所述螺纹孔的内孔为阶梯形结构，喷嘴套内壁为阶梯形结构，喷嘴及喷嘴套均具有内端面和外端面，且靠近外管中心轴线的为内端面，喷嘴的外端面顶在喷嘴套内肩台上，喷嘴的内端面顶在螺纹孔内肩台上，喷嘴套的外端面设有内六角孔。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：

1、本实用新型与常规牙轮钻头扩眼相比，对每次更换潜孔锤钻头而言，减少了一次下钻扩眼作业和提钻作业，特别是对于深井和超深井钻进，节省了大量时间成本和钻井成本，提高了干热岩的钻进效率。

2、本实用新型采用投球方式控制水射流通道与潜孔锤液流通道的开关，未投入钢球时潜孔锤液流通道打开，水射流通道关闭，潜孔锤正常钻进；需提钻更换钻头时，通过向钻杆中心液流通道投入钢球，钢球卡设在潜孔锤液流通道内，关闭潜孔锤液流通道，潜孔锤停止工作，水射流通道打开，可以一边提钻一边扩眼。整体结构可靠，操作简单。

3、水射流扩眼作业时使用清水或经过滤的钻井液便可实现碎岩目标，无需另配专用钻井液，具有一定的经济性和简易性优势。

4、所述用于安装喷嘴套的螺纹孔中心轴线与外管中心轴线夹角为20°～80°，螺纹孔、喷嘴套及喷嘴的中心轴线重合，水射流的喷嘴向上倾斜安装，有利于射流碎岩后钻井液通过外管与井壁间环空间隙携带岩屑上返。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型提出的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置的结构剖面图。

图2为本实用新型提出的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置投入钢球后的结构剖面图。

图中各标记如下：1-外管；2-弹性挡圈；3-喷嘴；4-水射流通道；5-喷嘴套；6-潜孔锤液流通道；7-密封圈；8-阀座；9-弹簧；10-钢球。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1及图2所示，干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，包括外管1、弹性挡圈2、喷嘴3、水射流通道4、喷嘴套5、潜孔锤液流通道6、密封圈7、阀座8、弹簧9以及钢球10，所述外管1的上端与钻杆通过螺纹连接，外管1的下端与液动潜孔锤通过螺纹连接，外管1、钻杆及液动潜孔锤同轴设置，未投入钢球10时，钻杆、外管1以及液动潜孔锤的中心液流通道相互连通，外管1的内侧壁为阶梯形结构，在外管1的上部管壁内设置有水射流通道4以及与水射流通道4相通的用于安装喷嘴套5的螺纹孔；所述水射流通道4中心轴线与螺纹孔中心轴线重合，水射流通道4及螺纹孔向上倾斜布置，水射流通道4及螺纹孔的中心轴线与外管1中心轴线夹角为20°～80°，水射流通道4和螺纹孔数量均至少为三个，水射流通道4和螺纹孔均围绕外管1中心轴线均匀间隔分布；所述螺纹孔的内孔为阶梯形结构；所述喷嘴套5通过螺纹连接固定在所述螺纹孔内，喷嘴套5与螺纹孔同轴设置，喷嘴套5内壁为阶梯形结构；所述喷嘴3安装在喷嘴套5内，喷嘴3与喷嘴套5同轴设置，两者之间通过密封圈进行密封，喷嘴3内部形成有收缩加速段与稳定射流段，收缩加速段设置有沿水射流方向截面积逐渐减小的锥形孔，用于将液流加速导向所述稳定射流段，喷嘴3的喷孔距离井壁岩石距离为5mm～15mm，在保证射流有效扩眼长度大于边齿最大磨损长度1.5mm的同时，尽量增大外管1与井壁间环空间隙，减小或避免外管1磨损，为保证水射流碎岩深度大于1.5mm，喷嘴3的水射流出口初速度为50m/s～150m/s，喷嘴3及喷嘴套5均具有内端面和外端面，且靠近外管1中心轴线的为内端面，喷嘴3的外端面顶在喷嘴套5内肩台上，喷嘴3的内端面顶在螺纹孔内肩台上，喷嘴套5的外端面设有内六角孔，用于使用内六角扳手拧卸喷嘴套5，同时喷嘴套5上设有沿水流方向截面积逐渐增大的锥形喷孔，位于喷嘴套5上的锥形喷孔、水射流通道4以及喷嘴3的内通道相互连通；所述弹簧9设置在外管1的中心液流通道内，弹簧9下端抵靠在位于外管1下部的内肩台上；所述弹性挡圈2安装在外管1中心液流通道的侧壁上部；所述阀座8安装在外管1中心液流通道内，阀座8底端面与弹簧9上端面接触，阀座8内部设有沿其轴向贯穿的潜孔锤液流通道6，潜孔锤液流通道6为变径结构，沿钻井液流向潜孔锤液流通道6分为三段，第一段为内径大于钢球10直径的圆柱形通道，第二段为沿钻井液流向内径逐渐减小的圆锥台形通道，第三段为内径小于钢球10直径的圆柱形通道，钢球10用于控制水射流通道4和潜孔锤液流通道6开关切换，潜孔锤液流通道6内未放置有钢球10时，阀座8上端面顶在弹性挡圈2上，钻杆、外管1以及液动潜孔锤的中心液流通道相互连通，水射流通道4的水流被阀座8上部隔断，水射流通道4关闭，弹性挡圈2用于防止阀座8在弹簧力作用下弹出，潜孔锤液流通道6内放置有钢球10时，潜孔锤液流通道6关闭，水射流通道4打开，钻井液通过喷嘴3形成水射流破碎孔壁岩石，实现扩眼作业，于阀座8外侧上部和下部各安装有一环形密封圈7，防止液动潜孔锤钻进时水流通过水射流通道4泄漏，影响液动潜孔锤工作性能。

具体水射流通道4和潜孔锤液流通道6开关切换过程如下：如图1所示，钻进工作时，未投入钢球10，液流依次通过上方钻杆中心液流通道、外管1上端中心液流通道及潜孔锤液流通道6进入下方液动潜孔锤中，液动潜孔锤正常工作钻进，此时外管1管壁内水射流通道4通过阀座8上端配合密封圈7而关闭，因此在未投入钢球10时水流被阀座8上部隔断。如图2所示，钻进结束需要更换新的潜孔锤钻头时，通过上部钻杆中心液流通道投入钢球10，同时打开地面水泵，调节到合适的低流量工作，钢球10在重力和水力作用下，沿着钻杆中心液流通道向下运动，最终卡在阀座8的潜孔锤液流通道6内，实时观察水泵压力表，当水泵压力表压力快速上升时可以逐步增大流量，钢球10在水压作用下压紧阀座8，从而切断潜孔锤液流通道6。水压持续增大，推动钢球10和阀座8向下压缩弹簧9，随着向下位移逐步增大，最终打开水射流通道4，钻井液通过喷嘴3形成高速水射流破碎孔壁岩石，实现扩眼作业。

本实用新型提出的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置工作原理如下：干热岩钻进岩层多为研磨性高、可钻性差的花岗岩。液动潜孔锤钻进过程中钻头边齿逐渐磨损，导致钻孔直径逐渐缩小，在钻头失效更换同直径钻头后，由于钻孔直径缩小，新钻头无法下入。研究发现经液动潜孔锤冲击回转钻进后的花岗岩井壁存在大量微裂纹和微破碎，井壁表层可以被小刀刻划，井壁表层岩石破碎难度大幅降低。通过实施本技术方案，可在液动潜孔锤钻进提钻更换钻头过程中，通过投入钢球10方式关闭潜孔锤液流通道6，同时打开外管1管壁内水射流通道4，使用高速水射流破碎孔壁岩石，实现扩眼作业，不必在更换新钻头后使用牙轮钻头重新扩眼，省去了一次下钻扩眼和提钻的过程，特别是对深井和超深井，节约了大量时间成本和钻井成本，提高了干热岩的钻进效率。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，包括：外管、弹性挡圈、喷嘴、水射流通道、喷嘴套、潜孔锤液流通道、阀座、弹簧及钢球，所述外管的上端与钻杆通过螺纹连接，外管的下端与液动潜孔锤通过螺纹连接，外管、钻杆及液动潜孔锤同轴设置，外管的内侧壁为阶梯形结构，在外管的上部管壁内设置有水射流通道以及与水射流通道相通的用于安装喷嘴套的螺纹孔；所述水射流通道中心轴线与螺纹孔中心轴线重合，水射流通道及螺纹孔向上倾斜布置，水射流通道及螺纹孔的中心轴线与外管中心轴线夹角为20°～80°；所述喷嘴套通过螺纹连接固定在所述螺纹孔内，喷嘴套与螺纹孔同轴设置，喷嘴套上开设有沿水流方向截面积逐渐增大的锥形喷孔；所述喷嘴安装在喷嘴套内，喷嘴与喷嘴套同轴设置，喷嘴的内通道、水射流通道及设置在喷嘴套上的锥形喷孔相互连通；所述弹簧设置在外管的中心液流通道内，弹簧下端抵靠在位于外管下部的内肩台上；所述弹性挡圈安装在外管中心液流通道的侧壁上部；所述阀座安装在外管中心液流通道内，阀座底端面与弹簧上端面接触，阀座内部设有沿其轴向贯穿的潜孔锤液流通道，潜孔锤液流通道为变径结构，沿钻井液流向潜孔锤液流通道分为三段，第一段为内径大于钢球直径的圆柱形通道，第二段为沿钻井液流向内径逐渐减小的圆锥台形通道，第三段为内径小于钢球直径的圆柱形通道；

钢球用于控制水射流通道和潜孔锤液流通道开关切换，钢球未放置在潜孔锤液流通道内部时，阀座上端面顶在弹性挡圈上，钻杆、外管以及液动潜孔锤的中心液流通道相互连通，阀座上部堵住水射流通道，水射流通道关闭；

钢球放置在潜孔锤液流通道内，潜孔锤液流通道关闭，水射流通道打开。

2.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述水射流通道和螺纹孔数量均至少为三个，水射流通道和螺纹孔均围绕外管中心轴线均匀间隔分布。

3.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述喷嘴套外侧设置有外螺纹，外管管壁内的螺纹孔为与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

4.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述喷嘴和喷嘴套之间设置有密封圈。

5.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述喷嘴内部形成有收缩加速段与稳定射流段，收缩加速段设置有沿水射流方向截面积逐渐减小的锥形孔。

6.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述喷嘴的喷孔距离井壁岩石距离为5mm～15mm。

7.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，于所述阀座外侧上部和下部各安装有一环形密封圈。

8.根据权利要求1所述的干热岩高能液动潜孔锤喷射扩眼装置，其特征在于，所述螺纹孔的内孔为阶梯形结构，喷嘴套内壁为阶梯形结构，喷嘴及喷嘴套均具有内端面和外端面，且靠近外管中心轴线的为内端面，喷嘴的外端面顶在喷嘴套内肩台上，喷嘴的内端面顶在螺纹孔内肩台上，喷嘴套的外端面设有内六角孔。

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