CN106285493A - 水平井自旋转脉冲内磨钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平井自旋转脉冲内磨钻头。区别于常规PDC钻头，本发明加装了脉冲射流旋喷破岩装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置。脉冲射流旋喷破岩装置包括谐振管、下喷流道、自旋转喷嘴、刀翼；基于风琴管，通过激发液体共振产生高压脉冲射流，提高水力辅助破岩效率，通过自旋转喷嘴正向射流剪切拉伸破岩，侧向射流提供钻头自进力；负压抽汲装置包括反向高速流道、抽汲腔，基于射流泵，凭借反向射流高速特性在抽汲腔形成负压，抽汲岩屑上返，减小压持效应；岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、旁通和扩散腔，基于颗粒‑颗粒和颗粒‑内磨体之间的高压作用力、水楔效应粉碎岩屑，利于携岩，清除岩屑床。
Description
技术领域
本发明属于油气井钻井领域，具体为一种水平井自旋转脉冲内磨钻头。
背景技术
水平井钻井中，往往由于携岩不利、清岩不及时导致岩屑堆积，产生岩屑床，严重制约着机械钻速和钻井成本，导致憋泵、蹩钻，甚至卡钻等钻井复杂事故的发生。常规的解决方法多为提高钻速、增大排量、添加润滑剂，通过短距离上提下放钻具，将钻头附近的大颗粒岩屑推回井底重复破碎，虽然有一定的效果，但是降低了机械钻速，不能从根本上清除水平井岩屑床。产生岩屑床一个很重要的原因就是大颗粒岩屑得不到有效地粉碎，理论研究和现场试验都充分证明，小尺寸岩屑的携岩效率明显优于大尺寸岩屑。因此将大颗粒岩屑粉碎为更小粒径可以更好地清除岩屑床。
水力破岩在机械钻井领域已经得到大规模的应用，并在现场取得了良好效益，基于水射流理论的自旋转喷嘴在水平井钻井中，剪切拉伸破岩效率高、摩阻小、寿命长、工作平稳。
脉冲射流以其非对称、非均匀、不稳定特性，相对常规稳态射流，可极大提高水力辅助破岩效率，理论研究和现场试验均证明脉冲射流在钻井领域有着相当广阔的应用前景。
射流泵在采油、固井等领域已经得到大规模的应用，而如何将射流泵理论应用于钻井清岩、携岩却是一个新问题，将基于射流泵的负压抽汲理论应用于新型钻头的设计将是一个新方向，为清除水平井岩屑床提供一种新思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平井自旋转脉冲内磨钻头，利用自旋转水力射流的剪切拉伸破岩，效率高，功率消耗小、摩阻小、寿命长等特性，结合脉冲射流、负压抽汲和岩屑内磨粉碎特性，提高破岩、清岩效率，清除水平井岩屑床。为实现此目的，本发明在常规PDC钻头基础上加装了脉冲射流旋喷破岩装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置。
所述的脉冲射流旋喷破岩装置包括谐振管、下喷流道、自旋转喷嘴、刀翼。
所述的谐振管由钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口、分流区组成。各部分设计为共轴圆柱形构造，相互对接连通，其中分流区出口与反向高速喷嘴、下喷流道相连通；并优化管径为：进给腔管径为钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径为流道的0.8倍，谐振管出口管径为流道的0.5倍，分流区管径为流道的2倍。
钻井液流道、进给腔是钻井液进入谐振管的通道；谐振管出口产生初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔；谐振腔：当反馈的初始压力波动与谐振腔固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，从而获得脉冲射流；分流区与下喷流道、反向高速流道相连通，实现流量分配。
下喷流道与分流区相连通，出口在钻头端部，内部均布安装3个自旋转喷嘴，实现钻头底部的清岩、冷却润滑钻头和携带岩屑；喷出的高速脉冲射流水力辅助高效破岩。
自旋转喷嘴安装在下喷流道，由自旋转中心轴体、正向喷嘴、侧向喷嘴、喷嘴外壳、自旋转体等部分组成。流体流经自旋转喷嘴的正向和侧向喷嘴，产生正向和侧向射流，正向射流剪切拉伸破岩、周期性冲击、扫面式破岩；侧向射流提供钻头自进力，实现自旋转体绕自旋转中心轴体的自旋转，并有扩孔的作用，提高破岩和清岩效率。
所述的负压抽汲装置包括反向高速流道和抽汲腔，利用反向射流抽汲井底岩屑，减小压持效应，提高机械钻速。反向高速射流喷嘴与分流区相连通，出口在混合腔内；基于射流泵原理，凭借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底产生负压，抽汲岩屑上返；抽汲腔与钻头端部排屑槽相连通，出口在混合腔内，是岩屑抽汲上返的通道。
所述的岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、旁通和扩散腔。混合腔与抽汲腔、反向高速喷嘴连通，出口与喉道对接连通，实现岩屑与反向高速流体的混合；高压脉冲射流经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在抽汲腔内形成负压，在负压作用下，岩屑被高速射流束抽汲形成两相高速紊流。
喉道与加速腔对接连通，设计为圆柱形构造，管径是加速腔管径的0.5倍，以充分加速岩屑。其收缩截面增强反向射流的冲击力。
加速腔与内磨腔相连通，设计为圆柱形构造，以避免附壁流和提高射流能量利用率，凭借钻井液粘滞力加速岩屑，实现主流体与岩屑之间的能量传递。
内磨腔与加速腔连通，为棱柱形构造，横截面为加速腔圆形截面的外接正六边形，轴线与加速腔轴线呈138°夹角；内磨体附于内磨腔中，正对加速腔，以减小钻井液阻力、有效粉碎岩屑，利用颗粒-颗粒和颗粒-内磨体之间的高压作用力、水楔效应粉碎岩屑。
扩散腔和旁通均与内磨腔相连通，均为圆柱形构造，扩散腔轴线与内磨腔呈138°夹角并接环空，旁通与内磨腔共轴线，以减小岩屑流对井壁的冲击。当岩屑流速度降下来之后，经其外排入环空。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)谐振管结构，将循环钻进的稳定流体转换为脉冲射流，相对于常规连续射流，脉冲射流非均匀、非对称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩能力；
(2)自旋转喷嘴，自旋转提供钻头进给力，区别于常规的冲击破岩，射流剪切拉伸破岩，效率高，功率消耗小、摩阻小、寿命长、工作平稳，可提高破岩、清岩效率；
(3)反向高速流道，产生反向高速射流，在抽汲腔-钻头底部形成负压区，抽汲岩屑，减小压持效应；
(4)内磨削结构，通过内磨高压作用力内磨粉碎岩屑，减小颗粒粒径，提高钻井液携岩效率，清除水平井岩屑床。
附图说明
图1为一种水平井自旋转脉冲内磨钻头示意图。
图2为自旋转喷嘴示意图。
图3为图1中A-A剖面示意图。
图4为图1中B-B剖面示意图。
图5为图1中C-C剖面示意图。
图6为图1中D-D剖面示意图。
图7为图1中E-E剖面示意图。
图8为图1的右视示意图。
图1中：1、扩散腔，2、旁通，3、内磨腔，4、加速腔，5、分流区，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下喷流道，9、自旋转喷嘴，10、钻井液流道，11、进给腔，12、内磨体，13、谐振腔，14、PDC钻头本体，15、谐振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。
图2中：19、自旋转中心轴体，20、侧向喷嘴，21、喷嘴外壳，22、自旋转体，23、正向喷嘴。
具体实施方式
如图1所示，一种用于水平井自旋转脉冲内磨钻头，包括：1、扩散腔，2、旁通，3、内磨腔，4、加速腔，5、分流区，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下喷流道，9、自旋转喷嘴，10、钻井液流道，11、进给腔，12、内磨体，13、谐振腔，14、PDC钻头本体，15、谐振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。自旋转喷嘴包括自旋转中心轴体19、正向喷嘴23、侧向喷嘴20、喷嘴外壳21、自旋转体22。主要为四个部分：脉冲生成部分、旋喷破岩部分、负压抽汲上返部分和颗粒内磨部分。
脉冲生成部分包括钻井液流道10、进给腔11、谐振腔13、谐振管出口15、分流区5，产生脉冲射流。如图1所示，稳定的钻井液经钻井液流道10、进给腔11进入谐振管，流经谐振管出口15时，在收缩截面作用下产生初始的压力波动；产生的压力波动被反馈到谐振腔13；当压力波动的频率与谐振腔13固有频率相符时，激发液体共振，产生高速涡流，从而在谐振腔13内得到脉冲射流；脉冲射流经分流区5流向反向高速流道17和下喷流道8。
旋喷破岩部分包括自旋转喷嘴9、下喷流道8、刀翼18。自旋转喷嘴9由自旋转中心轴体19、正向喷嘴23、侧向喷嘴20、喷嘴外壳21、自旋转体22组成，利用刀翼机械破岩，自旋转喷嘴水力辅助破岩。如图1和图2所示，下喷的高速脉冲射流经下喷流道8，经自旋转喷嘴9的正向喷嘴23和侧向喷嘴20喷出，产生正向和侧向射流，正向射流旋转冲击，通过剪切、拉伸作用在井底形成圆形破岩面，而反向射流由于存在反向张角和偏心距，为钻头提供进给力和旋转动力，实现自旋转体21绕自旋转中心轴体19的自旋转。旋喷破岩部产生的不对称、不均匀的脉冲射流辅助破岩、搅动和清洁岩屑，并作为主流体携带经刀翼18切削的岩屑进入抽汲腔。
负压抽汲上返部分包括反向高速流道17和抽汲腔7，负压抽汲岩屑上返，减小压持效应。如图1所示，上返的钻井液脉冲射流经反向高速流道17喷出，形成反向高聚能射流，其高速特性在抽汲腔7-钻头底部形成负压，在负压作用下，高浓度岩屑被抽汲脱离井底，在混合腔6实现与上返射流的混合。
岩屑内磨部分包括混合腔6、喉道16、加速腔4、内磨腔3、内磨体12、旁通2和扩散腔1，减小岩屑粒径，提高携岩效率。如图1所示，在混合腔6混合后的钻井液-岩屑流经喉道16进入加速腔4，由于钻井液粘滞力作用，岩屑获得加速并在内磨腔3中，与内磨体12产生碰撞；在内磨腔3内，由于颗粒与颗粒、颗粒与内腔体3之间的高压作用力、水楔效应的作用，岩屑被进一步粉碎，其速度降下来之后经扩散腔1和旁通2排出。
Claims (1)
1.一种新型水平井自旋转脉冲内磨钻头，其特征在于在常规PDC钻头的基础上加装了脉冲射流旋喷破岩装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置：
所述的脉冲射流旋喷破岩装置包括谐振管、下喷流道、自旋转喷嘴、刀翼，谐振管由钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口与分流区组成；谐振管各部分依次相互对接连通，分流区出口与反向高速流道、下喷流道相连通；钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区均为共轴圆柱形构造；进给腔管径是钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径是流道的0.8倍，谐振管出口管径是流道的0.5倍，分流区管径是流道的2倍；下喷流道与分流区相连通，出口在钻头端部，其中均布安装有3个自旋转喷嘴；
所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、抽汲腔；反向高速流道与分流区出口相连通，出口在混合腔；抽汲腔与钻头端部排屑槽相连通，出口在混合腔；
所述的岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、旁通和扩散腔；混合腔外侧与抽汲腔、反向高速流道相连通，内侧与喉道对接连通；喉道与加速腔对接连通，为圆柱形构造，管径为加速腔管径的0.5倍；内磨腔与加速腔相连通，两者轴线呈138°夹角，加速腔为圆柱形构造，内磨腔为棱柱形构造，内磨腔横截面为加速腔圆形截面的外接正六边形；内磨体附于内磨腔内壁，正对加速腔出口；旁通和扩散腔与内磨腔相连通，均为圆柱形构造，旁通与内磨腔共轴线，扩散腔轴线与内磨腔轴线呈138°夹角。
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