[实用新型]一种牙轮钻头的水力结构

说明书

本实用新型涉及一种用于石油和地质钻井的牙轮钻头，具体地涉及三牙轮钻头的水力系统结构。

现有的三牙轮钻头包括三片上部组焊成一体的牙掌，每片牙掌下部安设有一个牙轮，在每片牙掌的中部外周一侧设有喷嘴口向下的边喷嘴，以作为钻头的水力结构。这种水力结构的三牙轮钻头，一方面是喷嘴出口到井底的距离较远，上行液流与下行相互干扰，消耗了大量的射流能量；另一方面是三股射流撞击到井底后，在井底形成三个漫流区，各股漫流相互干扰，不仅在井底形成滞流区，还会相互降低漫流的速度，因此清洗井底的效果较差，并影响钻头的钻凿性能和效率。为解决上述水力结构上存在的缺陷，已提出有加长喷嘴缩短喷嘴孔到井底距离的技术方案；此外，中国专利952211688中提出了双流道低喷嘴座水力结构，一方面缩短喷嘴出口到井底的距离，另一方面使井底形成非对称流场，但是，这些结构都未能彻底消除井底漫流层的滞流区。为了有效改善井底存在的滞流区，美国专利US05853055中设计出了中心喷嘴加1-2个边喷嘴的水力结构，并在中心喷嘴出口加长段开有三个侧孔，侧孔的射流用于清洗牙轮，在排量分配上，中心喷嘴排量占总排量的75％以上，该牙轮钻头水力结构的不足之处在于：其一，边喷嘴排量变小，其射流将在达到井底之前衰竭，这既达不到清岩目的，还会扰乱井底流场；其二，中心喷嘴的三个侧孔直接与中心主流道相通，其射流速度较高，直接喷射到牙轮上易造成对牙轮的冲蚀。

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足而提供一种三牙轮钻头的水力结构，它能有效改善井底流场，提高主射流的清岩效果，从而有效提高三牙轮钻头的钻井速度。

本实用新型的目的由以下的技术方案来实现：包括有三片牙掌1，三片牙掌的上部结合成一体，每片牙掌的下端安设有牙轮2，钻头体的下端中部设置有中心喷嘴4，其不同之处在于在各片牙掌之间的钻头体外周安设有扶正块5，扶正块上设有喷孔朝上的反向边喷嘴7。

按上述方案，可在中心喷嘴4的周向设置辅助喷嘴16，辅助喷嘴通过减压辅助流道与主流道相连通；在所述扶正块的外周面上设有耐磨保径齿6。

本实用新型的主要特点在于使用时钻头的中心喷嘴喷射出高速的泥浆射流，直接撞击到凸起的井底岩芯8，在井底凸起岩芯的导流作用下向四周扩散，形成高速漫流，井底岩屑在高速漫流的剪切作用下离开井底，随钻井液向上运动，而反向边喷嘴一方面用于调节泥浆的排量，另一方面其射流可对井底上返液流产生牵引作用，使其加速上返到钻柱和井壁之间的环形空间，这不仅消除了井底漫流层的滞流区，改善了井底流场，还可最大限度地减小上行液流与向下射流之间的相互干扰，使射流的清岩效果得到有效的提高。其次，本实用新型在中心喷嘴周向设置辅助喷嘴，辅助喷嘴通过减压辅助流道产生旋转扩散的射流，可起到清洗和冷却牙轮的良好效果，因此，通过采用本实用新型可有效提高三牙轮钻头的钻井速率，延长钻头使用寿命，降低钻井的综合成本。

图1为本实用新型一个实施例的正视图和井底流场示意图。

图2为本实用新型一个实施例的斜视图。

图3为本实用新型一个实施例的仰视图。

图4为本实用新型一个实施例中中心喷嘴座和中心喷嘴的立体图。

图5为图4中中心喷嘴座和中心喷嘴的全剖视图。

图6为中心喷嘴和辅助喷嘴结构的立体图。

图7为辅助喷嘴套的立体图。

图8为中心喷嘴及减压辅助流道的立体图。

图9为本实用新型一个实施例的斜向俯视图。

图10为扶正块的放大立体图。

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例，由三片牙掌1组焊成钻头体，在牙掌下端的牙掌轴上安装有牙轮2，牙轮上安设有切削齿3，构成三牙轮钻头，牙轮与牙轮之间采用非啮合结构，以使钻头体下端中心留一定的空间，也可使中心主射流直接喷射到井底中心，以避免牙轮顶部齿及齿根牙轮基体被冲蚀，在钻头体下端的中心部位设置有中心喷嘴4，在中心喷嘴的上部周向设有辅助喷嘴16，辅助喷嘴由辅助喷嘴套14与中心喷嘴的上部配置而成，中心喷嘴上部沿外壁开设有螺旋槽12，螺旋槽可设3-9根，螺旋槽的下端与作为压力调整腔15的环槽相通，通过外套辅助喷嘴套，即构成减压辅助流道，其中压力调整腔15包括锥形收缩段17、转向弯曲段18和扩散段19，其下端出口即为辅助喷嘴16，减压辅助流道的上端与主流道11相连通，减压辅助流道采用上述结构，当流体(泥浆)流经螺旋槽时，射流运动方向变为轴向和径向的复合运动，再经环槽形的压力调整腔产生旋转扩散射流，从辅助喷嘴喷出，来清洗牙轮；中心喷嘴的主流道上端为收缩状圆弧入口，中心喷嘴的流道可适当加长以使中心喷嘴出口到井底中心凸台的距离控制在最佳的喷距范围，中心喷嘴的泥浆流量占钻头喷射总流量的50％以上，而辅助喷嘴的泥浆流量与中心喷嘴流量之比为1∶2-5，中心喷嘴的上部与辅助喷嘴套相配接并通过上端的定位销13相固紧，构成中心喷嘴总成安装于中心喷嘴座9中，由上端的锁紧套10锁紧，中心喷嘴座焊接在钻头体下端中心，与钻头体相联成一体；在钻头体外周各牙掌之间安设有扶正块5，在扶正块外周面的磨损面上安设有耐磨保径齿6，耐磨齿可以是聚晶齿，或金刚复合齿或硬质合金齿，在扶正块上端开设有喷孔朝上的反向边喷嘴7，使得反向边喷嘴的方向与井底上返液流方向相同，对上返液流产生一定的牵引作用，从而有效地改善井底流场。