[发明专利]装有柔性喷嘴的钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种在石油天然气、矿山工程、基础工程施工、地质、水纹等领域钻井工程中使用的装有柔性喷嘴的钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。钻头在入井前一般都会装上喷嘴。喷嘴是安装在钻头上的辅助元件，在钻头的喷嘴孔处与钻头相联接，喷嘴上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔。钻头上安装喷嘴的目的在于增加钻井液的喷射速度，使其更好地清洗和冷却钻头，清除井底岩屑，并利用钻井液射流的能量辅助破碎井底岩石。

因为通过喷嘴的钻井液中通常都含有固相颗粒，而且射流速度较快，所以要求喷嘴具有较强的耐冲蚀能力。为了达到该目的，目前钻头上所使用的喷嘴均由硬质合金等高硬度、高耐磨性材料制成。为了达到增强喷嘴清洗、冷却和辅助破岩效果的目的，通常采用的技术手段有三种：第一，增加喷嘴的长度，缩短喷嘴出口到井底的距离，减小钻井液射流的能量损耗；第二，改变喷嘴的流道结构，形成高速射流或脉冲射流；第三，合理设计喷嘴的位置和射流方向，既充分利用钻井液射流的能量，又避免造成牙轮等钻头本体的冲蚀。

这三种手段虽然有效，但是也存在如下局限性：首先，高硬度喷嘴的抗断裂能力随其长度的增加而降低，如果长度过大，在受到碰撞时容易发生断裂，断裂现象一旦发生，其后果不仅仅是喷嘴失效，更严重的是掉入井底的喷嘴会损伤钻头，对钻井进程形成非常不利的影响。其次，喷嘴的长度超过一定范围时，有可能增加钻头制造的难度和喷嘴安装的难度。第三，钻头上喷嘴的位置和射流方向在设计时就已确定，喷嘴一旦安装在钻头上，其位置和射流方向就已固定，无法调节，这是喷嘴结构的刚性特点所决定的。由于这三方面局限性的存在，限制了喷嘴效能的充分发挥。

发明内容

本发明的目的是：为了使钻头上的喷嘴能够贴近井底安全、高效地工作，充分利用钻井液的射流能量，更好地清洗和冷却钻头，清除井底岩屑，辅助破碎井底岩石，特提供一种装有柔性喷嘴的钻头。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种装有柔性喷嘴的钻头，由钻头和柔性喷嘴组成，其结构特征是：柔性喷嘴在钻头的喷嘴孔处与钻头相连接；柔性喷嘴上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔；柔性喷嘴由与钻头喷嘴孔相联的接头和柔性喷管构成；柔性喷管的全部或部分是由金属软管、或橡胶软管、或塑料软管的一种单独构成，或由其中的二至三种软管复合构成。

构成柔性喷管的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管用管壁连续的软管，或柔性喷管用橡胶软管和金属带螺旋卷绕而成的管壁不连续的金属软管复合构成。构成柔性喷管的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管是单一材料的软管、或是以金属、或橡胶、或塑料为基体的复合材料软管。

装有柔性喷嘴的钻头，钻头上的喷嘴全是用柔性喷嘴，或部分是柔性喷嘴，部分是常规喷嘴。

柔性喷嘴的出口端安装有刚性喷嘴。

柔性喷管的外表面及流道表面、或外表面、或流道表面加覆编织网套。

装有柔性喷嘴的钻头包括各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)当构成柔性喷嘴的金属软管采用金属带螺旋卷绕而成的金属软管等具有高弹性的软管时，柔性喷管即使发生很大的变形也不易发生塑性变形和断裂，喷嘴的工作可靠性明显高于相同长度的普通喷嘴。

(2)钻头上的柔性喷嘴具有明显大于普通喷嘴的长度尺寸，喷嘴出口至井底表面的距离更短，在相同喷嘴直径和流量条件下，能够对井底岩石提供更强大的冲击力。

(3)当喷嘴长度较大时，喷嘴的柔性喷管将随钻头的运动而发生偏摆振动，特别是当构成柔性喷嘴的金属软管采用金属带螺旋卷绕而成的金属软管等具有强弹性的软管时，这种偏摆振动幅度更大。喷嘴的偏摆振动能够扩大钻井液射流在井底的作用区域，并在井底产生脉动效应，增强喷嘴工作效能。

(4)当构成柔性喷嘴的金属软管采用波纹金属软管等具有强塑性性质的软管时，喷嘴就可具备出口方位可调节的特性，使用这种柔性喷嘴可以增加喷嘴应用的灵活性，易于实现定位喷射、斜向喷射等功能。

(5)柔性喷嘴的喷管强度低，即便断裂、脱落，也不会损伤钻头。

附图说明

图1为本发明装有柔性喷嘴的钻头的整体结构示意图。图中：1.钻头，2.柔性喷嘴。

图2为本发明的柔性喷嘴的柔性喷管是由两层软管复合构成的剖面示意图。图中：3.接头，4.柔性喷管，5.钻井液喷射孔。