[发明专利]一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头

说明书

技术领域

本发明涉及用于石油天然气钻井的一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头，尤其适用于硬地层段钻进。

背景技术

目前，在采用空气冲旋钻井技术钻进硬地层的过程中，传统的空气冲旋钻头存在排屑困难的问题，使得岩屑不能及时有效地排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及牙齿磨损十分严重，钻头寿命短、钻进速度慢。此外携带岩屑的高速气流对井壁的冲蚀破坏也非常严重，导致井壁垮塌事故频繁发生。

传统的空气冲旋钻头其水力结构为三个等直径的水眼和三个径向的排屑槽，钻头体端面为向内凹10°的端面结构。在钻进时，由于其结构特点导致其井底流场的端面中心处和排屑槽处存在很大漩涡，使得岩屑不能及时有效地排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及牙齿磨损十分严重。此外传统空气冲旋钻头的牙齿采用硬质合金牙齿，其耐磨性和抗冲击韧性均有不足，导致钻头的牙齿磨损和断裂十分严重。因此，研制出一种排屑效率高、可以有效保护井壁，钻头牙齿耐磨性和抗冲击韧性强的空气冲旋钻头对于提高硬地层段空气钻井速度具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于克服现有冲旋钻井技术的不足，提供一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头，在钻进硬地层时排屑效率高，可以有效保护井壁，牙齿耐磨且抗冲击。

本发明的技术方案是：本发明一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头由钻头体和牙齿构成，所述钻头体上设计有三个不等直径的水眼、同时设计有三个切向排屑槽，钻头体的端面内凹倾角α为5°；所述牙齿的材料采用一种新型纳米复合材料，该材料具备耐磨性高和抗冲击韧性高的特点。

本发明的有益效果和优点如下：

1、采用该新型钻头体结构及纳米复合材料牙齿，克服传统空气冲旋钻头排屑效率不高，牙齿易磨损和断裂，使用寿命短的问题。

2、钻头体上的水眼采用不等直径三个组合水眼结构，能够提高井底流场的压力梯度，从而提高井底流场的排屑能力。

3、钻头体上排屑槽采用切向排屑槽结构，可以减小流场中排屑槽处的漩涡，提高射流能量利用效率，从而提高井底流场排屑能力。并且可以将携带岩屑的高速气流径向冲击井壁变为切向冲击井壁，减小对井壁的冲蚀破坏，保护井壁。

4、钻头体的端面内凹倾角α为5°，能够减小流场中钻头端面处的漩涡，不仅提高射流能量利用效率，同时减少岩屑的重复破碎，从而减少岩屑对钻头体和牙齿剧烈的磨损。

5、钻头牙齿采用新型纳米复合材料，可以同时提高牙齿的耐磨性和抗冲击韧性，从而提高牙齿使用寿命，提高空气冲旋钻头的钻进速度。

附图说明

图1是本发明一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头结构示意图；

图2是图1的左视示意图。

图中：1.钻头体，2.水眼，3.切向排屑槽，4.钻头体端面，5.牙齿

具体实施方式

如图1、图2、所示，本发明一种具有特殊水力结构和纳米复合材料牙齿的空气冲旋钻头主要由钻头体1和牙齿5构成，所述钻头体1上设计有三个不等直径的水眼2、三个切向排屑槽3，其钻头体端面4的内凹倾角α为5°；所述牙齿的材料采用纳米复合材料，该材料具备耐磨性高和抗冲击韧性高的特点。

在使用时，首先将本发明空气冲旋钻头与其它井下工具连接起来，一同下入井底，然后开泵循环气体钻井液并加压旋转钻进。在钻进过程中，从钻头体的水眼2中喷出的空气不断通过排屑槽将破碎的岩屑排到井眼环空。由于水眼2采用不等直径的三个组合水眼结构，可以提高井底流场的压力梯度，使得作用于岩屑上的翻转力增大，从而提高井底流场的排屑能力。钻头体的排屑槽采用切向排屑槽3结构，可以有效减小流场中排屑槽处的漩涡，并且可以将携带岩屑的高速气流径向冲击井壁变为切向冲击井壁，减小对井壁的冲蚀破坏，保护井壁。钻头体端面4内凹倾角α设为5°，能够有效减小流场中钻头端面处的漩涡，不仅提高射流能量利用效率，同时减少岩屑的重复破碎，从而减少岩屑对钻头本体和牙齿剧烈的磨损。钻头牙齿5采用新型纳米复合材料，可以同时提高牙齿的耐磨性和抗冲击韧性，提高牙齿使用寿命，最终综合提高硬地层段空气冲旋钻头的钻进速度。