[发明专利]一种旋冲震荡射流式PDC钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，具体涉及一种与旋冲钻进工艺相结合的震荡射流式PDC钻头。

背景技术

以回转为主、冲击为辅的旋冲钻进方式，对研磨性强、塑性强的岩石具有良好的效果。钻井过程中,为了防止大量的岩屑堆积致使牙轮钻头或PDC钻头发生泥包或过早磨损，钻头的喷嘴在设计时需要着重考虑。尤其对于深部钻井，较大的静液柱压力引发的压持效应常常使得孔底岩屑不易清除进而导致钻效下降。

公开号为CN203559791U本发明公开了一种井底负压上返喷嘴钻头,通过在改变上返水道及上返喷嘴出水方向,目的是加快岩屑的上返速度，提高孔底清洁效率,以避免对岩屑和井壁掉块的二次破碎。该喷嘴设计提高了岩屑上返速度，有利于将悬浮于钻井液中的岩屑及时排至地表，但对于钻头下方岩屑的启动和悬浮帮助较小。

发明内容

本发明的目的是设计一种旋冲震荡射流式PDC钻头。该钻头利用冲锤与钻头间的高频往复冲击控制射流元件中的流体切换，依靠高频射流切换在孔底形成震荡脉冲射流，既避免了开设多孔道分流导致流体能量不足的弊端，又达到强化孔底岩屑清除效果的目的。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

所设计旋冲震荡射流式PDC钻头，主要包括钻头体、压头、单控制道单稳射流元件和喷嘴。压头用于将单控制道单稳射流元件封在钻头体内，与下端的单控制道单稳射流元件和外围钻头体通过焊接构成一个整体。压头内部分别开设有与单控制道单稳射流元件喷嘴和单控制道单稳射流元件控制道相通的通路；单控制道单稳射流元件内置于钻头体中，通过在一完整矩形块体侧面开槽形成流体通道，设计上则采用了单控制道的非对称设计，且靠近控制道的右壁面相对于远离控制道的左壁面更加接近单控制道单稳射流元件喷嘴中心线；钻头体内开设有多个流道，流道出口处设置有不同直径的喷嘴，大喷嘴和小喷嘴分别与单控制道单稳射流元件下端的两个出口相连通。

单稳射流元件流道表面镀有硬质合金镀层。

旋冲震荡射流式PDC钻头工作需要通过与冲锤配合完成，在冲锤撞击钻头前，经单控制道单稳射流元件喷嘴进入的流体在控制道的流体推力作用下稳定附壁在左壁面，经由大喷嘴冲洗孔底；冲锤撞击钻头后，控制道因被冲锤堵住瞬时产生一定负压，且由于右壁面相较于左壁面更加接近单控制道单稳射流元件喷嘴中心线，使得原本附壁到大喷嘴一侧的射流突然切换到小喷嘴一侧，钻头内部压力激增并产生瞬时高速射流强力冲洗孔底；当冲锤与钻头脱离后，控制道开启，射流重新切换到大喷嘴一侧，以此循环往复形成高频震荡脉冲射流。

本发明的有益效果是：

随着冲锤与旋冲震荡射流式PDC钻头高频碰撞，单控制道单稳射流元件控制道周期性开合，主射流高频切换的同时进入射流元件的流体流量也随之变化，引起钻头内部压力剧烈变化，在孔底产生高频脉冲射流强力冲洗岩屑。这种震荡脉冲射流能够在避免开设多孔道分流导致流体能量不足的前提下，有效应对深孔压持效应引起的孔底岩屑启动难、易堆积等问题，改善孔底流场分布，避免钻头出现泥包、局部温度过高、过早磨损等等，提高钻井效率。同时压力变化是在冲击后发生，避免了提前节流影响冲锤冲击过程。

附图说明

图1是本发明旋冲震荡射流式PDC钻头结构示意图；

图2是本发明压头处A-A截面剖视图；

图3是本发明射流元件处B-B截面剖视图。

图中：Ⅰ、压头，Ⅱ、单控制道单稳射流元件，Ⅲ、钻头体，1、中心通道，2、射流元件喷嘴，3、压头控制道，4、单控制道单稳射流元件控制道，5、左壁面，6、右壁面，7、射流元件小出口，8、射流元件大出口，9、左侧盲孔，10、右侧盲孔，11、大喷嘴，12、小喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示，本实施例所述旋冲震荡射流式PDC钻头，主体包括压头Ⅰ、单控制道单稳射流元件Ⅱ和钻头体Ⅲ三部分。在钻头体Ⅲ内分别开了两个盲孔，其中左侧盲孔9位于射流元件大出口8下方，与两个大喷嘴11相连通，而右侧盲孔10位于射流元件小出口7下方，与两个小喷嘴12相连；压头Ⅰ内部开有与单控制道单稳射流元件喷嘴2相连通的中心通道1；单控制道单稳射流元件Ⅱ为一完整矩形块体，通过在块体的一侧线切割加工出所需流道，与压头Ⅰ焊接、磨平后置入钻头体Ⅲ内，将压头Ⅰ和钻头体Ⅲ焊接成一个整体。

单控制道单稳射流元件Ⅱ为35CrMo材料外镀一层硬质合金涂层，在保证强度的同时提高了射流元件的耐冲蚀性，为钻头的长久使用提供了保证。

用于撞击钻头的冲锤下端面开设导流槽以保障流体过流通畅。钻进作业时，在单控制道单稳射流元件控制道4的流体推力作用下，钻头入口处的流体介质经由中心通道1、单控制道单稳射流元件喷嘴2、压头控制道3以及单控制道单稳射流元件控制道4进入射流元件并附壁到左侧，由射流元件大出口8进入两个大喷嘴11对孔底进行清洁；当冲锤撞击钻头时，单控制道单稳射流元件控制道4被冲锤堵住，瞬时产生负压，且由于右壁面6相较于左壁面5更加接近单控制道单稳射流元件喷嘴2的中心线，此时附壁于左壁面5的流体稳定性较差，射流瞬时由左侧切换到右侧，流体也由大喷嘴11切换到小喷嘴12，喷射流速瞬间提升。由于控制道被堵住，流量不变情况下元件内流体压力也瞬时增加，也增强了小直径喷嘴出口的流速，随着PDC的高速回转强力清洗孔底岩屑。当冲锤与钻头脱离后主射流又再次切换到左侧，不断循环上述过程最终在孔底形成高频震荡脉冲射流。利用高频震荡脉冲射流的所具有的较大瞬时冲量可有效降低孔底岩屑启动和清除难度，减少钻头泥包发生的可能性，提升钻井作业效率。