[发明专利]边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头

说明书

边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，涉及干热岩钻探钻具技术领域，包括钻头体、中心空气流道、清洗孔底岩屑的空气流道、球齿、边齿及拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的数量与边齿数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管的进气端与中心空气流道相通，位于拉瓦尔喷管端部的喷射孔设置在边齿附近，拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角。本发明的钻头可在风动潜孔锤钻进干热岩过程中，中心空气流道中的部分高温气流通过拉瓦尔喷管，速度增加，温度降低40℃～70℃，拉瓦尔喷管喷射超音速低温气体对边齿进行强制冷却，同时还可以对边齿周围干热岩体进行急速冷却降低干热岩的破坏强度并产生裂纹，提高干热岩钻进的效率。

技术领域

本发明涉及干热岩钻探钻具技术领域，特别是涉及一种用于提高干热岩钻进速度，延长钻头寿命的边齿强冷型干热岩气动潜孔锤钻头。

背景技术

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。与水热型地热资源相比，更多的地热能储存于地下无水或少水的高温岩体中形成干热岩型地热资源。

钻井是干热岩开发的关键环节。目前，干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。

目前钻井成本居高不下，对干热岩开发有严重制约的原因主要分为两种：一是干热岩地层多为高温高压下形成的火成岩与变质岩，如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、玄武岩等，地层研磨性强、可钻性差，一些岩层单轴抗压强度可达230MPa以上。二是常规回转钻进方法，碎岩效率低，钻头磨损快。运用潜孔锤钻进技术为大幅提高干热岩硬岩钻进效率提供了可能。在潜孔锤钻进干热岩地层中，由于干热岩岩体多为致密的研磨性较大的花岗岩，在凿岩过程中合金齿与岩石之间的撞击和摩擦导致合金表面温度升高，加上干热岩钻井深度较大，钻孔深部温度较高，在接触压力、速度和频率都很高的情况下，钻头边齿就会产生热疲劳，这种不利的影响会直接降低钻头的使用寿命，增加钻进成本，钻井事故发生的概率也会增大。现有钻头的冷却方式大多为井底流体自然流动冷却，但这种方式的换热速度慢，降温性能不佳，对于降低干热岩钻井井底钻头边齿的高温，提高钻进效率，延长钻头寿命还远达不到预期的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有干热岩钻井中潜孔锤钻头边齿磨损严重导致钻头寿命缩短的不足及干热岩碎岩效率低下等问题，提供一种新型可靠的用于提高钻进速度的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于，包括：钻头体、中心空气流道、清洗孔底岩屑的空气流道、球齿、边齿及拉瓦尔喷管，所述中心空气流道设置在钻头体中部，并沿钻头体轴向布置；所述清洗孔底岩屑的空气流道与中心空气流道连通；所述球齿和边齿设置在钻头体底部工作端面上，其中边齿均匀布置在钻头体底部工作端面的边缘部；所述拉瓦尔喷管镶嵌在钻头体的底部，拉瓦尔喷管的数量与边齿数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管的进气端与中心空气流道相通，位于拉瓦尔喷管端部的喷射孔与边齿之间的距离为4mm～15mm，拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角，该夹角为锐角。

所述中心空气流道的直径与整个钻头体的最大径向距离比值为23％～45％。

所述拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线形成20°～70°的夹角。

所述喷射孔的形状为圆形。

所述拉瓦尔喷管通过孔用弹性挡圈进行位置固定。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明钻头体上拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角，保证角度的设置在冷却边齿周围的同时又能与周围干热岩体形成局部气幕。这样设置拉瓦尔喷管的角度既起到了冷却边齿的效果，又能够对岩体形成冷裂，降低岩体强度，提高碎岩钻进效率。