[发明专利]双控制道脉冲射流球齿钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，具体涉及一种双控制道脉冲射流球齿钻头。

背景技术

深井、超深井硬岩地层快速钻井一直以来都是研究的热点，也是是未来的一个发展方向。深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彻底。尤其对于潜孔锤钻进工艺更是如此。为了保证冲锤冲击功得以传递至井底，潜孔锤球齿钻头入口处的压力往往较小以避免流体背压对冲锤冲击运动的不利影响。较低的喷嘴入口压力加上钻头花键配合部分存在泄漏，使得潜孔锤球齿钻头喷嘴喷射的流体对岩屑的清除效果较差。此外，潜孔锤钻进时回转速度远小于常规回转钻进工艺，由此导致相对固定的喷嘴位置在相同时间内对孔底的覆盖范围较小，加剧了孔底冲洗介质动力不足而引发岩屑堆积，进而造成重复破碎、局部温度过高、钻头磨损加剧等等一系列问题，最终表现为钻效下降和成本增加。

发明内容

本发明为了解决上述背压影响和充足的孔底清洁动力之间的矛盾，提出设计一种双控制道脉冲射流球齿钻头。该钻头利用冲锤的高频往复冲击与钻头流体通道配合，在孔底形成高频震荡射流，既能依靠射流切换形成的水力脉冲强化孔底净化能力，又能避免产生高背压降低冲锤冲击功对碎岩造成的不利影响。

本发明采取的技术方案是：

本发明双控制道脉冲射流球齿钻头主要包括压头、双控制道单稳射流元件及钻头体，三者以焊接的方式成为一个整体。压头用于将双控制道单稳射流元件封在钻头体内，内部分别开设有与双控制道单稳射流元件喷嘴和双控制道单稳射流元件控制道相通的通路；双控制道单稳射流元件为长方体结构，通过在侧面开槽形成流体通道，设计上采用了双控制道的非对称设计，右侧控制道比左侧控制道过流面积大，且分别位于左、右控制道下方的左、右壁面与双控制道单稳射流元件喷嘴中心线距离不同，左壁面相对于右壁面更加接近双控制道单稳射流元件喷嘴中心线，且与竖向的夹角更小；钻头体内开有直径不同的两个盲孔，分别连接到双控制道单稳射流元件的两个出口，其中大盲孔和大喷嘴相连，小盲孔和小喷嘴相连。

在冲锤与钻头碰撞前，钻井液由双控制道单稳射流元件喷嘴和两个控制道进入双控制道单稳射流元件。由于两个控制道的尺寸不同且左、右壁面与双控制道单稳射流元件喷嘴中心线的距离不同，使得钻井液能够稳定附壁到左壁面，经过大喷嘴冲洗孔底；当冲锤与钻头碰撞时，右控制道被堵住，进入双控制道单稳射流元件的钻井液在来自左控制道的流体推力作用下附壁到右壁面并进入钻头的小喷嘴，于是在钻头内部产生压力激增并在孔底形成脉冲射流。在冲锤与钻头的反复碰撞、分离过程中，双控制道中的右控制道随之周期性开合，进入双控制道单稳射流元件的钻井液随即高频切换，产生高频脉冲射流冲洗孔底。

所述与大盲孔和小盲孔相连的喷嘴数量为多个。

本发明的有益效果是：

将高频往复运动的冲锤视作“控制阀”，冲击瞬间完成双控制道单稳射流元件中的流体在直径不同流体通道间切换进而在井底形成高频压力脉冲；非对称双控制道设计增加了流体过流量，保证了钻头入口在撞击前处于低压状态；压力增加是在冲锤与钻头撞击接触后完成，不会对冲击过程造成负面影响；该设计在不影响冲锤运动的前提下充分利用脉冲水射流清洁效果好的特性，有效改善深孔快速钻井时岩屑易于堆积的问题，减少了重复破碎并提高了钻头使用寿命。同时流体通道切换也改变了射流喷射位置，一定程度上弥补了潜孔锤球齿钻头转速低、喷射流体覆盖范围小的缺陷，进一步强化了岩屑清除效果；由于撞击后压力的突然增加，冲锤回程响应也随之加快，一定程度上提升了冲击频率，提高了钻进效率。

附图说明

图1是本发明双控制道脉冲射流球齿钻头结构示意图；

图2是本发明双控制道单稳射流元件处A-A截面剖视图。

图中：Ⅰ、压头，Ⅱ、双控制道单稳射流元件，Ⅲ、钻头体，1、压头中心通道，2、双控制道单稳射流元件喷嘴，3、压头控制道通道，4、左控制道，5、右控制道，6、射流元件小出口，7、射流元件大出口，8、小盲孔，9、大盲孔，10、大喷嘴，11、小喷嘴，12右壁面，13、左壁面。

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。

实施例1

参见图1-2，本实施例所述双控制道脉冲射流球齿钻头，主要包括压头Ⅰ、双控制道单稳射流元件Ⅱ和钻头体Ⅲ。在钻头体Ⅲ内分别开一个大盲孔9和一个小盲孔8，其中大盲孔9与两个大喷嘴10相连通，小盲孔8与两个小喷嘴11相连；压头Ⅰ内部开有分别与双控制道单稳射流元件喷嘴2相连通的压头中心通道1和与双控制道单稳射流元件喷嘴2连通的压头控制道通道3；双控制道单稳射流元件Ⅱ为一完整矩形块体，在一侧通过线切割加工所需流道，与压头Ⅰ焊接、磨平后置入钻头体Ⅲ内，再将压头Ⅰ和钻头体Ⅲ焊接成一个整体。常规钻头尾部导流槽被设置到冲锤前端以进一步加强钻头强度。双控制道单稳射流元件右控制道5比左控制道4过流面积大，且左控制道4下方的左壁面13与右控制道5下方的右壁面12相比，竖向轴向夹角更小，也更接近双控制道单稳射流元件喷嘴2的中心线，这就使得由双控制道单稳射流元件喷嘴2喷出的主射流更容易附壁到左壁面13，流经大喷嘴10流向孔底；冲锤与钻头撞击时，冲锤上的导流槽与左控制道4正对，保持了过流通畅，冲锤下端面则将与压头控制道通道3右侧相连通的右控制道5堵住，由此在右控制道5内形成负压，加上左控制道4流体的推动作用，附壁到左侧的流体瞬间切换到右侧进入小喷嘴11，钻头内部压力激增形成强力射流清洗孔底；伴随着冲锤的高频往复冲击，钻头在孔底形成高频脉冲射流，能够有效提高孔底岩屑清除效率。这种双控制道设计优点在于通过增加一条较大的过流通道，使得在流量较大的情况下也能够保障钻头入口处有较低的压力，可进一步降低背压对冲锤运动的影响。