[发明专利]多向喷射气动潜孔锤钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井工具，具体涉及一种多向喷射式气动潜孔锤钻头。

背景技术

为了保证冲锤冲击功得以传递至井底，气动潜孔锤钻头入口处的压力往往较低以避免流体背压对冲锤冲击运动造成不利影响。较低的喷嘴入口压力加上钻头花键配处存在泄漏，使得潜孔锤钻头喷嘴喷射的流体对岩屑的清除效果较差，钻进过快时孔内悬浮有大量岩屑，经常出现卡钻、埋钻等孔内事故。在含水潮湿地层，潜孔锤钻头也常常因为岩屑堆积导致钻头泥包。岩屑的清除需要悬浮和运移两个过程，常规斜喷嘴能够较好的悬浮岩屑，但径向流体速度较低，不利于岩屑运移；径向喷嘴孔底漫流流速高，有利于岩屑运移，但启动和悬浮岩屑的能力较弱。

发明内容

本发明的目的是设计一种多向喷射气动潜孔锤钻头。该钻头利用冲锤与钻头间的往复冲击，控制压缩空气在环腔单稳射流元件内高频切换，在孔底形成多个方向的高频震荡射流强力清洁孔底，既能避免多孔分流降低流体能量，又能避免高背压对碎岩的不利影响。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明的多向喷射气动潜孔锤钻头，包括压头、环腔单稳射流元件、钻头体以及喷嘴。压头用来将环腔单稳射流元件封在钻头体内，压头内部分别开设有与环腔单稳射流元件喷嘴和环腔单稳射流元件控制道相通的通路；环腔单稳射流元件采用了单控制道的非对称设计，且位于环腔单稳射流元件喷嘴两侧的台肩长度不同，靠近控制道一侧台肩的长度小于另外一侧台肩的长度，使压缩空气能够稳定附壁一侧；环腔单稳射流元件的控制道为环状结构，位于下端的劈尖以焊接的方式固定到钻头体上；钻头体内开有多个斜喷喷嘴和径向喷嘴，两种喷嘴分别连接至环腔单稳射流元件的两个出口。

用于撞击多向喷射气动潜孔锤钻头的冲锤下端面开设有导流槽，与压头入口相连通，压缩空气经由冲锤下端面导流槽、压头入口、环腔单稳射流元件喷嘴进入环腔单稳射流元件内部，冲锤与钻头碰撞前，由环腔单稳射流元件喷嘴进入的压缩空气在控制道的流体推力作用下附壁到远离控制道的外围壁面，经由钻头底端的斜喷喷嘴喷出，卷携清除孔底岩屑；冲锤与钻头碰撞接触后，冲锤下端面将控制道堵住，在控制道内形成瞬时负压，且由于靠近控制道一侧台肩的长度小于另外一侧台肩的长度，通过环腔单稳射流元件喷嘴进入射流元件内部的压缩空气瞬时切换并附壁到另一侧壁面，沿径向喷嘴强力清洁孔底。

所述多向喷射气动潜孔锤钻头斜喷喷嘴和径向喷嘴的数量为多个。

本发明的有益效果是：

环腔结构的射流元件具有较大的流体过流量面积，保证了钻头入口处始终处于低压状态；撞击前压缩空气通过钻头的常规斜喷孔喷射孔底，悬浮岩屑并携带孔底岩屑上返；撞击后喷射流体瞬时切换到径向喷嘴，在孔底产生类似“强吹孔”的效果，将悬浮在孔内的、未及时清除的岩渣屑进一步吹入至外环空间隙并运移到地表。通过冲锤与钻头撞击瞬间，完成压缩空气在直径不同、喷射方向不同的流体通道间高频切，弥补斜喷喷嘴和径向喷嘴的各自不足，能够更加高效的清除孔内岩屑。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是本发明多向喷射气动潜孔锤钻头结构示意图；

图2是本发明压头处的截面剖视图；

图3是本发明环腔单稳射流元件处的截面剖视图。

图中：Ⅰ、压头，Ⅱ、环腔单稳射流元件，Ⅲ、钻头体，1、压头入口，2、控制道，3、环腔单稳射流元件喷嘴，4、第一台肩，5、第二台肩，6、斜喷喷嘴，7、径向喷嘴，8、劈尖。

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

如图1，图2和图3所示，本实施例所述多项喷射潜孔锤钻头，主要包括压头Ⅰ、环腔单稳射流元件Ⅱ和钻头体Ⅲ。压头Ⅰ采用35CrMo材质，内部开有与环腔单稳射流元件Ⅱ连通的压头入口1和控制道2，与环腔单稳射流元件Ⅱ通过销钉连接置入钻头体Ⅲ内，再与外围的钻头体Ⅲ焊接成一个整体；由于流体介质为气体且钻头为正循环钻头，无需考虑冲蚀问题，环腔单稳射流元件Ⅱ采用 3D打印高强度铝合金，可保证钻头的长久使用。在钻头体Ⅲ内分别开有两个斜喷喷嘴6和两个径向喷嘴7，分别连接到环腔单稳射流元件Ⅱ的两个出口。常规钻头尾部的导流槽被设置到冲锤下端面以进一步加强钻头强度。

工作时，在冲锤与钻头碰撞前，进入环腔单稳射流元件的压缩空气在控制道 2的空气推力作用下附壁到靠近第二台肩5的外围壁面，经过斜喷喷嘴6进入孔底悬浮并清除孔底岩屑；冲锤与钻头撞击后，冲锤下端面的导流槽由于始终与压头入口1正对，仍然保持过流通畅，控制道则被冲锤堵住，在控制道处形成负压，同时由于第二台肩5的长度大于第一台肩4的长度，附壁到外围壁面的压缩空气附壁失稳瞬间切换至靠近第一台肩4的壁面，进入径向喷嘴冲洗孔底，在孔底产生类似“强吹孔”的效果，把悬浮在孔内的、未及时清除的岩渣屑进一步吹入至外环空间隙并运移到地表。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。