[发明专利]一种具有诱导载荷与磨料射流联合作用的钻头及钻井方法

说明书

本发明涉及一种具有诱导载荷与磨料射流联合作用的钻头及钻井方法，所述钻头利用外侧环形钻头进行领眼破岩，利用安装于环形钻头中间且位于钻头体内部的中心钻头破碎中心岩柱从而诱导卸荷井底应力，利用中心钻头破岩产生的岩屑作为磨料，流入整个钻头内部的钻井液作为磨料射流液相从而产生磨料射流，利用诱导卸荷与磨料射流联合作用提高钻头破岩的效率；所述钻井方法将钻井破岩过程划分为两部分，首先破碎出一个圆环形井眼，之后再破碎圆环形井眼内侧的岩柱，从而有效诱导卸荷井底应力，利用破碎圆环形井眼内侧岩柱产生的岩屑作为磨料，混合进入钻头的钻井液，形成磨料射流，利用诱导卸荷与磨料射流联合作用来达到提高钻井破岩效率的目的。

技术领域

本发明属于钻井工程领域，具体地，涉及一种利用井底诱导卸荷与磨料射流联合作用提高钻井破岩效率的钻头及钻井方法。

背景技术

提前释放井底地层应力可以有效提高钻头的破岩效率，进而提高钻井速度。至今为止，国内外学者提出了两种方法用于提前释放井底应力，一种是以水力能量为基础的释放地层应力的方法，以脉冲空化射流提速技术、超高压脉冲射流提速技术、磨料射流提速技术等为代表；另一种是通过改变井底形状来改变井底应力场从而释放地层应力的方法，以随钻扩眼技术、双级钻头钻井技术等为代表。用水力能量释放地层应力需要在钻头上方连接专用工具，这不仅改变了井底钻具组合构成，并在一定程度上消耗了钻井液水力能量，且不能广泛应用于各种井型，限制了其应用场合；利用改变井底形状来改变井底应力场的方法仅需要通过优化设计钻头形状或者钻具组合即可达到释放地层应力提高钻井速度的效果，其发展前景广阔。然而，直到目前为止，卸荷井底应力的钻头及工具应用效果仍不尽理想。

磨料射流可以充分发挥钻头处水力能量，实现高效破岩，磨料射流可通过地面发生及井下发生，地面发生需要专用装备，既增加钻井成本、又会冲蚀钻柱，而井下发生目前需要增加地下磨料射流发生器，增加了井底钻具组合复杂度，至今未未见在井下利用钻头本身产生磨料射流的技术及相关研究。

若能研制一种钻头，既能够自动释放井底应力，发挥井底应力诱导卸荷提高钻井速度效果，又能够自动产生磨料射流，实现磨料射流辅助提高破岩效率的目的，则必将会使得破岩效率提升至更高。因此，亟需一种利用井底诱导卸荷与磨料射流联合作用提高钻井破岩效率的钻头及钻井方法。

发明内容

为了能够提高钻井破岩效率，本发明提供一种利用井底诱导卸荷与磨料射流联合作用提高钻井破岩效率的钻头及钻井方法。

一种具有诱导载荷与磨料射流联合作用的钻头，所述钻头包括环形钻头和中心钻头，中心钻头安装于环形钻头中心且凹陷于环形钻头腔体内部，所述中心钻头与环形钻头体不能相对旋转，所述环形钻头体包括上部钻具连接接头和环形钻头体，所述环形钻头体的钻头冠部设置有喷嘴流道、喷嘴和岩柱通过孔，所述中心钻头的中心钻头破岩体与岩柱通过孔相对应，所述中心钻头体内部分别设有普通钻井液流道和中心钻头钻井液流道，中心钻头内部底端设置岩屑运移通道，中心钻头钻井液流道与岩屑运移通道连通，所述普通钻井液流道下部，岩屑运移通道出口位置处设置有磨料发生腔，所述磨料发生腔连通喷嘴流道和喷嘴。

进一步地，所述上部钻具连接接头外侧上部为钻具连接扣，外侧中部为圆柱面，外侧底端为接头焊接坡口，上部钻具连接接头内侧上部为钻井液流道，内侧中部为钻井液扩展面，内侧下部为中心钻头扶正面。

进一步地，所述环形钻头顶端为钻头体焊接坡口，所述钻头体焊接坡口与所述接头焊接坡口相对应，环形钻头体外侧上部为钻头外表面，所述钻头冠部为环形表面，设置在环形钻头体外侧下部，其直径与上部钻具连接接头的圆柱面直径相等，所述钻头冠部还包括钻井钻头钢体、环形钻头刀翼和环形钻头切削齿，环形钻头切削齿安装在钻头刀翼顶部，岩柱通过孔设置在环形钻头钢体中部且贯穿环形钻头钢体内腔，环形钻头内侧上部为中心钻头扶正传力面，所述扶正传力面与所述中心钻头扶正面的结构相同，环形钻头内侧中部为汇流圆环面，汇流圆环面与环形钻头刀翼之间设有喷嘴流道，喷嘴流道顶端安装有喷嘴。