[发明专利]一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头

说明书

本发明专利涉及石油天然气、地下资源开采、地质、水文勘探、建筑基础工程施工领域，特别涉及一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头。该装置在所述刀翼后方设置有具有偏转角度的多功能喷嘴，所述喷嘴设置有上端和下端，通过改变上端的射流方向，喷嘴可以实现打击破碎岩石，增强携岩以及减少钻头底部流体滞止区域等不同的功能。本发明在同一钻头上实现了射流的不同辅助功能，根据实际需求，可以任意改变射流的方向，实现对切削齿冷却，岩石打击破碎，运移岩屑，减少滞止区域等不同功能，大大提高钻头在工作中的钻进性能。

技术领域

本发明专利涉及石油天然气、地下资源开采、地质、水文勘探、建筑基础工程施工领域，特别涉及一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头。

背景技术

钻头是在钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具。在钻头钻进的过程中，除了齿刃对岩石的冲击破碎外，钻井液对井底岩石的打击、岩屑的运移、钻头头部的冷却也是钻进的重要因素。在现代钻井技术中，除了需要钻头具有优良破岩切削结构以外，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中，钻井液的主要作用在于对岩屑的运移，对井底的清洗，对PDC齿等切削结构的冷却。由于常规钻头的结构存在流体的滞止和涡流区域，在此区域内流体的速度缓慢，滞止区域的产生对于钻头和切削齿等会产生不利的影响，即不利于岩屑的携带和井底清洗，也不利于钻头的冷却。在面对砂岩层等软地层时，钻头不能进行及时的岩屑运移，从而导致岩屑的不断堆积，最终引起钻头失效。在面对花岗岩等硬质岩层时，切削齿不能得到有效的散热，最终引起热失效，同时流体的高压冲击力也没能有效作用于岩石，对钻头的切削没能起到辅助切削的作用。

近年来，随着地热资源的开发，地热井的钻探温度已经达到了150摄氏度甚至更高。常规水孔钻头已不能满足在地热井中钻探所需的冷却和清洗的需求。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

随着深层和超深层资源的勘探开发，对现有钻探技术提出了更高的要求。其中，钻头特别是PDC钻头面临复杂难钻的地层环境。特别是在深部钻探的过程中，钻头会遇到多种不同类型的岩层，不同岩层对于钻探的需求也不同。同一钻头难以满足在钻探过程中的不同需求。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术的不足之处，提出一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头，用以解决钻头在深部钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头，包括钻头本体，由本体延伸出的长短刀翼以及具有偏转角度的可调节喷嘴。所述钻头本体在刀翼间设置有流道，所述刀翼前方设置有PDC切削齿，后方设置有能够安装喷嘴的喷水孔座。所述可调节喷嘴位于刀翼后方，喷嘴由上下两端组成，喷嘴喷射方向可通过上下两端的相对转动进行调节，所述可调节喷嘴射流通过上下部分的转动实现打击破碎岩石，增强携岩以及减少钻头底部流体滞止区域等不同的功能。

上述方案中，可调节喷嘴通过上下两端的相对转动实现射流方向的改变。高压射流在打击岩石表面时，可以增加岩石裂隙，实现对岩石的预破碎，从而降低PDC齿的切削力，大大提高钻头的钻进效率，降低PDC齿的热磨损；高压射流在冲击钻头流道时，可以增加钻井液的携岩能力，增强钻井液的清洗井底的能力，同时减小井底流体滞止和回流区域的面积，从而大大提高岩石的钻进效率。

作为选择，至少有一个刀翼后端面设置有刀翼水孔，该刀翼水孔入口端连通至钻头内流道，刀翼水孔出口端安装有所述可调节喷嘴。

上述方案中，可调节喷嘴设置在刀翼后端面上，喷嘴可面临的喷射方向包括井底岩石、PDC齿面、刀翼后方的流道以及其他流道。

作为选择，所述设置有可调节喷嘴的刀翼水孔与钻头轴线具有倾斜角度，倾斜角度范围在10～80°之间。