[实用新型]牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴

说明书

本实用新型是一种振荡脉冲射流喷嘴。特别适用于石油与天然气钻井用牙轮钻头，用以提高射流的水力辅助破岩作用。

目前国内外用于牙钻头上的喷嘴是一种连续射流喷嘴，主要是由圆柱内腔和圆曲面内腔两部份构成。所有的现有技术都是通过改变曲面部份和圆柱面部份的方程和尺寸来改善和调整喷嘴的技术参数和基本性能。美国休斯公司出产的各型喷嘴就是现有牙轮钻头用喷嘴的典型例子。该型喷嘴的缺点是持续能量小，仅为E＝1／2ρV（E为持续能量，ρ为工作液体密度，V为射流出口速度），连续射流引起的井底流场的脉动较小，影响钻井的效率和钻头进尺。为了改善连续性水射流所造成的上述缺点，有人在现有喷嘴的基础上，再添加上一个附加装置来得到脉冲空化射流，但由于所产生的空泡在高围压下易于溃灭，安装工艺复杂，而且对牙轮钻头本身的抗空化能力也有更高的要求，故迄今仍未得到应用。

本实用新型利用流体力学原理，克服了现有连续射流喷嘴的缺点，通过上喷嘴，多曲面内腔和下喷嘴，把连续水射流变成振荡脉冲水射流。本实用新型所描述的牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴（如附图1）由上喷嘴体1和下喷嘴体2，通过特定工艺组成一整体，上喷嘴体1的外形是一阶梯圆柱体，体内的喷嘴流道由两个指数曲面和三个圆柱曲面组成。两个指数曲面的方程为：

其中A、B、……C为常数，n为自然数，它们均由理论和实验确定。如附图1所示，整个上喷嘴体包含导流口3，上喷嘴4，腔室5等三部份，使体内流道呈收缩－扩散形。该喷嘴的下喷嘴体2的上部外形为一曲面圆台体。其斜面边界指数曲组成，形成碰撞壁6，其中K、b为常数，n为自然数。下喷嘴体内的流道为圆柱孔7。上喷嘴体1和下喷嘴体2构成整体后，就形成了上喷嘴——腔室——碰撞壁——下喷嘴这种可提供振荡脉冲射流的结构。该喷嘴全部由硬质合金制成。

本实用新型所描述的石油钻井牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴，利用了上一级喷嘴的涡量扰动，剪切层不稳定性对扰动的放大作用和反馈这三个环节构成的闭环来产生振荡脉冲射流的原理，使得射流具有脉冲特性，改变了目前世界各国普遍采用的传统的连续射流喷嘴所产生的射流状态。因此，本实用新型首先具有能量大，瞬时打击力大的优点，这种喷嘴的脉冲射流能量为E′＝ρCV（其中ρ为工作液体密度，C为工作液体的声速，V为射流出口速度），故本实用新型的能量远大于现有喷嘴所能产生的持续能量。其次，这种喷嘴靠自身所具有的振荡、放大、反馈特性，使射流产生振荡脉冲，不需要外加装置，故具有结构简单、无运动零件、无密封、制造方便、容易安装，价格低廉等优点。此外，这种喷嘴的射流能增大井底流场的脉动，改善钻头的工作条件，在不  改变现有钻井设备和钻头的条件下，可提高钻井速度和延长钻头寿命。

以下结合附图对本实用新型作进一步说明：

附图1为本实用新型所描述的牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴；1为上喷嘴体；2为下喷嘴体；3为导流口；4为上喷嘴；5为腔室；6为碰撞壁；7为下喷嘴。

附图2为本实用新型所描述的牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴使用装配图，1为钻头体；2为振荡脉冲射流喷嘴；3为O形密封圈；4为卡簧档圈；5为牙轮。

本实用新型主要用于石油与天然气钻井用牙轮钻，也可用于刮刀钻头上。现场实验结果表明，本实用新型的平均使用寿命在150小时以上，在软地层中平均机械钻速可以提高50％以上，在中硬地层中平均机械钻速可以提高15％左右。