專利名稱：減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)和鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油和地質(zhì)鉆井工程領(lǐng)域，特別涉及減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)和鉆 頭。
背景技術(shù)：
為了開采地下的油氣資源，需要利用鉆具鉆穿地下地層。這些鉆具從地面到地下 一般依次包括井架、轉(zhuǎn)盤、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭。其中鉆頭對地層進(jìn)行切削從而鉆進(jìn)井 眼。鉆頭切削地層的同時在井底產(chǎn)生大量的巖屑，為了把這些巖屑清除到地面，在鉆進(jìn)的 同時必須通過鉆柱內(nèi)部注入鉆井液，這些鉆井液從鉆頭噴出并經(jīng)過鉆柱與地層之間的環(huán)形 空間返回到地面，從而把巖屑攜帶到地面。然而，鉆井液對井底產(chǎn)生一個非常大的液柱壓持 力，例如，對于一個3000米深的井眼，使用密度為1. lg/cm3的鉆井液鉆井，這樣的壓力將達(dá) 到33MPa?，F(xiàn)有鉆頭的水孔出口沿井深方向向下，且與鉆頭軸線夾角為0° 60°，鉆井液 流經(jīng)噴嘴后直接沖擊井底，在巨大的壓持力作用下，鉆頭切削下來的巖屑被壓持在井底，從 而不利于巖屑的清除，極大地降低了巖屑清除效率。特別是在深井和超深井的鉆井過程中， 巨大的鉆井液液柱壓持力，將極大地影響巖屑的及時清除，造成鉆頭的重復(fù)破碎，降低鉆井 速度。為了解決這個問題，人們通常通過提高泥漿泵排量、增加泵壓，以及采用各種噴嘴 組合和改變噴嘴結(jié)構(gòu)的方法，依靠高壓水射流增加對井底的沖擊力，實現(xiàn)水射流和機(jī)械聯(lián) 合破巖。然而，這種方法加大了泥漿液柱對井底巖屑的壓持力，特別是在深井和超深井鉆井 中，由于巨大的泥漿液柱壓力，單純的依靠高壓射流手段提高鉆速效果并不明顯。因此迫切 需要一種能夠降低井底局部壓力的鉆頭，在保持整個井筒泥漿液柱壓力不變的情況下，降 低鉆頭作用面的泥漿柱壓力，從而實現(xiàn)在保持井壁穩(wěn)定的前提下大大提高機(jī)械鉆速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠降低井底鉆頭作用面的泥 漿柱壓持力從而提高鉆速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)和鉆頭。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)包 括主流道、鉆頭體、流道過渡區(qū)、水孔、卡簧槽、密封槽和耐沖蝕層，所述主流道、所述流道過 渡區(qū)和所述水孔位于所述鉆頭體內(nèi)；所述流道過渡區(qū)連通所述主流道與所述水孔；所述流 道過渡區(qū)和所述水孔的軸線垂直于所述主流道的軸線；所述卡簧槽與所述密封槽位于所述 水孔內(nèi)；所述耐沖蝕層位于所述流道過渡區(qū)表面。所述主流道為圓柱形，其軸線與所述鉆頭體的軸線重合；所述主流道的上端與鉆 柱內(nèi)鉆井液通道相連，其下端與所述流道過渡區(qū)相連。所述流道過渡區(qū)包括錐形收縮段、轉(zhuǎn)向彎曲段和向上擴(kuò)散段；所述錐形收縮段呈 圓錐形；所述轉(zhuǎn)向彎曲段呈弧形，且其弧心在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)；所述向上擴(kuò)散段呈圓柱 形，與所述水孔相連，且其中心線與所述水孔的中心線重合。
所述水孔呈圓柱形，其出口方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一致；所述水孔的出口方向與鉆 頭軸線的夾角α為90° ；所述水孔出口處的中心點所在的徑向方向，與所述水孔軸線的夾 角為 β :0° < β < 90°。所述卡簧槽位于所述水孔內(nèi)部上端，用于放置卡簧，以將鉆頭噴嘴固定在所述水 孔內(nèi)。所述密封槽位于水孔內(nèi)部中間位置，用于放置密封裝置，以防止泥漿從噴嘴和所 述水孔之間的間隙泄露；所述的密封裝置采用“0”型密封圈和膨脹密封結(jié)構(gòu)。所述耐沖蝕層是采用氧乙炔或激光熔覆的方法，將耐沖蝕材料敷焊在所述流道過 渡區(qū)的表面，敷焊厚度為0. 2 2. 0mm。所述減壓提速的鉆頭使用減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，并在鉆頭體內(nèi)可同時設(shè)置若 干相同的所述流道過渡區(qū)和所述水孔。本發(fā)明將現(xiàn)有鉆頭的水孔出口方向，由與鉆頭軸線夾角為0° 60°，調(diào)整為與 鉆頭軸線夾角為90°，且與鉆頭徑向的夾角為0° 90°。泥漿流經(jīng)噴嘴后，由原先的向 下直接沖擊井底，改變成水平方向，獲得與井壁相切的速度。結(jié)合鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的帶動作 用，泥漿從水孔中射出后，隨鉆頭做圓周運動，在鉆頭附近形成漩渦，在漩渦底部產(chǎn)生一低 壓區(qū)，從而使井底的泥漿液柱壓持力減小，井底巖屑在上下壓力差的作用下，被抽汲離開井 底，隨鉆井液返回地面。一方面，本發(fā)明的鉆頭，在井底產(chǎn)生一局部低壓漩渦區(qū)，減小井底巖 屑的壓持作用，實現(xiàn)對井底巖屑的抽汲，加速巖屑的清除，減少巖屑的重復(fù)破碎，提高鉆速； 另一方面由于不需要大功率的泥漿泵和柴油機(jī)，從而降低了鉆井成本，節(jié)約了能源。


下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1是本發(fā)明的垂直剖面圖。圖2是本發(fā)明的鉆頭水力結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖3是本發(fā)明一個實施例三牙輪鉆頭牙掌的垂直剖視圖。圖4是本發(fā)明一個實施例三牙輪鉆頭水力結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖5是本發(fā)明一個實施例PDC鉆頭的垂直剖視圖。圖6是本發(fā)明一個實施例PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實施例方式實施例1 下面結(jié)合圖1、圖2進(jìn)行說明。本發(fā)明包括主流道1、鉆頭體2、流道過渡 區(qū)3、水孔4、卡簧槽5、密封槽6和耐沖蝕層7，所述主流道1、所述流道過渡區(qū)3和所述水 孔4位于所述鉆頭體2內(nèi)；所述流道過渡區(qū)3連通所述主流道1與所述水孔4 ；所述流道過 渡區(qū)3和所述水孔4的軸線垂直于所述主流道1的軸線；所述卡簧槽5與所述密封槽6位 于所述水孔4內(nèi)；所述耐沖蝕層7位于所述流道過渡區(qū)3表面。所述主流道1為圓柱形，上 與鉆柱內(nèi)鉆井液通道相連，下與所述流道過渡區(qū)3相連。所述流道過渡區(qū)3包括錐形收縮 段8、轉(zhuǎn)向彎曲段9和向上擴(kuò)散段10 ；所述錐形收縮段8呈圓錐形；所述轉(zhuǎn)向彎曲段9呈弧 形，且其弧心在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)；所述向上擴(kuò)散段10呈圓柱形，與所述水孔4相連，且其 中心線與所述水孔4的中心線重合。所述水孔4呈圓柱形，其出口方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一致；所述水孔4的出口方向與鉆頭軸線的夾角α為90° ；所述水孔4出口處的中心點所在 的徑向方向，與所述水孔4軸線的夾角為β :0° < β <90°。所述卡簧槽5位于所述水 孔4內(nèi)部上端，用于放置卡簧，以將鉆頭噴嘴固定在所述水孔4內(nèi)。所述密封槽6位于水孔 4內(nèi)部中間，用于放置密封裝置，以防止泥漿從噴嘴外部和所述水孔4的內(nèi)表面泄露；所述 的密封裝置采用“0”型密封圈和膨脹密封結(jié)構(gòu)。所述耐沖蝕層7是采用氧乙炔或激光熔覆 的方法，將耐沖蝕材料敷焊在所述流道過渡區(qū)3的表面，敷焊厚度為0. 2 2. 0mm。實施例2 下面結(jié)合附圖3和附圖4進(jìn)行說明。一種減壓提速的三牙輪鉆頭由牙 掌11、牙輪12、主流道1、流道過渡區(qū)3、水孔4、卡簧槽5、密封槽6和耐沖蝕層7組成。流 道過渡區(qū)3由錐形收縮段8、轉(zhuǎn)向彎曲段9和向上擴(kuò)散段10組成。三個相同的流道過渡區(qū) 3和水孔4呈120°對稱分布于鉆頭體2內(nèi)的同一個平面內(nèi)，且該平面垂直于主流道1的軸 線。當(dāng)不處于同一平面內(nèi)時，各組所述流道過渡區(qū)3和所述水孔4離井底水平面的距離的 間距相同。在附圖中，實線箭頭所表示的方向是鉆頭內(nèi)泥漿的流動方向。其工作原理鉆柱帶動三牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)，牙輪12轉(zhuǎn)動破碎井底巖石；鉆井液從鉆 柱內(nèi)進(jìn)入牙掌11內(nèi)部的主流道1，流經(jīng)流道過渡區(qū)3的錐形收縮段8，速度增大，壓力減小， 流經(jīng)轉(zhuǎn)向彎曲段9，速度方向由最初的徑向方向逐漸向鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向過渡，直至形成夾角 β，再流經(jīng)向上擴(kuò)散段10，鉆井液壓力增大，在此過程中，鉆井液獲得與井壁相切的速度； 鉆井液從水孔4中的噴嘴傾斜射向井壁，鉆井液在水孔4出口處的壓力迅速增高，在向上流 動攜帶巖屑快速向井眼方向流動的同時，在切向速度的作用下，圍繞井眼軸線做圓周運動， 此時鉆頭體2外表面與井壁的環(huán)空之間出現(xiàn)一較大漩渦，在漩渦底部即井底產(chǎn)生一低壓 區(qū)，泥漿液柱在井底的壓持力減小，被抽汲離開井底，隨鉆井液返回地面。耐沖蝕層7是采 用耐沖蝕材料敷焊在流道過渡區(qū)3的表面，以提高流道過渡區(qū)3在高速鉆井液沖刷下的抗 沖蝕性能，提高鉆頭的使用壽命。實施例3 下面結(jié)合附圖5和附圖6進(jìn)行說明。一種減壓提速PDC鉆頭由鉆頭體 2、流道1、流道過渡區(qū)3、水孔4、卡簧槽5、密封槽6、耐沖蝕層7、刀翼13和人造金剛石復(fù)合 片-PDC14組成。流道過渡區(qū)3由錐形收縮段8、轉(zhuǎn)向彎曲段9和向上擴(kuò)散段10組成。根據(jù) 需要，可在鉆頭體2內(nèi)設(shè)置1-10組相同的流道過渡區(qū)3和水孔4，本實施例采用4組相同的 流道過渡區(qū)3和水孔4，呈90°對稱分布于鉆頭體2內(nèi)的同一個平面內(nèi)，且該平面垂直于主 流道1的軸線。每組所述流道過渡區(qū)3和所述水孔4離井底水平面的距離可均相同或不相 同，當(dāng)不相同時，相鄰的每組或每兩組、每三組所述流道過渡區(qū)3和所述水孔4離井底水平 面的距離的間距相同。其工作原理鉆柱帶動PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)，刀翼13上的人造金剛石復(fù)合片-PDC14轉(zhuǎn) 動刮削井底巖石；鉆井液從鉆柱內(nèi)進(jìn)入鉆頭體2內(nèi)部的主流道1內(nèi)，流經(jīng)流道過渡區(qū)3的 錐形收縮段8，速度增大，壓力減小，流經(jīng)轉(zhuǎn)向彎曲段9，速度方向由最初的徑向方向逐漸向 鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向過渡，直至形成夾角β，再流經(jīng)向上擴(kuò)散段10，鉆井液壓力增大，在此過程 中，鉆井液獲得與井壁相切的速度；鉆井液從水孔4中的噴嘴傾斜射向井壁，鉆井液在水孔 4出口處的壓力迅速增高，在向上流動攜帶巖屑快速向井眼方向流動的同時，在切向速度的 作用下，圍繞井眼軸線做圓周運動，此時鉆頭體2外表面附近與井壁的環(huán)空之間出現(xiàn)一較 大漩渦，在漩渦底部即井底產(chǎn)生一低壓區(qū)，泥漿液柱在井底的壓持力減小，井底巖屑在水孔 4出口處上下壓力差的作用下，被抽汲離開井底，隨鉆井液返回地面。耐沖蝕層7是采用耐
5沖蝕材料敷焊在流道過渡區(qū)3的表面，以提高流道過渡區(qū)3在高速鉆井液沖刷下的抗沖蝕 性能，提高鉆頭的使用壽命。
權(quán)利要求
一種減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，包括鉆頭體(2)、主流道(1)、流道過渡區(qū)(3)、水孔(4)、卡簧槽(5)、密封槽(6)和耐沖蝕層(7)，其特征在于所述主流道(1)、所述流道過渡區(qū)(3) 和所述水孔(4)位于所述鉆頭體(2)內(nèi)，所述流道過渡區(qū)(3)連通所述主流道(1)與所述水孔(4)，所述流道過渡區(qū)(3)和所述水孔(4)的軸線垂直于所述主流道(1)的軸線，所述卡簧槽(5)與所述密封槽(6)位于所述水孔(4)內(nèi)，所述耐沖蝕層(7)位于所述流道過渡區(qū)(3)表面；所述主流道(1)為圓柱形，其軸線與所述鉆頭體(2)的軸線重合；所述主流道(1)的上端與鉆柱內(nèi)鉆井液通道相連，其下端與所述流道過渡區(qū)(3)相連；流道過渡區(qū)(3)包括錐形收縮段(8)、轉(zhuǎn)向彎曲段(9)和向上擴(kuò)散段(10)；所述錐形收縮段(8)呈圓錐形；所述轉(zhuǎn)向彎曲段(9)呈弧形，且其弧心在鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)；所述向上擴(kuò)散段(10)呈圓柱形，與所述水孔(4)相連，且其中心線與所述水孔(4)的中心線重合；水孔(4)呈圓柱形，其出口方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一致；所述水孔(4)的出口方向與鉆頭軸線的夾角α為90°；所述水孔(4)出口處的中心點所在的徑向方向，與所述水孔(4)軸線的夾角為β0°＜β＜90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，其特征在于卡簧槽(5)位 于所述水孔(4)內(nèi)部上端，用于放置卡簧，以將鉆頭噴嘴固定在所述水孔(4)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，其特征在于密封槽(6)位 于所述水孔⑷內(nèi)部中間位置，用于放置密封裝置，所述的密封裝置采用“0”型密封圈和膨 脹密封結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，其特征在于耐沖蝕層(7) 是采用氧乙炔、激光熔覆或等離子弧焊，將耐沖蝕材料敷焊在所述流道過渡區(qū)(3)的表面， 敷焊厚度為0. 2 2. 0mm。
5.一種減壓提速的鉆頭，該鉆頭為三牙輪鉆頭，鉆頭體(2)上有三個破碎巖石的牙掌 (11)和牙輪(12)，其特征在于包括權(quán)利要求1所述的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，三組相同的所述流道 過渡區(qū)(3)和所述水孔(4)呈120°對稱分布于所述鉆頭體(2)內(nèi).
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的減壓提速的鉆頭，其特征在于每組所述流道過渡區(qū)(3)和 所述水孔(4)均處于同一個平面內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的減壓提速的鉆頭，其特征在于每組所述流道過渡區(qū)(3)和 所述水孔(4)均不處于同一平面內(nèi)，各組所述流道過渡區(qū)(3)和所述水孔(4)離井底水平 面的距離的間距相同。
8.一種減壓提速的鉆頭，該鉆頭為PDC鉆頭，鉆頭體(2)上有破碎巖石的人造金剛石復(fù) 合片-PDC(14)，其特征在于包括權(quán)利要求1所述的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，所述鉆頭體(2)內(nèi)可同 時設(shè)置1 10組相同的所述流道過渡區(qū)(3)和所述水孔(4)，各組所述流道過渡區(qū)(3)和 所述水孔(4)沿圓周對稱分布于所述鉆頭體(2)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的減壓提速鉆頭，其特征在于每組所述流道過渡區(qū)(3)和所 述水孔(4)離井底水平面的距離均相同
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的減壓提速鉆頭，其特征在于每組所述流道過渡區(qū)(3)和所 述水孔(4)離井底水平面的距離不相同，相鄰的每組或每兩組、每三組所述流道過渡區(qū)(3) 和所述水孔(4)離井底水平面的距離的間距相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及減壓提速的鉆頭水力結(jié)構(gòu)和鉆頭，屬于石油和地質(zhì)鉆井工程領(lǐng)域。鉆頭水力結(jié)構(gòu)由鉆頭體、主流道、流道過渡區(qū)、水孔、卡簧槽、密封槽和耐沖蝕層組成。其特征在于主流道、流道過渡區(qū)和水孔位于鉆頭體內(nèi)，流道過渡區(qū)連通主流道與水孔，流道過渡區(qū)和水孔的軸線垂直于主流道的軸線，卡簧槽與密封槽位于水孔內(nèi)，耐沖蝕層位于流道過渡區(qū)表面。鉆頭水孔出口方向與鉆頭軸線的夾角為90°，且與徑向的夾角為0°～90°，泥漿傾斜射向井壁，在鉆頭旋轉(zhuǎn)速度和泥漿本身的切向速度的帶動下，在井底形成低壓漩渦區(qū)，降低鉆頭作用面局部壓力，減小泥漿液柱對巖屑的壓持作用，鉆井液抽汲井底巖屑，加速巖屑的清除，提高鉆速，降低鉆井成本。
文檔編號E21B10/60GK101942967SQ20101028219
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者朱海燕, 王利華, 譚強(qiáng), 鄧金根, 黃凱文 申請人:中國石油大學(xué)(北京)