一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，主要包括PDC鉆頭，其特征在于在去除了PDC鉆頭保徑部位的排屑槽，并在PDC鉆頭內(nèi)部加裝了切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。所述的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置，通過(guò)切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)射流，形成有利于清巖的井底旋流流場(chǎng)，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率；所述的高濃度湍流抽砂裝置基于抽砂泵的原理抽吸井底流體，減小井底壓差，實(shí)現(xiàn)欠平衡而提高機(jī)械鉆速；所述的射流粉碎裝置基于射流磨的原理有效粉碎巖屑，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床，最終實(shí)現(xiàn)水平井安全高效鉆進(jìn)。
【專利說(shuō)明】一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鉆井與油氣工程領(lǐng)域，具體涉及一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，攜巖是水平井和大位移井鉆井的一個(gè)重要難題，如果巖屑攜帶效果達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致諸多問(wèn)題發(fā)生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡鉆，下套管與固井困難，鉆具磨損嚴(yán)重，測(cè)井儀器下入作業(yè)困難等，甚至導(dǎo)致鉆井作業(yè)可能被迫中止。然而，最近由中國(guó)石油大學(xué)(北京)研發(fā)的水平井安全高效泥漿鉆井射流磨鉆頭201310654747.4)和水平井安全高效氣體鉆井射流磨鉆頭(⑶201310654718.8)不僅可以減小井底壓差，提高機(jī)械鉆速，還可基于射流磨原理將巖屑粉碎，達(dá)到液固懸浮流動(dòng)狀態(tài)，能從根本上消除水平井中的巖屑床。但是由于射流磨鉆頭反向噴嘴的分流作用使得井底鉆井液流量有所削減，這樣井底的鉆頭水眼個(gè)數(shù)減少，射流沖洗范圍也明顯減小。雖然射流磨鉆頭的高濃度湍流抽砂裝置會(huì)減小井底壓差，抽吸巖屑，但由于射流沖洗范圍小，會(huì)影響井底巖屑的及時(shí)清理，從而造成部分巖屑的重復(fù)破碎，影響破巖效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，通過(guò)切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置，產(chǎn)生有利于清巖的井底旋流流場(chǎng)，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率；通過(guò)高濃度湍流抽砂裝置抽吸井底流體，減小井底壓差，實(shí)現(xiàn)欠平衡而提高機(jī)械鉆速；通過(guò)射流粉碎裝置粉碎巖屑，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，包括鉆頭、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。
[0006]鉆頭包括鉆頭體、主流道、保徑、鉆頭端部排屑槽、?IX:刀翼{0(:刀翼是水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭切削巖石的工作部分，其表面布有切削齒；鉆頭端部排屑槽布置在刀翼之間；保徑布置在鉆頭端部的外側(cè)，保徑?jīng)]有布置排屑槽。
[0007]切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置包括井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴；井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道的入口與？IX:鉆頭的主流道連通，井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道出口與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的入口連接；切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的出口與？IX:鉆頭端部排屑槽連接，切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴數(shù)量根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)而定；切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置是產(chǎn)生有利于清巖的井底旋流流場(chǎng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和鉆頭旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用產(chǎn)生井底旋流流場(chǎng)，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提高鉆進(jìn)速度。
[0008]高濃度湍流抽砂裝置包括巖屑吸入管、負(fù)壓腔；巖屑吸入管入口與？IX:鉆頭端部排屑槽的外端連接，巖屑吸入管出口與負(fù)壓腔連接，負(fù)壓腔出口與混合室對(duì)接連通；負(fù)壓腔產(chǎn)生的負(fù)壓通過(guò)巖屑吸入管抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小壓差，從而促進(jìn)巖屑脫離井底并加速上返，局部欠平衡提高機(jī)械鉆速。
[0009]射流粉碎裝置包括反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉(cāng)、旁通；反向高速射流噴嘴與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴反向設(shè)置，反向高速射流噴嘴入口與？IX:鉆頭的主流道連通，反向高速射流噴嘴的出口位于混合室內(nèi)，混合室與喉管對(duì)接連通，喉管與巖屑解離加速管對(duì)接連通，巖屑解離加速管出口與粉碎倉(cāng)連通，粉碎倉(cāng)內(nèi)安有粉碎靶體，粉碎靶體正對(duì)著巖屑解離加速管出口，粉碎倉(cāng)與旁通連通，旁通為入口小出口大的擴(kuò)散性圓管；射流粉碎裝置是水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，一方面射流粉碎裝置的反向高速射流噴嘴出口產(chǎn)生負(fù)壓，并通過(guò)混合室將負(fù)壓傳遞到負(fù)壓腔，抽吸巖屑，另一方面射流粉碎裝置基于高聚能射流的超細(xì)粉碎原理充分粉碎巖屑，大大提高巖屑的運(yùn)移效率。
[0010]綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下良好效果:
[0011](1)由于目前射流磨鉆頭反向高速噴嘴的分流作用使得井底鉆井液流量有所削減，井底射流的沖洗范圍也明顯減小，從而影響井底巖屑的及時(shí)清理，進(jìn)一步會(huì)影響破巖效率。本發(fā)明的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流，大大提高了井底射流的沖洗范圍，旋轉(zhuǎn)射流能夠在井底產(chǎn)生較大的切向速度，從而增大井底漫流速度，促使破碎的巖屑迅速離開(kāi)井底，大幅度提升井底清巖效率。
[0012](2)本發(fā)明的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)射流與鉆頭旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用可產(chǎn)生有利于清巖的井底旋流流場(chǎng)，在井底形成有序的高壓區(qū)和低壓區(qū)分布，改善井底巖石和巖屑的受:力狀況，提聞鉆進(jìn)速度。
[0013](3)本發(fā)明的高濃度湍流抽砂裝置利用抽沙泵的原理，抽吸井底流體，減小井底壓差，實(shí)現(xiàn)井底局部欠平衡，提高機(jī)械鉆速。
[0014](4)本發(fā)明的射流粉碎裝置基于高聚能射流的超細(xì)粉碎技術(shù)能夠粉碎巖屑，大大降低水平井中巖屑的沉降末速，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的示意圖；
[0016]圖2為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭沿圖1左視示意圖；
[0017]圖3為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭沿圖1右視示意圖；
[0018]圖4為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭沿圖1中“的剖視示意圖；
[0019]圖5為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭沿圖1中8-8的剖視示意圖；
[0020]圖6為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的反向高速射流噴嘴示意圖；
[0021]圖7為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴示意圖；
[0022]圖8為水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴沿圖7中八-八的首丨』視不意圖。
[0023]圖中:1、鉆頭，2、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置，3、高濃度湍流抽砂裝置，4、射流粉碎裝置；101、鉆頭體，102、主流道，103、保徑，104、鉆頭端部排屑槽，105、？00刀翼；201、井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道，202、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴；301、巖屑吸入管，302、負(fù)壓腔；401、反向高速射流噴嘴，402、混合室，403、喉管，404、巖屑解離加速管，405、粉碎靶體， 406、粉碎倉(cāng)，407、旁通。

【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明提出的【具體實(shí)施方式】、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0025]水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，包括鉆頭1、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置2、高濃度湍流抽砂裝置3、射流粉碎裝置4。
[0026]鉆頭包括鉆頭體101、主流道102、保徑103、鉆頭端部排屑槽104、刀翼105 ；？1^刀翼105是水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭切削巖石的工作部分，其表面布有
切削齒；鉆頭端部排屑槽104布置在刀翼105之間；保徑布置在鉆頭端部的外側(cè)，保徑?jīng)]有布置排屑槽。
[0027]切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置2包括井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道201、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202 ；井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道201的入口與？IX:鉆頭的主流道102連通，井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道201出口與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202的入口連接；切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202的出口與？IX:鉆頭端部排屑槽104連接，切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202數(shù)量根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)而定；切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置是產(chǎn)生有利于清巖的井底旋流流場(chǎng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202和鉆頭1旋轉(zhuǎn)聯(lián)合作用產(chǎn)生井底旋流流場(chǎng)，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提高鉆進(jìn)速度。
[0028]高濃度湍流抽砂裝置3包括巖屑吸入管301、負(fù)壓腔302 ；巖屑吸入管301入口與鉆頭端部排屑槽104的外端連接，巖屑吸入管301出口與負(fù)壓腔302連接，負(fù)壓腔302
出口與混合室402對(duì)接連通；負(fù)壓腔302產(chǎn)生的負(fù)壓通過(guò)巖屑吸入管301抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小壓差，從而促進(jìn)巖屑脫離井底并加速上返，局部欠平衡提高機(jī)械鉆速。
[0029]射流粉碎裝置4包括反向高速射流噴嘴401、混合室402、喉管403、巖屑解離加速管404、粉碎靶體405、粉碎倉(cāng)406、旁通407 ；反向高速射流噴嘴401與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202反向設(shè)置，反向高速射流噴嘴401入口與？IX:鉆頭的主流道102連通，反向高速射流噴嘴401的出口位于混合室402內(nèi)，混合室402與喉管403對(duì)接連通，喉管403與巖屑解離加速管404對(duì)接連通，巖屑解離加速管404出口與粉碎倉(cāng)406連通，粉碎倉(cāng)406內(nèi)安有粉碎靶體405，粉碎靶體405正對(duì)著巖屑解離加速管404出口，粉碎倉(cāng)406與旁通407連通，旁通407為入口小出口大的擴(kuò)散性圓管；射流粉碎裝置4是水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，一方面射流粉碎裝置4的反向高速射流噴嘴401出口產(chǎn)生負(fù)壓，并通過(guò)混合室402將負(fù)壓傳遞到負(fù)壓腔302，抽吸巖屑，另一方面射流粉碎裝置4基于高聚能射流的超細(xì)粉碎原理充分粉碎巖屑，大大提高巖屑的運(yùn)移效率。
[0030]本發(fā)明的水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭的工作過(guò)程如下:
[0031]在鉆進(jìn)過(guò)程中，水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭旋轉(zhuǎn)，使得？IX:刀翼105上的切削齒切削巖石產(chǎn)生巖屑。同時(shí)高壓鉆井液由主流道102進(jìn)入，一部分鉆井液由反向高速射流噴嘴401噴出，形成高速射流，高速射流在混合室402產(chǎn)生負(fù)壓。此負(fù)壓經(jīng)過(guò)混合室402傳遞到高濃度湍流抽砂裝置3的負(fù)壓腔302內(nèi)，負(fù)壓腔302內(nèi)的負(fù)壓通過(guò)巖屑吸入管301對(duì)井底流體和巖屑進(jìn)行抽吸，從而降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應(yīng)，創(chuàng)造井底的欠平衡條件，提高機(jī)械鉆速。另一部分鉆井液進(jìn)入切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置2的井底巖屑攪拌與清洗流道201內(nèi)，由切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202噴出。切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴202噴出的不對(duì)稱高速旋轉(zhuǎn)射流將井底巖屑沖擊成高濃度的湍流，使高濃度湍流抽砂裝置3的巖屑吸入管301能高效吸入井底巖屑與鉆井液。井底巖屑與鉆井液在反向高速射流噴嘴401的抽吸作用下經(jīng)巖屑吸入管301、負(fù)壓腔302進(jìn)入射流粉碎裝置4的混合室402。
[0032]射流粉碎裝置4的反向高速射流噴嘴401噴出高聚能射流，在混合室402產(chǎn)生負(fù)壓卷吸巖屑，井底巖屑與鉆井液在混合室402和喉管403處被匯入高聚能射流，高聚能射流在解離加速管404解離帶微裂縫的巖屑，實(shí)現(xiàn)解離破碎，相間及顆粒之間的碰撞、互磨產(chǎn)生的沖擊壓力和剪切力造成顆粒的破碎，并實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑的加速。高速巖屑高速?zèng)_擊粉碎靶體405，利用瞬間沖擊力、水楔粉碎巖屑。帶微裂縫的細(xì)小巖屑在粉碎倉(cāng)406經(jīng)過(guò)多次反射碰撞進(jìn)一步粉碎，粉碎后的巖屑與鉆井液混合物在旁通407內(nèi)速度降下來(lái)后排入環(huán)空。
【權(quán)利要求】
1.一種水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，包括roc鉆頭，其特征在于在去除了roc鉆頭保徑部位的排屑槽，并在PDC鉆頭內(nèi)部加裝了切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，其特征在于:所述的切向注入式旋轉(zhuǎn)射流沖砂裝置包括井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道、切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴；井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道的入口與PDC鉆頭的主流道連通，井底巖屑攪動(dòng)與清洗流道出口與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的入口連接；切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的出口與PDC鉆頭端部排屑槽連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，其特征在于:所述的高濃度湍流抽砂裝置包括巖屑吸入管、負(fù)壓腔；巖屑吸入管入口與PDC鉆頭端部排屑槽的外端連接，巖屑吸入管出口與負(fù)壓腔連接，負(fù)壓腔出口與混合室對(duì)接連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平井切向注入式旋流射流磨鉆頭，其特征在于:所述的射流粉碎裝置包括反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉(cāng)、旁通；反向高速射流噴嘴與切向注入式旋轉(zhuǎn)射流噴嘴反向設(shè)置，反向高速射流噴嘴入口與PDC鉆頭的主流道連通，反向高速射流噴嘴的出口位于混合室內(nèi)，混合室與喉管對(duì)接連通，喉管與巖屑解離加速管對(duì)接連通，巖屑解離加速管出口與粉碎倉(cāng)連通，粉碎倉(cāng)內(nèi)安有粉碎靶體正對(duì)著巖屑解離加速管出口，粉碎倉(cāng)與旁通連通，旁通為入口小出口大的擴(kuò)散性圓管。
【文檔編號(hào)】E21B21/00GK104373044SQ201410605628
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】高德利, 陳緒躍, 郭柏云 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)