流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头。其特征在于加装了脉冲射流生成装置、中心旋喷破岩装置和负压抽汲装置。脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区，基于风琴管，通过激发液体共振产生脉冲射流，提高破岩效率；中心旋喷破岩装置包括1个中心自旋转喷嘴、下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道和刀翼，基于高压水射流，自旋转正向射流剪切拉伸破岩，侧向射流提供钻头自进力，结合下喷旁支流道，提高破岩、清岩效率；负压抽汲装置包括反向高速流道、抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔，基于射流泵，凭借反向流体高速特性在抽汲腔形成负压，抽汲岩屑，减小压持效应。

Cross flow center type rotary jet negative pressure pulsed bit

The utility model discloses a flow passage crossed central rotary jetting negative pressure pulse drill bit. The utility model is characterized in that a pulsed jet generation device, a central rotary jet rock breaking device and a negative pressure swabbing device are installed. Pulse jet generating device comprises a drilling fluid flow, feed cavity, resonant cavity, resonant pipe outlet and diversion area, based on the organ pipe produced by liquid jet pulse excitation resonance, improve the efficiency of rock breaking; central jet rock breaking device includes 1 self rotating nozzle and the lower spray center beside the tributary road, jet rotation center runner and blade, high pressure water jet based on positive spin to jet rock breaking tensile shear, lateral jet drill provides self-propelled force with jet near the tributaries, improve rock breaking and clearing efficiency; negative pressure suction device includes a reverse channel, high speed pumping chamber and a mixing chamber, throat, back cavity chip based on the jet pump, with reverse high-speed fluid characteristics in the pumping chamber to form negative pressure, pumping cuttings, reduce cuttinghold effect.

【技术实现步骤摘要】
流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头
本技术属于油气井钻井领域，具体设计一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头。
技术介绍
常规PDC钻井中一个很常见的问题就是机械钻速低，严重影响着钻井效率。常规的解决方法多为增大排量，改善钻井液性能等，虽然取得了一些效果，但是机械钻速提高程度有限。而影响机械钻速一个很重要的因素就是压持效应，如何减小甚至消除压持效应一直是钻井工作者和理论研究人员关注的重点。]射流泵在采油、固井中已经得到大规模运用，其中基于射流泵的负压-抽汲理论在采油中有着很好的表现，相关理论可以应用到新型钻头设计中，以提高机械钻井的清岩效率。脉冲射流相对常规稳态射流，凭借其非对称、非周期和非均匀性在机械钻井领域得到一定的运用，理论研究和现场实验都证明相对于常规射流，脉冲射流可大幅度提高机械钻速。水力破岩技术在机械钻井领域已经得到大规模的应用，在现场取得良好效益，基于水射流理论的自旋转喷嘴在常规钻井，剪切拉伸破岩效率高、摩阻小、寿命长、工作平稳。
技术实现思路
本技术的第一目的在于利用高速脉冲射流和自旋转喷嘴提高机械钻速和破岩效率。本技术的第二目的是在于利用反向射流高速特性在钻头底部形成负压，抽汲井底岩屑，减小压持效应，提高机械钻速。为实现第一目的，本技术的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头设计了谐振管、下喷旁支流道和下喷中心自旋转流道，在下喷旁支流道可非均布加装6个常规脉冲喷嘴，在下喷中心自旋转流道安装了1个自旋转喷嘴。所述的谐振管由钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口、分流区等组成，各部分设计为共轴圆柱形构造，相互对接连通，其中分流区出口与反向高速流道、下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道连通；并优化管径为：进给腔管径为钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径为流道的0.8倍，谐振管出口管径为流道的0.5倍，分流区管径为流道的2倍。钻井液流道、进给腔是钻井液进入的通道；谐振管出口产生初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔；当反馈的初始压力波动与谐振腔固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，获得脉冲射流；分流区与下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道、反向高速流道连通，实现流量分配。下喷旁支流道和下喷中心自旋转流道均与分流区相连通，出口在钻头端部，下喷旁支流道可非均布安装有6个常规脉冲喷嘴，下喷中心自旋转流道安装有1个自旋转喷嘴，实现钻头底部的清岩、冷却润滑钻头和携带岩屑。自旋转喷嘴安装在下喷中心自旋转流道，由自旋转中心轴体、正向喷嘴、侧向喷嘴、喷嘴外壳、自旋转体等部分组成。流体流经自旋转喷嘴的正向和侧向喷嘴，产生正向和侧向射流，正向射流剪切拉伸破岩、周期性冲击、扫面式破岩；侧向射流提供钻头自进力，实现自旋转体绕自旋转中心轴体的自旋转，并有扩孔的作用，提高破岩和清岩效率。下喷旁支流道绕中心自旋转喷嘴呈圆周非均布6个，下喷流道之间相互协调，增强了水力辅助破岩效果。为实现第二目的，本技术的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头设计了负压抽汲装置，包括反向高速流道、负压抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔。反向高速流道与分流区连通，出口在混合腔，在钻头内部均布6个，凭借反向射流高速特性，在负压抽汲腔产生负压，抽汲岩屑上返，减小压持效应，提高机械钻速。反向高速流道与下喷旁支流道有公共流道入口，与分流区出口相连通，以减小流体流动阻力。负压抽汲腔与钻头端部排屑槽连通，出口在混合腔，是岩屑抽汲上返的通道。为圆柱形构造，轴线与返屑腔轴线呈150°夹角，抽汲岩屑上返。混合腔与负压抽汲腔和反向高速流道连通，出口与喉道对接连通，实现岩屑与反向高速流体的混合；高压脉冲射流经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在混合腔内形成负压，在负压作用下，岩屑被高速射流束抽汲形成两相高速紊流。喉道与返屑腔对接连通，为弧形圆柱形构造，管径为返屑腔入口直径，以减小岩屑流的流动阻力。实现岩屑流由混合腔到返屑腔的过渡。返屑腔与喉道对接连通，出口在刀翼环空，轴线与井壁呈20°夹角，与负压抽汲腔呈150°夹角，实现岩屑返排入环空。为锥度5°的渐增式锥形构造，以减低混合流对井壁的冲刷，获得良好的返排效果。综上所述，与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：(1)谐振管将循环钻进的稳态流转换为脉冲射流，相对于常规射流，脉冲射流非均匀、非对称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩的能力；(2)自旋转喷嘴区别于常规射流的冲击破岩，射流剪切拉伸破岩，效率高，功率消耗小、摩阻小、寿命长、工作平稳，可提高破岩、清岩效率；(3)下喷旁支流道与中心自旋转喷嘴相互协调，增强水力辅助破岩效果；(4)反向高速流道的存在，凭借反向射流的高速特性在钻头底部形成局部负压，抽汲岩屑，减小压持效应，提高机械钻速；(5)反向高速流道与下喷旁支流道有公共流道入口，减小了脉冲流体的流动阻力。附图说明图1为一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头示意图。图2为自旋转喷嘴示意图。图3为图1中A-A剖面示意图。图4为图1中B-B剖面示意图。图5为图1中C-C剖面示意图。图6为图1中D-D剖面示意图。图7为图1中E-E剖面示意图。图8为图1的右视示意图。图1中：1、钻井液流道，2、钻头本体，3、返屑腔，4、分流区，5、混合腔，6、负压抽汲腔，7、下喷旁支流道，8、下喷中心自旋转流道，9、进给腔，10、谐振腔，11、谐振管出口，12、喉道，13、反向高速流道，14、刀翼，15自旋转喷嘴。图2中：16、自旋转中心轴体，17、侧向喷嘴，18、喷嘴外壳，19、自旋转体，20、正向喷嘴。具体实施方式如图1所示，一种用于流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，包括：1、钻井液流道，2、钻头本体，3、返屑腔，4、分流区，5、混合腔，6、负压抽汲腔，7、下喷旁支流道，8、下喷中心自旋转流道，9、进给腔，10、谐振腔，11、谐振管出口，12、喉道，13、反向高速流道，14、刀翼，15自旋转喷嘴。自旋转喷嘴包括：16、自旋转中心轴体，17、侧向喷嘴，18、喷嘴外壳，19、自旋转体，20、正向喷嘴。主要为三个部分：脉冲生成部分、中心旋喷破岩部分和负压抽汲上返部分。脉冲生成部分包括钻井液流道1、进给腔9、谐振腔10、谐振管出口11和分流区4，产生脉冲射流。如图1所示，稳态钻井液经钻井液流道10、进给腔11进入谐振管，流经谐振管出口11时，在收缩截面作用下产生初始的压力波动；产生的压力波动被反馈到谐振腔10，当压力波动的频率与谐振腔10固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，从而在谐振腔10内得到脉冲射流；脉冲射流在分流区4分别流向反向高速流道13、下喷旁支流道7和下喷中心自旋转流道8。中心旋喷破岩部分包括自旋转喷嘴15、下喷旁支流道7、下喷中心自旋转流道8和刀翼14，刀翼机械破岩，自旋转喷嘴水力辅助破岩。自旋转喷嘴15由自旋转中心轴体16、正向喷嘴20、侧向喷嘴17、喷嘴外壳18、自旋转体19组成。如图1和图2所示，下喷的高速脉冲射流经下喷中心自旋转流道8，经自旋转喷嘴15的正向喷嘴20和侧向喷嘴17喷出，产生正向和侧向射流，正向射流旋转冲击，通过剪切、拉伸作用在井底形成圆形破岩面，而反向射流由于存在反向张角和偏心距，为钻头提供进给力和旋转动力，实现自旋转体19绕自旋转中心轴体16的自旋转。同时下喷的高速脉冲射流经下喷旁支流道7喷出，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，区别于常规PDC钻头，本设计加装了脉冲射流生成装置、中心旋喷破岩装置和负压抽汲装置：所述的脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区；钻井液流道与进给腔、进给腔与谐振腔、谐振腔与谐振管出口，谐振管出口与分流区依次对接连通，分流区出口与反向高速流道、下喷旁支流道、下喷中心旋喷流道入口相连通；钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区均为共轴圆柱形构造；进给腔管径是钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径是流道的0.8倍，谐振管出口管径是流道的0.5倍，分流区管径是流道的2倍；所述的中心旋喷破岩装置包括下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道、1个中心自旋转喷嘴和刀翼；下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道均与分流区相连通，出口在钻头端部，下喷旁支流道中可非均布安装6个脉冲喷嘴，下喷中心自旋转流道中安装1个自旋转喷嘴；下喷旁支流道绕中心自旋转喷嘴圆周非均布6个；所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、负压抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔；反向高速流道与分流区出口相互连通，出口在混合腔，在钻头内部均布6个；负压抽汲腔与钻头端部排屑槽连接，出口在混合腔，为圆柱形构造，轴线与返屑腔轴线呈150°夹角；混合腔与喉道连通；喉道与返屑腔连通，为弧形圆柱形构造；返屑腔与喉道对接连通，出口在刀翼环空，轴线与井壁呈20°夹角。...

【技术特征摘要】
1.一种新型流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，区别于常规PDC钻头，本设计加装了脉冲射流生成装置、中心旋喷破岩装置和负压抽汲装置：所述的脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区；钻井液流道与进给腔、进给腔与谐振腔、谐振腔与谐振管出口，谐振管出口与分流区依次对接连通，分流区出口与反向高速流道、下喷旁支流道、下喷中心旋喷流道入口相连通；钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区均为共轴圆柱形构造；进给腔管径是钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径是流道的0.8倍，谐振管出口管径是流道的0.5倍，分流区管径是流道的2倍；所述的中心旋喷破岩装置包括下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道、1个中心自旋转喷嘴和刀翼；下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道均与分流区相连通，出口在钻头端...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏征，刘永升，高德利，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：新型
国别省市：北京,11