一種具有開放式水孔的鉆頭制造技術

本發(fā)明專利技術公開了一種具有開放式水孔的鉆頭，屬于鉆井技術領域，包括鉆頭本體、切削結構、切削齒、排屑槽、內流道和水孔，切削結構布置在鉆頭本體上，切削齒設置在切削結構上，內流道設置在鉆頭本體內，排屑槽設置在切削結構之間，水孔設置在內流道與排屑槽之間并連通內流道與排屑槽，水孔僅有一個，整體呈口大底小形狀，且水孔底部開口直接與內流道頂部開口貫通，水孔底部開口面積與內流道頂部開口面積一致或大小基本相當。本發(fā)明專利技術為了解決鉆頭在快速鉆井和高溫鉆井過程中因鉆頭水力結構不合理而降低鉆頭使用壽命和鉆進性能的問題，特提供一種具有開放式水孔的鉆頭。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于鉆井

技術介紹
鉆頭是鉆井工程中用于破碎巖石形成井眼的主要工具，鉆頭的水力結構是決定鉆進性能的重要因素。鉆頭破巖鉆進時，鉆井液從鉆頭的內流道通過鉆頭水孔噴射到井底，起到清洗井底、攜帶并運移鉆頭破碎巖石所形成的巖屑、冷卻并清洗切削齒以及輔助破巖的作用。在現(xiàn)代快速鉆井技術中，鉆頭不僅要具有優(yōu)良的破巖結構，還要具有良好的水力性能。常規(guī)鉆頭中使用的水孔大多為小的圓形孔，且均多個設置，利用圓形噴嘴噴射出的鉆井液所形成的漫流來完成井底攜巖和切削齒冷卻工作。由于漫流的水力能量遠遠小于直接噴射流體的水力能量，圓形噴嘴噴射出的鉆井液對鉆頭的清洗和冷卻能力較弱。此外，常規(guī)鉆頭的多個噴嘴產生的多股射流會相互干擾，向井底沖刺的液流又與井底上返的液流相互干擾，造成井底流場紊亂，極易形成渦旋，導致巖屑的聚集和堆積，巖屑難以順利上返，不利于鉆頭體和切削齒的清洗和冷卻，嚴重時甚至會出現(xiàn)鉆頭泥包，燒鉆等現(xiàn)象，給鉆井帶來了巨大的危害。近年來，地熱鉆井發(fā)展迅速，很多地熱井中地層溫度已經達到150℃或者更高，鉆頭的工作溫度甚至達到200℃以上。常規(guī)多個設置的圓形水孔的鉆頭，其水孔結構已不能滿足高溫鉆井中鉆頭及切削齒快速清洗和冷卻的需要，一旦鉆頭和切削齒的溫度過高將會顯著降低鉆頭的使用壽命和鉆進性能。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于：為了解決鉆頭在快速鉆井和高溫鉆井過程中因鉆頭水力結構不合理而降低鉆頭使用壽命和鉆進性能的問題，特提供一種具有開放式水孔的鉆頭。本專利技術目的通過下述技術方案來實現(xiàn)：一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體、切削結構、切削齒、排屑槽、內流道和水孔，切削結構布置在鉆頭本體上，切削齒設置在切削結構上，內流道設置在鉆頭本體內，排屑槽設置在切削結構之間，水孔設置在內流道與排屑槽之間并連通內流道與排屑槽，水孔僅有一個，整體呈口大底小形狀，且水孔底部開口直接與內流道頂部開口貫通，水孔底部開口面積與內流道頂部開口面積一致或大小基本相當。在本專利技術中，將本專利技術的水孔稱之為“開放式水孔”。作為優(yōu)選，水孔與內流道同軸連通。本專利技術所述“大小基本相當”做普遍的一般理解即可，是為了避免對前述“一致”做數(shù)值上的絕對等同理解而進行的補充說明，無需特別約定，一般而言，需要水孔底部開口面積為內流道頂部開口面積的90％以上。作為選擇，切削結構為固定切削結構。作為選擇，固定切削結構在鉆頭本體中心懸空成梁，水孔設置于懸空梁下方。作為選擇，水孔為口大底小的柱體，其橫斷面輪廓呈星形(該星形具有中心孔以及支臂，各支臂以中心孔中心對稱或不對稱均可)。該方案中，水孔具有類扇形柱體(或者叫發(fā)散狀柱體)的內腔形狀，以及開放式水孔的出口水槽(對于星形結構，其支臂即形成出口水槽)的結構能夠充分利用鉆井液射流的水力能量，并能避免鉆井液對切削結構和切削齒的沖蝕。星形狀出口的開放式水孔，其出口過流面積比常規(guī)圓形水孔大，可直接利用射流的水力能量沖洗井底。作為選擇，水孔的出口水槽數(shù)目與切削結構個數(shù)相同。該方案中，每一個切削結構對應一個開放式水孔的出口水槽，更有利于各切削結構上切削齒的清洗和冷卻。作為選擇，切削結構為固定切削結構，水孔的出口水槽沿排屑槽延伸，且延伸方向與固定切削結構上的切削齒排布方向的走向一致。該方案中，所述開放式水孔的出口水槽的延伸方向順著鉆頭切削結構上的切削齒排布方向，能夠提高鉆頭巖屑運移效率和自潔能力，將水力能量直接用于切削齒的清洗、冷卻和巖屑運移。作為選擇，切削結構為固定切削結構，水孔的出口水槽中心面與對應的固定切削結構布齒面的距離為對應排屑槽在保徑圓周上的距離的0.5倍以下。該方案中，根據(jù)相鄰固定切削結構之間的距離，在一定比例范圍內來調整開放式水孔的出口水槽中心面與對應固定切削結構布齒面的距離，能夠更合理地設置出口水槽的位置，合理利用排屑槽的空間，有利于切削齒和固定切削結構的冷卻和清洗，并避免切削齒因流速過大造成沖蝕。作為選擇，水孔的出口水槽寬度是對應排屑槽在保徑圓周上的距離的0.4倍以下。本方案中，對開放式水孔的出口水槽寬度的調節(jié)便是對出口過流面積的調整，一般而言，過流面積越小，液體流過得流速就越高，但對于開放式水孔的出口水槽寬度而言，出口水槽寬度過大或過小都不利于切削齒的冷卻和清洗效果。作為選擇，水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線夾角為20°～80°之間。作為選擇，水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線所形成的扇形角覆蓋區(qū)域達到對應切削結構徑向布齒覆蓋區(qū)域的60％以上。上述方案中，對所述具有開放式水孔的鉆頭進行噴射清洗和冷卻時，由于鉆頭本體尺寸空間有限，鉆井液必須以一定的角度和方向進行噴射才能保證清洗范圍并使清洗效果和冷卻效果達到最佳。而使噴射角度控制在20°～80°之間就可以滿足鉆頭各種噴射角度和噴射區(qū)域范圍的要求。開放式水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線所形成的扇形角覆蓋區(qū)域達到對應切削結構徑向布齒覆蓋區(qū)域的60％以上，且都能進行直接噴射，滿足了鉆頭清洗與冷卻的需求范圍。前述本專利技術主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本專利技術可采用并要求保護的方案；且本專利技術，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本專利技術方案后根據(jù)現(xiàn)有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本專利技術所要保護的技術方案，在此不做窮舉。本專利技術的有益效果：開放式水孔直接噴射的射流范圍可以達到井底區(qū)域的60％以上，射流直接清洗鉆頭并攜帶井底巖屑，減少了水力能量的損失以及射流干擾和井底漫流的區(qū)域，從而減少或避免形成渦旋及因渦旋產生的危害，同時還能提高鉆頭的水力利用率，增強了鉆頭和切削齒與鉆井液的換熱效果，提高鉆頭的清洗、攜巖和冷卻能力，減小了鉆頭的磨損，提高鉆頭的鉆進性能和使用壽命。本專利技術的開放式水孔打破了小水孔的局限，增加了鉆頭水孔及水力結構設計的靈活性，簡化了鉆頭水孔設計的繁瑣，提高了鉆頭的設計效率。本專利技術能夠根據(jù)鉆頭結構、針對不同地層、不同鉆井條件完成鉆頭水力結構的個性化設計，滿足鉆頭的流量、流速分配，提高鉆頭與地層的水力匹配性。開放式水孔所覆蓋的全部區(qū)域都能進行直接噴射，拓寬水孔直接噴射清洗和冷卻范圍的同時，可通過改變開放式水孔的出口水槽形狀，在鉆頭刀翼鼻尖部、布齒密度高的區(qū)域、破巖工作量大的區(qū)域等需要較強直接噴射的區(qū)域進行加強噴射，實現(xiàn)清洗、攜巖和冷卻的優(yōu)化。附圖說明圖1為本專利技術實施例的具有開放式水孔的鉆頭的結構示意圖；圖2為圖1鉆頭的俯視圖；圖3為本專利技術實施例的開放式水孔出口示意圖；圖4為本專利技術實施例的開放式水孔徑向覆蓋區(qū)域示意圖；圖5為本專利技術實施例的開放式水孔與內流道示意圖；圖6為圖1剖面A—A鉆頭的仰視圖；附圖中標記相應零部件名稱：1-鉆頭本體、2-切削結構、3-排屑槽、4-切削齒、5-水孔、9-水孔的出口水槽中心面、10-切削結構布齒面、11-內流道、12-排屑槽在保徑圓周上的距離、15-水孔的出口水槽。具體實施方式下列非限制性實施例用于說明本專利技術。參考圖1至6所示，一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體1、切削結構2、切削齒4、排屑槽3、內流道11和水孔5，切削結構2布置在鉆頭本體1上，切削齒4設置在切削結構2上，內流道11設置在鉆頭本體1內，排屑槽3設置在切削結本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體、切削結構、切削齒、排屑槽、內流道和水孔，切削結構布置在鉆頭本體上，切削齒設置在切削結構上，內流道設置在鉆頭本體內，排屑槽設置在切削結構之間，水孔設置在內流道與排屑槽之間并連通內流道與排屑槽，其特征在于：水孔僅有一個，整體呈口大底小形狀，且水孔底部開口直接與內流道頂部開口貫通，水孔底部開口面積與內流道頂部開口面積一致或大小基本相當。

【技術特征摘要】
1.一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體、切削結構、切削齒、排屑槽、內流道和水孔，切削結構布置在鉆頭本體上，切削齒設置在切削結構上，內流道設置在鉆頭本體內，排屑槽設置在切削結構之間，水孔設置在內流道與排屑槽之間并連通內流道與排屑槽，其特征在于：水孔僅有一個，整體呈口大底小形狀，且水孔底部開口直接與內流道頂部開口貫通，水孔底部開口面積與內流道頂部開口面積一致或大小基本相當。2.如權利要求1所述的具有開放式水孔的鉆頭，其特征在于：切削結構為固定切削結構。3.如權利要求2所述的具有開放式水孔的鉆頭，其特征在于：固定切削結構在鉆頭本體中心處懸空成梁，水孔設置于懸空梁下方。4.如權利要求1所述的具有開放式水孔的鉆頭，其特征在于：水孔為口大底小的柱體，其橫斷面輪廓呈星形。5.如權利要求1所述的具有開放式水孔的鉆頭，其特征在于：水孔的出口水槽數(shù)目與切削結構個數(shù)相同。...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：況雨春，王芳，尹永清，王勤，秦超，
申請(專利權)人：西南石油大學，奧瑞拓能源科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51