自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭制造技術

本發明專利技術公開了一種自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭。區別于常規PDC鉆頭，本設計加裝了脈沖生成裝置、自激振蕩脈沖增強裝置、負壓抽汲裝置和巖屑內磨裝置。脈沖生成裝置包括鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口與分流區，基于風琴管，通過激發液體共振產生脈沖射流；自激振蕩脈沖增強部包括下噴流道、自激振蕩噴嘴、刀翼，基于赫姆霍茲諧振腔，通過自激振蕩噴嘴形成大尺度渦環結構，增強脈沖射流；負壓抽汲裝置包括反向高速流道、抽汲腔，基于射流泵，憑借反向射流高速特性在抽汲腔形成負壓，抽汲巖屑；巖屑內磨裝置包括混合腔、喉道、加速腔、內磨腔、內磨體、旁通和擴散腔，基于高壓作用力、水楔效應粉碎巖屑，利于攜巖，清除巖屑床。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于油氣井鉆井領域，具體為一種自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭。
技術介紹
脈沖射流以其非對稱、非均勻、不穩定特性，相對常規穩態射流，可極大提高水力輔助破巖效率，理論研究和現場試驗均證明脈沖射流在鉆井領域有著相當廣闊的應用前景。脈沖射流容易衰減，如何增強脈沖射流，尤其是階段性地增強脈沖射流，越來越受到相關技術人員的重視。基于赫姆霍茲振蕩腔的自激振蕩噴嘴，通過形成大尺度的渦環結構產生高壓脈沖射流，并在鉆頭底部形成局部負壓，提高水力輔助破巖效率；自激振蕩噴嘴結構簡單，無附加驅動源，靠自身結構就能產生脈沖射流等優點，可以對諧振管產生的脈沖射流進行階段性增強，具備良好的應用前景。射流泵在采油、固井等領域已經得到大規模的應用，而如何將射流泵理論應用于鉆井清巖、攜巖卻是一個新問題，將基于射流泵的負壓抽汲理論應用于新型鉆頭的設計將是一個新方向，為清除水平井巖屑床提供一種新思路。水平井鉆井中，往往由于攜巖不利、清巖不及時導致巖屑堆積，產生巖屑床，嚴重制約著機械鉆速和鉆井成本，導致憋泵、蹩鉆，甚至卡鉆等鉆井復雜事故的發生。常規的解決方法多為提高鉆速、增大排量、添加潤滑劑，通過短距離上提下放鉆具，將鉆頭附近的大顆粒巖屑推回井底重復破碎，雖然有一定的效果，但是降低了機械鉆速，不能從根本上清除水平井巖屑床。產生巖屑床一個很重要的原因就是大顆粒巖屑得不到有效地粉碎，理論研究和現場試驗都充分證明，小尺寸巖屑的攜巖效率明顯優于大尺寸巖屑。因此將大顆粒巖屑粉碎為更小粒徑可以更好地清除巖屑床。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭，利用諧振管產生脈沖射流，提高水力輔助破巖的效果；利用自激振蕩噴嘴對脈沖射流進行階段性增強；利用負壓抽汲和巖屑內磨粉碎特性，提高破巖和清巖效率，清除水平井巖屑床。為實現此目的，本專利技術在常規PDC鉆頭基礎上加裝了脈沖生成裝置、自激振蕩脈沖增強裝置、負壓抽汲裝置和巖屑內磨裝置。所述的脈沖生成裝置包括鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口與分流區。各部分設計為共軸圓柱形構造，相互對接連通，其中分流區出口與反向高速噴嘴和下噴流道相連通；并優化管徑為：進給腔管徑為鉆井液流道的1.2倍，諧振腔管徑為流道的0.8倍，諧振管出口管徑為流道的0.5倍，分流區管徑為流道的2倍。鉆井液流道、進給腔是鉆井液進入諧振管的通道；諧振管出口產生初始壓力波動，并將初始壓力波動反饋到諧振腔；當反饋的初始壓力波動與諧振腔固有頻率相匹配時，激發液體共振，產生高速渦流，從而獲得脈沖射流；分流區與下噴流道和反向高速流道相連通，實現流量分配。自激振蕩脈沖增強裝置包括下噴流道、自激振蕩噴嘴、刀翼。下噴流道與分流區相連通，出口在鉆頭端部，內部均布3個自激振蕩噴嘴，實現鉆頭底部的清巖、冷卻潤滑鉆頭和攜帶巖屑；噴出的高速脈沖射流水力輔助高效破巖。自激振蕩噴嘴安裝在下噴流道，由上噴嘴、下噴嘴、振蕩腔和沖擊壁組成，各部分均為圓柱形構造；上噴嘴管徑為下噴嘴管徑的1.5倍，諧振腔管徑為下噴嘴的3倍；沖擊壁附于振蕩腔底部，為150°錐形結構于下噴嘴相交。上噴嘴：穩態鉆井液經其收縮截面形成高速射流束；下噴嘴：上游射流束流經下噴嘴，其收縮截面使射流束產生壓力瞬變，并將壓力瞬變向上傳遞；振蕩腔：上游射流束不穩定剪切層在其中產生壓力擾動波，并與沖擊壁發生碰撞；上返的壓力瞬變與不穩定剪切層產生的壓力擾動波在振蕩腔碰撞，干涉形成大尺度的渦環結構，階段性增強諧振管產生的脈沖射流，提高破巖、清巖效果。所述的負壓抽汲裝置包括反向高速流道和抽汲腔，利用反向射流抽汲井底巖屑，減小壓持效應，提高機械鉆速。反向高速射流噴嘴與分流區出口相連通，出口在混合腔，基于射流泵原理，憑借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底產生負壓，抽汲巖屑上返脫離井底：抽汲腔與鉆頭端部排屑槽相連通，出口在混合腔，是巖屑抽汲上返的通道。所述的巖屑內磨裝置包括混合腔、喉道、加速腔、內磨腔、內磨體、旁通和擴散腔。混合腔與抽汲腔、反向高速噴嘴連通，出口與喉道對接連通，實現巖屑與反向高速流體的混合；高壓脈沖射流經噴嘴高速噴出，壓力迅速釋放，在混合腔內形成負壓，在負壓作用下，巖屑被高速射流束抽汲形成兩相高速紊流。喉道與加速腔對接連通，設計為圓柱形構造，管徑是加速腔管徑的0.5倍，以充分加速巖屑。其收縮截面增強反向射流的沖擊力。加速腔與內磨腔相連通，設計為圓柱形構造，以避免附壁流和提高射流能量利用率。憑借鉆井液粘滯力加速巖屑，實現主流體與巖屑之間的能量傳遞；內磨腔與加速腔連通，為棱柱形構造，橫截面為加速腔圓形截面的外接正六邊形，軸線與加速腔軸線呈138°夾角；內磨體附于內磨腔中，正對加速腔，以減小鉆井液阻力、有效粉碎巖屑，利用顆粒-顆粒和顆粒-內磨體之間的高壓作用力、水楔效應粉碎巖屑。擴散腔和旁通均與內磨腔相連通，均為圓柱形構造，擴散腔軸線與內磨腔呈138°夾角并接環空，旁通與內磨腔共軸線，以減小巖屑流對井壁的沖擊。當巖屑流速度降下來之后，經其外排入環空。綜上所述，與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：(1)諧振管將循環鉆進的穩定流體轉換為脈沖射流，相對于常規連續射流，脈沖射流非均勻、非對稱、非穩定沖擊破巖，提高水力輔助破巖能力；(2)自激振蕩噴嘴，結構簡單，無附加驅動源，靠自身結構形成大尺度的渦環結構，將穩態射流束轉換為脈沖射流；在鉆頭附近形成局部低壓區，減少環空液體柱壓力對井底巖石的壓持效應；(3)自激振蕩噴嘴產生的脈沖射流與諧振管相互協調，增強脈沖射流水力輔助破巖、清巖的效果；(4)反向高速流道產生反向高速射流，在抽汲腔-鉆頭底部形成負壓區，抽汲巖屑，減小壓持效應；(5)內磨削結構通過內磨高壓作用力內磨粉碎巖屑，減小顆粒粒徑，提高鉆井液攜巖效率，清除水平井巖屑床。附圖說明圖1為一種自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭示意圖。圖2為自激振蕩噴嘴示意圖。圖3為圖1中A-A剖面示意圖。圖4為圖1中B-B剖面示意圖。圖5為圖1中C-C剖面示意圖。圖6為圖1中D-D剖面示意圖。圖7為圖1中E-E剖面示意圖。圖8為圖1的右視示意圖。圖1中：1、擴散腔，2、旁通，3、內磨腔，4、加速腔，5、分流區，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下噴流道，9、自激振蕩噴嘴，10、鉆井液流道，11、進給腔，12、內磨體，13、諧振腔，14、PDC鉆頭本體，15、諧振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。圖2中：19、噴嘴本體，20、下噴嘴，21、上噴嘴，22、振蕩腔，23、沖擊壁。具體實施方式如圖1所示，一種用于自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭，包括：1、擴散腔，2、旁通，3、內磨腔，4、加速腔，5、分流區，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下噴流道，9、自激振蕩噴嘴，10、鉆井液流道，11、進給腔，12、內磨體，13、諧振腔，14、PDC鉆頭本體，15、諧振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。自激振蕩噴嘴包括噴嘴本體19、下噴嘴20、上噴嘴21、振蕩腔22、沖擊壁23。主要為四個部分：脈沖生成部分、自激振蕩脈沖增強部分、負壓抽汲上返部分和顆粒內磨部分。脈沖生成部分包括鉆井液流道10、進給腔11、諧振腔13、諧振管出口15、分流區5，產生脈沖射流。如圖1所示，穩定的鉆井液經鉆井液流道10、進給腔11進入諧振管，流經諧振本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭，其特征在于在常規PDC鉆頭的基礎上加裝了脈沖生成裝置、自激振蕩脈沖增強裝置、負壓抽汲裝置和巖屑內磨裝置：所述的脈沖生成裝置包括鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口與分流區。各部分依次相互對接連通，分流區出口與反向高速流道、下噴流道相連通；鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口和分流區均為共軸圓柱形構造；進給腔管徑是鉆井液流道的1.2倍，諧振腔管徑是流道的0.8倍，諧振管出口管徑是流道的0.5倍，分流區管徑是流道的2倍；所述的自激振蕩脈沖增強裝置包括下噴流道、自激振蕩噴嘴、刀翼。下噴流道與分流區相連通，出口在鉆頭端部，其中均布安裝有3個自激振蕩噴嘴；自激振蕩噴嘴由上噴嘴、下噴嘴、振蕩腔和沖擊壁組成，各部分均為圓柱形構造；上噴嘴管徑為下噴嘴管徑的1.5倍，振蕩腔管徑為下噴嘴的3倍；沖擊壁附于振蕩腔底部，為150°錐形結構于下噴嘴相交；所述的負壓抽汲裝置包括反向高速流道、抽汲腔；反向高速流道與分流區出口相連通，出口在混合腔；抽汲腔與鉆頭端部排屑槽相連通，出口在混合腔；所述的巖屑內磨裝置包括混合腔、喉道、加速腔、內磨腔、內磨體、旁通和擴散腔；混合腔外側與抽汲腔、反向高速流道相連通，內側與喉道對接連通；喉道與加速腔對接連通，為圓柱形構造，管徑為加速腔管徑的0.5倍；內磨腔與加速腔相連通，兩者軸線呈138°夾角，加速腔為圓柱形構造，內磨腔為棱柱型構造，內磨腔橫截面為加速腔圓形截面的外接正六邊形；內磨體附于內磨腔內壁，正對加速腔出口；旁通和擴散腔與內磨腔相連通，旁通與內磨腔共軸線，擴散腔軸線與內磨腔軸線呈138°夾角。...

【技術特征摘要】
1.一種新型自激振蕩脈沖增強式內磨鉆頭，其特征在于在常規PDC鉆頭的基礎上加裝了脈沖生成裝置、自激振蕩脈沖增強裝置、負壓抽汲裝置和巖屑內磨裝置：所述的脈沖生成裝置包括鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口與分流區。各部分依次相互對接連通，分流區出口與反向高速流道、下噴流道相連通；鉆井液流道、進給腔、諧振腔、諧振管出口和分流區均為共軸圓柱形構造；進給腔管徑是鉆井液流道的1.2倍，諧振腔管徑是流道的0.8倍，諧振管出口管徑是流道的0.5倍，分流區管徑是流道的2倍；所述的自激振蕩脈沖增強裝置包括下噴流道、自激振蕩噴嘴、刀翼。下噴流道與分流區相連通，出口在鉆頭端部，其中均布安裝有3個自激振蕩噴嘴；自激振蕩噴嘴由上噴嘴、下噴嘴、振蕩腔和沖擊壁組成，各部分均為圓柱形構造；上噴嘴管徑為下噴...

【專利技術屬性】
技術研發人員：高德利，魏征，劉永升，
申請(專利權)人：中國石油大學北京，
類型：發明
國別省市：北京;11