一種旋轉(zhuǎn)射流pdc鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等領(lǐng)域使用的鉆探用鉆頭，具體的講是涉及一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部，PDC切削齒位于刀翼上，所述鉆頭本體內(nèi)設(shè)有下端開口的空腔，所述空腔內(nèi)從上到下依次設(shè)置有導(dǎo)流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導(dǎo)流板的樹枝狀流道連通，所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結(jié)構(gòu)，所述儲存腔內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)元件，所述旋轉(zhuǎn)元件由旋轉(zhuǎn)元件本體和螺旋設(shè)置在旋轉(zhuǎn)元件本體外圍的旋轉(zhuǎn)葉片組成，PDC鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，沖擊能力強，機械鉆速高，避免巖屑對鉆頭的二次磨削，延長使用壽命，反向噴嘴接頭結(jié)構(gòu)，降低了鉆井的能源消耗。
【專利說明】
一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等領(lǐng)域使用的 鉆探用鉆頭，具體的講是涉及一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 在PDC鉆頭的工作過程中，鉆井液對鉆頭體表面的沖洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正 常工作的一個非常重要的條件。對PDC鉆頭而言，水力結(jié)構(gòu)，尤其是中心噴嘴和冠部流道的 設(shè)計的重要性尤為重要，由于PDC鉆頭相比于牙輪鉆頭有機械鉆速高、工作壽命長、進尺多 等特征，因此在石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
[0003] PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)的主要功能是有效地清除井底巖肩和冷卻PDC切削齒，因此水 力結(jié)構(gòu)對鉆頭的破巖效率有較大影響。由于roc鉆頭鉆速快、產(chǎn)生的巖肩多，鉆壓過大，地層 或鉆肩與鉆頭表面形成直接接觸，溫度急劇升高，加速了鉆頭體的磨損速度，降低了鉆頭壽 命，甚至?xí)疸@頭泥包，鉆頭泥包后roc切削齒吃入地層困難，降低鉆頭的機械鉆速，影響 工作效率。
[0004] 目前，現(xiàn)有的定向PDC鉆頭主要采用軸向射流技術(shù)，軸向射流在工作中存在一些缺 陷，一是從中心噴嘴產(chǎn)生的鉆井液射流對井底巖肩會產(chǎn)生一個持續(xù)的壓力，壓力作用在巖 肩上，巖肩會在壓力的作用下緊緊的貼在井底，這些附著在井底的巖肩會大大降低roc鉆頭 的機械鉆速，從而影響破巖效率;二是巖肩會在pdc鉆頭的沖擊與鉆井液射流的沖刷下，在 井底與roc鉆頭表面來回運動，并在往返過程中對鉆頭產(chǎn)生二次磨損，加速了 roc鉆頭的磨 損速度，降低了 roc鉆頭壽命。
[0005] 當(dāng)前也有少量將旋轉(zhuǎn)射流技術(shù)與pdc鉆頭結(jié)合應(yīng)用的先例，如專利號 201320031588.8-種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭，但該專利介紹的roc鉆頭主要是對噴嘴處的流道增 加螺旋葉片的方式來獲得旋轉(zhuǎn)射流，并沒有對roc鉆頭的水力結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，僅僅依靠螺旋 葉片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流，由于流道的孔徑有限制，會出現(xiàn)水力功率不夠的情形，從而井底 巖肩清除不充分，巖肩重復(fù)切削的情況依然存在。而且螺旋葉片制造加工成本比較高，螺旋 葉片的安裝也比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭，以克服現(xiàn)有 PDC鉆頭會在巖肩作用下工作效率降低，二次磨損的技術(shù)問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、 PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部，PDC切削齒位于刀翼上，所述鉆頭本體內(nèi)設(shè)有下端開口 的空腔，所述空腔內(nèi)從上到下依次設(shè)置有導(dǎo)流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導(dǎo)流 板的樹枝狀流道連通，所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結(jié)構(gòu);所述儲存腔 內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)元件，所述旋轉(zhuǎn)元件由旋轉(zhuǎn)元件本體和螺旋設(shè)置在旋轉(zhuǎn)元件本體外圍的旋轉(zhuǎn) 葉片組成
[0008] 進一步地，還包括位于空腔開口端的中心處設(shè)有通孔的反向噴嘴接頭，所述反向 噴嘴接頭上設(shè)置有反向噴嘴流道，所述反向噴嘴流道與所述反向噴嘴接頭的通孔連通。
[0009] 進一步地，所述鉆頭本體采用平底型roc鉆頭。
[0010] 進一步地，所述旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)量為2個或4個。
[0011] 進一步地，所述儲存腔內(nèi)壁與反向噴嘴接頭的連接位置處設(shè)有密封圈。
[0012] 進一步地，所述反向噴嘴流道的數(shù)量為2個或4個。
[0013] 進一步地，所述反向噴嘴流道的軸線與所述反向噴嘴接頭的中心軸線夾角為15° ~30。。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 1.通過旋轉(zhuǎn)元件和導(dǎo)流板產(chǎn)生的高壓旋轉(zhuǎn)射流能以很高的流速沖刷巖層，能夠有 效地清除井底巖肩，減少附著巖肩的存在，達到提高roc鉆頭機械鉆速的作用；
[0016] 2.高壓旋轉(zhuǎn)射流的噴射方向與刀翼上PDC齒的布齒走向大致相同，高壓旋轉(zhuǎn)的鉆 井液在井底和鉆頭本體之間往返，返回的鉆井液能夠?qū)oc切削齒進行有效的清洗和冷卻， 降低roc切削齒重復(fù)切削巖石的可能性，延長roc鉆頭的使用壽命；
[0017] 3.在解決上述技術(shù)問題之外，本發(fā)明設(shè)置反向噴嘴流道，通過鉆井液射流在反沖 力作用下，通過反向噴嘴流道處的噴嘴反向噴出，輔助驅(qū)動PDC鉆頭前進，降低鉆井作業(yè)中 的能源消耗。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0019] 圖1為本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭的俯視圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭的正視圖；
[0022] 圖4為圖3中的A-A剖視圖；
[0023] 圖5為本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭的旋轉(zhuǎn)元件示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明中的技術(shù)方案進一步說明。
[0025]如圖1-2所示，本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭包括鉆頭本體1、刀翼2、PDC切削齒 3、噴嘴、流道、排肩槽6以及反向噴嘴接頭7,刀翼2設(shè)置在鉆頭本體1冠部，PDC切削齒3排列 設(shè)置在刀翼2上，流道5貫通鉆頭本體1及反向噴嘴接頭7,通過鉆頭本體1帶動刀翼2旋轉(zhuǎn)， PDC切削齒3切削巖層，再配合經(jīng)過流道的高壓射流的沖刷殘余巖肩，最終完成整個鉆井動 作。
[0026]下面詳細介紹本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理。
[0027] 如圖1-4所示，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)射流？00鉆頭（？0(]即？〇15^巧8七311;[116 Diamond Compact bit，聚晶金剛石復(fù)合片），其包括鉆頭本體1和多個刀翼2,鉆頭本體1內(nèi) 設(shè)有沿軸向貫穿的通孔，所述鉆頭本體1內(nèi)部設(shè)有儲存腔12,所述儲存腔12內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)元件 121，鉆頭本體1內(nèi)部還設(shè)有壓縮腔13,所述壓縮腔13位于儲存腔12上方，所述壓縮腔13與位 于鉆頭本體1內(nèi)部的導(dǎo)流板14連通，所述導(dǎo)流板14內(nèi)部設(shè)置有樹枝狀的流道141，其中樹枝 狀流道141主干截面呈沙漏狀，所述樹枝狀流道141與鉆頭本體1的多個出水口 15連通，出水 口 15位置處設(shè)置有噴嘴;其中，所述鉆頭本體1尾部設(shè)置有反向噴嘴接頭7,兩者固定連接， 所述鉆頭本體1和所述反向噴嘴接頭7之間設(shè)置有密封圈，所述反向噴嘴接頭7上也設(shè)有沿 軸向貫穿的通孔71，所述反向噴嘴接頭7還設(shè)有多個反向噴嘴流道72,所述通孔71和所述反 向噴嘴流道72連通，所述反向噴嘴流道72出水口處也設(shè)有噴嘴。
[0028]具體地，本發(fā)明采用平底型PDC鉆頭，刀翼為3個，各刀翼上設(shè)置單排PDC切削齒3， 鉆頭本體1呈圓柱體，其內(nèi)部設(shè)有下方開口的空腔，鉆頭本體1內(nèi)部設(shè)有儲存腔12，儲存腔12 內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)元件121，如圖4所示，旋轉(zhuǎn)元件121的安裝可以有幾種方法，簡單的可以直接放 入鉆頭本體1內(nèi)部的儲存腔12,通過高壓鉆井液帶動旋轉(zhuǎn)元件121旋轉(zhuǎn)，本實施例是在旋轉(zhuǎn) 元件121下端面中心固定連接一根軸，軸穿過通孔71與電機相連，電機啟動旋轉(zhuǎn)元件121旋 轉(zhuǎn);如圖5所示，旋轉(zhuǎn)元件121由旋轉(zhuǎn)元件本體和螺旋設(shè)置在旋轉(zhuǎn)元件本體外圍的旋轉(zhuǎn)葉片 組成，兩個相鄰旋轉(zhuǎn)葉片之間組成流槽，本實施例流槽頭數(shù)為4頭，鉆頭本體1內(nèi)部還設(shè)有壓 縮腔13，高壓鉆井液進入鉆頭后，旋轉(zhuǎn)元件121旋轉(zhuǎn)，高壓鉆井液會被旋轉(zhuǎn)元件121的螺旋葉 片分成幾股涌流，每股涌流沿著流槽流動，再通過兩邊逐漸收窄的壓縮腔13進入位于鉆頭 本體1內(nèi)部的導(dǎo)流板14,導(dǎo)流板14內(nèi)部設(shè)有樹枝狀流道141，樹枝狀流道141分別與多個設(shè)置 在鉆頭本體1上的出水口連通，出水口處設(shè)有噴嘴，其中，高壓旋轉(zhuǎn)的鉆井液射流在進入導(dǎo) 流板14樹枝狀流道141后，在樹枝狀流道141主干流動時，主干部位呈沙漏狀，高壓旋轉(zhuǎn)的鉆 井液射流在通過沙漏最窄處，動態(tài)壓力達到最大，靜態(tài)壓力達到最小，高壓旋轉(zhuǎn)的鉆井液的 流速會隨著涌流的橫截面積變化的關(guān)系而上升，整個鉆井液涌流都要在同一時間內(nèi)經(jīng)歷流 道縮小的過程，從而壓力也在同一時間減小，進而鉆井液涌流會在沙漏的兩端產(chǎn)生壓力差， 這個壓力差會對鉆井液射流提供一個吸力，使鉆井液射流可以以一個更高的流速從出水口 射出，如圖2，本實施例優(yōu)選的出水口 ：軸向出水口 4個，橫向出水口 3個;鉆頭本體1的尾部設(shè) 有內(nèi)螺紋，反向噴嘴接頭7上設(shè)有外螺紋，兩者通過螺紋固定連接，為了防止泄露，鉆頭本體 內(nèi)壁還設(shè)有環(huán)槽，環(huán)槽上安裝有0型密封圈，反向噴嘴接頭7內(nèi)也設(shè)有沿軸向貫穿的通孔71， 通孔71為鉆頭的進水口，反向噴嘴接頭7設(shè)置有反向噴嘴流道72,通孔71和所述反向噴嘴流 道72連通，反向噴嘴流道72出水口處設(shè)有噴嘴4,其中，由于前文所述的高壓旋轉(zhuǎn)的鉆井液 射流具有3個方向的速度，分別是軸向速度、徑向速度和切向速度，徑向速度和切向速度產(chǎn) 生的反沖力會相互抵消，軸向速度產(chǎn)生的反沖力可以根據(jù)反噴原理的相關(guān)公式得到，如動
根據(jù)反沖力，再結(jié)合流量、鉆速要求，計算出系統(tǒng)阻力， 從而得到噴嘴的運動方程，公式比較繁瑣，在這里只列出運動方程的變形式：
[0030] fif2為鉆頭、噴嘴、鉆井材質(zhì)三者之間的滑動摩擦系數(shù)；
[0031] v為鉆頭的鉆進速度；
[0032] Q為流經(jīng)噴嘴的液體流量，u為流經(jīng)噴頭的液體的速度；
[0033] Θ為噴嘴軸線與反向噴嘴接頭軸線的夾角；
[0034] η為正面噴嘴的數(shù)量，X為需要反向噴嘴流道的數(shù)量；
[0035] 根據(jù)上面公式可以確定反向噴嘴流道72的數(shù)量和角度，本實施例最優(yōu)選的反向噴 嘴流道72為4個，反向噴嘴流道72的軸線與通孔71的軸線之間夾角為20°，通過這些布置在 反向噴嘴流道72出水口處的噴嘴4,利用反噴原理提供動力，輔助驅(qū)動roc鉆頭前進，降低鉆 井作業(yè)中的能源消耗。
[0036]本發(fā)明未詳述部分為現(xiàn)有技術(shù)。
[0037]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部， PDC切削齒位于刀翼上，其特征在于:所述鉆頭本體內(nèi)設(shè)有下端開口的空腔，所述空腔內(nèi)從 上到下依次設(shè)置有導(dǎo)流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導(dǎo)流板的樹枝狀流道連通， 所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結(jié)構(gòu);所述儲存腔內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)元件，所 述旋轉(zhuǎn)元件由旋轉(zhuǎn)元件本體和螺旋設(shè)置在旋轉(zhuǎn)元件本體外圍的旋轉(zhuǎn)葉片組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，其特征在于:還包括位于空腔開口端 的中心處設(shè)有通孔的反向噴嘴接頭，所述反向噴嘴接頭上設(shè)置有反向噴嘴流道，所述反向 噴嘴流道與所述反向噴嘴接頭的通孔連通。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，其特征在于:所述鉆頭本體采用平底 型roc鉆頭。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)射流roc鉆頭，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)量為2 個或4個。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，其特征在于:所述儲存腔內(nèi)壁與反向 噴嘴接頭的連接位置處設(shè)有密封圈。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，其特征在于:所述反向噴嘴流道的數(shù) 量為2個或4個。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種旋轉(zhuǎn)射流PDC鉆頭，其特征在于:所述反向噴嘴流道的軸 線與所述反向噴嘴接頭的中心軸線夾角為15°~30°。
【文檔編號】E21B10/46GK105927160SQ201610452193
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】張翼, 付正兵, 劉文彬, 傅紅兵, 饒豪, 杜楊
【申請人】宜昌神達石油機械有限公司, 湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院