一种水平井斜交后混式射流磨钻头.pdf

本发明公开了一种水平井斜交后混式射流磨钻头，主要包括PDC钻头，其特征在于在去除了PDC钻头保径部位的排屑槽，并在PDC钻头内部加装了湍流负压抽砂装置、斜交后混式射流粉碎装置。所述的湍流负压抽砂装置基于抽砂泵的原理抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；所述的斜交后混式射流粉碎装置基于斜交后混式射流磨的原理有效粉碎岩屑，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床，最终实现水平井安全高效钻进。

1.  一种水平井斜交后混式射流磨钻头，包括PDC钻头，其特征在于在去除了PDC钻头保径部位的排屑槽，并在PDC钻头内部加装了湍流负压抽砂装置、斜交后混式射流粉碎装置；
所述的湍流负压抽砂装置包括井底岩屑搅动与清洗喷嘴、岩屑吸入管；井底岩屑搅动与清洗喷嘴的入口与PDC钻头的主流道连通，井底岩屑搅动与清洗喷嘴的出口与PDC钻头端部排屑槽连接；岩屑吸入管入口与PDC钻头端部排屑槽的外端连接，岩屑吸入管出口与负压混合室的外侧连通；
所述的斜交后混式射流粉碎装置包括反向高速射流喷嘴、负压混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓、旁通；反向高速射流喷嘴与井底岩屑搅动与清洗喷嘴反向设置，反向高速射流喷嘴入口与PDC钻头的主流道连通，反向高速射流喷嘴的出口与负压混合室的下端联通，负压混合室的上端与喉管对接连通，喉管与岩屑解离加速管对接连通，岩屑解离加速管出口与粉碎仓连通，粉碎仓内安有粉碎靶体正对着岩屑解离加速管出口，粉碎靶体的靶面与岩屑解离加速管的轴线呈0°-90°的夹角，粉碎仓与旁通连通，旁通为入口小出口大的扩散性圆管。

一种水平井斜交后混式射流磨钻头
技术领域
本发明属于钻井与油气工程领域，具体涉及一种水平井斜交后混式射流磨钻头。
背景技术
众所周知，携岩是水平井和大位移井钻井的一个重要难题，如果岩屑携带效果达不到要求，会导致诸多问题发生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡钻，下套管与固井困难，钻具磨损严重，测井仪器下入作业困难等，甚至导致钻井作业可能被迫中止。然而，最近由中国石油大学(北京)研发的水平井安全高效泥浆钻井射流磨钻头(CN201310654747.4)和水平井安全高效气体钻井射流磨钻头(CN201310654718.8)不仅可以减小井底压差，提高机械钻速，还可基于射流磨原理将岩屑粉碎，达到液固悬浮流动状态，能从根本上消除水平井中的岩屑床。但是射流磨钻头水力结构复杂，加工起来比较困难，并且射流磨钻头反向高速射流喷嘴距离钻头端部较远，降低井底压差的效果不是很好，因此，其水力结构可以进一步精简优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平井斜交后混式射流磨钻头，通过湍流负压抽砂装置抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速；通过斜交后混式射流粉碎装置粉碎岩屑，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种水平井斜交后混式射流磨钻头，包括PDC钻头、湍流负压抽砂装置、斜交后混式射流粉碎装置。
PDC钻头包括钻头体、主流道、保径、钻头端部排屑槽、PDC刀翼；PDC刀翼是水平井斜交后混式射流磨钻头切削岩石的工作部分，其表面布有PDC 切削齿；钻头端部排屑槽布置在PDC刀翼之间；保径布置在钻头端部的外侧，保径没有布置排屑槽。
湍流负压抽砂装置包括井底岩屑搅动与清洗喷嘴、岩屑吸入管；井底岩屑搅动与清洗喷嘴的入口与PDC钻头的主流道连通，井底岩屑搅动与清洗喷嘴的出口与PDC钻头端部排屑槽连接；岩屑吸入管入口与PDC钻头端部排屑槽的外端连接，岩屑吸入管出口与负压混合室的外侧连通；湍流负压抽砂装置是抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速的关键机构，一方面不对称布置的井底岩屑搅动与清洗喷嘴与钻头旋转联合作用产生井底湍流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，提升井底清岩效率，另一方面，负压混合室产生的负压通过岩屑吸入管抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小压差，从而促进岩屑脱离井底并加速上返，局部欠平衡提高机械钻速。
斜交后混式射流粉碎装置包括反向高速射流喷嘴、负压混合室、喉管、岩屑解离加速管、粉碎靶体、粉碎仓、旁通；反向高速射流喷嘴与井底岩屑搅动与清洗喷嘴反向设置，反向高速射流喷嘴入口与PDC钻头的主流道连通，反向高速射流喷嘴的出口与负压混合室的下端联通，负压混合室的上端与喉管对接连通，喉管与岩屑解离加速管对接连通，岩屑解离加速管出口与粉碎仓连通，粉碎仓内安有粉碎靶体正对着岩屑解离加速管出口，粉碎靶体的靶面与岩屑解离加速管的轴线呈0°-90°的夹角，粉碎仓与旁通连通，旁通为入口小出口大的扩散性圆管；斜交后混式射流粉碎装置是水平井斜交后混式射流磨钻头的关键机构，一方面斜交后混式射流粉碎装置的反向高速射流喷嘴出口在负压混合室产生负压，抽吸岩屑，另一方面斜交后混式射流粉碎装置基于高聚能射流的超细粉碎原理充分粉碎岩屑，大大提高岩屑的运移效率。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下良好效果：
(1)由于目前射流磨钻头射流磨钻头水力结构复杂，反向高速射流喷嘴的出口位于混合室内，加工起来比较困难。本发明的反向高速射流喷嘴的出口与负压混合室的下端联通，并且以井底岩屑搅动与清洗喷嘴代替了目前射流磨 钻头的钻头喷嘴及井底岩屑搅动与清洗流道，精简了目前射流磨钻头射流磨钻头的水力结构，让其更易加工。
(2)由于目前射流磨钻头反向高速射流喷嘴出口距离钻头端部较远，降低井底压差的效果不是很好。本发明的反向高速射流喷嘴的出口与负压混合室的下端联通，并且岩屑吸入管出口与负压混合室的外侧连通，缩短了射流磨钻头反向高速射流喷嘴出口距离钻头端部的距离，能有效抽吸井底流体，进一步减小井底压差，实现井底局部欠平衡，有效提高机械钻速。
(3)本发明的斜交后混式射流粉碎装置基于高聚能射流的超细粉碎技术能够粉碎岩屑，大大降低水平井中岩屑的沉降末速，提高携岩效率，从根本上消除水平井中的岩屑床。
附图说明
图1为水平井斜交后混式射流磨钻头的示意图；
图2为水平井斜交后混式射流磨钻头沿图1右视示意图；
图中：1、PDC钻头，2、湍流负压抽砂装置，3、斜交后混式射流粉碎装置；101、钻头体，102、主流道，103、保径，104、钻头端部排屑槽，105、PDC刀翼；201、井底岩屑搅动与清洗喷嘴，202、岩屑吸入管；301、反向高速射流喷嘴，302、负压混合室，303、喉管，304、岩屑解离加速管，305、粉碎靶体，306、粉碎仓，307、旁通。
具体实施方式
以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
水平井斜交后混式射流磨钻头，包括PDC钻头1、湍流负压抽砂装置2、斜交后混式射流粉碎装置3。
PDC钻头包括钻头体101、主流道102、保径103、钻头端部排屑槽104、PDC刀翼105；PDC刀翼105是水平井斜交后混式射流磨钻头切削岩石的工作 部分，其表面布有PDC切削齿；钻头端部排屑槽104布置在PDC刀翼105之间；保径布置在钻头端部的外侧，保径没有布置排屑槽。
湍流负压抽砂装置2包括井底岩屑搅动与清洗喷嘴201、岩屑吸入管202；井底岩屑搅动与清洗喷嘴201的入口与PDC钻头1的主流道102连通，井底岩屑搅动与清洗喷嘴201的出口与PDC钻头端部排屑槽104连接；岩屑吸入管202入口与PDC钻头端部排屑槽104的外端连接，岩屑吸入管202出口与负压混合室302的外侧连通；湍流负压抽砂装置2是抽吸井底流体，减小井底压差，实现欠平衡而提高机械钻速的关键机构，一方面不对称布置的井底岩屑搅动与清洗喷嘴201与钻头旋转联合作用产生井底湍流流场，改善井底岩石和岩屑的受力状况，提升井底清岩效率，另一方面，负压混合室302产生的负压通过岩屑吸入管202抽吸井底流体使井底局部压力降低，减小压差，从而促进岩屑脱离井底并加速上返，局部欠平衡提高机械钻速。
斜交后混式射流粉碎装置3包括反向高速射流喷嘴301、负压混合室302、喉管303、岩屑解离加速管304、粉碎靶体305、粉碎仓306、旁通307；反向高速射流喷嘴301与井底岩屑搅动与清洗喷嘴201反向设置，反向高速射流喷嘴301入口与PDC钻头的主流道102连通，反向高速射流喷嘴301的出口与负压混合室302的下端联通，负压混合室302的上端与喉管303对接连通，喉管303与岩屑解离加速管304对接连通，岩屑解离加速管304出口与粉碎仓306连通，粉碎仓306内安有粉碎靶体305正对着岩屑解离加速管304出口，粉碎靶体305的靶面与岩屑解离加速管304的轴线呈0°-90°的夹角，粉碎仓306与旁通307连通，旁通307为入口小出口大的扩散性圆管；斜交后混式射流粉碎装置3是水平井斜交后混式射流磨钻头的关键机构，一方面斜交后混式射流粉碎装置3的反向高速射流喷嘴301出口在负压混合室302产生负压，抽吸岩屑，另一方面斜交后混式射流粉碎装置3基于高聚能射流的超细粉碎原理充分粉碎岩屑，大大提高岩屑的运移效率。
本发明的水平井斜交后混式射流磨钻头的工作过程如下：
在钻进过程中，水平井斜交后混式射流磨钻头旋转，使得PDC刀翼105上的PDC切削齿切削岩石产生岩屑。同时高压钻井液由主流道102进入，一部分钻井液由反向高速射流喷嘴301喷出，形成高速射流，高速射流在负压混合室302产生负压，负压混合室302内的负压通过岩屑吸入管202对井底流体和岩屑进行抽吸，从而降低井底压差，减小岩屑的压持效应，创造井底的欠平衡条件，提高机械钻速。另一部分钻井液进入湍流负压抽砂装置2的井底岩屑搅动与清洗喷嘴201内，并以高速射流喷出。井底岩屑搅动与清洗喷嘴201喷出的不对称高速射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使岩屑吸入管202能高效吸入井底岩屑与钻井液。井底岩屑与钻井液在反向高速射流喷嘴301的抽吸作用下经岩屑吸入管202进入负压混合室302。
斜交后混式射流粉碎装置3的反向高速射流喷嘴301喷出高聚能射流，在负压混合室302产生负压卷吸岩屑，井底岩屑与钻井液在负压混合室302和喉管303处被汇入高聚能射流，高聚能射流在解离加速管304解离带微裂缝的岩屑，实现解离破碎，相间及颗粒之间的碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎，并实现对岩屑的加速。高速岩屑高速冲击粉碎靶体305，利用瞬间冲击力、水楔粉碎岩屑。带微裂缝的细小岩屑在粉碎仓306经过多次反射碰撞进一步粉碎，粉碎后的岩屑与钻井液混合物在旁通307内速度降下来后排入环空。