一种连续截流脉动喷射提速钻头.pdf

本发明涉及一种连续截流脉动喷射提速钻头，其特点主要包括：钻头本体和连续截流机构。连续截流机构安装在钻头本体水眼内，螺旋转子在高压流体的驱动下旋转并带动截流转盘旋转形成连续的截流，将钻头水眼内高压流体的连续流动转变成间歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔，并经射流喷嘴在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底，改善井底流场及井底岩石的受力状况；此外，通过旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流在喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力，提高机械钻速。

1.  一种连续截流脉动喷射提速钻头主要由钻头本体、连续截流机构组成；其特征在于：所述的连续截流机构安装在钻头本体水眼内，连续截流机构的螺旋转子在高压流体的驱动下旋转并带动截流转盘形成连续截流，将钻头水眼内高压流体的连续流动转变成间歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔，并经射流喷嘴在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底；此外，通过钻头本体底部的旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流在喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力。

2.  根据权利要求1所述的连续截流脉动喷射提速钻头，其特征在于：所述的钻头本体上端有连接公螺纹，水眼内设有上下两组台阶，分别用以安装连续截流机构的驱动引流坏和过渡支撑环；水眼底部均布有五组喷射孔和旁通泄流孔，外侧均布五组切削翼，喷射孔和旁通泄流孔的出口处均装设有射流喷嘴。

3.  根据权利要求1所述的连续截流脉动喷射提速钻头，其特征在于：所述的连续截流机构包括驱动引流环、螺旋转子、密封组件、支撑轴承、过渡支撑环、传动短轴、截流转盘；驱动引流环中心有球面导流头，中间有圆形限流筒，外圈定位在钻头本体水眼内上台阶处；过渡支撑环与驱动引流环的下端链接，螺旋转子安装在驱动引流环的限流筒内，上下两端均装有支撑轴承和密封件，并分别与驱动引流环、过渡支撑环连接；传动短轴连接螺旋转子和截流转盘，以传递扭矩；截流转盘沿轴向均布有五个截流斜孔。

4.  根据权利要求1所述的连续截流脉动喷射提速钻头，其特征在于：高压流体流经驱动引流环后被分流成两部分，一部分从导流头与限流筒之间的引流孔进入到限流筒以驱动螺旋转子旋转，并随螺旋转子螺旋流动至下端过渡支撑环的内过流孔流出；另一部则从限流筒与外圈之间引流孔进入限流筒与水眼间的环空，再流经过渡支撑环的外过流孔至水眼的底部；从过度支撑环流出的高压流体合流后，一部分随着截流转盘的旋转而间歇、变量的进入到喷射孔，以脉动冲击的方式喷射至井底；另一部分则从旁通泄流孔汇流至旁通泄流喷嘴喷射至井底中心位置。

一种连续截流脉动喷射提速钻头
技术领域
本发明涉及一种石油勘探开发中破碎井底岩石用钻头，具体涉及一种连续截流脉动喷射提速钻头。
背景技术
随着水平井、大位移井、多底井等钻井技术在石油勘探开发过程中扮演着越来越重要的角色。在钻井过程中，井眼条件越来越复杂、井斜角的增大、水平段长度的增长等使得井底清洗、岩屑上返及提高机械钻速等方面均面临是俱多挑战。
传统钻井方式在钻井过程中能量传输、转换、分配和利用一直存在着效率低等问题。虽然旋转冲击钻井、井下增压钻井均可以不同程度的提高机械钻速，但由于其寿命及稳定性差，所以一直未能在现场大规模使用。而脉冲射流辅助钻井技术在现场取得了一定的效果但因其寿命较短，因而也存在一定的局限性。脉冲射流辅助钻井技术主要是通过装在钻头底部的胎体上脉冲喷嘴的作用来产生脉冲效果，目前普遍应用的射流方法主要包括：连续直射流、脉冲射流、旋转射流和空化射流，而这些射流方法均存在有各自的不足。
此外，近年来有学者研发了脉冲空化多孔喷嘴射流，即通过改变多空喷嘴的结构，形成一种能够产生脉冲射流和空化射流耦合而成的脉冲空化多孔喷嘴射流，进而可高效的利用水力能量，有效提高破岩效率，形成较大孔深的水平井眼。但是，在围压存在的条件，其射流也存在衰减较快，射流形成的孔眼直径小，形状不规则，射流反冲击力大等问题。
基于以上分析，为了改善井底流场及井底岩石的受力状况，减少井底压持效应和岩石的围压，充分利用水力能量，提高射流清岩和辅助破岩的能力。本发明专利设计了一种连续截流脉动喷射钻头。
发明内容
本发明的目的在于为石油与天然气钻井工程领域提供一种连续截流脉动喷射提速钻头。旨在通过钻头水眼内的连续截流机构将水眼内高压流体的连续流动转变成间歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔，并经射流喷嘴在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底；此外，通过钻头本体底部的旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流在喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力，提高机械钻速。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种连续截流脉动喷射提速钻头主要由钻头本体、连续截流机构组成；连续截流机构安装在钻头本体水眼内，连续截流机构的螺旋转子在高压流体的驱动下旋转并带动截流转盘形成连续截流，将钻头水眼内高压流体的连续流动转变成间歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔，并经射流喷嘴在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底；此外，通过钻头本体底部的旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流在喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力。
钻头本体上端有连接公螺纹，水眼内设有上下两组台阶，分别用以安装连续截流机构的驱动引流坏和过渡支撑环；水眼底部均布有五组喷射孔和旁通泄流孔，外侧均布五组切削翼，旁通泄流孔在钻头本体底部汇成单个喷射孔，喷射孔和旁通泄流孔的出口处均装设有射流喷嘴，将高压流体转变成高速水射流。
连续截流机构包括驱动引流环、螺旋转子、密封组件、支撑轴承、过渡支撑环、传动短轴、截流转盘；驱动引流环中心有球面导流头，中间有圆形限流筒，外圈定位在钻头本体水眼内上台阶处；导流头内部有上支撑轴承和上组合密封的安装孔，在导流头与限流筒之间及限流筒与外圈之间均布有四组长圆型引流孔；过渡支撑环与驱动引流环的下端链接，螺旋转子安装在驱动引流环的限流筒内，上下两端均装有支撑轴承和密封件，并分别与驱动引流环、过渡支撑环连接；传动短轴连接螺旋转子和截流转盘，以传递扭矩；截流转盘沿轴向均布有五个截流斜孔，截流转盘在螺旋转子的驱动下旋转，转盘的五个截流斜孔与钻头本体水眼底部的喷射孔连续的交错，水眼内高压流体转变成间歇、变量流进入水眼底部的喷射孔。
高压流体流经驱动引流环后被分流成两部分，一部分从导流头与限流筒之间的引流孔进入到限流筒以驱动螺旋转子旋转，并随螺旋转子螺旋流动至下端过渡支撑环的内过流孔流出；另一部则从限流筒与外圈之间引流孔进入限流筒与水眼间的环空，再流经过渡支撑环的外过流孔至水眼的底部；从过度支撑环流出的高压流体合流后，一部分随着截流转盘的旋转而间歇、变量的进入到喷射孔，以脉动冲击的方式喷射至井底；另一部分则从旁通泄流孔汇流至旁通泄流喷嘴喷射至井底中心位置。
截流转盘旋转过程中，转盘的五个截流斜孔与钻头本体水眼底部的喷射孔连续的交错，当喷射孔的流道逐渐变小至关闭时，钻头水眼内腔的压力增加，旁通泄流孔的流速和压力均增加，因此钻头中心处的旁通泄流喷嘴产生高速射流作用于井底中心位置。随着截流转盘的旋转，喷射孔流道逐渐打开至完全连通时，钻头水眼内腔的压力降低，旁通泄流孔的流速和 压力均降低，喷射孔流道内流速和压力增加，因此，均布在钻头底部的射流喷嘴产生高速射流作用与井底。所以，通过截流转盘的连续旋转，旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替循环产生高速射流作用在井底，并从钻头中心向周围形成喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间转换，从而利用有限的水力能量进行连续喷射破岩的同时提高井底清洗及携岩效果，降低压持效应，提高钻进速度。
与现有技术相比，本发明的有如下优点：
本发明涉及的连续截流脉动喷射提速钻头可以通过连续截流机构的螺旋转子在高压流体的驱动下旋转并带动截流转盘旋转，转盘的五个截流斜孔与钻头本体水眼底部的喷射孔连续的交错形成连续截流，将钻头水眼内高压流体的连续流动转变成间歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔，并经射流喷嘴在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底；此外，通过钻头本体底部的旁通泄流喷嘴和五组射流喷嘴交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流从钻头中心向周围产生喷射破岩和脉冲空化两种作用模式的连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力，提高钻进速度。
附图说明
图1为连续截流脉动喷射提速钻头剖视的结构示意图；
图2为连续截流脉动喷射提速钻头沿图1中A-A的剖视示意图；
图3为连续截流脉动喷射提速钻头的截流转盘结构示意图；
图4为连续截流脉动喷射提速钻头沿图1中B-B的剖视示意图；
图5为连续截流脉动喷射提速钻头沿图1中C-C的剖视示意图；
图6为连续截流脉动喷射提速钻头底部喷嘴分布示意图；
图中：1钻头本体，11旁通泄流孔，12旁通泄流喷嘴，13喷射孔，14射流喷嘴，15切削翼，21驱动引流环，22螺旋转子，23密封组件，24过渡支撑环，25支撑轴承，26传动短轴，27截流转盘。
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：
如图1所示，一种连续截流脉动喷射提速钻头主要由钻头本体1和连续截流机构2组成；连续截流机构2安装在钻头本体1的水眼内，连续截流机构2的螺旋转子22在高压流体的驱动下旋转并带动截流转盘27形成连续截流，将钻头水眼内高压流体的连续流动转变成间 歇、变量流进入钻头水眼底部的喷射孔13，并经射流喷嘴14在出口形成脉动涡环射流，以波动冲击的方式作用于井底；此外，通过钻头本体1底部的旁通泄流喷嘴12和五组射流喷嘴14交替形成的脉动冲击循环作用于井底，从而实现井底高速水射流在喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间连续转换，减少井底压持效应和岩石的围压，提高射流清岩和辅助破岩的能力。
如图1所示，钻头本体1上端有连接公螺纹，水眼内设有上下两组台阶，分别用以安装连续截流机构2的驱动引流坏21和过渡支撑环24；如图5所示，水眼底部均布有五组喷射孔13和旁通泄流孔11，外侧均布五组切削翼15，旁通泄流孔11在钻头本体1底部汇成单个喷射孔，喷射孔13和旁通泄流孔11的出口处均装设有射流喷嘴，将高压流体转变成高速水射流。
如图1所示，连续截流机构2包括驱动引流环21、螺旋转子22、密封组件23、过渡支撑环24、支撑轴承25、传动短轴26、截流转盘27；如图2所示，驱动引流环21中心有球面导流头，中间有圆形限流筒，外圈定位在钻头本体1水眼内上台阶处；导流头内部有支撑轴承25和组合密封23的安装孔，在导流头与限流筒之间及限流筒与外圈之间均布有四组长圆型引流孔；如图1、图4所示，过渡支撑环24与驱动引流环21的下端链接，螺旋转子22安装在驱动引流环21的限流筒内，上下两端均装有支撑轴承25和密封组件23，并分别与驱动引流环21、过渡支撑环24连接；传动短轴26连接螺旋转子22和截流转盘27，以传递扭矩；如图1、图3所示，截流转盘27沿轴向均布有五个截流斜孔，截流转盘27在螺旋转子22的驱动下旋转，转盘的五个截流斜孔与钻头本体1水眼底部的喷射孔13连续的交错，水眼内高压流体转变成间歇、变量流进入水眼底部的喷射孔13。
如图1所示，高压流体流经驱动引流环21后被分流成两部分，一部分从导流头与限流筒之间的引流孔进入到限流筒以驱动螺旋转子22旋转，并随螺旋转子22螺旋流动至下端过渡支撑环24的内过流孔流出；另一部则从限流筒与外圈之间引流孔进入限流筒与水眼间的环空，再流经过渡支撑环24的外过流孔至水眼的底部；从过度支撑环24流出的高压流体合流后，一部分随着截流转盘27的旋转而间歇、变量的进入到喷射孔13，以脉动冲击的方式喷射至井底；另一部分则从旁通泄流孔11汇流至旁通泄流喷嘴12喷射至井底中心位置。
截流转盘27旋转过程中，转盘的五个截流斜孔与钻头本体1水眼底部的喷射孔13连续的交错，当喷射孔13的流道逐渐变小至关闭时，钻头水眼内腔的压力增加，旁通泄流孔11的流速和压力均增加，因此钻头中心处的旁通泄流喷嘴12产生高速射流作用于井底中心位置。随着截流转盘27的旋转，喷射孔13流道逐渐打开至完全连通时，钻头水眼内腔的压力 降低，旁通泄流孔11的流速和压力均降低，喷射孔13流道内流速和压力增加，因此，均布在钻头底部的射流喷嘴14产生高速射流作用与井底。所以，通过截流转盘27的连续旋转，旁通泄流喷嘴12和五组射流喷嘴14交替循环产生高速射流作用在井底，并从钻头中心向周围形成喷射破岩和脉冲空化两种作用模式间转换，从而利用有限的水力能量进行连续喷射破岩的同时提高井底清洗及携岩效果，降低压持效应，提高钻进速度。