粒子射流冲击破岩钻头技术领域
本发明涉及一种粒子射流冲击破岩钻头，属于石油钻井领域。
背景技术
随着油田勘探开发的继续，浅层石油资源已经开发殆尽，石油勘探开发的重点逐渐转向
深井硬地层、非常规油气资源。在这些地层钻井过程中，存在着钻井速度慢、易发生井斜、
钻井成本高等问题，严重影响了深井硬地层、非常规油气资源的开发速度和效益。粒子射流
钻井技术是一种有效解决该问题的方法之一，该技术通过在钻井液中加入一定比例的钢质粒
子，钢质粒子在钻井液的携带下由钻柱进入井下钻头，粒子从钻头喷嘴高速喷出后形成高速
粒子射流，高速粒子射流冲击破碎岩石，在岩石表面产生一系列的冲击裂纹，裂纹产生后岩
石的强度迅速降低，后续钻头通过机械作用很容易使岩石破碎，产生大块的破碎块。通过利
用粒子射流冲击结合钻头机械破岩的方法，可以有效提高钻头的破岩效率，提高石油钻井机
械钻速。而且粒子射流钻井过程中，需要的钻头钻压要比常规钻井小很多，因此产生的钻头
侧向力要小很多，可以防止钻头在钻井过程中发生偏转。所以利用专用的粒子射流冲击牙轮
钻头，既可以有效提高牙轮钻头机械钻速，同时可以有效防止井斜。
粒子射流钻头是粒子射流钻井技术实现的重要部分，粒子射流钻头效率会直接影响粒子
射流能量利用率，并影响钻头能否实现高效机械破岩，同时粒子射流钻头的寿命直接关系到
整个粒子钻井技术作业运行时间。钢质粒子加入到钻井液后，高速粒子从喷嘴喷出后冲击破
碎岩石，实现了粒子射流冲击与钻头机械联合破岩，改变了常规钻头的机械破岩方式。如何
充分利用粒子射流能量，实现粒子射流高效破岩，保证粒子射流和钻头机械破岩的良好配合，
避免粒子射流对钻头的冲蚀，不断提高粒子射流冲击效率和钻头寿命成为需要重点解决的问
题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够保证粒子射流能量充分利用，实现粒子射流
和钻头机械联合高效破岩，井底流场得到有效改善，粒子及时上返，具有较高耐冲蚀能力的
粒子射流冲击破岩钻头。
本发明所述的粒子射流冲击破岩钻头，包括钻头本体、钻头刀翼、喷嘴外套、内喷嘴及
切削齿，钻头本体内上部设置钻头内腔，钻头内腔底部设置与钻头内腔连通的喷嘴流道，喷
嘴流道底部贯穿钻头本体，喷嘴流道包括喷嘴上部流道和喷嘴下部流道，内喷嘴安装在喷嘴
下部流道内，内喷嘴和喷嘴下部流道之间设置喷嘴外套，喷嘴外套的末端露出钻头本体底部，
钻头本体内设置三个内喷嘴，喷嘴直径存在级差。
钻头为PDC钻头结构，喷嘴外套下部要凸出钻头本体一定距离，保证喷嘴外套下部距离
井底的距离较短。内喷嘴长度较长，为50mm～80mm，粒子在钻井液的携带下，可以在内喷嘴
内得到很好加速，保证了粒子冲击速度和射流速度基本一致。钻头本体的下部为钻头刀翼；
每个喷嘴在钻头圆周方向平均分布，每个喷嘴直径不同，通过平均布置喷嘴，喷嘴直径存在
级差，可以有效的改善井底流场，更有利于粒子高效冲击破岩。
所述的喷嘴外套通过螺纹和喷嘴下部流道连接，内喷嘴烧结在喷嘴外套内部，和喷嘴外
套形成一个整体。
所述的喷嘴外套材质为不锈钢，内喷嘴材质为硬质合金。喷嘴外套材质为不锈钢，喷嘴
外套的壁厚大、直径大、强度高，可以很好保护内部的内喷嘴，内喷嘴材料为硬质合金，耐
冲性强，可以有效提高钻头喷嘴寿命。
所述的钻头内腔表面镀镍。为防止粒子射流对钻头内腔冲蚀磨损，粒子与钻头内腔的接
触面进行化学镀镍处理，提高钻头内腔表面的耐冲蚀性。
所述的喷嘴外套末端距离钻头本体底部的距离为20mm～40mm。
所述的内喷嘴包括上部的圆锥段和下部圆柱段，圆锥段的侧壁为向内凹的弧面，圆锥段
的长度与圆柱段的长度为1：6，圆柱段的内径和壁厚的比为1：4，圆柱段内径范围为7mm～
18mm，内喷嘴轴线与钻头本体轴线的夹角范围0°～10°。圆弧段实现粒子和钻井液流体良
好收缩，内喷嘴圆柱段较长，粒子在喷嘴内的加速距离较长，可以较好实现粒子加速。
所述的三个内喷嘴的直径比为0.95∶1.15∶1.60，相邻内喷嘴之间的角度为120°，内
喷嘴位置平均布置。
所述的钻头刀翼设置为三个，钻头刀翼之间的夹角为120°，钻头刀翼背面为平面，钻
头刀翼上的切削齿数量为6～7个，钻头刀翼底部距离钻头本体底部之间的距离为120～
160mm。钻头刀翼数为三，钻头刀翼背部为平面，可以更好的利于粒子反弹之后的上返。钻头
刀翼之间的横向距离大为30mm～50mm，纵向距离大，两个方面的因素使钻头刀翼间的空间较
大，这样可以保证完成冲击岩石后的粒子能够得到及时的上返，顺利的离开井底，同时避免
对钻头本体的冲蚀磨损。
本发明的有益效果是：
粒子从钻头喷嘴高速喷出后形成高速粒子射流，高速粒子射流冲击破碎岩石，在岩石表
面产生一系列冲击裂纹，裂纹产生后岩石的强度迅速降低，后续钻头通过机械作用很容易使
岩石破碎，产生大块的破碎块。通过利用粒子射流冲击结合钻头机械破岩的方法，可以有效
提高钻头的破岩效率，提高石油钻井机械钻速。而且粒子射流钻井过程中，需要的钻头钻压
要比常规钻井小很多，产生的钻头侧向力要小很多，可以防止钻头在钻井过程中发生偏转。
利用专用的粒子射流冲击牙轮钻头，既可以提高牙轮钻头机械钻速，同时可以有效防止井斜。
钻头刀翼背部为平面，如果钻头刀翼为弧形，粒子冲击反弹后容易冲击钻头刀翼，对钻
头刀翼造成冲蚀，采用平面钻头刀翼可以更利于粒子的上返。钻头内腔的表面进行化学镀镍
处理，提高钻头内腔表面的耐冲蚀性，提高钻头的工作寿命。
喷嘴外套的壁厚大、直径大，喷嘴强度较高，因此喷嘴外套可以有效保护内部硬质合金
喷嘴不受碰撞损坏。为了增加钻头刀翼间的空间，方便粒子上返，避免碰撞，需要提高钻头
本体距离井底纵向距离；采用了喷嘴外套和内喷嘴结构，喷嘴外套距离井底的距离要比普通
PDC钻头的距离短。因此粒子射流从钻头喷嘴喷出后达到井底距离要比常规钻头小，有效减
小了粒子射流达到井底的运动距离，从而减少粒子射流运行过程中的能量损耗，有效提高了
粒子射流的能量利用率，提高了粒子射流破岩效率。同时由于距井底的距离较短，缩短了粒
子射流至井底运动距离，有效避免了粒子冲击岩石后反弹和后续冲击粒子之间的碰撞，避免
了粒子间碰撞对井底流场的影响，从而改善钻头的井底流场，更有利于粒子和岩屑上返，同
时也有利于粒子冲击能量的充分利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的仰视结构示意图。
图中：1、钻头本体2、钻头刀翼3、喷嘴外套4、内喷嘴5、切削齿6、钻头内
腔7、喷嘴上部流道8、内喷嘴流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1～图2所示，本发明所述的粒子射流冲击破岩钻头，包括钻头本体1、钻头刀翼2、
喷嘴外套3、内喷嘴4及切削齿5，钻头本体1内上部设置钻头内腔6，钻头内腔6底部设置
与钻头内腔6连通的喷嘴流道，喷嘴流道底部贯穿钻头本体1，喷嘴流道包括喷嘴上部流道7
和喷嘴下部流道，内喷嘴4安装在喷嘴下部流道内，内喷嘴4内形成内喷嘴流道8，内喷嘴4
与喷嘴下部流道之间设置喷嘴外套3，喷嘴外套3的末端露出钻头本体1底部，钻头本体1
内设置三个内喷嘴4，内喷嘴4直径存在级差。喷嘴外套3通过螺纹和喷嘴下部流道连接，
内喷嘴4烧结在喷嘴外套3内部，内喷嘴4和喷嘴外套3形成一个整体。喷嘴外套3材质为
不锈钢，内喷嘴4材质为硬质合金。钻头内腔6表面镀镍。喷嘴外套3末端距离井底的距离
为20mm～40mm。内喷嘴4包括上部的圆锥段和下部圆柱段，圆锥段的侧壁为向内凹的弧面，
圆锥段的长度与圆柱段的长度为1：6，圆柱段的内径和壁厚的比为1：4，圆柱段内径范围为
7mm～18mm，内喷嘴4轴线与钻头本体1轴线的夹角范围0°～10°。三个内喷嘴4的直径比
为0.95∶1.15∶1.60，相邻内喷嘴4之间的角度为120°，内喷嘴4位置平均布置。钻头刀
翼2设置为三个，每相邻的两个钻头刀翼2之间设置一个内喷嘴4，钻头刀翼2之间的夹角
为120°，钻头刀翼2背面为平面，钻头刀翼2上的切削齿5的数量为6～7个，钻头刀翼2
底部距离钻头本体1底部之间的距离为120～160mm。
混合液进入钻头本体1后，首先经过钻头内腔6，再进入喷嘴上部流道7，从内喷嘴流道
8喷出之后，从钻头本体1喷出高速冲击岩石，实现了岩石的破碎效率，提高了钻头破岩效
率。钻头本体1的下部为钻头刀翼2，钻头采用三刀翼，钻头刀翼之间的横向距离较大；钻
头刀翼2最下部距离钻头本体1的最下部之间纵向距离大；两个方面的因素使钻头刀翼2之
间的空间较大，这样可以保证完成冲击岩石后的粒子能够得到及时的上返，顺利的离开井底，
同时避免对钻头本体1和钻头刀翼2的冲蚀磨损。