一种螺旋振荡喷嘴及其构成的PDC钻头的制作方法

本发明涉及一种钻头喷嘴，属于石油天气钻井勘探工程技术领域，具体涉及一种螺旋振荡喷嘴；同时还公开了一种由螺旋振荡喷嘴构成的PDC钻头。

背景技术：

由于在石油天气钻井勘探工程中，PDC钻头具有机械钻速快、寿命长、进尺多的优点，所以在石油天气勘探钻井工程中被广泛使用。目前现有的常规PDC钻头喷嘴(如图3所示)具有以下缺陷：

1、破岩效率低机械钻速低；

2、建井周期长；

3、在胶质泥岩地层容易出现钻头泥包现象引起的卡钻、井漏、井喷等恶性事故。

分析其成因为：

1、常规钻头喷嘴射流为连续直喷射流，其压力和流速随时间变化很小，作用在岩石破碎的喷冲力持恒稳定，理论为恒定值，能量损失大，岩石破碎能力下降，故机械钻速低，建井周期长。

2、在正常的石油天气钻井勘探工程中，切削地层的切削元件必须得到良好的清洗工况条件，以防止切削齿切削地层时，挤压的岩屑攒积在切削齿周围，积压过多造成排屑槽堵塞及钻头整体泥包，引起的卡钻、井漏、井喷等恶性事故。

技术实现要素：

基于以上技术问题，本发明提供了一种螺旋振荡喷嘴，从而解决了以往喷嘴能量损失大、破碎能力小、影响转速的技术问题；同时，基于该螺旋振荡喷嘴，本发明还公开了一种由螺旋振荡喷嘴构成的PDC钻头，该PDC钻头具有机械钻速快、破岩效率高、能量损小及能有效解决钻头泥包问题的有益效果。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种螺旋振荡喷嘴,包括本体，本体内部中空形成两端开口的喷流腔，喷流腔包括两端的钻井液进口腔、螺旋出口腔及位于二者之间的自激振荡发生腔，钻井液进口腔、螺旋出口腔及自激振荡发生腔的直径依次增大；

其中，

所述钻井液进口腔的开口端形成喇叭状的弧形口；

所述螺旋出口腔和自激振荡发生腔的连接处形成有弧形过渡；

所述螺旋出口腔内呈圆周均匀分布有多个倾斜设置的螺旋槽。

在以上技术方案中，所述螺旋槽的倾斜角度为30°，且其数量为六个。

在以上技术方案中，所述螺旋槽的宽度和深度尺寸为2～5x 5mm。

在以上技术方案中，所述本体的材料为钨。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的喷嘴能够形成振荡螺旋射束，从而可以降低喷嘴能量损失，极大的提高了对地层岩石的喷冲破岩能力，大大提高了钻头的破岩机理，从而提高了石油天气钻井勘探工程机械钻速，降低能耗的同时提高了钻进效率。

同时，基于以上螺旋振荡喷嘴，本发明还提供了一种PDC钻头，包括钻头主体，钻头主体上设置有多个刀翼，刀翼上设置有切削齿，所述多个刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽位于切削齿前端面均设置有上述的螺旋振荡喷嘴。

基于以上，所述螺旋振荡喷嘴的上端面与排屑槽外壁端面齐平。

本发明的钻头具有能量损失小、机械钻速高及破岩能力强的特点，从而减少了钻头泥包的概率，极大的保证了石油天然气钻井勘探工程的井下安全，缩短了石油天气钻井勘探工程建井周期，减少了因石油天气钻井勘探工程对环境的污染；提高了石油天然气勘探开发的速度和效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明钻头的结构示意图；

图3是现有技术中的喷嘴结构示意图；

图中标记：1、螺旋槽；2、螺旋出口腔；3、弧形过渡；4、本体；5、自激振荡发生腔；6、钻井液进口腔；7、弧形口；8、钻头主体；9、排屑槽；10、切削齿；11、刀翼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种螺旋振荡喷嘴,包括本体4，本体4内部中空形成两端开口的喷流腔，喷流腔包括两端的钻井液进口腔6、螺旋出口腔2及位于二者之间的自激振荡发生腔5，钻井液进口腔6、螺旋出口腔2及自激振荡发生腔5的直径依次增大；

其中，

所述钻井液进口腔6的开口端形成喇叭状的弧形口7；

所述螺旋出口腔2和自激振荡发生腔5的连接处形成有弧形过渡3；

所述螺旋出口腔2内呈圆周均匀分布有多个倾斜设置的螺旋槽1。

如图1所示，钻井液进口腔6即图中标示的La段，螺旋出口腔2即图中标示的Lc段，自激振荡发生腔5即图中标示的Lb段。

本实施例能够充分地发挥钻井液水马力作用，利用设备输送的钻井液进入喷嘴的自激振荡发生腔5后，储能后快速释放，在自激振荡发生腔5内发生产生自激振荡再由螺旋出口腔2的出口喷出，通过螺旋槽1作用使得射束形成螺旋，最终得到振荡螺旋射束，从而使得射束更凝聚和更有穿透力，喷嘴能量损失很小，极大的提高了对地层岩石的喷冲破岩能力和机械钻速。

本实施例中，所述螺旋槽1的倾斜角度为30°，且其数量为六个。螺旋槽1数量为6个且均倾斜30°，从而在形成射束后螺旋喷出时，每个射束不会相互抵消，同时相邻射束之间的间距处于理想位置，可最大化的提高冲击力并保持冲击均匀平衡。

本实施例中，所述螺旋槽1的宽度和深度尺寸为2～5x 5mm。螺旋槽1的宽度和深度尺寸均是为了满足不同类型钻头或钻进深度需求而根据实际情况选择，但尺寸值一般都在2～5x 5mm之间取值。

本实施例中，所述本体4的材料为钨。钨强度高，化学性质稳定，并且耐高温耐腐蚀，可长久使用而不会损坏，有利于延长喷嘴寿命。

基于以上内容，本实施例还公开了一种PDC钻头，包括钻头主体8，钻头主体8上设置有多个刀翼11，刀翼11上设置有切削齿10，所述多个刀翼11之间形成排屑槽9，所述排屑槽9位于切削齿10前端面均设置有上述的螺旋振荡喷嘴。

本技术方案的工作原理是：当一股射流通过弧形口7，进入自激振荡发生腔5，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大,在自激振荡发生腔5中形成一连串离散涡环，在自激振荡发生腔5产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动。螺旋出口腔2与自激振荡发生腔5的压力脉动相互为反相，就会形成涡量扰动→放大→新的涡量脉动产生的循环过程。该过程不断重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流，再通过螺旋出口腔2的出口喷出，按螺旋槽1的导向面产生螺旋射束，则能得到理想的振荡螺旋喷射射流。更好的提高清洗钻头、井底岩石和破岩能力，实现提高机械钻速目的。

本实施例的钻头减少了钻头泥包的概率，极大的保证了石油天然气钻井勘探工程的井下安全；提高了对地层岩石的喷冲破岩能力和破岩机理，从而提高了石油天气钻井勘探工程机械钻速；缩短了石油天气钻井勘探工程建井周期，减少了因石油天气钻井勘探工程对环境的污染；提高了石油天然气勘探开发的速度和效率。

基于以上实施例，所述螺旋振荡喷嘴的上端面与排屑槽9外壁端面齐平。螺旋振荡喷嘴的上端面与排屑槽9外壁端面齐平，从而螺旋振荡喷嘴的喷嘴口与作用在被破岩石之间具有一定的有效距离,能更有效地发挥水马力最大作用,同时保证岩屑顺畅离开井底，不会因喷嘴上端平面高出或低于排屑槽外壁端面阻挡岩屑排出而引起排屑不畅。

为了验证本发明的喷嘴和PDC钻头的实际效果，本发明通过在山东济阳凹陷区块、(夏29-1井)钻井工程中，全井段使用上述钻头，并与与邻井(盘40)使用传统常规喷嘴的钻头进行对比，两井相比：在两井井深相同情况下，使用带振荡螺旋喷嘴的PDC钻头的(夏29-1井)比使用传统常规喷嘴的钻头(盘40)机械钻速提高了25％，建井周期缩短了1/2天数，效果理想，大大缩短了建井周期，节约了能源，降低了成本，提高了机械转速。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。