专利名称：利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构及实现方法
技术领域：
本发明属于新型切割技术领域。
背景技术：
石油、天然气钻井技术，以及各种采矿工程，按岩石破碎方式和所用工具类型，可分为顿钻和旋转钻。但是，与旋转钻相比，由于顿钻钻速慢，效率低，不能适应井深日益增加和复杂地层的钻探要求，逐渐被旋转钻代替。目前，现有技术主要采用普通回转钻进技术， 配合牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头及喷射钻井工艺。在油田钻井工作中，当钻井机在钻井时，经常遇到岩石地层，钻井机器便不能顺利的工作下去。坚硬的岩石，比如花岗岩层，钻井的难度很大，成本也非常高。同时，目前的深层钻井技术，通常还设置有巨大的钻井平台， 工程浩大。近年来，针对岩石地层，相继提出了多种解决方案。例如，中国专利(授权公告号 CN 201068738Y)文献1提出了“一种高速破岩的钻头结构”，将常规钻头底部工作面的中央部分凸起，形成上小下大的中央凸起，该中央凸起与地层岩石接触构成第一工作免；钻头底部工作面未突出部分与地层岩石接触构成第二工作面；中央凸起的侧表面有一定数量的牙齿，与地层接触构成第三工作面，该钻头结构可通过改变井底的应力状态来提高钻头破岩速度。类似的技术在文献2中也被提及。这类技术主要利用机械力的冲击来改变岩石的应力状态，以移出岩石为目的，往往需要对岩石进行大规模的破岩操作来能减小岩石的尺寸。目前，水切割可以对任何材料进行任意曲线的一次性切割加工(除水切割外其它切割方法都会受到材料品种的限制)，切割时不产生热量和有害物质，安全、环保，成本低、 速度快、效率高，是目前适用性最强的切割工艺方法。基于水切割的优点，近年来，水切割被逐渐应用到钻探领域，例如，中国专利(申请号200910169122)提供了一种水力脉冲空化射流钻井方法，在钻井作业中，将用于冲击井底的连续稳定的液体流转换为脉冲谐振流动液体，将脉冲谐振流动液体高速射入相对静止的液体中，产生空化现象；以波动压力的方式冲击井底，来提高破岩能力文献3。中国专利(申请号200910066418)涉及了一种环状水力喷射钻头，在该环状水力喷射钻头底端设有两个或两个以上喷射引射孔，喷射引射孔出来的高速水流对地层进行切割等文献4。现有基于水力破岩的技术，主要针对已有钻头添设水力喷射装置，结合已有钻探磨损结构，来实现破岩，只在一定程度上提高了破岩速度。基于上述研究现状，本发明针对现有钻井技术中的问题，将流体作为岩石的切割动力源应用到破岩方面，提出了利用流体来形成动态切割微单元，以实现对岩石进行大规模整体切割的目的。当然，本发明还可以应用于其它的各种硬质介质。其中，参考文献依次为文献1-一种高速破岩的钻头结构，授权公告号CN201068738Y ；文献2-用于在土壤或岩石材料中钻孔的方法和装置，申请号200480(^9450. 8 ；
文献3-—种水力脉冲空化射流钻井方法，申请号200910169122 ；文献4_:环状水力喷射钻头及复杂地层锚杆孔水力喷射施工方法，申请号 200910066418；文献5-水力深穿透井下射孔深度检测方法探讨，张友军[1]、杨家军[2]、胡强法 [3]、陈智[3]，《石油机械》2005年第33卷第1期，37-39页；
发明内容
本发明的目的，是提供一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构及其实现方法，利用本发明，针对于坚硬的岩石地层，或其它的坚硬介质，利用流体喷射来提供破岩动力，从而实现对坚硬岩层的快速切割。一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构的实现方法，该方法包括有如下步骤步骤1，在待切割介质位置进行钻孔，以容放用以喷射第一方向流体的流体喷射头，该喷射头能够通过喷射流体形成一个切割面；步骤2，设置用以喷射第二方向流体的流体喷射头。第二方向与第一方向流体所形成的切割面相交；步骤3，第一方向的流体喷射头与第二方向的流体喷射头展开工作；步骤4，在第一方向的切割区域和第二方向的切割区域形成交汇的断面时，完成切割操作。进一步，对应着第一方向流体通道，预设有用以置放该流体通道的辅助通道，它是以置放用以喷射第一方向流体的流体喷射头为目的预先设置的。进一步，所述的流体为水或酸液。进一步，在喷射过程中，分别经由径向喷头形成垂直于第一方向切割面，经由侧向喷头形成第二方向切割面。本发明还提供一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于该结构包括流体腔，用以提供高压力流体的流体腔。第一方向流体通道，它和前述的流体腔相连通，在该第一方向流体通道上设置有径向喷头；第二方向流体通道，它和前述的流体腔相连通，在该第二方向流体通道上设置有侧向喷头，其中，前述的径向喷头和侧向喷头的喷射流的覆盖区域，能够交汇。进一步，该流体通道即可由喷射硬管组成，也可由喷射软管组成。进一步，对于喷射硬管，可直接设置两通道的设置方向；对于喷射软管，可以在喷射软管的外围设置弹性外壳或其它弹性支撑结构。进一步，所述的径向喷头，固定或可活动方式设置在第一方向流体通道的一端。进一步，在所述的流体腔上，设置有用以向其输送工作流体的输送管道。进一步，所述的流体为水或酸液。
图1是本发明所描述的利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，在使用状态下的示意图。图2是本发明所描述的利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，一个具体实施例的示意图。图3是本发明所述方法的流程图。 具体实施例下面作为举例而非限定，对本发明进行详细描述。如图1、图3所示，本发明主要提供了一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构及其实现方法，对应着现有的钻头本体，本发明设置用以输送流体的第一方向流体通道 200和第二方向流体通道300，其中，在第一方向流体通道200上设置有径向喷头400 ；在第二方向流体通道300上设置侧向喷头500。对应着第一方向流体通道200，预设有用以置放该流体通道的辅助通道600。其次，本发明还设置有用以提供高压力流体的流体腔100。在进行钻井作业时，首先，以容放第一方向流体通道200为目的，在待切割的岩石上进行钻孔；在第一方向流体通道200上设置径向喷头400，该径向喷头400能够喷射流体，与第一方向垂直的切割面；然后，在第二方向流体通道300上，设置用以喷射第二方向流体的侧向喷头500，其中，第二方向与径向喷头400所形成的切割面相交；工作时，径向喷头400与侧向喷头500展开工作；当在第一方向的切割区域和第二方向的切割区域形成交汇的断面时，完成切割操作。其中的流体通道，包括第一方向流体通道200和第二方向流体通道300，是用以输送工作流体的通道，同时，在本发明中，该流体通道即可由喷射硬管组成，也可由喷射软管组成。对于喷射硬管，可以根据待切岩石的分布状况，直接设置两通道的设置方向；对于喷射软管，可以在喷射软管的外围设置弹性外壳或其它弹性支撑结构，工作时，可以根据待切岩石的分布状况，来实时调整其设置方向。其中的径向喷头400，它对应着待切岩石的分布状况，设置在第一方向流体通道 200的一端，用以通过喷射流体在待切岩石的下端形成第一方向切割面。该径向喷头400可以固定或可活动方式(例如，转动)设置在第一方向流体通道200的一端。其中的侧向喷头500，它对应着待切岩石的分布状况(例如，待切岩石的外围界限、径长等)，设置在第二方向流体通道300的另一端，用以通过喷射流体在待切岩石的外围形成侧面切割。该侧向喷头500的设置方式，如前面径向喷头400处所述，在此不做重复。
其中的流体腔100，它与流体通道相连接，可设置在钻头本体内，当然，也不局限在钻头本体上。该流体腔100，主要用来暂存工作流体，同时，在该流体腔100内，还设置有用以给流体施加压力的加压器等，以及其它用以产生流体冲力的关联结构。 本发明所述的流体可为水、酸液，以及其它液体，选采用水来作为切割流体。利用超高压技术可以把普通的自来水加压到250-400Mpa压力，然后再通过内孔直径约 0. 15-0. 35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800-1000m/s的高速射流。例如，以使用水力进行深穿透射孔为例，借助喷射软管、喷嘴的送进，射孔孔深可达3-5m，由此穿透的孔道的流通能力为常规射孔的10-30倍文献5。
同时，水切割不会产生有害副产物，超高压水刀可切割各种厚、坚硬的材料，如不锈钢、钢铁、大理石、陶瓷等等。其中的辅助通道600，它对应着待切岩石的内部而设置，以置放第一方向流体通道 200为目的。它是预先设置的，其腔体的空间要与置放的第一方向流体通道200相对应。本发明的技术特点为(1)缩小挖掘范围，节约能量，加快工程进度。利用本发明进行钻井时，仅需在目标岩石的周围和内部进行小范围切割，同时，目标岩石一旦被切割，可作为一个整体移除，无需对其进行研磨或破碎，既加快了工程进度，也可节约能量。(2)采用流体(优选水)作为切割动力，切割速度快、清洁、安全、无污染。高压水射流的穿透力极大，可以用来切割各种厚、坚硬的材料，如不锈钢、钢铁、大理石、陶瓷等，同时，采用水来作为切割动力，不会产生污染或有害物质，属环境友好型能源。下面参照图2、图3所示，结合具体的参数，提供利用本发明进行岩石切割的一种具体实施例。针对的待切岩石以大理石为例，大理石的莫氏Mohs硬度是3-4(用测得的划痕的深度分十级来表示硬度，其中，滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10)，在本实施例中，以水作为切割流体，普通水经过一个超高压加压器，将水加压至4，OOObar,然后通过一个细小的喷嘴(其直径为0. 004英寸至0. 016英寸)，可产生一道每秒达915公尺(约音速的三倍)的水箭。具体地，如图2所示，在本实施例中，第一方向流体通道200与第二方向流体通道 300垂直设置，在第一方向流体通道200上，设置有径向喷头400 ；在第二方向流体通道300 上，设置有侧向喷头500。靠近相交端的流体通道与流体腔100相连接。该流体腔100设置在钻头本体700上，同时，在该流体腔100上，还设置有用以向其输送工作流体的输送管道 710。工作时，水流经由输送管道710输送至流体腔100中，经由流体腔100中的加压设备对水流进行加压至4000bar。加压后的水流分别进入第一方向流体通道300和第二方向流体通道200中，经由径向喷头400和侧向喷头500喷射至待切岩石处。在喷射过程中，分别经由径向喷头400，形成垂直于第一方向切割面，经由侧向喷头，形成第二方向切割面。当在第一方向的切割区域和第二方向的切割区域形成交汇的断面时，则完成切割操作。以上是对本发明的描述而非限定，基于本发明思想的其它实施方式，亦均在本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构的实现方法，其特征在于该方法包括有如下步骤步骤1，在待切割介质位置进行钻孔，以容放用以喷射第一方向流体的流体喷射头，该喷射头能够通过喷射流体形成一个切割面；步骤2，设置用以喷射第二方向流体的流体喷射头。第二方向与第一方向流体所形成的切割面相交；步骤3，第一方向的流体喷射头与第二方向的流体喷射头展开工作；步骤4，在第一方向的切割区域和第二方向的切割区域形成交汇的断面时，完成切割操作。
2.根据权利要求1所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构的实现方法， 其特征在于对应着第一方向流体通道，预设有用以置放该流体通道的辅助通道，它是以置放用以喷射第一方向流体的流体喷射头为目的预先设置的。
3.根据权利要求1所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构的实现方法， 其特征在于所述的流体为水或酸液。
4.根据权利要求1所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构的实现方法， 其特征在于在喷射过程中，分别经由径向喷头形成垂直于第一方向切割面，经由侧向喷头形成第二方向切割面。
5.一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于该结构包括流体腔，用以提供高压力流体的流体腔。第一方向流体通道，它和前述的流体腔相连通，在该第一方向流体通道上设置有径向喷头；第二方向流体通道，它和前述的流体腔相连通，在该第二方向流体通道上设置有侧向喷头，其中，前述的径向喷头和侧向喷头的喷射流的覆盖区域，能够交汇。
6.根据权利要求5所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于该流体通道即可由喷射硬管组成，也可由喷射软管组成。
7.根据权利要求6所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于对于喷射硬管，可直接设置两通道的设置方向；对于喷射软管，可以在喷射软管的外围设置弹性外壳或其它弹性支撑结构。
8.根据权利要求5所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于所述的径向喷头，固定或可活动方式设置在第一方向流体通道的一端。
9.根据权利要求5所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于在所述的流体腔上，设置有用以向其输送工作流体的输送管道。
10.根据权利要求5所述的一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构，其特征在于所述的流体为水或酸液。
全文摘要
本发明提供一种利用流体喷射来提供切割动力的钻头结构及实现方法，属于新型切割技术领域。该方法包括有如下步骤步骤1，在待切割介质位置进行钻孔，以容放用以喷射第一方向流体的流体喷射头，该喷射头能够通过喷射流体形成一个切割面；步骤2，设置用以喷射第二方向流体的流体喷射头。第二方向与第一方向流体所形成的切割面相交；步骤3，第一方向的流体喷射头与第二方向的流体喷射头展开工作；步骤4，在第一方向的切割区域和第二方向的切割区域形成交汇的断面时，完成切割操作。利用本发明，针对于坚硬的岩石地层，或其它的坚硬介质，利用流体喷射来提供破岩动力，从而实现对坚硬岩层的快速切割。
文档编号E21B7/18GK102536125SQ201010619468
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者不公告发明人 申请人:上海杰远环保科技有限公司