三刀翼粒子冲击钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于石油钻井【技术领域】，特别涉及一种三刀翼粒子冲击钻头，包括钻头基体和钻头中心体，钻头中心体外周均布有三个刀翼，相邻刀翼之间为排屑槽，刀翼的外端面上分布有保径齿，保径齿的外部和底部分布有切削齿，贯穿刀翼内部设置流道，流道末端安装侧喷嘴，钻头中心体上设置中心喷嘴。本实用新型中粒子通过特殊设计的喷嘴高速喷出后，冲击破碎岩石，然后再通过钻头破碎岩石，改变了传统的钻头破岩方式，提高钻头的破岩效率。
【专利说明】三刀翼粒子冲击钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三刀翼粒子冲击钻头，适用于坚硬、极坚硬和耐磨性强的地层钻井，属于石油钻井【技术领域】。
【背景技术】
[0002]粒子冲击钻头与大部分靠冲击、磨碎、刮削硬地层的传统钻头不同，粒子冲击钻头利用加入到钻井液中小的坚硬的钢粒子来爆破地层。粒子冲击钻头的破岩过程为，在钻头破碎岩石之前，首先强化钢粒子通过特殊设计的喷嘴高速喷出后，冲击破碎岩石，然后再通过钻头破碎岩石，改变了传统的钻头破岩方式，提高钻头的破岩效率，因为有了粒子的破岩作用，与普通方式相比，减轻了对钻压以及扭矩的要求。钻柱比普通钻进时，所受的力小得多，且受力更简单，因此大大地减小了钻柱和钻具疲劳破坏的概率，减少了起下钻作业的次数，缩短了钻井周期，减少钻井成本。
[0003]自该技术的提出，经过一系列的室内和现场试验，通过对钻头结构及材质的优化，经历了以下几种钻头结构:
[0004]1.首先出现的是四钻头刀翼、四喷嘴、中心体无喷嘴结构的钻头，该钻头有四个钻头刀翼、钻头刀翼之间各有一个小排屑槽，排泄槽有四个。四个喷嘴分别布置在四个钻头刀翼上，中心体上没有喷嘴，喷嘴形状为圆柱型喷嘴，有四个内流道，分别与四个喷嘴相连接。但该钻头存在以下缺陷:①钻头侧翼数太多导致每个钻头侧翼的体积太小，强度不够；②排屑槽太小，岩屑不能及时排除钻头中心体上无喷嘴，破岩效率不高；④喷嘴布置位置、角度和结构不合理，破岩效率不高和喷嘴的寿命太低。
[0005]2.紧接着出现了四钻头刀翼、五喷嘴、中心体有喷嘴结构的钻头，该钻头有四个钻头刀翼，钻头刀翼之间各有一个小排屑槽，排泄槽有四个。喷嘴共有五个，其中有四个喷嘴分别布置在四个钻头刀翼上，一个安装在中心体上，喷嘴形状为圆柱型喷嘴，有五个内流道，分别与五个喷嘴相连接。该钻头解决了上文提到的钻头破岩效率不高的问题，但还有以下几个问题没有解决:
[0006]①钻头侧翼数太多导致每个钻头侧翼的体积太小，强度不够；②排屑槽太小，岩屑不能及时排除；③钻头内流道结构不合理喷嘴布置位置、角度和结构不合理，破岩效率不高和喷嘴的寿命太低。
实用新型内容
[0007]本实用新型要解决的技术问题是:提供一种结构合理、稳固，可提高破岩速度及提高工作寿命的三刀翼粒子冲击钻头。
[0008]本实用新型所述的三刀翼粒子冲击钻头，包括钻头基体和钻头中心体，钻头中心体外周均布有三个刀翼，相邻刀翼之间为排屑槽，刀翼的外端面上分布有保径齿，保径齿的外部和底部分布有切削齿，贯穿刀翼内部设置流道，流道末端安装侧喷嘴，钻头中心体上设置中心喷嘴。
[0009]刀翼与中心体之间有三个大排泄槽，破碎的岩石和粒子直接从大排屑槽进入环空，随着钻井液一起返至地面；粒子经过加速后从喷嘴中射出，以一定速度冲击井底岩石表面。粒子与岩石表面的初始接触为点面接触，两者的接触区域非常小，所以在岩石上产生的瞬时冲击压缩力尤其大。在优化的参数组合下，这个瞬时压缩力会超过岩石的动态抗压强度，导致粒子下方即初始接触点处的岩石受压发生破碎，并在破碎处下部形成于冲击方向平行的中间裂纹。同时，在粒子与岩石接触的瞬间，从接触界面分别向粒子和岩石中传播一道压缩应力波。粒子中的压缩波传播至粒子的另一端面时发生反射，成为拉伸波，该反射波将再次返回接触面并穿过界面射入岩石中，与之前传入岩石中的压缩波共同作用。
[0010]所述的刀翼为弧形，每个刀翼上布置5个保径齿和14个切削齿。保径齿一方面提高钻头的耐磨性、抗冲击性，减少下钻次数，另一方面提高了钻头的稳定性，对防斜具有一定作用。在弧形刀翼上的切削齿按一定的方式排列可以快速切削被粒子冲击的岩石，加快破岩速度，加速钻进。
[0011]所述的侧喷嘴为锥直形，侧喷嘴与钻头中心线呈12°?16°布置，中心喷嘴与钻头中心线呈20°?24°，侧喷嘴圆柱段长度与出口直径比值为5，中心喷嘴的出口直径为12?16mm,侧喷嘴的出口直径为10?14mm。经过数值模拟和室内实验发现,这样布置的喷嘴粒子冲蚀破岩体积最大，破岩效果最好。
[0012]所述的中心喷嘴出口直径为14mm，钻头侧喷嘴出口直径为12mm。
[0013]本实用新型的有益效果是:
[0014]粒子流从钻头上部进入钻头内流道，然后通过四个高压喷嘴高速喷出，粒子冲击作用产生的拉应力和剪切应力超过岩石的极限强度后，岩石中裂缝扩张，强度降低，容易破碎形成坑穴和产生剪切体，有利于岩石“体积破碎”的产生。同时结合切削齿的破岩作用，利用水力冲击作用和机械作用联合破岩的方式，形成井眼中心部位径向一定位置的岩石环脊。
[0015]钻头侧翼之间有三个大排泄槽，破碎的岩石和粒子直接从大排屑槽进入环空，随着钻井液一起返至地面。钻头切削齿在低钻压和低扭矩的作用下以挤压膨胀的方式破碎井底形成的岩石环脊。岩石环脊释放了原有的应力，使得沿切削齿作用方向的岩石的“压持效应”消失，岩石环脊的内外压力接近，岩石的强度降低容易破碎。这种破岩方式可以产生岩石体积破碎，在不增加钻压和扭矩的条件下，提高了钻井速度和所能够达到的井深，并且产生的较大岩屑有利于录井。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的结构示意图。
[0017]图中:1、钻头基体2、钻头中心体3、保径齿4、切削齿5、刀翼6、侧喷嘴7、中心喷嘴
8、流道。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本实用新型做进一步描述:
[0019]如图1所示，本实用新型所述的三刀翼粒子冲击钻头，包括钻头基体I和钻头中心体2,钻头中心体2外周均布有三个刀翼5,相邻刀翼5之间为排屑槽,刀翼5的外端面上分布有保径齿3，保径齿3的外部和底部分布有切削齿4，贯穿刀翼5内部设置流道8，流道8末端安装侧喷嘴6，钻头中心体2上设置中心喷嘴7。刀翼5为弧形，每个刀翼5上布置5个保径齿3和14个切削齿4。侧喷嘴6为锥直形，侧喷嘴6与钻头中心线呈12°布置，中心喷嘴7与钻头中心线呈20°，侧喷嘴6圆柱段长度与出口直径比值为5，中心喷嘴7出口直径为14mm，钻头侧喷嘴6出口直径为12mm。
[0020] 钢体粒子在钻井液的加速下分别从四个喷嘴中射出，冲击破碎井底岩石形成裂隙，然后在高压喷射的钻井液和钻头切削齿4联合破岩的作用下，裂隙迅速发展和扩大，岩石进一步破碎。破碎后的所有岩屑通过排泄槽由钻井液带出。该钻头适用于钻遇极坚硬和极耐磨性的地层，可以大幅度提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的2到3倍。
【权利要求】
1.一种三刀翼粒子冲击钻头，包括钻头基体⑴和钻头中心体(2)，其特征在于:钻头中心体(2)外周均布有三个刀翼(5)，相邻刀翼(5)之间为排屑槽，刀翼(5)的外端面上分布有保径齿(3)，保径齿(3)的外部和底部分布有切削齿(4)，贯穿刀翼(5)内部设置流道(8)，流道(8)末端安装侧喷嘴(6)，钻头中心体(2)上设置中心喷嘴(7);刀翼为弧形，每个刀翼(5)上布置5个保径齿(3)和14个切削齿(4);侧喷嘴(6)为锥直形，侧喷嘴(6)与钻头中心线呈12°?16°布置，中心喷嘴(7)与钻头中心线呈20°?24°，侧喷嘴(6)圆柱段长度与出口直径比值为5，中心喷嘴(7)的出口直径为12?16mm，侧喷嘴(6)的出口直径为10?14mm ;中心喷嘴(7)出口直径为14mm，钻头侧喷嘴(6)出口直径为12mm。
【文档编号】E21B10/38GK204002567SQ201420166653
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】李庆陆, 潘滨, 徐依吉, 李海渤, 李萍萍, 黄泽超, 李建波, 周毅, 蔡春雷, 王瑞英 申请人:中国石油大学(华东)