赫姆霍兹式脉冲内磨钻头的制作方法

本实用新型属于油气井钻井领域，具体设计一种用于赫姆霍兹式脉冲内磨钻头。

背景技术：

水平井钻井中，往往由于携岩不利、清岩不及时导致岩屑堆积，产生岩屑床，严重制约着机械钻速和钻井成本，导致憋泵、蹩钻，甚至卡钻等钻井复杂事故的发生。常规的解决方法多为提高钻速、增大排量、添加润滑剂，通过短距离上提下放钻具，将钻头附近的大颗粒岩屑推回井底重复破碎，虽然有一定的效果，但是降低了机械钻速，不能从根本上清除水平井岩屑床。产生岩屑床一个很重要的原因就是大颗粒岩屑得不到有效地粉碎，理论研究和现场试验都充分证明，小尺寸岩屑的携岩效率明显优于大尺寸岩屑。因此将大颗粒岩屑粉碎为更小粒径可以更好地清除岩屑床。

赫姆霍兹振荡器具有结构简单，无附加驱动源，靠自身结构就能产生脉冲射流等优点，具备良好的应用前景。其产生的脉冲射流以其非对称、非均匀、不稳定特性，相对常规稳态射流，可极大提高水力辅助破岩效率，同时在钻头附近形成局部低压区，减少环空液体柱压力对井底岩石的压持效应。理论研究和现场试验均证明脉冲射流在钻井领域有着相当广阔的应用前景，而将脉冲射流运用于钻头设计也已经被理论和实验证明其可行性。

射流泵在采油、固井等领域已经得到大规模的应用，而如何将射流泵理论应用于岩屑的清岩、携岩却是一个新问题，将基于射流泵的负压抽汲理论应用于新型钻头的设计是一个新方向，也为清除水平井岩屑床提供一种新思路。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于利用高速脉冲射流提高水力辅助破岩效率。为实现第一目的，本实用新型的脉冲内磨钻头设计了赫姆霍兹振荡器。

所述的赫姆霍兹振荡器包括上流道、谐振腔、冲击壁、下流道和分流区；上流道、谐振腔、下流道和分流区均为圆柱形构造，依次对接连通，分流区出口与反向高速流道、下喷流道连通；管径优化为：上流道管径为下流道的1.5倍，谐振腔管径为下流道的3倍，分流区管径与谐振腔相同；冲击壁附于谐振腔底部，为150°锥形结构于下流道相交。

稳态钻井液经上流道的收缩截面形成高速射流束，是钻井液进入振荡器的通道；下流道：上游射流束流经下流道，其收缩截面使射流束产生压力瞬变，并将压力瞬变向上传递；谐振腔：上游射流束不稳定剪切层在其中产生压力扰动波，并与冲击壁发生碰撞；上返的压力瞬变与不稳定剪切层产生的压力扰动波在谐振腔碰撞，干涉形成大尺度的涡环结构，从而获得脉冲射流；分流区与下喷流道、反向高速流道相连通，实现流量分配。

下喷流道与分流区连通，出口在钻头端部，内部可安装脉冲喷嘴，实现水力辅助高效破岩、清岩，冷却润滑钻头和携带岩屑。

本实用新型的第二目的是在于利用反向射流抽汲井底岩屑，减小压持效应，提高机械钻速。为实现第二目的，本实用新型的脉冲内磨钻头设计了反向高速流道和抽汲腔。

反向高速流道与分流区相连通，出口在混合腔，基于射流泵原理，凭借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底产生负压，抽汲岩屑上返；抽汲腔与钻头端部排屑槽相连通，出口在混合腔，是岩屑抽汲上返的通道。

本实用新型的第三目的在于减小岩屑粒径，提高水平井携岩效率，清除岩屑床。为实现第三目的，本实用新型的脉冲内磨钻头设计了岩屑内磨结构，包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、旁通和扩散腔。

混合腔与抽汲腔、反向高速流道相连通，出口与喉道对接连通，实现岩屑与反向高速流体的混合；高压脉冲射流经反向流道高速喷出，压力迅速释放，在混合腔内形成负压，在负压的作用下，岩屑被高速射流束抽汲进入混合腔，形成两相高速紊流。

喉道与加速腔对接连通，设计为圆柱形构造，管径为加速腔管径的0.5倍，以增强反向射流的冲击力，充分加速岩屑。其收缩截面增强反向射流冲击力。

加速腔与内磨腔对接连通，设计为圆柱形构造，凭借钻井液粘滞力加速岩屑，实现主流体与岩屑之间的能量传递，避免附壁流、提高射流能量利用率。

内磨腔与加速腔相连通，为棱柱形构造，横截面为加速腔圆形截面的外接正六边形，内磨腔轴线与加速腔轴线设计呈138°夹角；内磨体附于内磨腔中，正对加速腔，以减小钻井液流动阻力、充分粉碎岩屑，利用颗粒-颗粒和颗粒-内磨体之间的高压作用力、水楔效应粉碎岩屑。

扩散腔和旁通均与内磨腔相连通，均为圆柱形构造，扩散腔轴线与内磨腔呈138°夹角并接环空，旁通与内磨腔共轴线，以减小岩屑流对井壁的冲击。当岩屑流速度降下来之后，将粉碎后的岩屑外排入环空。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)赫姆霍兹谐振腔结构简单，无附加驱动源，靠自身结构形成大尺度的涡环结构，将稳态射流束转换为脉冲射流；

(2)脉冲射流非均匀、非对称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩和钻井液清洗井底的能力，同时脉冲射流在钻头附近形成局部低压区，减少环空液体柱压力对井底岩石的压持效应；

(3)反向高速流道产生的反向高速射流在抽汲腔-钻头底部形成负压区，抽汲岩屑，减小压持效应，提高机械钻速；

(4)内磨削结构通过内磨高压作用力、水楔效应粉碎岩屑，减小岩屑粒径，提高钻井液携岩效率，清除水平井岩屑床。

附图说明

图1为一种赫姆霍兹式脉冲内磨钻头示意图。

图2为图1中A-A剖面示意图。

图3为图1中B-B剖面示意图。

图4为图1中C-C剖面示意图。

图5为图1中D-D剖面示意图。

图6为图1中E-E剖面示意图。

图7为图1中F-F剖面示意图。

图8为图1的右视示意图。

图1中：1、扩散腔，2、旁通，3、内磨腔，4、加速腔，5、分流区，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下喷流道，9、上流道，10、谐振腔，11、内磨体，12、冲击壁，13、钻头本体，14、下流道，15、喉道，16、反向高速流道，17、刀翼。

具体实施方式

如图1所示，一种用于赫姆霍兹式脉冲内磨钻头，包括：1、扩散腔，2、旁通，3、内磨腔，4、加速腔，5、分流区，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下喷流道，9、上流道，10、谐振腔，11、内磨体，12、冲击壁，13、PDC钻头本体，14、下流道，15、喉道，16、反向高速流道，17、刀翼。主要为四个主要部分：赫姆霍兹脉冲生成部分、机械破岩部分、负压抽汲部分和岩屑内磨部分。

赫姆霍兹脉冲生成部分包括上流道9、谐振腔10、冲击壁12、下流道14、分流区5，形成大尺度的涡环结构，产生脉冲射流。如图1所示，稳态钻井液经过上流道9形成高速流动的射流束，并进入谐振腔10；在谐振腔10中，射流束的不稳定剪切层产生压力扰动波；当射流束到达下流道14，经收缩截面作用，产生压力瞬变并以声速向上游反射；同时，上游射流束与冲击壁12发生碰撞反射；经下流道14产生的压力瞬变与高速射流束剪切层产生的压力扰动波在谐振腔10中发生干涉，形成大尺度的涡环结构。在大尺度涡环结构的作用下，射流束转变成断续涡旋，从而得到脉冲射流。得到的脉冲射流经分流区5分别流向反向高速流道16和下喷流道8。

机械破岩部分包括下喷流道8和刀翼17，机械破岩。如图1所示，下喷的高速脉冲射流经下喷流道8喷出，凭借非对称、非均匀的脉冲射流水力辅助高效破岩、搅动和清洁岩屑，并作为主流体携带岩屑进入抽汲腔7。

负压抽汲部分包括反向高速流道16和抽汲腔7，抽汲岩屑上返，减小压持效应。如图1所示，上返的钻井液脉冲射流经反向高速流道16喷出，形成反向高聚能射流，其高速特性在抽汲腔7-钻头底部形成负压，在负压作用下，高浓度岩屑被抽汲脱离井底，在混合腔6实现与上返流体的混合。

岩屑内磨部分包括混合腔6、喉道15、加速腔4、内磨腔3、内磨体11、旁通2和扩散腔1，减小岩屑粒径，高效携岩。如图1所示，混合后的钻井液-岩屑流经喉道15进入加速腔4，由于钻井液粘滞力作用，岩屑获得加速并在内磨腔3与内磨体11产生碰撞；在内磨腔3中，由于颗粒与颗粒、颗粒与内磨体11之间的高压作用力和水楔效应，岩屑被粉碎，其速度降下来之后经扩散腔1和旁通2排出。