剪切定向喷射喷嘴及钻头

1.本发明涉及一种剪切定向喷射喷嘴及钻头，属于石油钻采领域。


背景技术：

2.随着石油钻井深度不断增加，地层硬度不断增加，岩石可钻性逐渐降低，导致钻井周期长、成本高的难题日益突出。据统计，深井硬地层占整口井的进尺20％左右，但是钻井成本占总钻井成本的70％左右。以川西北双鱼石构造钻进为例，平均单只钻头进尺34.28m，平均机械钻速0.44m/h。理论与实践证明，通过改善钻头井底流场，迅速冷却钻头切削齿，使岩屑及时离开切削齿和钻头井底，可有效提高井下钻头工作效率和寿命。
3.为此，本发明提出了一种剪切定向喷射喷嘴及钻头，剪切定向喷射喷嘴可喷射扇形剪切定向射流，有效增加射流作用面积，提高切削齿与地层接触区域的射流速度，迅速冷却切削齿，并使产生的岩屑及时排出，有效提高井下钻头的工作效率和寿命，达到提高钻井速度，降低钻井成本的目的。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种能够喷射扇形剪切定向射流，有效增加射流作用面积，提高切削齿与地层接触区域的射流速度，迅速冷却切削齿，并使岩屑及时离开切削齿和排出钻头井底，有效提高钻头效率和寿命的剪切定向喷射喷嘴及钻头。
5.本发明所述的剪切定向喷射喷嘴及钻头，包括钻头基体、刀翼、切削齿、内流道、上密封盘、上密封盘密封圈、静止盘、弹簧、喷嘴外筒、过滤网、上推力轴承、喷嘴外筒密封圈、球轴承、主轴、下推力轴承、下密封盘密封圈、主轴密封圈、下密封盘、剪切喷头、剪切流道组成。钻头刀翼设置在钻头基体上，钻头基体为剪切定向喷射钻头的基体，刀翼上安装切削齿，切削齿用于机械破碎地层岩石，内流道设置在钻头基体内部，用于输送钻井液，钻井液自钻头基体内部进入内流道并进入剪切定向喷射喷嘴中，在钻头基体上内流道下部设置内螺纹，与喷嘴外筒的外螺纹配套连接。喷嘴外筒密封圈设置在喷嘴外筒光滑壁面上，喷嘴外筒通过螺纹连接到钻头基体后，钻头基体内孔存在台阶，将喷嘴外筒密封圈压紧，实现剪切定向喷射喷嘴与钻头基体的密封。上密封盘设置在静止盘外部及喷嘴外筒内部，通过螺纹与喷嘴外筒连接，上密封盘用于设置上密封盘密封圈并压住下部弹簧，上密封盘密封圈设置在上密封盘内部，并套在静止盘上，用于密封静止盘与上密封盘空隙。静止盘设置在上密封盘内部，静止盘内孔流经钻井液，静止盘不旋转，静止盘为耐磨材料，静止盘下部表面光滑，并与主轴的上部端面形成啮合面。弹簧设置在上密封盘和静止盘之间，用于推压静止盘贴近主轴端面，静止盘端面与主轴端面不断摩擦，弹簧不断压入补充摩擦余量，使静止盘与主轴始终贴紧，实现静止盘与主轴之间密封，主轴设置在静止盘下部，主轴可自由旋转，主轴为耐磨材料。过滤网设置在静止盘与主轴内部，用于过滤钻井液中杂质，防止钻井液中杂质进入到静止盘与主轴啮合面，导致啮合面磨损，发生密封失效。上推力轴承设置喷嘴外筒内部，并套在主轴上，使主轴能够承受一定推力并自由旋转，球轴承设置在上推力轴承下
部，并套在主轴上，球轴承设置两个，使内部主轴居中并自由旋转，下推力轴承设置在球轴承与下密封盘之间，用于承受下密封盘的推力并使主轴自由旋转。下密封盘设置在喷嘴外筒与主轴之间，用于支撑压紧上部轴承，下密封盘密封圈设置在下密封盘与喷嘴外筒之间，用于密封下密封盘与喷嘴外筒之间空隙，主轴密封圈设置在主轴与下密封盘之间，用于密封主轴与下密封盘之间空隙。剪切喷头设置在主轴下部，通过螺纹与主轴连接，剪切喷头对钻井液增压并喷射高压射流，高压射流一部分向下喷射，辅助钻头机械破岩，另一部分经过剪切流道，喷射剪切射流，可提高切削齿与地层接触区域的射流速度，迅速冷却切削齿，并使岩屑及时离开切削齿区域，剪切流道偏心设置，可产生剪切喷头旋转需要的扭矩，使剪切喷头旋转，喷射出扇形剪切定向喷射射流，有效提高射流作用面积，优化井底流场结构，使岩屑及时迅速离开井底。钻井液流向为由钻头基体内腔进入内流道，从内流道进入静止盘内孔，继续流过主轴内孔，从主轴内孔进入剪切喷头，喷射旋转剪切射流。
6.本发明的有益效果是：
7.通过在井底喷射旋转剪切射流，利用剪切定向喷射喷嘴及钻头，实现钻头喷射扇形旋转剪切射流，有效增加射流作用面积，提高切削齿与地层接触区域的射流速度，迅速冷却切削齿，并使产生的岩屑及时离开切削齿区域，并排出井底，有效提高井下钻头的工作效率和寿命，提高钻井速度，降低钻井成本。
附图说明
8.图1为本发明的结构示意图。
9.图2为图1中a-a的仰视图。
10.图中：1、钻头基体；2、刀翼；3、切削齿；4、内流道；5、上密封盘；6、上密封盘密封圈；7、静止盘；8、弹簧；9、喷嘴外筒；10、过滤网；11、上推力轴承；12、喷嘴外筒密封圈；13、球轴承；14、主轴；15、下推力轴承；16、下密封盘密封圈；17、主轴密封圈；18、下密封盘；19、剪切喷头；20、剪切流道。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明做进一步描述：
12.如图1～2所示，本发明所述的剪切定向喷射喷嘴及钻头，包括钻头基体1、刀翼2、切削齿3、内流道4、上密封盘5、上密封盘密封圈6、静止盘7、弹簧8、喷嘴外筒9、过滤网10、上推力轴承11、喷嘴外筒密封圈12、球轴承13、主轴14、下推力轴承15、下密封盘密封圈16、主轴密封圈17、下密封盘18、剪切喷头19、剪切流道20。钻头刀翼2设置在钻头基体1上，钻头基体1为剪切定向喷射钻头的基体，刀翼2上安装切削齿3，切削齿3用于机械破碎地层岩石，内流道4设置在钻头基体1内部，用于输送钻井液，钻井液自钻头基体1内部进入内流道4并进入剪切定向喷射喷嘴中，在钻头基体1上内流道4下部设置内螺纹，与喷嘴外筒9的外螺纹配套连接。喷嘴外筒密封圈12设置在喷嘴外筒9光滑壁面上，喷嘴外筒9通过螺纹连接到钻头基体1后，钻头基体1内孔存在台阶，将喷嘴外筒密封圈12压紧，实现剪切定向喷射喷嘴与钻头基体1的密封。上密封盘5设置在静止盘7外部及喷嘴外筒9内部，通过螺纹与喷嘴外筒9连接，上密封盘5用于设置上密封盘密封圈6并压住下部弹簧8，上密封盘密封圈6设置在上密封盘5内部，并套在静止盘7上，用于密封静止盘7与上密封盘5空隙。静止盘7设置在上密封
盘5内部，静止盘7内孔流经钻井液，静止盘7不旋转，静止盘7为耐磨材料，静止盘7下部表面光滑，并与主轴14的上部端面形成啮合面。弹簧8设置在上密封盘5和静止盘7之间，用于推压静止盘7贴近主轴14端面，静止盘7端面与主轴14端面不断摩擦，弹簧8不断压入补充摩擦余量，使静止盘7与主轴14始终贴紧，实现静止盘7与主轴14之间密封，主轴14设置在静止盘7下部，主轴14可自由旋转，主轴14为耐磨材料。过滤网10设置在静止盘7与主轴14内部，用于过滤钻井液中杂质，防止钻井液中杂质进入到静止盘7与主轴14啮合面，导致啮合面磨损，发生密封失效。上推力轴承11设置喷嘴外筒9内部，并套在主轴14上，使主轴14能够承受一定推力并自由旋转，球轴承13设置在上推力轴承11下部，并套在主轴14上，球轴承13设置两个，使内部主轴14居中并自由旋转，下推力轴承15设置在球轴承13与下密封盘18之间，用于承受下密封盘18的推力并使主轴14自由旋转。下密封盘18设置在喷嘴外筒9与主轴14之间，用于支撑压紧上部轴承，下密封盘密封圈16设置在下密封盘18与喷嘴外筒9之间，用于密封下密封盘18与喷嘴外筒9之间空隙，主轴密封圈17设置在主轴14与下密封盘18之间，用于密封主轴14与下密封盘18之间空隙。剪切喷头19设置在主轴14下部，通过螺纹与主轴14连接，剪切喷头19对钻井液增压并喷射高压射流，高压射流一部分向下喷射，辅助钻头机械破岩，另一部分经过剪切流道20，喷射剪切射流，可提高切削齿3与地层接触区域的射流速度，迅速冷却切削齿3，并使岩屑及时离开切削齿3区域，剪切流道20偏心设置，可产生剪切喷头19旋转需要的扭矩，使剪切喷头19旋转，喷射出扇形剪切定向喷射射流，有效提高射流作用面积，优化井底流场结构，使岩屑及时迅速离开井底。钻井液流向为由钻头基体1内腔进入内流道4，从内流道4进入静止盘7内孔，继续流过主轴14内孔，从主轴14内孔进入剪切喷头19，喷射剪切定向喷射射流。