一种自吸式粒子冲击钻头

1.本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种自吸式粒子冲击钻头。


背景技术：

2.粒子冲击钻井技术是近年来兴起的一项新型高效钻井技术，区别于传统的钻头与高压水射流钻井，粒子冲击钻井通过地面泵送高速坚硬球形粒子，形成以冲击破碎为主、高速水力破岩和钻头机械破岩为辅的钻井破岩方法。这种技术的优点在于，较高的粒子冲击速度能够形成瞬时冲击接触应力，从而有效提高坚硬地层、强研磨性地层的破岩效率。但这种技术存在地面粒子循环设备造价高昂，粒子对管柱的冲蚀严重，粒子回收率低等问题。
3.通过井下近钻头工具吸收环空岩屑颗粒，从而实现粒子冲击破岩已成为一种新的选择，但这种方法仍存在许多弊端。首先工具的尺寸通常较小，吸入的岩屑难以加速到有效的冲击速度，破岩效果不佳；其次吸入的岩屑流体流速较低，难以与工具中心的高速钻井液充分混合，导致粒子附壁在钻具内壁面上，各喷嘴分配的含粒子射流不均匀；三是目前的粒子冲击工具通常配合常规钻头使用，形成的含粒子射流不能有效的释放井底原岩应力，导致提速效果不明显。


技术实现要素：

4.为了解决现有粒子冲击工具的粒子速度低、与钻井液混合不充分、工具与钻头不适配的问题，本发明提供一种自吸式粒子冲击钻头，以提高井下自吸式粒子冲击钻井的破岩效率。
5.本发明采用的技术方案为：一种自吸式粒子冲击钻头，所述自吸式粒子冲击钻头的钻头胎体的前端设有圆周均布的刀翼，其后端设有钻头接头、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴、混合腔和加速腔，加速腔前端设有中心喷嘴，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴位于冠顶鼻部和刀翼之间，所述吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔。
6.进一步地，所述混合腔的中间段的内壁设有坡道。
7.进一步地，所述刀翼的冠面由冠顶鼻部和保径段组成，钻头中心无刀翼，刀翼上布设有pdc切削齿，用于切削破碎岩石。
8.进一步的，所述自吸式粒子冲击钻头的胚胎内部为吸入-混合-加速三段式结构。
9.进一步地，所述钻头胎体整体为桶状结构，胎体的前腔为喇叭形扩口，内部含有中心喷嘴，其前端布设有刀翼，刀翼间布设有鼻部喷嘴，钻头胎体的前部和刀翼后方布设有用于吸收环空岩屑的吸入孔。
10.进一步地，所述吸入喷嘴布设在钻头内部的后端，喷嘴出口处布设有用于联通钻头外部的环空吸入孔，钻头胎体外壁的吸入口位于刀翼的后方。
11.进一步地，所述混合腔为一段具有三段坡道的混合管，三段坡道从前至后内径逐渐增大，每段坡道的下部坡度大于上部坡度，上部坡度较缓；其作用为利用开尔文-亥姆赫兹原理，使得吸入喷嘴产生的中心高速钻井液射流与吸入口吸入的低速含岩屑流体发生卷
吸作用，从而提高粒子混合程度。中心高速射流的射流边缘首先撞击第一段坡道，在坡道作用下产生涡旋，从而与低速含岩屑流体发生卷吸，形成混合，并产生射流发散；发散的射流进一步与第二、三段流道发生碰撞和卷吸，从而大幅提高岩屑粒子与钻井液的混合程度。
12.进一步地，加速腔前端的中心喷嘴布设于钻头胎体前端的中心位置，形成钻头的主要射流；鼻部喷嘴布设在各刀翼之间，使射流作用在冠顶鼻部处，加速系统使钻井液在有限的空间内，使含岩屑粒子的钻井液加速到有效射流速度；钻头工作时，中心喷嘴形成的射流占据射流的主要部分，可形成较大的破碎坑，可有效避免传统钻头中心布齿少所导致的应力集中损伤；鼻部喷嘴形成的射流冲击岩石造成破碎和微裂缝，可有效释放冠顶处的原岩应力，减小冠顶鼻部的应力集中，从而减小pdc切削齿的磨损，提高钻头使用寿命和破岩效率。
13.本发明的有益效果：本发明提供一种自吸式粒子冲击钻头，以提高井下自吸式粒子冲击钻井的破岩效率。其主要优点如下：（1）、吸入-混合-加速三段式结构使得钻头在有限的空间内充分提高环空岩屑与钻井液的混合度，并使射流达到有效射流速度，从而大幅提高粒子冲击钻头的破岩效率；（2）、中心喷嘴与鼻部喷嘴的布设使得钻头能够充分发挥粒子射流的冲击效果，有效释放钻头中心和冠顶鼻部处的原岩应力，从而避免或减小了钻头中心和冠顶鼻部处的应力集中导致的磨损和损坏。
附图说明
14.图1是实施例一的立体结构示意图；图2是实施例一的截面示意图；图3是实施例一中混合腔的结构示意图。
实施方式实施例
15.参照各图，一种自吸式粒子冲击钻头，所述自吸式粒子冲击钻头的钻头胎体1的前端设有圆周均布的刀翼3，其后端设有钻头接头2、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴7、混合腔8和加速腔9，加速腔9前端设有中心喷嘴4，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴5位于冠顶鼻部和刀翼之间，所述吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔6；所述混合腔的中间段的内壁设有坡道10；所述刀翼的冠面由冠顶鼻部和保径段组成，钻头中心无刀翼，刀翼上布设有pdc切削齿，用于切削破碎岩石；自吸式粒子冲击钻头的胚胎内部为吸入-混合-加速三段式结构。
16.钻头工作时，钻井液从吸入喷嘴高速喷出，形成低压场，环空流体在压差作用下，从吸入口进入钻头内部。吸入喷嘴喷出的高速射流与环空吸入的低速含岩屑流体由于流速和粘度不同发生卷吸作用，开始混合。高速射流发散撞击到混合腔坡道上，加强了卷吸作用，含岩屑环空流体被卷入到射流中心，而不是附着在壁面上。射流逐级通过混合腔坡道不断发散、卷吸和升压。充分混合后的射流通过加速腔，将钻井液加速至有效冲击速度，并分配给中心喷嘴和鼻部喷嘴。中心喷嘴的射流作用在钻头中心，形成粒子冲击破岩，一方面减
小了钻头中心的磨损，另一方面钻头胎体的喇叭形扩口结构能够形成一定高度的岩心柱，从而提高钻头的侧向稳定性。鼻部喷嘴形成的粒子射流有效释放冠顶鼻部岩石的原岩应力，造成微裂缝降低岩石强度，提高破岩效率的同时能够减小冠顶鼻部切削齿的磨损。
17.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种自吸式粒子冲击钻头，其特征在于：所述自吸式粒子冲击钻头的钻头胎体的前端设有圆周均布的刀翼，其后端设有钻头接头、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴、混合腔和加速腔，加速腔前端设有中心喷嘴，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴位于冠顶鼻部和刀翼之间，所述吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔。2.根据权利要求1所述的一种自吸式粒子冲击钻头，其特征在于：所述混合腔的中间段的内壁设有坡道。3.根据权利要求1所述的一种自吸式粒子冲击钻头，其特征在于：所述刀翼的冠面由冠顶鼻部和保径段组成，刀翼上布设有pdc切削齿。4.根据权利要求1所述的一种自吸式粒子冲击钻头，其特征在于：所述自吸式粒子冲击钻头的胚胎内部为吸入-混合-加速三段式结构。

技术总结
本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种自吸式粒子冲击钻头，钻头胎体的前端设有圆周均布的刀翼，其后端设有钻头接头、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴、混合腔和加速腔，加速腔前端设有中心喷嘴，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴位于冠顶鼻部和刀翼之间，吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔。吸入-混合-加速三段式结构使得钻头在有限的空间内充分提高环空岩屑与钻井液的混合度，使射流达到有效射流速度，从而大幅提高粒子冲击钻头的破岩效率。中心喷嘴与鼻部喷嘴的布设使得钻头能够充分发挥粒子射流的冲击效果，有效释放钻头中心和冠顶鼻部处的原岩应力，从而避免或减小了钻头中心和冠顶鼻部处的应力集中导致的磨损和损坏。致的磨损和损坏。致的磨损和损坏。


技术研发人员：盖京明 李玮 赵欢 张强 焦圣杰 邹林浩
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/7