一种刀翼上具有可调节喷嘴的PDC钻头

一种刀翼上具有可调节喷嘴的pdc钻头
技术领域
1.本发明专利涉及石油天然气、地下资源开采、地质、水文勘探、建筑基础工程施工领域，特别涉及一种刀翼上具有可调节喷嘴的pdc钻头。


背景技术：

2.钻头是在钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具。在钻头钻进的过程中，除了齿刃对岩石的冲击破碎外，钻井液对井底岩石的打击、岩屑的运移、钻头头部的冷却也是钻进的重要因素。在现代钻井技术中，除了需要钻头具有优良破岩切削结构以外，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中，钻井液的主要作用在于对岩屑的运移，对井底的清洗，对pdc齿等切削结构的冷却。由于常规钻头的结构存在流体的滞止和涡流区域，在此区域内流体的速度缓慢，滞止区域的产生对于钻头和切削齿等会产生不利的影响，即不利于岩屑的携带和井底清洗，也不利于钻头的冷却。在面对砂岩层等软地层时，钻头不能进行及时的岩屑运移，从而导致岩屑的不断堆积，最终引起钻头失效。在面对花岗岩等硬质岩层时，切削齿不能得到有效的散热，最终引起热失效，同时流体的高压冲击力也没能有效作用于岩石，对钻头的切削没能起到辅助切削的作用。
3.近年来，随着地热资源的开发，地热井的钻探温度已经达到了150摄氏度甚至更高。常规水孔钻头已不能满足在地热井中钻探所需的冷却和清洗的需求。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。
4.随着深层和超深层资源的勘探开发，对现有钻探技术提出了更高的要求。其中，钻头特别是pdc钻头面临复杂难钻的地层环境。特别是在深部钻探的过程中，钻头会遇到多种不同类型的岩层，不同岩层对于钻探的需求也不同。同一钻头难以满足在钻探过程中的不同需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对上述现有技术的不足之处，提出一种刀翼上具有可调节喷嘴的pdc钻头，用以解决钻头在深部钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。
6.本发明目的通过下述技术方案来实现：
7.一种刀翼上具有可调节喷嘴的pdc钻头，包括钻头本体，由本体延伸出的长短刀翼以及具有偏转角度的可调节喷嘴。所述钻头本体在刀翼间设置有流道，所述刀翼前方设置有pdc切削齿，后方设置有能够安装喷嘴的喷水孔座。所述可调节喷嘴位于刀翼后方，喷嘴由上下两端组成，喷嘴喷射方向可通过上下两端的相对转动进行调节，所述可调节喷嘴射流通过上下部分的转动实现打击破碎岩石，增强携岩以及减少钻头底部流体滞止区域等不同的功能。
8.上述方案中，可调节喷嘴通过上下两端的相对转动实现射流方向的改变。高压射
流在打击岩石表面时，可以增加岩石裂隙，实现对岩石的预破碎，从而降低pdc齿的切削力，大大提高钻头的钻进效率，降低pdc齿的热磨损；高压射流在冲击钻头流道时，可以增加钻井液的携岩能力，增强钻井液的清洗井底的能力，同时减小井底流体滞止和回流区域的面积，从而大大提高岩石的钻进效率。
9.作为选择，至少有一个刀翼后端面设置有刀翼水孔，该刀翼水孔入口端连通至钻头内流道，刀翼水孔出口端安装有所述可调节喷嘴。
10.上述方案中，可调节喷嘴设置在刀翼后端面上，喷嘴可面临的喷射方向包括井底岩石、pdc齿面、刀翼后方的流道以及其他流道。
11.作为选择，所述设置有可调节喷嘴的刀翼水孔与钻头轴线具有倾斜角度，倾斜角度范围在10～80
°
之间。
12.上述方案中，刀翼后端面的倾斜决定了喷嘴水孔所面临的范围。较高的倾斜角度使喷嘴面临的岩石范围更大，更有利于流体对岩石的打击破碎；较低的倾斜角度使喷嘴面临的流道范围更大，更有利于流体的携岩。
13.作为选择，所述可调节喷嘴具有上部和下部两个部分，所述喷嘴通过两个部分的相对转动实现喷射方向的360度调节。
14.上述方案中，分离式的喷嘴结构更利于其角度的调节，使得本发明中喷嘴角度调节的效果更好，同时便于喷嘴的制造。
15.作为选择，所述可调节喷嘴包括收敛型喷嘴、圆柱型喷嘴、矩形喷嘴、扇形喷嘴以及它们之间的组合，且出口段流道具有偏转角度，该偏转角度范围在10～90
°
之间。
16.作为选择，所述可调节喷嘴出口包括原形、矩形、椭圆型、扇形、扁长型以及它们之间的组合。
17.上述方案中，在可调节喷嘴中不同的喷嘴结构，可以使得射流产生不同的效果。在可调节喷嘴中设置异性喷嘴和出口时，能形成冲击能量更低，冲击范围更广的射流，有利于增强排屑能力，降低切削齿的热磨损，进而提高钻头的钻进能力。在可调节喷嘴设置收敛型喷嘴时，能形成更强的冲击力，增强对岩石的预打击能力，进而使得钻头的钻进能力更强。可调节喷嘴具有偏转角度，与刀翼水孔的倾斜角度相配合，使得喷嘴具有更大的喷射范围，可覆盖包括钻头流道槽、pdc齿以及岩石等钻头在井底的大部分区域。
18.作为选择，所述可调节喷嘴通过喷嘴上部偏转角度与下部的旋转角度组合实现圆锥空间范围内可调节喷射，对应喷射区域包括井底岩石、喷嘴前方的流道或其他流道、喷嘴前方的pdc齿面区域。
19.上述方案中，由于不同pdc齿钻头刀翼的设计不同，可调节喷嘴的可喷射范围在上述区域的携岩、冲击效果更佳。
20.作为选择，所述可调节喷嘴的上下端连接方式包括螺纹连接、轴销连接、法兰连接以及它们之间的组合。
21.上述方案中，不同的连接方式可以使可调节喷嘴的转向方式产生差异。螺纹连接更利于可调节喷嘴的调节，轴销连接和法兰连接更利于喷射角度的固定。
22.作为选择，所述所述刀翼后端面可以布置一个喷嘴或多个喷嘴。
23.上述方案中，增加喷嘴的数量可以提高钻井液喷射覆盖的面积，提高钻井液的携岩效率，增强钻井液的冲击能力。
附图说明
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
25.图1为本发明实施例提供的一种钻头结构示意图。
26.图2为图1的上视图。
27.图3为图1的正视图。
28.图4为图3的剖视视图(沿图3的a-a剖视图)。
29.图5为本发明实施例提供的一种具有偏转流道的可调节喷嘴结构示意图。
30.图6为本发明实施例提供的不同偏转角度的喷嘴上部截面示意图(喷嘴出口段偏转角度(b)示意图)。
31.图7为当喷嘴角度面向pdc齿时喷嘴射流喷射pdc齿示意图(刀翼水孔偏转角度(a)示意图)。
32.图8为当喷嘴角度面向岩石时喷嘴射流喷射井底岩石示意图。
33.图9为当喷嘴角度面向流道时喷嘴射流喷射流道示意图。
34.附图中标记相应零部件名称：1-钻头本体；101-钻头内流道；2-钻头外流道槽；201-钻头外流道槽水孔；3-刀翼；31-pdc齿；32-刀翼水孔；33-刀翼水孔流道；301-刀翼前端面；302-刀翼后端面；4-可调节喷嘴；41-喷嘴上部；42-喷嘴下部；401-连接喷嘴的螺纹；411-喷嘴出口段；412-喷嘴收敛段；5-钻井液；6-岩石；
具体实施方式
35.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
36.实施例
37.本发明实施例提供了一种刀翼上具有可调节喷嘴的pdc钻头。请参阅图1，图2以及图3。包括钻头本体1，延伸自钻头本体1的刀翼3和钻头外流道槽2，所述刀翼3包括刀翼前侧面301和刀翼后侧面302，所述刀翼上设置有pdc切削齿31和刀翼水孔32，刀翼水孔流道33与钻头内流道101相连接，所述钻头外流道槽2设置有与钻头内流道101相连接的钻头外流道槽水孔201，所述刀翼水孔上安装有可调节喷嘴4。本发明中可调节喷嘴4可以调节喷嘴的喷射方向。通过调节喷嘴的不同喷射方向，钻井液可以实现提高携岩排屑能力，降低钻头底部流体滞止区域，对岩石进行预打击以降低切削齿切削力等不同的功能。在应对诸如砂岩层、花岗岩层等不同的地层时，可以通过改变喷嘴的喷射方向以提高钻头的某一特定能力，大大提升钻头面对复杂难钻地层的通过能力和钻进效率。
38.本发明中，所述可调节喷嘴4由喷嘴上部41和喷嘴下部42组成，所述喷嘴上部包括有喷嘴出口段411和喷嘴收敛段412,所述喷嘴上部41和喷嘴下部42通过连接螺纹401连接，如图5所示。所述可调节喷嘴下部42与刀翼水孔32连接固定(如图4所示)，可调节喷嘴上部41通过连接螺纹401的旋转实现喷射方向的改变，进而实现对不同目标的喷射，达到不同的
优化目的。
39.作为优选例，所述可调节喷嘴包括收敛型喷嘴、圆柱型喷嘴、矩形喷嘴、扇形喷嘴以及它们之间的组合，且出口段流道具有偏转角度b，该偏转角度范围在10
°
《b《90
°
，如图6所示。较大的喷嘴偏转角度增大了流体对井底岩石和流道的覆盖范围，有利于提高射流对岩石的打击能力和携岩能力。
40.作为优选例，所述设置有可调节喷嘴的刀翼水孔与钻头轴线具有倾斜角度a，倾斜角度范围为10
°
《a《80
°
,如图7所示。刀翼水孔的偏转角度与钻头出口段流道偏转角度配合，可以扩大喷嘴的喷射范围，满足实际工作的需求。
41.作为优选例，pdc齿在切削岩石时，会产生大量的切削热和携带有切削热的岩屑，在冷却不及时的情况下，pdc齿会产生热磨损，影响钻头的使用寿命。基于此，本发明实施例中将收喷嘴面向pdc齿时，钻井液对pdc齿进行直接润滑和冷却，增强的pdc齿的耐用性，提高钻头的使用寿命，如图7所示。
42.作为优选例，在面临硬质岩石层时，切削齿的切削能力会大打折扣，出现难钻等问题。基于此，本发明实施例中将收敛型喷嘴面向岩石时，钻井液流体会侵入岩石，破坏岩石微观结构，以达到对岩石进行预打击的目的，如图8所示。
43.作为优选例，在面临软质岩石时，由切削齿产生的岩屑较多，若不能及时排屑，可能会造成岩屑拥堵形成泥包。基于此，本发明实施例中将喷嘴面向流道时，钻井液将沿流道迅速向上方流动，形成对岩屑的快速运移，如图9所示。
44.本技术适合于各种采用pdc刀翼作为切削结构的钻头，切削元件为pdc齿的钻头或其他各种不同种类复合钻头，以适应钻井中不同地层条件的需求。
45.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。