一种旋转自进式喷头、钻井工具和应用的制作方法

1.本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种旋转自进式喷头、包括该旋转自进式喷头的钻井工具和应用。


背景技术：

2.井下动力钻具为接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底的动力机。主要包括涡轮钻具、螺杆钻具等。
3.涡轮钻具靠高压液流通过涡轮，把液体能转变为中心轴上的机械能，带动钻头破碎岩石。由成百对串联地装在外壳内的涡轮定子和转子以及轴承、中心轴等组成。涡轮定子和转子的叶片呈反向弯曲，高压泥浆沿定子叶片的偏斜方向流动，有力地冲击转子叶片，使转子带动中心轴旋转，涡轮钻具是苏联采用的主要钻井工具，他们发展了各种性能的新型涡轮钻具，被广泛用于各种深度和地层的钻井工作中(包括已钻成的万米井)，其他国家也在发展中。
4.螺杆钻具靠高压泥浆通过定、转子通道，驱动转子在定子螺线形通道中旋转，产生扭矩，带动钻头破碎岩石。由装在外壳内的螺线形转子及带螺线形通道的橡胶定子衬套以及转轴、轴承等组成。是一种容积式井下动力钻具，其转速与泵排量成正比，扭矩与泵压、钻压成正比，通过泵压可间接指示钻压。因转速较低，使用牙轮钻头钻进比较有利。
5.但是上述的钻井工具存在动力不足、钻头扩孔能力差、破岩孔眼圆整性差等问题。
6.进一步地，自进式旋转喷头作为一种水力破岩钻头，在水平井侧钻、老井改造、油藏挖潜等领域有着极其广泛的应用前景，能够缩短钻井周期，增加油气通道，提高油井产能，有效节约成本，是实现油田高效钻井开发的一种重要手段。
7.目前，采用自进式钻头连接高压软管，利用钻头本身的水力能量能够使其在地层中不断延伸和破岩从而达到实现快速钻井的目的。自进式钻头作为在地层中实施钻进的核心部件，其设计方式和结构对钻井效率等有着重要的影响。在实际工况条件下，存在着许多亟待解决的问题：(1)由于钻头在地层中实现延伸和破岩的动力均来自其本身的水力能量，所以存在水力能量利用率较低，破岩效果差，钻头自进力不足的问题；(2)水力能量衰减迅速，压力损失大，延伸长度不够；(3)形成孔眼直径较小，且井眼不规则。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种旋转自进式喷头、包括该旋转自进式喷头的钻井工具及其应用，本发明提供的旋转自进式喷头结构简单，工作过程动力充足，进而能够提高破岩孔眼的光滑圆整性，并提高扩孔能力，解决钻井过程中水力喷射软管轨迹弯曲的问题。
9.本发明第一方面提供了一种旋转自进式喷头，包括喷头本体、涡轮和旋转本体；
10.所述喷头本体的相对两端分别设置有进液口和中心轴，所述喷头本体上在所述中心轴外周设置有与所述进液口贯通的导流口，所述导流口外周设置有第一轴承槽，所述喷
头本体上还设置有后向喷嘴，所述后向喷嘴朝向所述进液口所在端的斜上侧；
11.所述涡轮包括第一中心孔和外部套筒，所述第一中心孔和所述外部套筒之间通过叶片连接；
12.所述旋转本体包括壳体和柱状空腔，所述壳体一端设置有第二中心孔和前向喷嘴，所述第二中心孔与所述柱状空腔同轴连通，所述壳体上与所述第二中心孔所在端相对的端部设置有与所述第一轴承槽对应的第二轴承槽，所述第二轴承槽位于所述柱状空腔的外周；
13.所述中心轴依次穿过所述第一中心孔和所述第二中心孔，所述中心轴末端与所述旋转本体之间固定，所述第一轴承槽和所述第二轴承槽通过轴承固定。
14.本发明提供的旋转自进式喷头，通过设置喷头本体、涡轮和旋转本体，使得该旋转自进式喷头具有更强且更稳定的动力，在工作过程中，能够提高喷头的扩孔能力，在进行破岩扩孔时提高孔眼的光滑圆整性，并避免水力喷射过程中出现的软管轨迹弯曲的问题。尤其是，本发明的旋转自进式喷头通过设置涡轮，能够显著提升喷头在钻井工作过程中的动力，进而提升钻井工具的扩孔能力并使得孔眼更加光滑圆整。
15.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述涡轮中叶片的数量设置为奇数个，叶片形状为扇形，叶片的偏转角度为40
°
～60
°
。
16.本发明中，通过采用布置奇数个叶片，能够使涡轮的质量分布不均匀，在涡轮旋转的同时带动喷头连续跳动，能够减少其自进过程中的摩擦阻力。进一步地，通过控制叶片的形状和偏转角度，能够使得流体经过涡轮时，增大涡轮叶片与流体的接触面积，进而提高水力能量的利用率。
17.根据本发明所述的旋转自进式喷头的优选实施方式，所述涡轮中叶片的数量设置为5个、7个或9个，所述叶片的形状为扇形结构，且呈螺旋状。所述叶片的偏转角度为50
°
18.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述涡轮的外部套筒外壁上设置有多个突出部，所述旋转本体的柱状空腔外周设置有与所述突出部对应的凹槽，所述突出部分别嵌入所述凹槽中。
19.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述突出部在所述涡轮的外部套筒外壁上均匀分布。
20.根据本发明所述的旋转自进式喷头的优选实施方式，所述突出部设置有四个，所述凹槽对应的设置有四个。
21.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述喷头本体上在所述中心轴外周均匀设置有四个导流口。
22.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述喷头本体外壁上在所述进液口所在端设置有螺纹。
23.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述喷头本体上均匀设置有六个后向喷嘴。
24.根据本发明所述的旋转自进式喷头的优选实施方式，所述后向喷嘴与轴向的角度为20
°‑
40
°
。
25.根据本发明所述的旋转自进式喷头的优选实施方式，所述后向喷嘴的出水口位于所述喷头本体的同一横截面上。
26.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述旋转本体的壳体上在所述第二中心孔外周设置有第三轴承槽，所述中心轴末端与所述旋转本体之间通过轴承和螺母固定连接。
27.根据本发明所述的旋转自进式喷头的一些实施方式，所述前向喷嘴的角度值为：沿所述第二中心孔的中轴线偏转α角度，得到第一虚线，所述第一虚线与第二中心孔的中轴线所在平面为第一平面，与所述第一平面垂直且交线为所述第一虚线的平面为第二平面，将所述第一虚线在所述第二平面内偏转β角度，得到第二虚线，所述前向喷嘴沿第二虚线开设或平行于第二虚线开设。优选地，α为15
°‑
50
°
，β为15
°‑
50
°
。
28.本发明提供的旋转自进式喷头，高压钻井液进入喷头装置中后，一部分从后向喷嘴喷出，为喷头提供自进力，剩下的高压钻井液通过导流口后作用于涡轮叶片上，驱动涡轮旋转，从而使高压钻井液形成旋转射流并作用于前向喷嘴。涡轮通过突出部和凹槽组装在一起，涡轮的旋转带动旋转本体旋转，从而扩大钻孔面积，提高破岩孔眼的圆整性，增强扩张能力。并且，该旋转自进式喷头旋转后，还能够提高钻头的稳定性，保证钻进轨迹的平直性。
29.本发明第二方面提供了一种钻井装置，所述钻井装置的一端安装有上述的旋转自进式喷头。
30.根据本发明所述的钻井工具的优选实施方式，上述的旋转自进式喷头通过所述进液口处设置的螺纹安装在钻井工具的端部。
31.本发明第三方面提供了一种上述的旋转自进式喷头和钻井工具在破岩扩孔过程中的应用。但并不限于此。
32.本发明的有益效果：
33.本发明提供的旋转自进式喷头，其中的钻井液可为喷头自身提供旋转自进力，使得涡轮带动旋转本体旋转，扩大钻孔面积，提高破岩孔眼的圆整性，增强扩张能力。并且，该旋转自进式喷头旋转后，还能够提高钻头的稳定性，保证钻进轨迹的平直性。
34.并且，本发明提供的旋转自进式喷头，结构比较简单，便于推广和应用。
附图说明
35.图1为本发明实施例提供的旋转自进式喷头的剖面图。
36.图2为本发明实施例提供的喷头本体的剖面图。
37.图3为本发明实施例提供的喷头本体的主视图。
38.图4为本发明实施例提供的涡轮的主视图。
39.图5为本发明实施例提供的旋转本体的剖面图。
40.图6为本发明实施例提供的旋转本体的主视图。
41.附图标记说明
42.100.喷头本体、200.涡轮、300.旋转本体、400.螺母；
43.110.进液口、120.中心轴、130.导流口、140.第一轴承槽、150.后向喷嘴、160.螺纹；
44.210.第一中心孔、220.外部套筒、230.叶片、240.突出部；
45.310.壳体、320.柱状空腔、330.第二中心孔、340.第二轴承槽、350.前向喷嘴、360.
凹槽、370.第三轴承槽。
具体实施方式
46.为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例和附图仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
47.【实施例1】
48.如图1所示，为旋转自进式喷头的一种实施方式，包括喷头本体100、涡轮200和旋转本体300。
49.如图2和图3所示，喷头本体100的相对两端分别设置有进液口110和中心轴120，喷头本体100上在中心轴120外周设置有与进液口110贯通的导流口130。导流口130外周设置有第一轴承槽140。并且，在喷头本体100上还设置有后向喷嘴150，该后向喷嘴150朝向进液口110所在端的斜上侧。
50.如图3所示，本实施例中，在喷头本体100上在中心轴120外周均匀设置有四个导流口130。并且，在喷头本体100上均匀设置有六个后向喷嘴150。后向喷嘴150与轴向的角度为30
°
。后向喷嘴150的出水口位于喷头本体100的同一横截面上。
51.进一步地，在喷头本体100的外壁上在进液口110所在端设置有螺纹160，用于将该旋转自进式喷头固定在钻井工具上。
52.如图4所示，涡轮200包括第一中心孔210和外部套筒220，且第一中心孔210和外部套筒220之间通过叶片230连接。其中，叶片230设置为扇形，并呈螺旋状，在该实施例中均匀设置有5片，该螺旋状叶片的偏转角度为50
°
。
53.在涡轮200的外部套筒220外壁上设置有四个突出部240，该四个突出部240在涡轮200的外部套筒220外壁上均匀分布。
54.如图5和图6所示，旋转本体300包括壳体310和柱状空腔320，壳体310的一端设置有第二中心孔330和前向喷嘴350。第二中心孔330与柱状空腔320同轴连通，壳体310上与第二中心孔330所在端相对的端部设置有与第一轴承槽140对应的第二轴承槽340。第二轴承槽340位于柱状空腔320的外周。并且，在第二中心孔330的外周的壳体310上设置有第三轴承槽370。
55.并且，在旋转本体300的柱状空腔320外周设置有与突出部240对应的凹槽360。相应的，凹槽360设置有四个，涡轮200上的突出部240分别嵌入凹槽360中。
56.如图5所示，本实施例中的前向喷嘴350的角度定义为：沿第二中心孔330的中轴线偏转α角度，得到第一虚线，第一虚线与第二中心孔330的中轴线所在平面为第一平面，与第一平面垂直且交线为第一虚线的平面为第二平面，将第一虚线在第二平面内偏转β角度，得到第二虚线，前向喷嘴350沿第二虚线开设或平行于第二虚线开设。其中，α为30
°
，β为35
°
。
57.如图1-图6所示，中心轴120依次穿过第一中心孔210和第二中心孔330，中心轴120的末端与旋转本体300之间通过第三轴承槽370利用轴承和螺母400固定连接。第一轴承槽140和第二轴承槽340通过轴承固定，进而实现喷头本体100、涡轮200和旋转本体300的固定连接。
58.以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，
也应视为本发明的保护范围。