油气钻井钻头用涡环射流喷嘴

1.本发明涉及石油天然气勘探用具技术领域，尤其涉及一种油气钻井钻头用涡环射流喷嘴。


背景技术：

2.钻头是油气钻井提速增效的主力工具，钻头喷嘴性能对井底钻头冷却、岩屑清洗具有显著影响，是提升钻头钻井效率的重要因素之一。现阶段，油气勘探开发已转向深层油气及非常规油气资源，井下常遇钻头工作温度高、井底岩屑量大、钻头泥包严重、压持作用显著的诸多钻井不利因素，导致钻井效率低、成本高、风险大，极大限制了油气勘探开发进程。
3.涡环射流是一种典型的流体力学现象，由于射流外围存在高速旋转的环形涡旋，有效降低了射流与周围流体的摩擦，减少了射流速度和能量的损失。因此，如何将涡环射流引入钻头喷嘴设计，进而提高钻头水功率、改善钻头冷却和岩屑清洗效果，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种油气钻井钻头用涡环射流喷嘴，可大幅提高钻头喷嘴井底射流、漫流速度，改善井底岩屑清洗和钻头冷却效果。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：油气钻井钻头用涡环射流喷嘴，所述涡环射流喷嘴包括：壳体组件、设置于所述壳体组件的内腔的阀座和与所述阀座配合的阀芯组件；
6.所述壳体组件包括连接在一起的上壳体、下壳体，所述上壳体上部设置有与所述内腔连通的进流口，所述下壳体底部设置有与所述内腔连通的射流孔；
7.所述阀芯组件包括：
8.上活塞，所述上活塞滑动设置于所述上壳体的内壁面，所述上活塞与所述上壳体合围出喷嘴上腔，所述上活塞设置有与所述喷嘴上腔连通的上活塞流道；
9.芯管，所述芯管上端与所述上活塞连接，所述芯管的内部与所述上活塞流道连通形成中心流道，所述芯管的管壁设置有用于将芯管的内部与外部连通的管壁过流孔；
10.下活塞，所述下活塞固定于所述芯管底部，所述下活塞与所述下壳体合围出喷嘴下腔，所述下活塞的侧部与所述下壳体之间形成侧部流道；
11.活动挡板，所述活动挡板转动设置于所述下活塞的底部，用于周期性地开启或者关闭所述侧部流道。
12.以下是对本发明油气钻井钻头用涡环射流喷嘴的多项进一步优化设计：
13.其中，所述阀座与所述上活塞之间设置有下行程限位结构，所述下行程限位结构包括设置于所述阀座上端的阀座上锥面，和设置于所述上活塞下部用于与所述阀座上锥面配合的上活塞下锥面；所述阀座与所述下活塞之间设置有上行程限位结构，所述上行程限
位结构包括设置于所述阀座下端的阀座下锥面，和设置于所述下活塞上部用于与所述阀座下锥面配合的下活塞上锥面。
14.其中，所述下活塞的底部周面包括相对的两活塞弧面，和连接于两所述活塞弧面侧部相对的两活塞平面；每一所述活塞平面均转动设置有所述活动挡板，所述活动挡板的外周为挡板弧面，两所述活塞弧面与两所述挡板弧面共同围成一个圆周面，所述圆周面与所述下壳体的内壁面相适配。
15.其中，所述下活塞的底部设置有挡板转动限位结构，所述挡板转动限位结构包括用于所述活动挡板关闭所述侧部流道的限位平面，和用于所述活动挡板开启所述侧部流道的限位斜面。
16.其中，所述活动挡板的底面和顶面均为平面结构，所述活动挡板的转动连接侧设置有弧面结构，所述下活塞设置有与所述弧面结构适配的导向弧面，所述活动挡板外周的所述挡板弧面设置有倒角。
17.其中，所述进流口的上端尺寸大于其下端尺寸。
18.其中，所述上活塞与所述上壳体的内壁面之间设置有密封圈。
19.其中，所述上活塞流道上端设置有扩口导引段。
20.其中，所述管壁过流孔自内向外自上向下倾斜设置，在所述芯管的周向均布有多个所述管壁过流孔。
21.其中，所述下壳体的上部设置有与所述上壳体连接的内螺纹，所述下壳体的外周设置有用于与钻头水眼连接的外螺纹，所述下壳体的底部设置有便于装拆涡环射流喷嘴的卡槽。
22.采用了上述技术方案后，本发明的有益效果如下：
23.由于本发明的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴包括壳体组件、设置于壳体组件内腔的阀座和与阀座配合的阀芯组件；壳体组件包括连接在一起的上壳体与下壳体，上壳体上部设置有进流口，下壳体底部设置有射流孔；阀芯组件包括与上壳体滑动配合的上活塞、上端与上活塞连接的芯管、固定于芯管底部的下活塞和转动设置于下活塞底部的活动挡板；上活塞与上壳体合围出喷嘴上腔，并设置有与喷嘴上腔连通的上活塞流道，上活塞流道与芯管内部连通形成中心流道，芯管设置有管壁过流孔，下活塞与下壳体合围出喷嘴下腔，下活塞的侧部与下壳体之间形成侧部流道，活动挡板用于周期性地开启或者关闭侧部流道；钻井过程中，进入钻头的钻井流体经水眼到达涡环射流喷嘴的进流口，经进流口加速后，以射流形式从进流口喷出，进入喷嘴上腔，在高速射流卷吸作用下，喷嘴上腔压力迅速降低，钻井流体流经中心流道、管壁过流孔、侧部流道，进入喷嘴下腔(活动挡板开启)，受射流孔的节流作用影响，喷嘴下腔压力升高，在上、下腔压力作用下，阀芯组件上行，直至下活塞与阀座下端顶靠，阀芯组件到达行程上限，钻井流体的流动被切断，产生水击，喷嘴上腔压力激增，同时喷嘴下腔压力下降，在压力差作用下阀芯组件下行，活动挡板关闭侧部流道，推动喷嘴下腔流体由射流孔喷出，形成涡环射流；当上活塞下部与阀座上端顶靠时，阀芯组件到达行程下限，在惯性和流体压力作用下，活动挡板打开，喷嘴上腔流体流出，压力下降，阀芯组件重新上行，如是往复。
24.本发明的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴，利用阀芯组件往复运动形成周期性钻井液，周期性钻井液经射流孔喷出发生分离，形成涡环射流，该涡环射流具有更高的流速和能
量，在井底形成强大漫流和卷吸效果，大幅提高了钻头冷却和岩屑清洗效果，为油气钻井提速增效提供了有力保障。
附图说明
25.图1是本发明实施例的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴结构剖视示意图；
26.图2是图1中的a向视图；
27.图3是图1中的b向视图；
28.图4是图3中的下活塞(底面)示意图；
29.图5是图1中的下活塞结构示意图；
30.图6是图1中的阀芯组件在下限位(活动挡板开启)状态示意图；
31.图7是图1中的阀芯组件在上限位(活动挡板关闭)状态示意图；
32.图中：1、上壳体；11、进流口；2、下壳体；21、射流孔；22、卡槽；3、阀座；31、阀座上锥面；32、阀座下锥面；4、上活塞；41、上活塞流道；42、上活塞下锥面；5、芯管；51、中心流道；52、管壁过流孔；6、下活塞；61、下活塞上锥面；62、侧部流道；631、活塞弧面；632、活塞平面；641、限位平面；642、限位斜面；643、导向弧面；7、活动挡板；71、挡板弧面；c、喷嘴上腔；d、喷嘴下腔。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的非限制性说明。
34.本发明实施例的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴包括：壳体组件、设置于壳体组件内腔的阀座和与阀座配合的阀芯组件。
35.如图1和图2所示，其中，壳体组件包括螺纹连接在一起的上壳体1与下壳体2。在上壳体1上部设置有与内腔连通的进流口11，进流口11优化设计为上端尺寸大于其下端尺寸，能够对流经进流口11的流体起加速作用。下壳体2的上部设置有与上壳体1连接的内螺纹(上壳体1的下部设置有外螺纹)，下壳体2的外周设置有用于与钻头水眼连接的外螺纹，在下壳体2底部设置有与内腔连通的射流孔21，射流孔21优化设计为圆形射流孔，在下壳体2的底部位于射流孔21的外周设置有便于装拆涡环射流喷嘴的卡槽22，卡槽22优化设计为垂直的两组，呈十字型。
36.如图1所示，其中，阀座3通过端面配合安装于上壳体1与下壳体2之间，阀座3上端设置有阀座上锥面31，阀座3下端设置有阀座下锥面32。
37.如图1所示，其中，阀芯组件包括自上而下依次相连的上活塞4、芯管5、下活塞6、活动挡板7。上活塞4与阀座3之间设置有下行程限位结构，下活塞6与阀座3之间设置有上行程限位结构。
38.如图1所示，其中，上活塞4通过密封圈滑动密封设置于上壳体1的内壁面，上活塞4与上壳体1合围出喷嘴上腔c，上活塞4设置有与喷嘴上腔c连通的上活塞流道41，进一步地，上活塞流道41上端设置有扩口导引段，便于将喷嘴上腔c的流体顺畅导引入上活塞流道41，上活塞4下部设置有用于与阀座上锥面31配合的上活塞下锥面42，上活塞下锥面42与阀座上锥面31形成所述下行程限位结构。
39.如图1所示，其中，芯管5上端与上活塞4连接(包括但不限于螺纹连接)，芯管5的内
部与上活塞流道41连通形成中心流道51，芯管5的管壁下部设置有用于将芯管的内部与外部连通的管壁过流孔52。优化设计是，在芯管5的周向均布有多个管壁过流孔52，管壁过流孔52自内向外自上向下倾斜设置，相较于水平孔，倾斜的管壁过流孔52更利于流体自中心流道51顺畅流出。
40.如图1所示，其中，下活塞6固定封堵于芯管5底部，下活塞6与下壳体2合围出喷嘴下腔d，下活塞6的侧部与下壳体2之间形成侧部流道62，活动挡板7转动设置于下活塞6的底部，并且与侧部流道62位置相对应，用于周期性地开启或者关闭侧部流道62。
41.如图1所示，其中，下活塞6上部设置有用于与阀座下锥面32配合的下活塞上锥面61，下活塞上锥面61与阀座下锥面32形成所述上行程限位结构。如图3、图4和图5所示，其中，下活塞6的底部周面包括相对的两活塞弧面631，和连接于两活塞弧面631侧部相对的两活塞平面632；每一活塞平面632均转动设置有活动挡板7，活动挡板7的外周为挡板弧面71，两活塞弧面631与两挡板弧面71共同围成一个圆周面，该圆周面与下壳体2的内壁面相适配。
42.其中，下活塞6的底部还设置有挡板转动限位结构和挡板转动导向结构，所述挡板转动限位结构包括用于活动挡板7关闭侧部流道62的限位平面641，和用于活动挡板7开启侧部流道62的限位斜面642，所述挡板转动导向结构为导向弧面643。
43.其中，活动挡板7的底面和顶面均为平面结构，活动挡板7的转动连接侧设置有弧面结构，下活塞6的导向弧面643与所述弧面结构相适配。进一步地，活动挡板7外周的挡板弧面71设置有倒角；一方面，在活动挡板7处于开启状态时，倒角面方向与轴向基本一致，利于流体自侧部流道62顺畅进入喷嘴下腔d；另一方面，在活动挡板7处于关闭状态时，倒角与下壳体2的内壁面接触面积较小，摩擦较小，阀芯组件下行顺畅。
44.如图6和图7所示(并参考图1)，采用本发明实施例的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴，钻井过程中，进入钻头的钻井流体经水眼到达涡环射流喷嘴的进流口11，经进流口加速后，以射流形式从进流口喷出，进入喷嘴上腔c，在高速射流卷吸作用下，喷嘴上腔压力迅速降低，钻井流体流经中心流道51、管壁过流孔52、侧部流道62，进入喷嘴下腔d(此时活动挡板7开启)，受射流孔21的节流作用影响，喷嘴下腔压力升高，在上、下腔压力作用下，阀芯组件上行，直至下活塞上锥面61与阀座下锥面32顶靠，阀芯组件到达行程上限，钻井流体的流动被切断，产生水击，喷嘴上腔c压力激增，同时喷嘴下腔d压力下降，在压力差作用下阀芯组件下行，活动挡板7关闭侧部流道62，推动喷嘴下腔流体由射流孔21喷出，形成涡环射流；当上活塞下锥面42与阀座上锥面31顶靠时，阀芯组件到达行程下限，在惯性和流体压力作用下，活动挡板7打开，喷嘴上腔c流体流出，压力下降，阀芯组件重新上行，如是往复。
45.本发明的油气钻井钻头用涡环射流喷嘴，利用阀芯组件往复运动形成周期性钻井液，周期性钻井液经射流孔喷出发生分离，形成涡环射流，该涡环射流具有更高的流速和能量，在井底形成强大漫流和卷吸效果，大幅提高了钻头冷却和岩屑清洗效果，为油气钻井提速增效提供了有力保障。
46.以上所述为本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分皆为本领域的已知技术，本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换皆在本发明保护范围内。