一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的製作方法
2023-09-16 03:07:45 1
一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，主要包括PDC鑽頭，其特徵在於在去除了PDC鑽頭保徑部位的排屑槽，並在PDC鑽頭內部加裝了固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。所述的固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置，通過固定導向葉輪旋轉射流噴嘴產生高速旋轉射流，形成有利於清巖的井底旋流流場，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率；所述的高濃度湍流抽砂裝置基於抽砂泵的原理抽吸井底流體，減小井底壓差，實現欠平衡而提高機械鑽速；所述的射流粉碎裝置基於射流磨的原理有效粉碎巖屑，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床，最終實現水平井安全高效鑽進。
【專利說明】一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭
【技術領域】
[0001]本發明屬於鑽井與油氣工程領域，具體涉及一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭。
【背景技術】
[0002]眾所周知，攜巖是水平井和大位移井鑽井的一個重要難題，如果巖屑攜帶效果達不到要求，會導致諸多問題發生，如高摩阻和高扭矩，沉砂卡鑽，下套管與固井困難，鑽具磨損嚴重，測井儀器下入作業困難等，甚至導致鑽井作業可能被迫中止。然而，最近由中國石油大學(北京)研發的水平井安全高效泥漿鑽井射流磨鑽頭(CN201310654747.4)和水平井安全高效氣體鑽井射流磨鑽頭(CN201310654718.8)不僅可以減小井底壓差，提高機械鑽速，還可基於射流磨原理將巖屑粉碎，達到液固懸浮流動狀態，能從根本上消除水平井中的巖屑床。但是由於射流磨鑽頭反向噴嘴的分流作用使得井底鑽井液流量有所削減，這樣井底的鑽頭水眼個數減少，射流衝洗範圍也明顯減小。雖然射流磨鑽頭的高濃度湍流抽砂裝置會減小井底壓差，抽吸巖屑，但由於射流衝洗範圍小，會影響井底巖屑的及時清理，從而造成部分巖屑的重複破碎，影響破巖效率。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，通過固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置，產生有利於清巖的井底旋流流場，改善井底巖屑的受力狀況，提升井底清巖效率；通過高濃度湍流抽砂裝置抽吸井底流體，減小井底壓差，實現欠平衡而提高機械鑽速；通過射流粉碎裝置粉碎巖屑，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床。
[0004]為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下:
[0005]一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，包括PDC鑽頭、固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。
[0006]PDC鑽頭包括鑽頭體、主流道、保徑、鑽頭端部排屑槽、PDC刀翼；PDC刀翼是水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭切削巖石的工作部分，其表面布有PDC切削齒；鑽頭端部排屑槽布置在PDC刀翼之間；保徑布置在鑽頭端部的外側，保徑沒有布置排屑槽。
[0007]固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置包括井底巖屑攪動與清洗流道、固定導向葉輪旋轉射流噴嘴；井底巖屑攪動與清洗流道的入口與PDC鑽頭的主流道連通，井底巖屑攪動與清洗流道出口與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴的入口連接；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴為錐形噴嘴，由圓柱形內腔、導向葉輪、收縮加速段和直柱出口段四部分組成，導向葉輪固定在圓柱形內腔內，圓柱形內腔與收縮加速段及直柱出口段依次串聯而成；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴的出口與PDC鑽頭端部排屑槽連接，固定導向葉輪旋轉射流噴嘴數量根據鑽頭結構而定；固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置是產生有利於清巖的井底旋流流場的關鍵機構，固定導向葉輪旋轉射流噴嘴和鑽頭旋轉聯合作用產生井底旋流流場，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提聞鑽進速度。
[0008]高濃度湍流抽砂裝置包括巖屑吸入管、負壓腔；巖屑吸入管入口與PDC鑽頭端部排屑槽的外端連接，巖屑吸入管出口與負壓腔連接，負壓腔出口與混合室對接連通；負壓腔產生的負壓通過巖屑吸入管抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小壓差，從而促進巖屑脫離井底並加速上返，局部欠平衡提高機械鑽速。
[0009]射流粉碎裝置包括反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉、旁通；反向高速射流噴嘴與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴反向設置，反向高速射流噴嘴入口與PDC鑽頭的主流道連通，反向高速射流噴嘴的出口位於混合室內，混合室與喉管對接連通，喉管與巖屑解離加速管對接連通，巖屑解離加速管出口與粉碎倉連通，粉碎倉內安有粉碎靶體，粉碎靶體正對著巖屑解離加速管出口，粉碎倉與旁通連通，旁通為入口小出口大的擴散性圓管；射流粉碎裝置是水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的關鍵機構，一方面射流粉碎裝置的反向高速射流噴嘴出口產生負壓，並通過混合室將負壓傳遞到負壓腔，抽吸巖屑，另一方面射流粉碎裝置基於高聚能射流的超細粉碎原理充分粉碎巖屑，大大提聞巖屑的運移效率。
[0010]綜上所述，與現有技術相比，本發明具有以下良好效果:
[0011](I)由於目前射流磨鑽頭反向高速噴嘴的分流作用使得井底鑽井液流量有所削減，井底射流的衝洗範圍也明顯減小，從而影響井底巖屑的及時清理，進一步會影響破巖效率。本發明的固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置產生旋轉射流，大大提高了井底射流的衝洗範圍，旋轉射流能夠在井底產生較大的切向速度，從而增大井底漫流速度，促使破碎的巖屑迅速離開井底，大幅度提升井底清巖效率。
[0012](2)本發明的固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置產生的旋轉射流與鑽頭旋轉聯合作用可產生有利於清巖的井底旋流流場，在井底形成有序的高壓區和低壓區分布，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，提高鑽進速度。
[0013](3)本發明的高濃度湍流抽砂裝置利用抽沙泵的原理，抽吸井底流體，減小井底壓差，實現井底局部欠平衡，提高機械鑽速。
[0014](4)本發明的射流粉碎裝置基於高聚能射流的超細粉碎技術能夠粉碎巖屑，大大降低水平井中巖屑的沉降末速，提高攜巖效率，從根本上消除水平井中的巖屑床。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的示意圖；
[0016]圖2為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭沿圖1左視示意圖；
[0017]圖3為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭沿圖1右視示意圖；
[0018]圖4為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭沿圖1中A-A的剖視示意圖；
[0019]圖5為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭沿圖1中B-B的剖視示意圖；
[0020]圖6為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的反向高速射流噴嘴示意圖；
[0021]圖7為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的固定導向葉輪旋轉射流噴嘴示意圖；
[0022]圖8為水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的固定導向葉輪旋轉射流噴嘴中導向葉輪的示意圖。
[0023]圖中:1、PDC鑽頭，2、固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置，3、高濃度湍流抽砂裝置，4、射流粉碎裝置；101、鑽頭體，102、主流道，103、保徑，104、鑽頭端部排屑槽，105、PDC刀翼；201、井底巖屑攪動與清洗流道，202、固定導向葉輪旋轉射流噴嘴，203、導向葉輪；301、巖屑吸入管，302、負壓腔；401、反向高速射流噴嘴，402、混合室，403、喉管，404、巖屑解離加速管，405、粉碎靶體，406、粉碎倉，407、旁通。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖，說明本發明提出的【具體實施方式】、結構、特徵及其功效，詳細說明如下:
[0025]水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，包括PDC鑽頭1、固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置2、高濃度湍流抽砂裝置3、射流粉碎裝置4。
[0026]PDC鑽頭包括鑽頭體101、主流道102、保徑103、鑽頭端部排屑槽104、PDC刀翼
105；PDC刀翼105是水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭切削巖石的工作部分，其表面布有PDC切削齒；鑽頭端部排屑槽104布置在PDC刀翼105之間；保徑布置在鑽頭端部的外側，保徑沒有布置排屑槽。
[0027]固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置2包括井底巖屑攪動與清洗流道201、固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202 ;井底巖屑攪動與清洗流道201的入口與roc鑽頭的主流道102連通，井底巖屑攪動與清洗流道201出口與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202的入口連接；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202為錐形噴嘴，由圓柱形內腔、導向葉輪203、收縮加速段和直柱出口段四部分組成，導向葉輪203固定在圓柱形內腔內，圓柱形內腔與收縮加速段及直柱出口段依次串聯而成；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202的出口與PDC鑽頭端部排屑槽104連接，固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202數量根據鑽頭結構而定；固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置是產生有利於清巖的井底旋流流場的關鍵機構，固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202和PDC鑽頭I旋轉聯合作用產生井底旋流流場，改善井底巖石和巖屑的受力狀況，大幅度提升井底清巖效率，提高鑽進速度。
[0028]高濃度湍流抽砂裝置3包括巖屑吸入管301、負壓腔302 ;巖屑吸入管301入口與PDC鑽頭端部排屑槽104的外端連接，巖屑吸入管301出口與負壓腔302連接，負壓腔302出口與混合室402對接連通；負壓腔302產生的負壓通過巖屑吸入管301抽吸井底流體使井底局部壓力降低，減小壓差，從而促進巖屑脫離井底並加速上返，局部欠平衡提高機械鑽速。
[0029]射流粉碎裝置4包括反向高速射流噴嘴401、混合室402、喉管403、巖屑解離加速管404、粉碎靶體405、粉碎倉406、旁通407 ;反向高速射流噴嘴401與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202反向設置，反向高速射流噴嘴401入口與PDC鑽頭的主流道102連通，反向高速射流噴嘴401的出口位於混合室402內，混合室402與喉管403對接連通，喉管403與巖屑解離加速管404對接連通，巖屑解離加速管404出口與粉碎倉406連通，粉碎倉406內安有粉碎靶體405，粉碎靶體405正對著巖屑解離加速管404出口，粉碎倉406與旁通407連通，旁通407為入口小出口大的擴散性圓管；射流粉碎裝置4是水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的關鍵機構，一方面射流粉碎裝置4的反向高速射流噴嘴401出口產生負壓，並通過混合室402將負壓傳遞到負壓腔302，抽吸巖屑，另一方面射流粉碎裝置4基於高聚能射流的超細粉碎原理充分粉碎巖屑，大大提高巖屑的運移效率。
[0030]本發明的水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭的工作過程如下:
[0031]在鑽進過程中，水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭旋轉，使得PDC刀翼105上的PDC切削齒切削巖石產生巖屑。同時高壓鑽井液由主流道102進入，一部分鑽井液由反向高速射流噴嘴401噴出，形成高速射流，高速射流在混合室402產生負壓。此負壓經過混合室402傳遞到高濃度湍流抽砂裝置3的負壓腔302內，負壓腔302內的負壓通過巖屑吸入管301對井底流體和巖屑進行抽吸，從而降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應，創造井底的欠平衡條件，提高機械鑽速。另一部分鑽井液進入固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置2的井底巖屑攪拌與清洗流道201內，進而經過導向葉輪203，並由固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202噴出。固定導向葉輪旋轉射流噴嘴202噴出的不對稱高速旋轉射流將井底巖屑衝擊成高濃度的湍流，使高濃度湍流抽砂裝置3的巖屑吸入管301能高效吸入井底巖屑與鑽井液。井底巖屑與鑽井液在反向高速射流噴嘴401的抽吸作用下經巖屑吸入管301、負壓腔302進入射流粉碎裝置4的混合室402。
[0032]射流粉碎裝置4的反向高速射流噴嘴401噴出高聚能射流，在混合室402產生負壓卷吸巖屑，井底巖屑與鑽井液在混合室402和喉管403處被匯入高聚能射流，高聚能射流在解離加速管404解離帶微裂縫的巖屑，實現解離破碎，相間及顆粒之間的碰撞、互磨產生的衝擊壓力和剪切力造成顆粒的破碎，並實現對巖屑的加速。高速巖屑高速衝擊粉碎靶體405，利用瞬間衝擊力、水楔粉碎巖屑。帶微裂縫的細小巖屑在粉碎倉406經過多次反射碰撞進一步粉碎，粉碎後的巖屑與鑽井液混合物在旁通407內速度降下來後排入環空。
【權利要求】
1.一種水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，包括PDC鑽頭，其特徵在於在去除了PDC鑽頭保徑部位的排屑槽，並在PDC鑽頭內部加裝了固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置、高濃度湍流抽砂裝置、射流粉碎裝置。
2.根據權利要求1所述的水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，其特徵在於:所述的固定導向葉輪式旋轉射流衝砂裝置包括井底巖屑攪動與清洗流道、固定導向葉輪旋轉射流噴嘴；井底巖屑攪動與清洗流道的入口與PDC鑽頭的主流道連通，井底巖屑攪動與清洗流道出口與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴的入口連接；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴為錐形噴嘴，由圓柱形內腔、導向葉輪、收縮加速段和直柱出口段四部分組成，導向葉輪固定在圓柱形內腔內，圓柱形內腔與收縮加速段及直柱出口段依次串聯而成；固定導向葉輪旋轉射流噴嘴的出口與PDC鑽頭端部排屑槽連接。
3.根據權利要求1所述的水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，其特徵在於:所述的高濃度湍流抽砂裝置包括巖屑吸入管、負壓腔；巖屑吸入管入口與PDC鑽頭端部排屑槽的外端連接，巖屑吸入管出口與負壓腔連接，負壓腔出口與混合室對接連通。
4.根據權利要求1所述的水平井固定導向葉輪式旋流射流磨鑽頭，其特徵在於:所述的射流粉碎裝置包括反向高速射流噴嘴、混合室、喉管、巖屑解離加速管、粉碎靶體、粉碎倉、旁通；反向高速射流噴嘴與固定導向葉輪旋轉射流噴嘴反向設置，反向高速射流噴嘴入口與PDC鑽頭的主流道連通，反向高速射流噴嘴的出口位於混合室內，混合室與喉管對接連通，喉管與巖屑解離加速管對接連通，巖屑解離加速管出口與粉碎倉連通，粉碎倉內安有粉碎靶體正對著巖屑解離加速管出口，粉碎倉與旁通連通，旁通為入口小出口大的擴散性圓管。
【文檔編號】E21B10/60GK104373046SQ201410605713
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】高德利, 陳緒躍, 郭柏雲 申請人:中國石油大學(北京)