本發(fā)明屬于油氣井鉆井領(lǐng)域，具體為一種自激振蕩脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭。

背景技術(shù)：

脈沖射流以其非對(duì)稱(chēng)、非均勻、不穩(wěn)定特性，相對(duì)常規(guī)穩(wěn)態(tài)射流，可極大提高水力輔助破巖效率，理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均證明脈沖射流在鉆井領(lǐng)域有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

脈沖射流容易衰減，如何增強(qiáng)脈沖射流，尤其是階段性地增強(qiáng)脈沖射流，越來(lái)越受到相關(guān)技術(shù)人員的重視?；诤漳坊羝澱袷幥坏淖约ふ袷巼娮欤ㄟ^(guò)形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高壓脈沖射流，并在鉆頭底部形成局部負(fù)壓，提高水力輔助破巖效率；自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)附加驅(qū)動(dòng)源，靠自身結(jié)構(gòu)就能產(chǎn)生脈沖射流等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)諧振管產(chǎn)生的脈沖射流進(jìn)行階段性增強(qiáng)，具備良好的應(yīng)用前景。

射流泵在采油、固井等領(lǐng)域已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，而如何將射流泵理論應(yīng)用于鉆井清巖、攜巖卻是一個(gè)新問(wèn)題，將基于射流泵的負(fù)壓抽汲理論應(yīng)用于新型鉆頭的設(shè)計(jì)將是一個(gè)新方向，為清除水平井巖屑床提供一種新思路。

水平井鉆井中，往往由于攜巖不利、清巖不及時(shí)導(dǎo)致巖屑堆積，產(chǎn)生巖屑床，嚴(yán)重制約著機(jī)械鉆速和鉆井成本，導(dǎo)致憋泵、蹩鉆，甚至卡鉆等鉆井復(fù)雜事故的發(fā)生。常規(guī)的解決方法多為提高鉆速、增大排量、添加潤(rùn)滑劑，通過(guò)短距離上提下放鉆具，將鉆頭附近的大顆粒巖屑推回井底重復(fù)破碎，雖然有一定的效果，但是降低了機(jī)械鉆速，不能從根本上清除水平井巖屑床。產(chǎn)生巖屑床一個(gè)很重要的原因就是大顆粒巖屑得不到有效地粉碎，理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都充分證明，小尺寸巖屑的攜巖效率明顯優(yōu)于大尺寸巖屑。因此將大顆粒巖屑粉碎為更小粒徑可以更好地清除巖屑床。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自激振蕩脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭，利用諧振管產(chǎn)生脈沖射流，提高水力輔助破巖的效果；利用自激振蕩噴嘴對(duì)脈沖射流進(jìn)行階段性增強(qiáng)；利用負(fù)壓抽汲和巖屑內(nèi)磨粉碎特性，提高破巖和清巖效率，清除水平井巖屑床。為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明在常規(guī)PDC鉆頭基礎(chǔ)上加裝了脈沖生成裝置、自激振蕩脈沖增強(qiáng)裝置、負(fù)壓抽汲裝置和巖屑內(nèi)磨裝置。

所述的脈沖生成裝置包括鉆井液流道、進(jìn)給腔、諧振腔、諧振管出口與分流區(qū)。各部分設(shè)計(jì)為共軸圓柱形構(gòu)造，相互對(duì)接連通，其中分流區(qū)出口與反向高速?lài)娮旌拖聡娏鞯老噙B通；并優(yōu)化管徑為：進(jìn)給腔管徑為鉆井液流道的1.2倍，諧振腔管徑為流道的0.8倍，諧振管出口管徑為流道的0.5倍，分流區(qū)管徑為流道的2倍。

鉆井液流道、進(jìn)給腔是鉆井液進(jìn)入諧振管的通道；諧振管出口產(chǎn)生初始?jí)毫Σ▌?dòng)，并將初始?jí)毫Σ▌?dòng)反饋到諧振腔；當(dāng)反饋的初始?jí)毫Σ▌?dòng)與諧振腔固有頻率相匹配時(shí)，激發(fā)液體共振，產(chǎn)生高速渦流，從而獲得脈沖射流；分流區(qū)與下噴流道和反向高速流道相連通，實(shí)現(xiàn)流量分配。

自激振蕩脈沖增強(qiáng)裝置包括下噴流道、自激振蕩噴嘴、刀翼。

下噴流道與分流區(qū)相連通，出口在鉆頭端部，內(nèi)部均布3個(gè)自激振蕩噴嘴，實(shí)現(xiàn)鉆頭底部的清巖、冷卻潤(rùn)滑鉆頭和攜帶巖屑；噴出的高速脈沖射流水力輔助高效破巖。

自激振蕩噴嘴安裝在下噴流道，由上噴嘴、下噴嘴、振蕩腔和沖擊壁組成，各部分均為圓柱形構(gòu)造；上噴嘴管徑為下噴嘴管徑的1.5倍，諧振腔管徑為下噴嘴的3倍；沖擊壁附于振蕩腔底部，為150°錐形結(jié)構(gòu)于下噴嘴相交。

上噴嘴：穩(wěn)態(tài)鉆井液經(jīng)其收縮截面形成高速射流束；下噴嘴：上游射流束流經(jīng)下噴嘴，其收縮截面使射流束產(chǎn)生壓力瞬變，并將壓力瞬變向上傳遞；振蕩腔：上游射流束不穩(wěn)定剪切層在其中產(chǎn)生壓力擾動(dòng)波，并與沖擊壁發(fā)生碰撞；上返的壓力瞬變與不穩(wěn)定剪切層產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)波在振蕩腔碰撞，干涉形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，階段性增強(qiáng)諧振管產(chǎn)生的脈沖射流，提高破巖、清巖效果。

所述的負(fù)壓抽汲裝置包括反向高速流道和抽汲腔，利用反向射流抽汲井底巖屑，減小壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速。反向高速射流噴嘴與分流區(qū)出口相連通，出口在混合腔，基于射流泵原理，憑借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底產(chǎn)生負(fù)壓，抽汲巖屑上返脫離井底：抽汲腔與鉆頭端部排屑槽相連通，出口在混合腔，是巖屑抽汲上返的通道。

所述的巖屑內(nèi)磨裝置包括混合腔、喉道、加速腔、內(nèi)磨腔、內(nèi)磨體、旁通和擴(kuò)散腔?；旌锨慌c抽汲腔、反向高速?lài)娮爝B通，出口與喉道對(duì)接連通，實(shí)現(xiàn)巖屑與反向高速流體的混合；高壓脈沖射流經(jīng)噴嘴高速?lài)姵觯瑝毫ρ杆籴尫?，在混合腔?nèi)形成負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，巖屑被高速射流束抽汲形成兩相高速紊流。

喉道與加速腔對(duì)接連通，設(shè)計(jì)為圓柱形構(gòu)造，管徑是加速腔管徑的0.5倍，以充分加速巖屑。其收縮截面增強(qiáng)反向射流的沖擊力。

加速腔與內(nèi)磨腔相連通，設(shè)計(jì)為圓柱形構(gòu)造，以避免附壁流和提高射流能量利用率。憑借鉆井液粘滯力加速巖屑，實(shí)現(xiàn)主流體與巖屑之間的能量傳遞；

內(nèi)磨腔與加速腔連通，為棱柱形構(gòu)造，橫截面為加速腔圓形截面的外接正六邊形，軸線與加速腔軸線呈138°夾角；內(nèi)磨體附于內(nèi)磨腔中，正對(duì)加速腔，以減小鉆井液阻力、有效粉碎巖屑，利用顆粒-顆粒和顆粒-內(nèi)磨體之間的高壓作用力、水楔效應(yīng)粉碎巖屑。

擴(kuò)散腔和旁通均與內(nèi)磨腔相連通，均為圓柱形構(gòu)造，擴(kuò)散腔軸線與內(nèi)磨腔呈138°夾角并接環(huán)空，旁通與內(nèi)磨腔共軸線，以減小巖屑流對(duì)井壁的沖擊。當(dāng)巖屑流速度降下來(lái)之后，經(jīng)其外排入環(huán)空。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)諧振管將循環(huán)鉆進(jìn)的穩(wěn)定流體轉(zhuǎn)換為脈沖射流，相對(duì)于常規(guī)連續(xù)射流，脈沖射流非均勻、非對(duì)稱(chēng)、非穩(wěn)定沖擊破巖，提高水力輔助破巖能力；

(2)自激振蕩噴嘴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)附加驅(qū)動(dòng)源，靠自身結(jié)構(gòu)形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，將穩(wěn)態(tài)射流束轉(zhuǎn)換為脈沖射流；在鉆頭附近形成局部低壓區(qū)，減少環(huán)空液體柱壓力對(duì)井底巖石的壓持效應(yīng)；

(3)自激振蕩噴嘴產(chǎn)生的脈沖射流與諧振管相互協(xié)調(diào)，增強(qiáng)脈沖射流水力輔助破巖、清巖的效果；

(4)反向高速流道產(chǎn)生反向高速射流，在抽汲腔-鉆頭底部形成負(fù)壓區(qū)，抽汲巖屑，減小壓持效應(yīng)；

(5)內(nèi)磨削結(jié)構(gòu)通過(guò)內(nèi)磨高壓作用力內(nèi)磨粉碎巖屑，減小顆粒粒徑，提高鉆井液攜巖效率，清除水平井巖屑床。

附圖說(shuō)明

圖1為一種自激振蕩脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭示意圖。

圖2為自激振蕩噴嘴示意圖。

圖3為圖1中A-A剖面示意圖。

圖4為圖1中B-B剖面示意圖。

圖5為圖1中C-C剖面示意圖。

圖6為圖1中D-D剖面示意圖。

圖7為圖1中E-E剖面示意圖。

圖8為圖1的右視示意圖。

圖1中：1、擴(kuò)散腔，2、旁通，3、內(nèi)磨腔，4、加速腔，5、分流區(qū)，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下噴流道，9、自激振蕩噴嘴，10、鉆井液流道，11、進(jìn)給腔，12、內(nèi)磨體，13、諧振腔，14、PDC鉆頭本體，15、諧振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。

圖2中：19、噴嘴本體，20、下噴嘴，21、上噴嘴，22、振蕩腔，23、沖擊壁。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種用于自激振蕩脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭，包括：1、擴(kuò)散腔，2、旁通，3、內(nèi)磨腔，4、加速腔，5、分流區(qū)，6、混合腔，7、抽汲腔，8、下噴流道，9、自激振蕩噴嘴，10、鉆井液流道，11、進(jìn)給腔，12、內(nèi)磨體，13、諧振腔，14、PDC鉆頭本體，15、諧振管出口，16、喉道，17、反向高速流道，18、刀翼。自激振蕩噴嘴包括噴嘴本體19、下噴嘴20、上噴嘴21、振蕩腔22、沖擊壁23。主要為四個(gè)部分：脈沖生成部分、自激振蕩脈沖增強(qiáng)部分、負(fù)壓抽汲上返部分和顆粒內(nèi)磨部分。

脈沖生成部分包括鉆井液流道10、進(jìn)給腔11、諧振腔13、諧振管出口15、分流區(qū)5，產(chǎn)生脈沖射流。如圖1所示，穩(wěn)定的鉆井液經(jīng)鉆井液流道10、進(jìn)給腔11進(jìn)入諧振管，流經(jīng)諧振管出口15時(shí)，在收縮截面作用下產(chǎn)生初始的壓力波動(dòng)；產(chǎn)生的壓力波動(dòng)被反饋到諧振腔13；當(dāng)壓力波動(dòng)的頻率與諧振腔13固有頻率相符時(shí)，激發(fā)液體共振，產(chǎn)生高速渦流，從而在諧振腔13內(nèi)得到脈沖射流；脈沖射流經(jīng)分流區(qū)5流向反向高速流道17和下噴流道8。

自激振蕩脈沖增強(qiáng)部分包括自激振蕩噴嘴9、下噴流道8、刀翼18。自激振蕩噴嘴9由噴嘴本體19、下噴嘴20、上噴嘴21、振蕩腔22、沖擊壁23組成。利用刀翼機(jī)械破巖，自激振蕩噴嘴水力輔助破巖。如圖1和圖2所示，下噴的高速脈沖射流經(jīng)下噴流道8，經(jīng)自激振蕩噴嘴9的上噴嘴21形成高速流動(dòng)的射流束，并進(jìn)入振蕩腔22；在振蕩腔22中，射流束的不穩(wěn)定剪切層產(chǎn)生壓力擾動(dòng)波；當(dāng)射流束到達(dá)下噴嘴20，經(jīng)收縮截面作用，產(chǎn)生壓力瞬變并以聲速向上游反射；同時(shí)，上游射流束與沖擊壁23發(fā)生碰撞反射；經(jīng)下噴嘴20產(chǎn)生的壓力瞬變與高速射流束剪切層產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)波在振蕩腔22中發(fā)生干涉，形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)。在大尺度渦環(huán)結(jié)構(gòu)的作用下，射流束轉(zhuǎn)變成斷續(xù)禍旋，從而階段性增強(qiáng)諧振管產(chǎn)生的脈沖射流。

負(fù)壓抽汲上返部分包括反向高速流道17和抽汲腔7，負(fù)壓抽汲巖屑上返，減小壓持效應(yīng)。如圖1所示，上返的鉆井液脈沖射流經(jīng)反向高速流道17噴出，形成反向高聚能射流，其高速特性在抽汲腔7-鉆頭底部形成負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，高濃度巖屑被抽汲脫離井底，在混合腔6實(shí)現(xiàn)與上返射流的混合。

巖屑內(nèi)磨部分包括混合腔6、喉道16、加速腔4、內(nèi)磨腔3、內(nèi)磨體12、旁通2和擴(kuò)散腔1，減小巖屑粒徑，提高攜巖效率。如圖1所示，在混合腔6混合后的鉆井液-巖屑流經(jīng)喉道16進(jìn)入加速腔4，由于鉆井液粘滯力作用，巖屑獲得加速并在內(nèi)磨腔3中，與內(nèi)磨體12產(chǎn)生碰撞；在內(nèi)磨腔3內(nèi)，由于顆粒與顆粒、顆粒與內(nèi)腔體3之間的高壓作用力、水楔效應(yīng)的作用，巖屑被進(jìn)一步粉碎，其速度降下來(lái)之后經(jīng)擴(kuò)散腔1和旁通2排出。