一種鉆井用強化脈沖聚晶金剛石復合片鉆頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井用鉆頭,特別涉及一種鉆井用強化脈沖聚晶金剛石復合片鉆頭,屬于石油鉆井設備技術領域。
【背景技術】
[0002]鉆頭是鉆井破碎巖石的主要工具,從出現(xiàn)至今,針對不同的地層及巖性,已發(fā)展成不同的類型和系列。通常在選擇鉆頭的時候,在考慮工程、地質條件的同時,兼顧經(jīng)濟效益方面因素,主要從以下兩個方面:(I)同一只鉆頭,取得更多的進尺;(2)同樣的時間,獲得更快的機械鉆速。對于同一只鉆頭取得進尺的多少,主要與地質條件、鉆頭制作材料及工程技術參數(shù)有關;在地質條件、鉆頭制作材料及工程參數(shù)一定的條件下,同樣時間取得更高的機械鉆速,與鉆頭的結構布局有很大關系。
[0003]聚晶金剛石復合片鉆頭即Polycrystalline Diamond Compact bit鉆頭,簡稱F1DC鉆頭,針對相應的巖性特點,主要是在刀翼數(shù)量與布局、復合片強度與布齒、傾角大小、剖面布局、冠面類型及噴嘴流道設計等方面進一步優(yōu)化。近年來,隨著材料的改良和設計軟件的進步,各廠家在取得進尺更多、機械鉆速更快或兩者兼顧的目標下,鉆頭結構設計基本達到最優(yōu)化。但從鉆頭腔體內(nèi)部進一步優(yōu)化和改進,卻很少涉及。
[0004]目前幾乎所有常見的聚晶金剛石復合片鉆頭內(nèi)腔僅僅是用作流體的通道,其它功能沒有得到充分開發(fā)和拓展。由于常規(guī)內(nèi)腔的聚晶金剛石復合片鉆頭,在水力學方面,絕大多數(shù)都是在井底產(chǎn)生正壓力場,限制了機械鉆速的進一步提高。雖然近年來水力脈沖空化射流接頭、風琴管式自振空化噴嘴或兩者耦合作用的方式開始應用,但脈沖效果沒有達到最大化,一方面限制了機械鉆速的進一步提高,另一方面也易受到安全和工程條件的制約。
[0005]常規(guī)聚晶金剛石復合片鉆頭的不足之處分析如下:
1、常規(guī)聚晶金剛石復合片鉆頭與普通噴嘴組合,鉆井液通過鉆具內(nèi)水眼、鉆頭內(nèi)腔后,從噴嘴流出時,由于流體沒有經(jīng)過擾動,在井底產(chǎn)連續(xù)射流,這種連續(xù)射流雖然在一定程度上有助于水力破巖和清洗井底,但使巖肩翻滾和運移的程度有限,易造成重復切削;連續(xù)射流,還在井底產(chǎn)生相對的正壓力場,對井底巖石有一定的壓制作用,這都限制了機械鉆速的提尚。
[0006]2、采用脈沖空化射流工具與鉆頭配合時,工具自身的長度加上鉆頭的高度,往往空化發(fā)生位置離噴嘴0.5m左右,任何空化射流的有效噴距是一定的,如果有效噴距小于空化發(fā)生位置與鉆頭水眼之間的距離,則噴嘴處產(chǎn)生的脈沖射流被削弱,產(chǎn)生水力破巖和清潔井底的效果也被削弱,提高機械鉆速的程度就受到限制。
[0007]3、由于風琴管式自振空化噴嘴的設計受到鉆頭水眼大小及自身強度要求的限制,產(chǎn)生的脈沖效果達不到最大化,另外,在井深以后,隨著井底圍壓的增加,也會削弱風琴管式自振空化噴嘴的實際效果,這都使得產(chǎn)生水力破巖和清潔井底的效果被削弱,提高機械鉆速的程度也受到限制。
[0008]4、鉆井安全的原則之一是盡量簡化鉆具,即鉆具組合中的接頭等應盡可能少,使用脈沖空化射流接頭時,就增加了井下安全隱患;另外,現(xiàn)在大力推廣單彎螺桿連續(xù)導向鉆進技術,在需要控制及調整井身軌跡時,由于脈沖空化射流接頭的接入,加大了工程控制及調整井身軌跡的難度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的在于,克服現(xiàn)有技術中存在的問題,提供一種鉆井用強化脈沖聚晶金剛石復合片鉆頭,可以提高清洗井底的效果和水力破巖的能力。
[0010]為解決以上技術問題,本發(fā)明的一種鉆井用強化脈沖聚晶金剛石復合片鉆頭,包括鉆頭本體,所述鉆頭本體的上端外周設有鉆頭公扣,所述鉆頭本體的下端安裝有刀翼,所述鉆頭本體的內(nèi)腔沿軸線設有水流通道,所述水流通道的下部設有與水流通道共軸線的分流區(qū),所述分流區(qū)的下部圓周上均勻分布有噴孔,各所述噴孔中分別安裝有噴嘴,所述噴嘴均為風琴管式自振空化噴嘴,所述風琴管式自振空化噴嘴沿自身軸線自上而下依次設有噴嘴進水腔、噴嘴諧振腔和噴嘴出水口,所述噴嘴進水腔、噴嘴諧振腔和噴嘴出水口呈階梯圓柱孔狀,所述噴嘴進水腔的孔徑大于所述噴嘴諧振腔的孔徑,所述噴嘴諧振腔的孔徑大于所述噴嘴出水口的孔徑,所述噴嘴進水腔的上端進水口與所述噴孔相通。
[0011]相對于現(xiàn)有技術,本發(fā)明取得了以下有益效果:直徑為D的噴嘴諧振腔的入口與直徑為Ds的噴嘴進水腔相連,(Ds / D)2構成噴嘴諧振腔的入口收縮截面積比;諧振腔的下部與直徑為d的噴嘴出水口相連,(D / d)2構成噴嘴諧振腔的的出口收縮截面積比。出口收縮截面既是自激勵機構,又是反饋機構,當穩(wěn)定流體通過時,其收縮面既能使流體產(chǎn)生初始壓力激動,又能將壓力激動反饋回噴嘴諧振腔,形成反饋壓力振蕩。根據(jù)瞬態(tài)流理論,如果壓力激動的頻率與噴嘴諧振腔的固有頻率匹配,反饋的壓力振蕩就能得到放大,從而在噴嘴諧振腔內(nèi)產(chǎn)生流體共振,形成駐波,使連續(xù)射流變成斷續(xù)渦環(huán)流,從而得到脈沖射流。把噴嘴內(nèi)腔做成風琴管式,流體經(jīng)過風琴管的收縮面結構,產(chǎn)生空化作用,由于產(chǎn)生空化的位置在噴嘴內(nèi),這個距離相對于傳統(tǒng)脈沖接頭接在鉆頭上組合的方式,與噴嘴出口的距離大大減小,因此脈沖效果的壓力及狀態(tài)衰減較少。脈沖射流經(jīng)過風琴管式自振空化噴嘴進一步放大,可以產(chǎn)生更好的水力破巖和清洗井底的效果;由于鉆頭內(nèi)腔的脈沖射流經(jīng)過風琴管式自振空化噴嘴產(chǎn)生耦合作用進一步放大,到達井底的脈沖射流效果優(yōu)于單獨使用脈沖接頭或者風琴管式自振空化噴嘴以及兩者的組合,由于這種脈沖作用更強,可適用于更高的圍壓環(huán)境,即可以使用到更深的井中。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案,所述分流區(qū)上方的所述水流通道中設有與水流通道共軸線的脈沖諧振腔結構,所述脈沖諧振腔結構自上而下依次設有脈沖諧振腔進水孔、脈沖諧振腔擾動區(qū)、脈沖諧振腔碰撞區(qū)和脈沖諧振腔分離區(qū),所述脈沖諧振腔進水孔的上端設有上大下小的喇叭口,所述脈沖諧振腔擾動區(qū)的內(nèi)徑大于所述脈沖諧振腔進水孔的孔徑,所述脈沖諧振腔碰撞區(qū)的上端與所述脈沖諧振腔擾動區(qū)等直徑貫通,所述脈沖諧振腔分離區(qū)的孔徑小于所述脈沖諧振腔碰撞區(qū)的孔徑,且脈沖諧振腔分離區(qū)的上端呈圓錐狀突出于所述脈沖諧振腔碰撞區(qū)的下端空腔中,所述脈沖諧振腔分離區(qū)的下端設有脈沖諧振腔出水口,所述脈沖諧振腔出水口與所述分流區(qū)的中心相通。當一股射流從脈沖諧振腔進水孔向下游脈沖諧振腔擾動區(qū)流動時,射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動得到放大,在射流層中形成一連串離散渦環(huán),當其到達碰撞壁并與之互相作用時,在脈沖諧振腔碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力振蕩波,該波以聲速向上游傳播,又誘發(fā)新的渦量脈動;若脈沖諧振腔分離區(qū)與脈沖諧振腔碰撞區(qū)的壓力脈動互相為反相,就會形成“渦量擾動-放大-新的渦量脈動產(chǎn)生”的循環(huán)過程,該過程不斷的重復,就會形成強烈的自激振蕩脈沖射流。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案,所述脈沖諧振腔擾動區(qū)內(nèi)徑為所述脈沖諧振腔進水孔孔徑的2.36倍。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案,所述脈沖諧振腔碰撞區(qū)孔徑為所述脈沖諧振腔分離區(qū)孔徑的2.1倍,所述脈沖諧振腔分離區(qū)的長度為所述脈沖諧振腔分離區(qū)孔徑的1.2倍。
[0015]脈沖諧振腔擾動區(qū)內(nèi)徑為脈沖諧振腔進水孔孔徑的2.36倍,脈沖諧振腔碰撞區(qū)孔徑為脈沖諧振腔分離區(qū)孔徑的2.1倍,脈沖諧振腔分離區(qū)的長度為脈沖諧振腔分離區(qū)孔徑的1.2倍。此尺寸比例下,脈沖諧振腔分離區(qū)與脈沖諧振腔碰撞區(qū)的壓力脈動互為反相,會形成最佳的“渦量擾動-放大-新的渦量脈動產(chǎn)生”的循環(huán)過程,形成最強烈的自激振蕩脈沖射流。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案,所述噴嘴進水腔的孔徑為所述噴嘴諧振腔孔徑的2倍,所述噴嘴諧振腔孔徑為所述噴嘴出水口孔徑的1.62倍,所述噴嘴諧振腔長度為所述噴嘴諧振腔孔徑的1.62倍。此結構下的噴嘴諧振腔入口收縮截面積比、出口收縮截面積比及諧振腔結構比可以使壓力激動的頻率與噴嘴諧振腔的固有頻率匹配,在噴嘴諧振腔內(nèi)產(chǎn)生最佳的流體共振,得到強勁的脈沖射流。
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明,附圖僅提供參考與說明用,非用以限制本發(fā)明。
[0018]圖1為本發(fā)明鉆井用強化脈沖聚晶金剛石復合片鉆頭的結構示意圖。
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