一種連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油勘探開發(fā)中破碎井底巖石用鉆頭，具體涉及一種連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水平井、大位移井、多底井等鉆井技術(shù)在石油勘探開發(fā)過程中扮演著越來越重要的角色。在鉆井過程中，井眼條件越來越復(fù)雜、井斜角的增大、水平段長(zhǎng)度的增長(zhǎng)等使得井底清洗、巖肩上返及提高機(jī)械鉆速等方面均面臨是俱多挑戰(zhàn)。
[0003]傳統(tǒng)鉆井方式在鉆井過程中能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配和利用一直存在著效率低等問題。雖然旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井、井下增壓鉆井均可以不同程度的提高機(jī)械鉆速，但由于其壽命及穩(wěn)定性差，所以一直未能在現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用。而脈沖射流輔助鉆井技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)取得了一定的效果但因其壽命較短，因而也存在一定的局限性。脈沖射流輔助鉆井技術(shù)主要是通過裝在鉆頭底部的胎體上脈沖噴嘴的作用來產(chǎn)生脈沖效果，目前普遍應(yīng)用的射流方法主要包括:連續(xù)直射流、脈沖射流、旋轉(zhuǎn)射流和空化射流，而這些射流方法均存在有各自的不足。
[0004]此外，近年來有學(xué)者研發(fā)了脈沖空化多孔噴嘴射流，即通過改變多空噴嘴的結(jié)構(gòu)，形成一種能夠產(chǎn)生脈沖射流和空化射流耦合而成的脈沖空化多孔噴嘴射流，進(jìn)而可高效的利用水力能量，有效提高破巖效率，形成較大孔深的水平井眼。但是，在圍壓存在的條件，其射流也存在衰減較快，射流形成的孔眼直徑小，形狀不規(guī)則，射流反沖擊力大等問題。
[0005]基于以上分析，為了改善井底流場(chǎng)及井底巖石的受力狀況，減少井底壓持效應(yīng)和巖石的圍壓，充分利用水力能量，提高射流清巖和輔助破巖的能力。本發(fā)明專利設(shè)計(jì)了一種連續(xù)截流脈動(dòng)噴射鉆頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于為石油與天然氣鉆井工程領(lǐng)域提供一種連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭。旨在通過鉆頭水眼內(nèi)的連續(xù)截流機(jī)構(gòu)將水眼內(nèi)高壓流體的連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)變成間歇、變量流進(jìn)入鉆頭水眼底部的噴射孔，并經(jīng)射流噴嘴在出口形成脈動(dòng)渦環(huán)射流，以波動(dòng)沖擊的方式作用于井底；此外，通過鉆頭本體底部的旁通泄流噴嘴和五組射流噴嘴交替形成的脈動(dòng)沖擊循環(huán)作用于井底，從而實(shí)現(xiàn)井底高速水射流在噴射破巖和脈沖空化兩種作用模式間連續(xù)轉(zhuǎn)換，減少井底壓持效應(yīng)和巖石的圍壓，提高射流清巖和輔助破巖的能力，提高機(jī)械鉆速。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0008]一種連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭主要由鉆頭本體、連續(xù)截流機(jī)構(gòu)組成；連續(xù)截流機(jī)構(gòu)安裝在鉆頭本體水眼內(nèi)，連續(xù)截流機(jī)構(gòu)的螺旋轉(zhuǎn)子在高壓流體的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)截流轉(zhuǎn)盤形成連續(xù)截流，將鉆頭水眼內(nèi)高壓流體的連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)變成間歇、變量流進(jìn)入鉆頭水眼底部的噴射孔，并經(jīng)射流噴嘴在出口形成脈動(dòng)渦環(huán)射流，以波動(dòng)沖擊的方式作用于井底；此外，通過鉆頭本體底部的旁通泄流噴嘴和五組射流噴嘴交替形成的脈動(dòng)沖擊循環(huán)作用于井底，從而實(shí)現(xiàn)井底高速水射流在噴射破巖和脈沖空化兩種作用模式間連續(xù)轉(zhuǎn)換，減少井底壓持效應(yīng)和巖石的圍壓，提高射流清巖和輔助破巖的能力。
[0009]鉆頭本體上端有連接公螺紋，水眼內(nèi)設(shè)有上下兩組臺(tái)階，分別用以安裝連續(xù)截流機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)引流壞和過渡支撐環(huán)；水眼底部均布有五組噴射孔和旁通泄流孔，外側(cè)均布五組切削翼，旁通泄流孔在鉆頭本體底部匯成單個(gè)噴射孔，噴射孔和旁通泄流孔的出口處均裝設(shè)有射流噴嘴，將高壓流體轉(zhuǎn)變成高速水射流。
[0010]連續(xù)截流機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)引流環(huán)、螺旋轉(zhuǎn)子、密封組件、支撐軸承、過渡支撐環(huán)、傳動(dòng)短軸、截流轉(zhuǎn)盤；驅(qū)動(dòng)引流環(huán)中心有球面導(dǎo)流頭，中間有圓形限流筒，外圈定位在鉆頭本體水眼內(nèi)上臺(tái)階處；導(dǎo)流頭內(nèi)部有上支撐軸承和上組合密封的安裝孔，在導(dǎo)流頭與限流筒之間及限流筒與外圈之間均布有四組長(zhǎng)圓型引流孔；過渡支撐環(huán)與驅(qū)動(dòng)引流環(huán)的下端鏈接，螺旋轉(zhuǎn)子安裝在驅(qū)動(dòng)引流環(huán)的限流筒內(nèi)，上下兩端均裝有支撐軸承和密封件，并分別與驅(qū)動(dòng)引流環(huán)、過渡支撐環(huán)連接；傳動(dòng)短軸連接螺旋轉(zhuǎn)子和截流轉(zhuǎn)盤，以傳遞扭矩；截流轉(zhuǎn)盤沿軸向均布有五個(gè)截流斜孔，截流轉(zhuǎn)盤在螺旋轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤的五個(gè)截流斜孔與鉆頭本體水眼底部的噴射孔連續(xù)的交錯(cuò)，水眼內(nèi)高壓流體轉(zhuǎn)變成間歇、變量流進(jìn)入水眼底部的噴射孔。
[0011]高壓流體流經(jīng)驅(qū)動(dòng)引流環(huán)后被分流成兩部分，一部分從導(dǎo)流頭與限流筒之間的引流孔進(jìn)入到限流筒以驅(qū)動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并隨螺旋轉(zhuǎn)子螺旋流動(dòng)至下端過渡支撐環(huán)的內(nèi)過流孔流出；另一部則從限流筒與外圈之間引流孔進(jìn)入限流筒與水眼間的環(huán)空，再流經(jīng)過渡支撐環(huán)的外過流孔至水眼的底部；從過度支撐環(huán)流出的高壓流體合流后，一部分隨著截流轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)而間歇、變量的進(jìn)入到噴射孔，以脈動(dòng)沖擊的方式噴射至井底；另一部分則從旁通泄流孔匯流至旁通泄流噴嘴噴射至井底中心位置。
[0012]截流轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)盤的五個(gè)截流斜孔與鉆頭本體水眼底部的噴射孔連續(xù)的交錯(cuò)，當(dāng)噴射孔的流道逐漸變小至關(guān)閉時(shí)，鉆頭水眼內(nèi)腔的壓力增加，旁通泄流孔的流速和壓力均增加，因此鉆頭中心處的旁通泄流噴嘴產(chǎn)生高速射流作用于井底中心位置。隨著截流轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，噴射孔流道逐漸打開至完全連通時(shí)，鉆頭水眼內(nèi)腔的壓力降低，旁通泄流孔的流速和壓力均降低，噴射孔流道內(nèi)流速和壓力增加，因此，均布在鉆頭底部的射流噴嘴產(chǎn)生高速射流作用與井底。所以，通過截流轉(zhuǎn)盤的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旁通泄流噴嘴和五組射流噴嘴交替循環(huán)產(chǎn)生高速射流作用在井底，并從鉆頭中心向周圍形成噴射破巖和脈沖空化兩種作用模式間轉(zhuǎn)換，從而利用有限的水力能量進(jìn)行連續(xù)噴射破巖的同時(shí)提高井底清洗及攜巖效果，降低壓持效應(yīng)，提高鉆進(jìn)速度。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有如下優(yōu)點(diǎn):
[0014]本發(fā)明涉及的連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭可以通過連續(xù)截流機(jī)構(gòu)的螺旋轉(zhuǎn)子在高壓流體的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)截流轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤的五個(gè)截流斜孔與鉆頭本體水眼底部的噴射孔連續(xù)的交錯(cuò)形成連續(xù)截流，將鉆頭水眼內(nèi)高壓流體的連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)變成間歇、變量流進(jìn)入鉆頭水眼底部的噴射孔，并經(jīng)射流噴嘴在出口形成脈動(dòng)渦環(huán)射流，以波動(dòng)沖擊的方式作用于井底；此外，通過鉆頭本體底部的旁通泄流噴嘴和五組射流噴嘴交替形成的脈動(dòng)沖擊循環(huán)作用于井底，從而實(shí)現(xiàn)井底高速水射流從鉆頭中心向周圍產(chǎn)生噴射破巖和脈沖空化兩種作用模式的連續(xù)轉(zhuǎn)換，減少井底壓持效應(yīng)和巖石的圍壓，提高射流清巖和輔助破巖的能力，提尚鉆進(jìn)速度。
【附圖說明】
[0015]圖1為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭剖視的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭沿圖1中A-A的剖視示意圖；
[0017]圖3為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭的截流轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭沿圖1中B-B的剖視示意圖；
[0019]圖5為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭沿圖1中C-C的剖視示意圖；
[0020]圖6為連續(xù)截流脈動(dòng)噴射提速鉆頭底部噴嘴分布示意圖；
[0021]圖中:I鉆頭本體，11旁通泄流孔，12旁通泄流噴嘴，13噴射孔，14射流噴嘴，15切削翼，21驅(qū)動(dòng)引流環(huán)，22螺旋轉(zhuǎn)子，23密封組件，24過渡