[發明專利]減壓提速的鉆頭流道結構和鉆頭

無效

• 申請號: 201010282189.X
• 申請日: 2010-09-15
• 公開（公告）號: CN101988369A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發明（設計）人: 鄧金根;朱海燕;李萍;蔚寶華;黃凱文
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: E21B10/60
• 分類號: E21B10/60;E21B10/61;E21B10/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及石油和地質鉆井工程領域，特別涉及減壓提速的鉆頭流道結構和鉆頭。

背景技術

為了開采地下的油氣資源，需要利用鉆具鉆穿地下地層。這些鉆具從地面到地下一般依次包括井架、轉盤、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭。其中鉆頭對地層進行切削從而鉆進井眼。鉆頭切削地層的同時在井底產生大量的巖屑，為了把這些巖屑清除到地面，在鉆進的同時必須通過鉆柱內部注入鉆井液，這些鉆井液從鉆頭噴出并經過鉆柱與地層之間的環形空間返回到地面，從而把巖屑攜帶到地面。然而，鉆井液對井底產生一個非常大的液柱壓持力，例如，對于一個3000米深的井眼，使用密度為1.1g/cm³的鉆井液鉆井，這樣的壓力將達到33MPa。現有鉆頭的水孔出口沿井深方向向下，且與鉆頭軸線夾角為0°～60°，鉆井液流經噴嘴后直接沖擊井底，在巨大的壓持力作用下，鉆頭切削下來的巖屑被壓持在井底，從而不利于巖屑的清除，極大地降低了巖屑清除效率。特別是在深井和超深井的鉆井過程中，巨大的鉆井液液柱壓持力，將極大地影響巖屑的及時清除，造成鉆頭的重復破碎，降低鉆井速度。

為了解決這個問題，人們通常通過提高泥漿泵排量、增加泵壓，以及采用各種噴嘴組合和改變噴嘴結構的方法，依靠高壓水射流增加對井底的沖擊力，實現水射流和機械聯合破巖。然而，這種方法加大了泥漿液柱對井底巖屑的壓持力，特別是在深井和超深井鉆井中，由于巨大的泥漿液柱壓力，單純的依靠高壓射流手段提高鉆速效果并不明顯。因此迫切需要一種能夠降低井底局部壓力的鉆頭，在保持整個井筒泥漿液柱壓力不變的情況下，降低鉆頭作用面的泥漿柱壓力，從而實現在保持井壁穩定的前提下大大提高機械鉆速。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供一種能夠降低井底鉆頭作用面的泥漿柱壓持力從而提高鉆速的鉆頭流道結構和鉆頭。

本發明解決上述技術問題所采取的技術方案是：一種減壓提速的鉆頭流道結構包括主流道、鉆頭體、流道過渡區、水孔、卡簧槽、密封槽和耐沖蝕層，所述主流道、所述流道過渡區和所述水孔位于所述鉆頭體內；所述流道過渡區連通所述主流道與所述水孔，且其軸線為一空間曲線；所述水孔的軸線為一空間直線；所述卡簧槽與所述密封槽位于所述水孔內；所述耐沖蝕層位于所述流道過渡區表面。

所述主流道為圓柱形，其軸線與所述鉆頭體的軸線重合；所述主流道的上端與鉆柱內鉆井液通道相連，其下端與所述流道過渡區相連。

所述流道過渡區包括錐形收縮段、轉向彎曲段和向上擴散段；所述錐形收縮段呈圓錐形；所述轉向彎曲段呈弧形，并彎曲上翹；所述向上擴散段呈圓柱形，與所述水孔相連，且其中心線與所述水孔的中心線重合；所述流道過渡區的軸線在井底水平面上的投影線由圓弧和線段組成，所述圓弧的圓心在鉆頭旋轉方向一側，其一端與所述線段相切，另一端點與所述水孔的軸線在井底水平面上的投影線相切。

所述水孔呈圓柱形，其出口方向傾斜向上；所述水孔的軸線與鉆頭軸線的夾角為α：90°＜α＜180°；所述水孔的出口方向在井底水平面上的投影與鉆頭旋轉方向一致；所述水孔出口處的中心點在井底水平面上的投影點所在的徑向方向，與所述水孔軸線在井底水平面上的投影線的夾角為β：0°＜β＜90°。

所述卡簧槽位于所述水孔內部上端，用于放置卡簧，以將鉆頭噴嘴固定在所述水孔內。

所述密封槽位于水孔內部中間位置，用于放置密封裝置，以防止泥漿從噴嘴和所述水孔之間的間隙泄露；所述的密封裝置采用“O”型密封圈和膨脹密封結構。

所述耐沖蝕層是采用氧乙炔或激光熔覆的方法，將耐沖蝕材料敷焊在所述流道過渡區的表面，敷焊厚度為0.2～2.0mm。

所述減壓提速的鉆頭使用減壓提速的鉆頭流道結構，并在鉆頭體內可同時設置若干相同的所述流道過渡區和所述水孔。

本發明將現有鉆頭的水孔出口方向，由與鉆頭軸線夾角為0°～60°，調整為與鉆頭軸線夾角為90°～180°，且與鉆頭徑向的夾角為0°～90°。泥漿流經噴嘴后，由原先的向下直接沖擊井底，改變成背離井底方向傾斜向上，同時獲得向上和與井壁相切的速度。結合鉆頭旋轉速度的帶動作用，泥漿從水孔中射出后，隨鉆頭做圓周運動，在鉆頭附近形成漩渦，在漩渦底部產生一低壓區，從而使井底的泥漿液柱壓持力減小，井底巖屑在上下壓力差的作用下，被抽汲離開井底，隨鉆井液返回地面。一方面，本發明的鉆頭流道結構和鉆頭，在井底產生一局部低壓漩渦區，減小井底巖屑的壓持作用，實現對井底巖屑的抽汲，加速巖屑的清除，減少巖屑的重復破碎，提高鉆速；另一方面由于不需要大功率的泥漿泵和柴油機，從而降低了鉆井成本，節約了能源。