[發明專利]液動沖旋子母鉆頭

有效

• 申請號: 201310176720.9
• 申請日: 2013-05-14
• 公開（公告）號: CN103266854A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 呂苗榮;刁建波;陸健;劉志成
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: E21B10/00
• 分類號: E21B10/00;E21B10/60
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及井下動力工具技術領域，尤其涉及一種液動沖旋子母鉆頭。

背景技術

沖旋鉆進技術是沖擊式鉆進和旋轉鉆進相結合的一種鉆進方法,其原理是在普通旋轉鉆進的基礎上增加一個沖擊器,沖擊器依靠高壓氣體或鉆井液推動其活塞上下運動撞擊其下端的沖旋鉆頭,沖旋鉆頭即在沖擊動載荷和靜壓旋轉的聯合作用下破碎巖石。采用沖旋鉆進技術在鉆遇堅硬地層時,具有鉆速快,鉆井成本低、巖屑大、鉆壓低和井斜程度輕等優點。目前,沖旋鉆進技術已廣泛應用于礦山、采石、地質勘探、水文水井、石油鉆井、地熱鉆井、工程施工及工程勘察等領域。

目前在采用沖旋鉆井技術鉆進硬質及超硬地層的過程中，傳統的液動沖旋鉆頭存在排屑困難的問題，使得巖屑不能及時有效的排出井底，堅硬的巖屑顆粒在井底被重復破碎，導致鉆頭本體及牙齒磨損嚴重，邊齒脫落，鉆頭壽命短，鉆進速度慢。此外攜帶巖屑的高速鉆井液對井壁的沖蝕破壞嚴重，導致井壁坍塌事故時有發生。

長期以來，國內外學者在沖旋鉆頭方面進行了積極的探索，提出了很多改進方法。例如將排屑槽結構由徑向改進為切向；調整噴嘴位置、大小、個數；調整邊齒傾角；牙齒方面研制新型復合納米材料等方面提高鉆頭的工作性能，延長使用壽命。

這些方法對沖旋鉆頭技術的發展起到了積極的推動作用，但也遇到了瓶頸。因此，突破傳統方法，從新的角度對鉆頭各項參數進行研究，研制出一種排屑效率高，鉆頭磨損慢，使用壽命長，鉆進速度快的液動沖旋鉆頭是沖旋鉆井技術體系的需要，是目前深井超深井鉆井技術的需要，是提高鉆井綜合經濟效益的需要。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：為了解決液動沖旋鉆頭排屑不暢、巖屑重復破碎、邊齒脫落及使用壽命短的問題，本發明提供一種液動沖旋子母鉆頭。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種液動沖旋子母鉆頭，包括鉆頭體和設置在鉆頭體端面上的牙齒，所述鉆頭體的端面為階梯分離式，其正投影呈三片式扇葉形，所述的端面分為一體結構的中心圓端面和三個扇葉形端面，所述的扇葉形端面均布在中心圓端面的外圈，所述的每個扇葉形端面的根部開設有弧形排屑槽，所述的三個弧形排屑槽均貼合于中心圓端面的外圈，所述的中心圓端面上還均布開設有三個互不相交的雙向圓弧排屑槽，所述的三個雙向圓弧排屑槽與三個弧形排屑槽分別一一對應，所述的雙向圓弧排屑槽的弧形開口與弧形排屑槽的弧形開口相對，所述的中心圓端面還設有三內三外六個水眼，單個內水眼與外水眼同一徑向分布。本發明的液動沖旋子母鉆頭的雙向圓弧排屑槽，一方面泥漿液擠壓使得巖屑向兩邊排屑，縮短巖屑運動路徑，利于中心排屑；另一方面雙向圓弧排屑槽的圓弧結構，為流入的巖屑提供了額外的向心力，利于巖屑快速流入井眼環空，提高排屑效率；最后雙向圓弧排屑槽為切向結構，可以減少井底流場漩渦大小和強度，降低巖屑重返井底幾率，提高井底流場排屑效率，避免重復破碎。

為了保證更好的排屑效果，所述的雙向圓弧排屑槽的弧形開口寬度與弧形排屑槽的弧形開口寬度相一致，且雙向圓弧排屑槽的弧度大于與弧形排屑槽的弧度。

所述的鉆頭體的中心還開設有流道，每個雙向圓弧排屑槽的中間開設有不等直徑的內水眼，每個弧形排屑槽的中間開設有等直徑的外水眼，內水眼和外水眼均與流道相通。鉆頭體上的水眼采用三內三外的水眼結構，中心采用三個不等直徑的大水眼，提高井底流場漫流層的徑向速度和壓力梯度，能增強井底流場的清巖力；外側采用三個等直徑的小水眼，抑制中心水眼產生的漩渦區，降低巖屑重返井底幾率，同時加強了邊齒的清洗，減輕巖屑滯留，提高鉆頭的整體清巖能力。

所述的三個內水眼和三個外水眼一一對應，每對內水眼和外水眼分布在同一徑向上，可以減小由內水眼射流產生的漩渦區的大小和強度。

所述的牙齒分為邊齒和中心齒，所述的邊齒均布在扇葉形端面上，中心齒均布在中心圓端面上，所述的中心圓端面略高于扇葉形端面。所述的邊齒采用錐形齒，中心齒采用球形齒。通過中心齒與邊齒先后破碎巖石，分離了中心齒與邊齒職能，中心齒側重于沖擊破碎，而邊齒側重于旋轉破碎。先期破碎時，沖擊能量集中作用在中心齒上，增強鉆頭破巖能力，同時由于中心齒的體積破碎，提高了周圍巖石的可鉆性，利于邊齒的后期剪切破碎。

為了充分利用沖擊能力，保護邊齒，進一步提高鉆頭壽命，所述的邊齒采用錐形齒，中心齒采用球形齒。