[發明專利]一種串狀水孔的鉆頭

有效

• 申請號: 201510075232.8
• 申請日: 2015-02-12
• 公開（公告）號: CN104612594B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 林敏;宋東東;楊迎新;張偉峰;況雨春;陳煉;張春亮;黃奎林;左龍
• 申請（專利權）人: 西南石油大學;成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B10/61
• 分類號: E21B10/61
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 管高峰,錢成岑

技術領域

本發明屬于石油天然氣、礦山工程、地熱井、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探技術領域，具體是涉及一種具有新型水力結構的鉆頭。

背景技術

鉆頭是鉆井工程中用于破碎巖石形成井眼的破巖工具，鉆頭的水力結構是決定鉆頭鉆進性能的重要因素。鉆頭破巖鉆進時，鉆井液(流體)從鉆頭內流道通過鉆頭水孔噴射到井底，從鉆頭水孔噴出的鉆井液主要起清洗井底，攜帶并運移鉆頭破碎巖石所形成的巖屑，冷卻并清洗切削齒，以及輔助破巖等作用。在現代快速鉆井技術中，需要鉆頭具有優良破巖切削結構的同時，還需鉆頭具有良好的清洗井底、運移巖屑、切削齒冷卻與清洗等水力性能。常規鉆頭中使用的水孔大多為單個圓形孔，其直接清洗井底的能力，直接攜巖運巖的能力，以及直接噴射冷卻清洗切削齒的能力均較弱。其大部分區域的井底清洗，巖屑攜帶運移，切削齒的冷卻都是利用圓形噴嘴噴射后的鉆井液的漫流來完成的，漫流的水力能量遠遠小于直接噴射流體的水力能量，且噴射后所形成的漫流易形成渦流，渦流對鉆頭體和切削齒等會形成非常不利的影響，也不利于清洗和巖屑的及時快速運離。另外，現有鉆頭為了匹配鉆頭在井底破巖時的井底流場，其水孔多設置在鉆頭心部或設置在切削結構靠近心部的開始端附近，即所有水孔都盡量靠近鉆頭中心，以便于井底清洗和攜巖時，形成從心部往外的鉆井液(流體)漫流流場，但井底水力能量損失大，流場優化空間小，且只能集中在心部區域噴射。

近年，地熱鉆井發展迅速，地熱鉆井中常遇到高溫井。很多地熱井中地層溫度已經達到150攝氏度或更高，鉆頭的工作溫度甚至達到200攝氏度以上。常規圓形水孔的鉆頭，其水孔結構已不能滿足高溫井中鉆頭切削齒及時快速冷卻、清洗的需要。高溫井中，如不能及時冷卻和清洗鉆頭及其切削齒，鉆頭和切削齒溫度過高將會顯著降低鉆頭的使用壽命和鉆進性能。

發明內容

本發明的目的在于：克服上述現有技術的不足之處，提出一種串狀水孔的鉆頭，解決鉆頭在快速鉆井和高溫井鉆井中因鉆頭水力結構不合理而降低鉆頭鉆進性能和使用壽命的問題。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種串狀水孔的鉆頭，包括鉆頭本體，設于鉆頭本體上的切削結構，切削結構上設置有切削齒，切削結構之間設置有排屑槽和流道，流道上設置有水孔，所述水孔至少有一個是串狀水孔，所述串狀水孔的出口由至少兩個圓或橢圓串通形成，所述串狀水孔的長度方向的縱剖面形狀為口大底小的扇形或者類扇形。

本專利中，為了便于理解，參考圖示，如圖5所示d1為串狀水孔的出口的寬度(因為寬度方向上形狀不規則，該寬度指的是最大寬度)，d2為串狀水孔的出口的長度(因為長度方向上形狀不規則，該長度指的是最大長度)，如圖6所示，串狀水孔的進口51與鉆頭內流道12相連通，串狀水孔的出口52與切削結構相對應；其中鉆頭的徑向布齒覆蓋區域的長度為L，串狀水孔的扇形角覆蓋區域長度為L1，鉆頭切削結構的徑向外二分之一區域的長度為P，串狀水孔的扇形角覆蓋區域在該鉆頭切削結構的徑向外二分之一區域的覆蓋長度為P1。如圖7所示，A-A是串狀水孔的長度方向縱剖面，B-B是串狀水孔的寬度方向縱剖面，C-C是串狀水孔的橫向剖面，即可知，水孔的寬度方向縱剖面與水孔的長度方向縱剖面、水孔的橫向剖面相互垂直。

上述方案中，扇形或者類扇形(或者叫放射狀)的內腔形狀，以及串狀(顧名思義，即為通常意義上的若干個圓或橢圓直接或間接連通成串，包括圓與圓相鄰、橢圓與橢圓相鄰，以及圓與橢圓相鄰的方式)孔口的串狀水孔能夠更有效地利用其水力能量，并避免鉆井液對切削結構、切削齒的沖蝕。

作為選擇，所述串狀水孔的出口的長度是寬度的1.5倍以上。

上述方案中，較大的水孔長寬比能很好地實現水孔噴射較大覆蓋的范圍；串狀水孔上至少有兩個圓或橢圓串通，較長的水孔長度便于圓(或橢圓)的設置，并能在水孔長度方向上根據鉆頭結構和鉆頭破巖工作的特性進行圓(或橢圓)的優化合理設計，在需要加強清洗、破巖任務量大、巖屑量大、巖屑易匯聚堆積、需加強冷卻、以及需加強水力輔助破巖等區域，進行圓(或橢圓)的布置設計，以形成明顯的多點噴射，有針對性地實現多點高速噴射；較大的水孔長寬比便于靈活設計水孔的噴射形狀。因此，較大的水孔長寬比能有效利用水力能量，優化水力結構，提高鉆頭性能，并能實現鉆頭水力結構的個性化設計要求。

作為選擇，所述切削結構為固定切削結構，所述串狀水孔的長度方向與固定切削結構的布齒排布方向的走向一致。