[發(fā)明專利]多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711162651.0
• 申請(qǐng)日: 2017-11-21
• 公開（公告）號(hào): CN107829689A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳冬宇;張紹和;舒彪;曹函;孫平賀;張鑫鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B10/38
• 分類號(hào): E21B10/38
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司44214
• 代理人: 吝秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鉆井工具，具體涉及一種多向噴射式氣動(dòng)潛孔錘鉆頭。

背景技術(shù)

為了保證沖錘沖擊功得以傳遞至井底，氣動(dòng)潛孔錘鉆頭入口處的壓力往往較低以避免流體背壓對(duì)沖錘沖擊運(yùn)動(dòng)造成不利影響。較低的噴嘴入口壓力加上鉆頭花鍵配處存在泄漏，使得潛孔錘鉆頭噴嘴噴射的流體對(duì)巖屑的清除效果較差，鉆進(jìn)過快時(shí)孔內(nèi)懸浮有大量巖屑，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。在含水潮濕地層，潛孔錘鉆頭也常常因?yàn)閹r屑堆積導(dǎo)致鉆頭泥包。巖屑的清除需要懸浮和運(yùn)移兩個(gè)過程，常規(guī)斜噴嘴能夠較好的懸浮巖屑，但徑向流體速度較低，不利于巖屑運(yùn)移；徑向噴嘴孔底漫流流速高，有利于巖屑運(yùn)移，但啟動(dòng)和懸浮巖屑的能力較弱。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭。該鉆頭利用沖錘與鉆頭間的往復(fù)沖擊，控制壓縮空氣在環(huán)腔單穩(wěn)射流元件內(nèi)高頻切換，在孔底形成多個(gè)方向的高頻震蕩射流強(qiáng)力清潔孔底，既能避免多孔分流降低流體能量，又能避免高背壓對(duì)碎巖的不利影響。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭，包括壓頭、環(huán)腔單穩(wěn)射流元件、鉆頭體以及噴嘴。壓頭用來將環(huán)腔單穩(wěn)射流元件封在鉆頭體內(nèi)，壓頭內(nèi)部分別開設(shè)有與環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴和環(huán)腔單穩(wěn)射流元件控制道相通的通路；環(huán)腔單穩(wěn)射流元件采用了單控制道的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，且位于環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴兩側(cè)的臺(tái)肩長度不同，靠近控制道一側(cè)臺(tái)肩的長度小于另外一側(cè)臺(tái)肩的長度，使壓縮空氣能夠穩(wěn)定附壁一側(cè)；環(huán)腔單穩(wěn)射流元件的控制道為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，位于下端的劈尖以焊接的方式固定到鉆頭體上；鉆頭體內(nèi)開有多個(gè)斜噴噴嘴和徑向噴嘴，兩種噴嘴分別連接至環(huán)腔單穩(wěn)射流元件的兩個(gè)出口。

用于撞擊多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭的沖錘下端面開設(shè)有導(dǎo)流槽，與壓頭入口相連通，壓縮空氣經(jīng)由沖錘下端面導(dǎo)流槽、壓頭入口、環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴進(jìn)入環(huán)腔單穩(wěn)射流元件內(nèi)部，沖錘與鉆頭碰撞前，由環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴進(jìn)入的壓縮空氣在控制道的流體推力作用下附壁到遠(yuǎn)離控制道的外圍壁面，經(jīng)由鉆頭底端的斜噴噴嘴噴出，卷攜清除孔底巖屑；沖錘與鉆頭碰撞接觸后，沖錘下端面將控制道堵住，在控制道內(nèi)形成瞬時(shí)負(fù)壓，且由于靠近控制道一側(cè)臺(tái)肩的長度小于另外一側(cè)臺(tái)肩的長度，通過環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴進(jìn)入射流元件內(nèi)部的壓縮空氣瞬時(shí)切換并附壁到另一側(cè)壁面，沿徑向噴嘴強(qiáng)力清潔孔底。

所述多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭斜噴噴嘴和徑向噴嘴的數(shù)量為多個(gè)。

本發(fā)明的有益效果是：

環(huán)腔結(jié)構(gòu)的射流元件具有較大的流體過流量面積，保證了鉆頭入口處始終處于低壓狀態(tài)；撞擊前壓縮空氣通過鉆頭的常規(guī)斜噴孔噴射孔底，懸浮巖屑并攜帶孔底巖屑上返；撞擊后噴射流體瞬時(shí)切換到徑向噴嘴，在孔底產(chǎn)生類似“強(qiáng)吹孔”的效果，將懸浮在孔內(nèi)的、未及時(shí)清除的巖渣屑進(jìn)一步吹入至外環(huán)空間隙并運(yùn)移到地表。通過沖錘與鉆頭撞擊瞬間，完成壓縮空氣在直徑不同、噴射方向不同的流體通道間高頻切，彌補(bǔ)斜噴噴嘴和徑向噴嘴的各自不足，能夠更加高效的清除孔內(nèi)巖屑。由于撞擊后壓力的突然增加，沖錘回程響應(yīng)也隨之加快，一定程度上提升了沖擊頻率，提高了鉆進(jìn)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明多向噴射氣動(dòng)潛孔錘鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明壓頭處的截面剖視圖；

圖3是本發(fā)明環(huán)腔單穩(wěn)射流元件處的截面剖視圖。

圖中：Ⅰ、壓頭，Ⅱ、環(huán)腔單穩(wěn)射流元件，Ⅲ、鉆頭體，1、壓頭入口，2、控制道，3、環(huán)腔單穩(wěn)射流元件噴嘴，4、第一臺(tái)肩，5、第二臺(tái)肩，6、斜噴噴嘴，7、徑向噴嘴，8、劈尖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述

實(shí)施例1

如圖1，圖2和圖3所示，本實(shí)施例所述多項(xiàng)噴射潛孔錘鉆頭，主要包括壓頭Ⅰ、環(huán)腔單穩(wěn)射流元件Ⅱ和鉆頭體Ⅲ。壓頭Ⅰ采用35CrMo材質(zhì)，內(nèi)部開有與環(huán)腔單穩(wěn)射流元件Ⅱ連通的壓頭入口1和控制道2，與環(huán)腔單穩(wěn)射流元件Ⅱ通過銷釘連接置入鉆頭體Ⅲ內(nèi)，再與外圍的鉆頭體Ⅲ焊接成一個(gè)整體；由于流體介質(zhì)為氣體且鉆頭為正循環(huán)鉆頭，無需考慮沖蝕問題，環(huán)腔單穩(wěn)射流元件Ⅱ采用 3D打印高強(qiáng)度鋁合金，可保證鉆頭的長久使用。在鉆頭體Ⅲ內(nèi)分別開有兩個(gè)斜噴噴嘴6和兩個(gè)徑向噴嘴7，分別連接到環(huán)腔單穩(wěn)射流元件Ⅱ的兩個(gè)出口。常規(guī)鉆頭尾部的導(dǎo)流槽被設(shè)置到?jīng)_錘下端面以進(jìn)一步加強(qiáng)鉆頭強(qiáng)度。

工作時(shí)，在沖錘與鉆頭碰撞前，進(jìn)入環(huán)腔單穩(wěn)射流元件的壓縮空氣在控制道 2的空氣推力作用下附壁到靠近第二臺(tái)肩5的外圍壁面，經(jīng)過斜噴噴嘴6進(jìn)入孔底懸浮并清除孔底巖屑；沖錘與鉆頭撞擊后，沖錘下端面的導(dǎo)流槽由于始終與壓頭入口1正對(duì)，仍然保持過流通暢，控制道則被沖錘堵住，在控制道處形成負(fù)壓，同時(shí)由于第二臺(tái)肩5的長度大于第一臺(tái)肩4的長度，附壁到外圍壁面的壓縮空氣附壁失穩(wěn)瞬間切換至靠近第一臺(tái)肩4的壁面，進(jìn)入徑向噴嘴沖洗孔底，在孔底產(chǎn)生類似“強(qiáng)吹孔”的效果，把懸浮在孔內(nèi)的、未及時(shí)清除的巖渣屑進(jìn)一步吹入至外環(huán)空間隙并運(yùn)移到地表。由于撞擊后壓力的突然增加，沖錘回程響應(yīng)也隨之加快，一定程度上提升了沖擊頻率，提高了鉆進(jìn)效率。