本發(fā)明屬于鉆井技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鉆頭是鉆井工程中用于破碎巖石形成井眼的主要工具，鉆頭的水力結(jié)構(gòu)是決定鉆進(jìn)性能的重要因素。鉆頭破巖鉆進(jìn)時，鉆井液從鉆頭的內(nèi)流道通過鉆頭水孔噴射到井底，起到清洗井底、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的作用。在現(xiàn)代快速鉆井技術(shù)中，鉆頭不僅要具有優(yōu)良的破巖結(jié)構(gòu)，還要具有良好的水力性能。常規(guī)鉆頭中使用的水孔大多為小的圓形孔，且均多個設(shè)置，利用圓形噴嘴噴射出的鉆井液所形成的漫流來完成井底攜巖和切削齒冷卻工作。由于漫流的水力能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接噴射流體的水力能量，圓形噴嘴噴射出的鉆井液對鉆頭的清洗和冷卻能力較弱。此外，常規(guī)鉆頭的多個噴嘴產(chǎn)生的多股射流會相互干擾，向井底沖刺的液流又與井底上返的液流相互干擾，造成井底流場紊亂，極易形成渦旋，導(dǎo)致巖屑的聚集和堆積，巖屑難以順利上返，不利于鉆頭體和切削齒的清洗和冷卻，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)鉆頭泥包，燒鉆等現(xiàn)象，給鉆井帶來了巨大的危害。

近年來，地?zé)徙@井發(fā)展迅速，很多地?zé)峋械貙訙囟纫呀?jīng)達(dá)到150℃或者更高，鉆頭的工作溫度甚至達(dá)到200℃以上。常規(guī)多個設(shè)置的圓形水孔的鉆頭，其水孔結(jié)構(gòu)已不能滿足高溫鉆井中鉆頭及切削齒快速清洗和冷卻的需要，一旦鉆頭和切削齒的溫度過高將會顯著降低鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：為了解決鉆頭在快速鉆井和高溫鉆井過程中因鉆頭水力結(jié)構(gòu)不合理而降低鉆頭使用壽命和鉆進(jìn)性能的問題，特提供一種具有開放式水孔的鉆頭。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體、切削結(jié)構(gòu)、切削齒、排屑槽、內(nèi)流道和水孔，切削結(jié)構(gòu)布置在鉆頭本體上，切削齒設(shè)置在切削結(jié)構(gòu)上，內(nèi)流道設(shè)置在鉆頭本體內(nèi)，排屑槽設(shè)置在切削結(jié)構(gòu)之間，水孔設(shè)置在內(nèi)流道與排屑槽之間并連通內(nèi)流道與排屑槽，水孔僅有一個，整體呈口大底小形狀，且水孔底部開口直接與內(nèi)流道頂部開口貫通，水孔底部開口面積與內(nèi)流道頂部開口面積一致或大小基本相當(dāng)。在本發(fā)明中，將本發(fā)明的水孔稱之為“開放式水孔”。作為優(yōu)選，水孔與內(nèi)流道同軸連通。

本發(fā)明所述“大小基本相當(dāng)”做普遍的一般理解即可，是為了避免對前述“一致”做數(shù)值上的絕對等同理解而進(jìn)行的補(bǔ)充說明，無需特別約定，一般而言，需要水孔底部開口面積為內(nèi)流道頂部開口面積的90％以上。

作為選擇，切削結(jié)構(gòu)為固定切削結(jié)構(gòu)。作為選擇，固定切削結(jié)構(gòu)在鉆頭本體中心懸空成梁，水孔設(shè)置于懸空梁下方。

作為選擇，水孔為口大底小的柱體，其橫斷面輪廓呈星形(該星形具有中心孔以及支臂，各支臂以中心孔中心對稱或不對稱均可)。該方案中，水孔具有類扇形柱體(或者叫發(fā)散狀柱體)的內(nèi)腔形狀，以及開放式水孔的出口水槽(對于星形結(jié)構(gòu)，其支臂即形成出口水槽)的結(jié)構(gòu)能夠充分利用鉆井液射流的水力能量，并能避免鉆井液對切削結(jié)構(gòu)和切削齒的沖蝕。星形狀出口的開放式水孔，其出口過流面積比常規(guī)圓形水孔大，可直接利用射流的水力能量沖洗井底。

作為選擇，水孔的出口水槽數(shù)目與切削結(jié)構(gòu)個數(shù)相同。該方案中，每一個切削結(jié)構(gòu)對應(yīng)一個開放式水孔的出口水槽，更有利于各切削結(jié)構(gòu)上切削齒的清洗和冷卻。

作為選擇，切削結(jié)構(gòu)為固定切削結(jié)構(gòu)，水孔的出口水槽沿排屑槽延伸，且延伸方向與固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒排布方向的走向一致。該方案中，所述開放式水孔的出口水槽的延伸方向順著鉆頭切削結(jié)構(gòu)上的切削齒排布方向，能夠提高鉆頭巖屑運移效率和自潔能力，將水力能量直接用于切削齒的清洗、冷卻和巖屑運移。

作為選擇，切削結(jié)構(gòu)為固定切削結(jié)構(gòu)，水孔的出口水槽中心面與對應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)布齒面的距離為對應(yīng)排屑槽在保徑圓周上的距離的0.5倍以下。該方案中，根據(jù)相鄰固定切削結(jié)構(gòu)之間的距離，在一定比例范圍內(nèi)來調(diào)整開放式水孔的出口水槽中心面與對應(yīng)固定切削結(jié)構(gòu)布齒面的距離，能夠更合理地設(shè)置出口水槽的位置，合理利用排屑槽的空間，有利于切削齒和固定切削結(jié)構(gòu)的冷卻和清洗，并避免切削齒因流速過大造成沖蝕。

作為選擇，水孔的出口水槽寬度是對應(yīng)排屑槽在保徑圓周上的距離的0.4倍以下。本方案中，對開放式水孔的出口水槽寬度的調(diào)節(jié)便是對出口過流面積的調(diào)整，一般而言，過流面積越小，液體流過得流速就越高，但對于開放式水孔的出口水槽寬度而言，出口水槽寬度過大或過小都不利于切削齒的冷卻和清洗效果。

作為選擇，水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線夾角為20°～80°之間。

作為選擇，水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線所形成的扇形角覆蓋區(qū)域達(dá)到對應(yīng)切削結(jié)構(gòu)徑向布齒覆蓋區(qū)域的60％以上。

上述方案中，對所述具有開放式水孔的鉆頭進(jìn)行噴射清洗和冷卻時，由于鉆頭本體尺寸空間有限，鉆井液必須以一定的角度和方向進(jìn)行噴射才能保證清洗范圍并使清洗效果和冷卻效果達(dá)到最佳。而使噴射角度控制在20°～80°之間就可以滿足鉆頭各種噴射角度和噴射區(qū)域范圍的要求。開放式水孔的出口水槽延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線所形成的扇形角覆蓋區(qū)域達(dá)到對應(yīng)切削結(jié)構(gòu)徑向布齒覆蓋區(qū)域的60％以上，且都能進(jìn)行直接噴射，滿足了鉆頭清洗與冷卻的需求范圍。

前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案；且本發(fā)明，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

本發(fā)明的有益效果：開放式水孔直接噴射的射流范圍可以達(dá)到井底區(qū)域的60％以上，射流直接清洗鉆頭并攜帶井底巖屑，減少了水力能量的損失以及射流干擾和井底漫流的區(qū)域，從而減少或避免形成渦旋及因渦旋產(chǎn)生的危害，同時還能提高鉆頭的水力利用率，增強(qiáng)了鉆頭和切削齒與鉆井液的換熱效果，提高鉆頭的清洗、攜巖和冷卻能力，減小了鉆頭的磨損，提高鉆頭的鉆進(jìn)性能和使用壽命。

本發(fā)明的開放式水孔打破了小水孔的局限，增加了鉆頭水孔及水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，簡化了鉆頭水孔設(shè)計的繁瑣，提高了鉆頭的設(shè)計效率。

本發(fā)明能夠根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)、針對不同地層、不同鉆井條件完成鉆頭水力結(jié)構(gòu)的個性化設(shè)計，滿足鉆頭的流量、流速分配，提高鉆頭與地層的水力匹配性。開放式水孔所覆蓋的全部區(qū)域都能進(jìn)行直接噴射，拓寬水孔直接噴射清洗和冷卻范圍的同時，可通過改變開放式水孔的出口水槽形狀，在鉆頭刀翼鼻尖部、布齒密度高的區(qū)域、破巖工作量大的區(qū)域等需要較強(qiáng)直接噴射的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)噴射，實現(xiàn)清洗、攜巖和冷卻的優(yōu)化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的具有開放式水孔的鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1鉆頭的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實施例的開放式水孔出口示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的開放式水孔徑向覆蓋區(qū)域示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的開放式水孔與內(nèi)流道示意圖；

圖6為圖1剖面A—A鉆頭的仰視圖；

附圖中標(biāo)記相應(yīng)零部件名稱：1-鉆頭本體、2-切削結(jié)構(gòu)、3-排屑槽、4-切削齒、5-水孔、9-水孔的出口水槽中心面、10-切削結(jié)構(gòu)布齒面、11-內(nèi)流道、12-排屑槽在保徑圓周上的距離、15-水孔的出口水槽。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明。

參考圖1至6所示，一種具有開放式水孔的鉆頭，包括鉆頭本體1、切削結(jié)構(gòu)2、切削齒4、排屑槽3、內(nèi)流道11和水孔5，切削結(jié)構(gòu)2布置在鉆頭本體1上，切削齒4設(shè)置在切削結(jié)構(gòu)2上，內(nèi)流道11設(shè)置在鉆頭本體1內(nèi)，排屑槽3設(shè)置在切削結(jié)構(gòu)2之間，水孔5設(shè)置在內(nèi)流道11與排屑槽3之間并連通內(nèi)流道11與排屑槽4，本發(fā)明的特點是，水孔5僅有一個，整體呈口大底小形狀(從圖4、5的立面/立體視圖來看，就是上大下小)，且水孔5底部開口直接與內(nèi)流道11頂部開口貫通，水孔5底部開口面積與內(nèi)流道11頂部開口面積一致或大小基本相當(dāng)。作為選擇，如本實施例所示，切削結(jié)構(gòu)2為固定切削結(jié)構(gòu)(如PDC鉆頭的刀翼)，切削結(jié)構(gòu)2在鉆頭本體1中心處懸空成梁，水孔5設(shè)置于懸空梁下方，如圖1、2、4、6所示。優(yōu)選水孔5為口大底小的柱體，其橫斷面輪廓呈星形(或叫放射狀)，星形的支臂部分即形成出口水槽15，水孔5的出口水槽15數(shù)目與切削結(jié)構(gòu)2個數(shù)相同，如本實施例所示，出口水槽有6個，如圖3、5所示。水孔5的出口水槽15沿排屑槽3延伸，且延伸方向與切削結(jié)構(gòu)2上的切削齒4排布方向的走向一致。更進(jìn)一步的優(yōu)選，如圖2、3所示，水孔5的出口水槽15中心面9與對應(yīng)的切削結(jié)構(gòu)2布齒面的距離b為對應(yīng)排屑槽3在保徑圓周上的距離12的0.5倍以下。水孔5的出口水槽15寬度a是對應(yīng)排屑槽3在保徑圓周上的距離12的0.4倍以下。如圖4所示，水孔5的出口水槽15延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線夾角α1為20°～80°之間，圖中夾角α為極限值。水孔5的出口水槽15延伸方向的縱剖面的扇形邊與鉆頭軸線所形成的扇形角覆蓋區(qū)域d1達(dá)到對應(yīng)切削結(jié)構(gòu)2徑向布齒覆蓋區(qū)域d的60％以上，即d1/d≥60％。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。