本發(fā)明屬于油氣井鉆井領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種用于串聯(lián)型脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭。

背景技術(shù)：

風(fēng)琴管通過激發(fā)液體共振產(chǎn)生初始脈沖射流，由于結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生效率高等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)生的脈沖射流以其非對稱、非均勻、不穩(wěn)定特性，相對常規(guī)穩(wěn)態(tài)射流，可極大提高水力輔助破巖效率，同時(shí)在鉆頭附近形成局部低壓區(qū)，減少環(huán)空液體柱壓力對井底巖石的壓持效應(yīng)。理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)均證明脈沖射流在鉆井領(lǐng)域有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景，而將脈沖射流運(yùn)用于鉆頭設(shè)計(jì)也已經(jīng)被理論和實(shí)驗(yàn)證明其可行性。

脈沖射流容易衰減，如何增強(qiáng)脈沖射流，尤其是階段性地增強(qiáng)脈沖射流，越來越受到相關(guān)技術(shù)人員的重視。赫姆霍茲振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單，無附加驅(qū)動源，靠自身結(jié)構(gòu)就能產(chǎn)生脈沖射流等優(yōu)點(diǎn)，通過形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，對風(fēng)琴管產(chǎn)生的脈沖射流進(jìn)行增強(qiáng)，提高水力破巖、清巖效率。

射流泵在采油、固井等領(lǐng)域已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，而如何將射流泵理論應(yīng)用于巖屑的清巖、攜巖卻是一個(gè)新問題，將基于射流泵的負(fù)壓抽汲理論應(yīng)用于新型鉆頭的設(shè)計(jì)是一個(gè)新方向，也為清除水平井巖屑床提供一種新思路。

水平井鉆井中，往往由于攜巖不利、清巖不及時(shí)導(dǎo)致巖屑堆積，產(chǎn)生巖屑床，嚴(yán)重制約著機(jī)械鉆速和鉆井成本，導(dǎo)致憋泵、蹩鉆，甚至卡鉆等鉆井復(fù)雜事故的發(fā)生。常規(guī)的解決方法多為提高鉆速、增大排量、添加潤滑劑，通過短距離上提下放鉆具，將鉆頭附近的大顆粒巖屑推回井底重復(fù)破碎，雖然有一定的效果，但是降低了機(jī)械鉆速，不能從根本上清除水平井巖屑床。產(chǎn)生巖屑床一個(gè)很重要的原因就是大顆粒巖屑得不到有效地粉碎，理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)都充分證明，小尺寸巖屑的攜巖效率明顯優(yōu)于大尺寸巖屑。因此將大顆粒巖屑粉碎為更小粒徑可以更好地清除巖屑床。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于利用風(fēng)琴管產(chǎn)生脈沖射流，利用赫姆霍茲振蕩器對脈沖射流進(jìn)行階段性增強(qiáng)，水力輔助高效破巖。為實(shí)現(xiàn)第一目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了脈沖生成與增強(qiáng)裝置。

所述的脈沖生成與增強(qiáng)裝置包括進(jìn)給腔、諧振腔、過渡流道、脈沖增強(qiáng)腔、沖擊壁、反饋流道、分流區(qū)。進(jìn)給腔、諧振腔、過渡流道、脈沖增強(qiáng)腔、反饋流道、分流區(qū)均為共軸圓柱形構(gòu)造，依次對接連通，其中分流區(qū)出口與反向高速流道、下噴流道相連通；進(jìn)給腔管徑與過渡流道管徑相同，為反饋流道管徑的1.5倍，諧振腔管徑與脈沖增強(qiáng)腔管徑相同，為反饋流道管徑的3倍，分流區(qū)管徑與諧振腔相同；沖擊壁附于脈沖增強(qiáng)腔底部，為150°錐形結(jié)構(gòu)于反饋流道相交。

進(jìn)給腔是鉆井液進(jìn)入脈沖生成與增強(qiáng)裝置的通道；過渡流道：其收縮截面產(chǎn)生初始壓力波動，將初始壓力波動反饋到諧振腔；諧振腔：當(dāng)反饋的初始壓力波動與諧振腔固有頻率相匹配時(shí)，激發(fā)液體共振，產(chǎn)生高速渦流，獲得脈沖射流；

產(chǎn)生的脈沖射流經(jīng)過渡流道進(jìn)入脈沖增強(qiáng)腔。脈沖增強(qiáng)腔：脈沖射流的不穩(wěn)定剪切層在其中產(chǎn)生壓力擾動波，并與沖擊壁發(fā)生碰撞；反饋流道：上游脈沖射流流經(jīng)反饋流道，其收縮截面使射流束產(chǎn)生壓力瞬變，并將壓力瞬變向上傳遞；上返的壓力瞬變與脈沖射流不穩(wěn)定剪切層產(chǎn)生的壓力擾動波在脈沖增強(qiáng)腔碰撞，干涉形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，增加流體的紊流程度，增強(qiáng)風(fēng)琴管產(chǎn)生的脈沖射流；分流區(qū)與下噴流道、反向高速流道相連通，實(shí)現(xiàn)流量分配。

下噴流道與分流區(qū)連通，出口在鉆頭端部，內(nèi)部可安裝脈沖噴嘴，實(shí)現(xiàn)水力輔助高效破巖、清巖，冷卻潤滑鉆頭和攜帶巖屑。

本發(fā)明的第二目的是在于利用反向射流抽汲井底巖屑，減小壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速。為實(shí)現(xiàn)第二目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了反向高速流道和抽汲腔。

反向高速流道與諧振管分流區(qū)相連通，出口在混合腔，基于射流泵原理，憑借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底產(chǎn)生負(fù)壓，抽汲巖屑上返；抽汲腔與鉆頭端部排屑槽相連通，出口在混合腔，是巖屑抽汲上返的通道。

本發(fā)明的第三目的在于減小巖屑粒徑，提高水平井?dāng)y巖效率，清除巖屑床。為實(shí)現(xiàn)第三目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了巖屑內(nèi)磨結(jié)構(gòu)，包括混合腔、喉道、加速腔、內(nèi)磨腔、內(nèi)磨體、擴(kuò)散腔。

混合腔與抽汲腔、反向高速流道相連通，出口與喉道對接連通，實(shí)現(xiàn)巖屑與反向高速流體的混合；高壓脈沖射流經(jīng)反向流道高速噴出，壓力迅速釋放，在混合腔內(nèi)形成負(fù)壓，在負(fù)壓的作用下，巖屑被高速射流束抽汲進(jìn)入混合腔，形成兩相高速紊流。

喉道與加速腔對接連通，設(shè)計(jì)為圓柱形構(gòu)造，管徑為加速腔管徑的0.5倍，以增強(qiáng)反向射流的沖擊力，充分加速巖屑。其收縮截面增強(qiáng)反向射流沖擊力。

加速腔與內(nèi)磨腔對接連通，設(shè)計(jì)為圓柱形構(gòu)造，憑借鉆井液粘滯力加速巖屑，實(shí)現(xiàn)主流體與巖屑之間的能量傳遞，避免附壁流、提高射流能量利用率。

內(nèi)磨腔與加速腔相連通，為棱柱形構(gòu)造，橫截面為加速腔圓形截面的外接正六邊形，內(nèi)磨腔軸線與加速腔軸線設(shè)計(jì)呈138°夾角；內(nèi)磨體附于內(nèi)磨腔中，正對加速腔，以減小鉆井液流動阻力、充分粉碎巖屑，利用顆粒-顆粒和顆粒-內(nèi)磨體之間的高壓作用力、水楔效應(yīng)粉碎巖屑。

擴(kuò)散腔與內(nèi)磨腔相連通，為圓柱形構(gòu)造，軸線與內(nèi)磨腔呈138°夾角并接環(huán)空，以減小巖屑流對井壁的沖擊。當(dāng)巖屑流速度降下來之后，將粉碎后的巖屑外排入環(huán)空。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)風(fēng)琴管將循環(huán)鉆進(jìn)的穩(wěn)定流體轉(zhuǎn)換為脈沖射流，相對于常規(guī)連續(xù)射流，脈沖射流非均勻、非對稱、非穩(wěn)定沖擊破巖，提高水力輔助破巖和鉆井液清洗井底的能力，同時(shí)脈沖射流在鉆頭附近形成局部低壓區(qū)，減少環(huán)空液體柱壓力對井底巖石的壓持效應(yīng)；

(2)赫姆霍茲諧振腔結(jié)構(gòu)簡單，無附加驅(qū)動源，依靠自身結(jié)構(gòu)形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)由風(fēng)琴管產(chǎn)生的脈沖射流；

(3)反向高速流道產(chǎn)生的反向高速射流在抽汲腔-鉆頭底部形成負(fù)壓區(qū)，抽汲巖屑，減小壓持效應(yīng)，提高清巖效率；

(4)內(nèi)磨削結(jié)構(gòu)通過內(nèi)磨高壓作用力、水楔效應(yīng)粉碎巖屑，減小巖屑粒徑，提高鉆井液攜巖效率，清除水平井巖屑床。

附圖說明

圖1為一種串聯(lián)型脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭示意圖。

圖2為圖1中A-A剖面示意圖。

圖3為圖1中B-B剖面示意圖。

圖4為圖1中C-C剖面示意圖。

圖5為圖1中D-D剖面示意圖。

圖6為圖1中E-E剖面示意圖。

圖7為圖1中F-F剖面示意圖。

圖8為圖1的右視示意圖。

圖1中：1、擴(kuò)散腔，2、內(nèi)磨腔，3、過渡流道，4、沖擊壁，5、加速腔，6、分流區(qū)，7、混合腔，8、抽汲腔，9、下噴流道，10、進(jìn)給腔，11、諧振腔，12、內(nèi)磨體，13脈沖增強(qiáng)腔，14、PDC鉆頭本體，15、反饋流道，16、喉道，17、反向高速噴嘴，18、刀翼。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種用于串聯(lián)型脈沖增強(qiáng)式內(nèi)磨鉆頭，包括：1、擴(kuò)散腔，2、內(nèi)磨腔，3、過渡流道，4、沖擊壁，5、加速腔，6、分流區(qū)，7、混合腔，8、抽汲腔，9、下噴流道，10、進(jìn)給腔，11、諧振腔，12、內(nèi)磨體，13脈沖增強(qiáng)腔，14、PDC鉆頭本體，15、反饋流道，16、喉道，17、反向高速噴嘴，18、刀翼。主要為四個(gè)主要部分：脈沖生成與增強(qiáng)部分、機(jī)械破巖部分、負(fù)壓抽汲部分和巖屑內(nèi)磨部分。

脈沖生成與增強(qiáng)部分包括進(jìn)給腔10、諧振腔11、過渡流道3、脈沖增強(qiáng)腔13、沖擊壁4、反饋流道15、分流區(qū)6，通過激發(fā)液體共振，產(chǎn)生脈沖射流，通過形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)脈沖射流。穩(wěn)定的鉆井液經(jīng)進(jìn)給腔10進(jìn)入諧振腔11，流經(jīng)過渡流道3時(shí)，在收縮截面作用下產(chǎn)生初始的壓力波動；產(chǎn)生的壓力波動被反饋到諧振腔11；當(dāng)壓力波動的頻率與諧振腔11固有頻率相符時(shí)，激發(fā)液體共振，產(chǎn)生高速渦流，從而在諧振腔11內(nèi)得到脈沖射流；得到的脈沖射流經(jīng)過渡流道3進(jìn)入脈沖增強(qiáng)腔13；在脈沖增強(qiáng)腔13中，射流束的不穩(wěn)定剪切層產(chǎn)生壓力擾動波；當(dāng)射流束到達(dá)反饋流道15，經(jīng)收縮截面作用，產(chǎn)生壓力瞬變并以聲速向上游反射；同時(shí)，上游脈沖射流與沖擊壁4發(fā)生碰撞反射；經(jīng)反饋流道15產(chǎn)生的壓力瞬變與高速射流束剪切層產(chǎn)生的壓力擾動波在脈沖增強(qiáng)腔13中發(fā)生干涉，形成大尺度的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，對脈沖射流進(jìn)行增強(qiáng)；增強(qiáng)后的脈沖射流經(jīng)分流區(qū)6分別流向反向高速流道17和下噴流道9。

機(jī)械破巖部分包括下噴流道9和刀翼18，機(jī)械破巖。如圖1所示，下噴的高速脈沖射流經(jīng)下噴流道9噴出，憑借非對稱、非均勻的脈沖射流水力輔助高效破巖、攪動和清潔巖屑，并作為主流體攜帶巖屑進(jìn)入抽汲腔8。

負(fù)壓抽汲部分包括反向高速流道17和抽汲腔8，抽汲巖屑上返，減小壓持效應(yīng)。如圖1所示，上返的鉆井液脈沖射流經(jīng)反向高速流道17噴出，形成反向高聚能射流，其高速特性在抽汲腔7-鉆頭底部形成負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，高濃度巖屑被抽汲脫離井底，在混合腔7實(shí)現(xiàn)與上返流體的混合。

巖屑內(nèi)磨部分包括混合腔7、喉道16、加速腔5、內(nèi)磨腔2、內(nèi)磨體12、擴(kuò)散腔1，減小巖屑粒徑，高效攜巖。如圖1所示，混合后的鉆井液-巖屑流經(jīng)喉道16進(jìn)入加速腔5，由于鉆井液粘滯力作用，巖屑獲得加速并在內(nèi)磨腔2與內(nèi)磨體12產(chǎn)生碰撞；在內(nèi)磨腔2中，由于顆粒與顆粒、顆粒與內(nèi)磨體12之間的高壓作用力和水楔效應(yīng)，巖屑被粉碎，其速度降下來之后經(jīng)擴(kuò)散腔1排出。