本實(shí)用新型屬于鉆井與油氣井領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種用于自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭。

背景技術(shù)：

油氣鉆探采用的反循環(huán)鉆井技術(shù)屬于巖土鉆掘工程學(xué)范疇，稱之為反循環(huán)鉆井，即凡沖洗介質(zhì)循環(huán)與傳統(tǒng)的正循環(huán)相反的鉆進(jìn)方法皆可以稱為反循環(huán)鉆井。隨著雙壁鉆具的出現(xiàn)，反循環(huán)鉆井在巖土鉆掘工程中得到快速的發(fā)展，已在地質(zhì)、冶金、建筑、水利、煤田和軍工等系統(tǒng)推廣應(yīng)用，主要涉及水井、水文地質(zhì)鉆孔、大孔徑工程施工孔、非開(kāi)挖鋪設(shè)地下管線等施工方面。

具有代表性的是雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)，自2004年提出雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)概念。2005年開(kāi)始對(duì)雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)；2006年完成了關(guān)鍵配套設(shè)備的研發(fā)與測(cè)試；2009年在陸上與海上試驗(yàn)井的鉆探成功；2013年在OTC會(huì)議上系統(tǒng)介紹了雙壁鉆桿反循環(huán)無(wú)隔水管鉆井方法，近些年反循環(huán)鉆井在國(guó)外油氣工業(yè)中已進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。

雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)在控壓鉆井、大位移鉆井和深水鉆井具有極大的優(yōu)勢(shì)，例如(1)鉆井液在管中管內(nèi)反循環(huán)，實(shí)現(xiàn)無(wú)隔水管鉆井；(2)雙壁鉆桿充當(dāng)電力和數(shù)據(jù)傳輸通道；(3)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控壓鉆井。但由于鉆井液經(jīng)流動(dòng)轉(zhuǎn)換接頭由底部鉆具進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，流道的突然改變?cè)龃罅算@井液的流動(dòng)阻力，極大限制了鉆井液的清巖和攜巖效率。

脈沖射流以其非對(duì)稱、非均勻、不穩(wěn)定特性，相對(duì)常規(guī)穩(wěn)態(tài)射流，可極大提高水力輔助破巖效率，理論研究和現(xiàn)場(chǎng)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。

水力破巖在機(jī)械鉆井領(lǐng)域已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，并在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好效益，基于水射流理論的自旋轉(zhuǎn)噴嘴在水平井鉆井中，剪切拉伸破巖效率高、摩阻小、壽命長(zhǎng)、工作平穩(wěn)。

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(wèn)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，也為優(yōu)化反循環(huán)鉆井提供一種新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭，通過(guò)導(dǎo)流裝置，實(shí)現(xiàn)了鉆井液和巖屑經(jīng)自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭的返排腔直接進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，減小流動(dòng)阻力，提高鉆井液攜巖效率；通過(guò)脈沖生成裝置，產(chǎn)生高速脈沖射流，非對(duì)稱、非均勻沖擊破巖；通過(guò)高效破巖裝置，自旋轉(zhuǎn)噴嘴水力輔助 高效破巖；通過(guò)負(fù)壓抽汲裝置，負(fù)壓抽汲腔形成負(fù)壓，抽汲巖屑回流，減小壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種新型自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭，其特征在于在常規(guī)PDC鉆頭的基礎(chǔ)上加裝了導(dǎo)流裝置、脈沖生成裝置、高效破巖裝置和負(fù)壓抽汲裝置。

所述的導(dǎo)流裝置包括進(jìn)給腔、導(dǎo)流環(huán)空和導(dǎo)流區(qū)；所述的進(jìn)給腔與導(dǎo)流環(huán)空相連通，兩者軸線呈150°夾角，導(dǎo)流環(huán)空出口在導(dǎo)流區(qū)內(nèi)，貫穿進(jìn)給腔和導(dǎo)流區(qū)；進(jìn)給腔、導(dǎo)流環(huán)空和導(dǎo)流區(qū)均為圓柱形構(gòu)造；進(jìn)給腔與導(dǎo)流環(huán)空等管徑，導(dǎo)流區(qū)管徑為導(dǎo)流環(huán)空的5倍。鉆井液經(jīng)雙壁鉆桿外管由進(jìn)給腔進(jìn)入導(dǎo)流裝置，通過(guò)導(dǎo)流環(huán)空流入導(dǎo)流區(qū)；在導(dǎo)流區(qū)鉆井液實(shí)現(xiàn)分離，分別流向脈沖生成裝置和負(fù)壓抽汲裝置。導(dǎo)流裝置代替常規(guī)反循環(huán)鉆井的流動(dòng)轉(zhuǎn)換接頭，實(shí)現(xiàn)了鉆井液和巖屑經(jīng)自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭的返排腔直接進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，提高鉆井液攜巖效率。

所述的脈沖生成裝置包括整流腔、諧振腔、反饋腔和分流區(qū)；所述的整流腔、諧振腔、反饋腔和分流區(qū)依次對(duì)接連通，整流腔入口與導(dǎo)流區(qū)相連通，分流區(qū)與下噴流道相連通；所述的整流腔、諧振腔、反饋腔和分流區(qū)均為圓柱形構(gòu)造；整流腔管徑是諧振腔的1.5倍，反饋腔管徑是諧振腔的0.5倍，分流區(qū)管徑是諧振腔的2.5倍。整流腔是鉆井液進(jìn)入脈沖生成裝置的通道；反饋腔產(chǎn)生鉆井液初始?jí)毫Σ▌?dòng)，并將初始?jí)毫Σ▌?dòng)反饋到諧振腔；當(dāng)反饋的初始?jí)毫Σ▌?dòng)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。

所述的高效破巖裝置包括下噴流道、自旋轉(zhuǎn)噴嘴和刀翼；下噴流道與分流區(qū)相連通，出口在鉆頭端部，其中均布安裝有3個(gè)自旋轉(zhuǎn)噴嘴。自旋轉(zhuǎn)噴嘴安裝在下噴流道，由自旋轉(zhuǎn)中心軸體、正向噴嘴、側(cè)向噴嘴、噴嘴外殼、自旋轉(zhuǎn)體等部分組成。流體流經(jīng)自旋轉(zhuǎn)噴嘴的正向和側(cè)向噴嘴，產(chǎn)生正向和側(cè)向射流，正向射流剪切拉伸破巖、周期性沖擊、掃面式破巖；側(cè)向射流提供鉆頭自進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)體繞自旋轉(zhuǎn)中心軸體的自旋轉(zhuǎn)，并有擴(kuò)孔的作用，提高破巖和清巖效率。

所述的負(fù)壓抽汲裝置包括反向高速流道、負(fù)壓抽汲腔、混合腔、緩沖腔和返排腔；所述的反向高速流道、混合腔、緩沖腔和返排腔依次對(duì)接連通，反向高速流道入口與導(dǎo)流區(qū)對(duì)接連通；負(fù)壓抽汲腔入口在鉆頭外壁，與混合腔呈120°夾角相貫通，同時(shí)與導(dǎo)流環(huán)空為交叉設(shè)置。負(fù)壓抽汲腔、混合腔和緩沖腔均為圓柱形構(gòu)造，返排腔為60°錐形構(gòu)造與緩沖腔對(duì)接連通，負(fù)壓抽汲腔、混合腔和緩沖腔的管徑相同。負(fù)壓抽汲裝置基于射流泵，憑借反向高速流道的流體高速特性在負(fù)壓抽汲腔產(chǎn)生負(fù)壓，抽汲巖屑和鉆井液回流，減小壓持效應(yīng)，提高鉆井液的清巖效率。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)導(dǎo)流裝置代替常規(guī)反循環(huán)鉆井的流動(dòng)轉(zhuǎn)換接頭，實(shí)現(xiàn)了鉆井液和巖屑從自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭的返排腔直接進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，減小了鉆井液的流動(dòng)阻力，提高鉆井液攜巖效率。

(2)脈沖生成裝置將穩(wěn)定的鉆井液轉(zhuǎn)換為脈沖射流，相對(duì)于常規(guī)連續(xù)射流，脈沖射流非均勻、非對(duì) 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。

(3)自旋轉(zhuǎn)噴嘴，自旋轉(zhuǎn)提供鉆頭進(jìn)給力，區(qū)別于常規(guī)的沖擊破巖，射流剪切拉伸破巖，效率高，功率消耗小、摩阻小、壽命長(zhǎng)、工作平穩(wěn)，可提高破巖、清巖效率。

(4)負(fù)壓抽汲裝置憑借反向高速流道的流體高速特性在負(fù)壓抽汲腔產(chǎn)生負(fù)壓，抽汲巖屑和鉆井液回流，減小壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速和鉆井液的清巖效率。

附圖說(shuō)明

圖1為一種自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭示意圖。

圖2為圖1中的自旋轉(zhuǎn)噴嘴示意圖。

圖3為圖1的左視示意圖。

圖4為圖1中A-A剖面示意圖。

圖5為圖1中B-B剖面示意圖。

圖6為圖1中C-C剖面示意圖。

圖7為圖1中D-D剖面示意圖。

圖8為圖1的右視示意圖。

圖9為反向高速流道示意圖。

圖1中：1、導(dǎo)流裝置，101、進(jìn)給腔102、導(dǎo)流環(huán)空，103、導(dǎo)流區(qū)；2、脈沖生成裝置，201、整流腔，202、諧振腔，203、反饋腔，204、分流區(qū)；3、高效破巖裝置，301、下噴流道，302、自旋轉(zhuǎn)噴嘴，303、刀翼；4、負(fù)壓抽汲裝置，401、反向高速流道，402、負(fù)壓抽汲腔，403、混合腔，404、緩沖腔，405、返排腔。

圖2中：501、自旋轉(zhuǎn)中心軸體，502、側(cè)向噴嘴，503、噴嘴外殼，504、自旋轉(zhuǎn)體，505、正向噴嘴。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明提出的具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如下：

一種新型自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭，其特征在于在常規(guī)PDC鉆頭的基礎(chǔ)上加裝了導(dǎo)流裝置1、脈沖生成裝置2、高效破巖裝置3和負(fù)壓抽汲裝置4。

導(dǎo)流裝置1包括進(jìn)給腔101、導(dǎo)流環(huán)空102和導(dǎo)流區(qū)103；進(jìn)給腔101與導(dǎo)流環(huán)空102相連通，兩者軸線呈150°夾角，導(dǎo)流環(huán)空102出口在導(dǎo)流區(qū)103內(nèi)，貫穿進(jìn)給腔101和導(dǎo)流區(qū)103；進(jìn)給腔101、導(dǎo)流環(huán)空102和導(dǎo)流區(qū)103均為圓柱形構(gòu)造；進(jìn)給腔101與導(dǎo)流環(huán)空102等管徑，導(dǎo)流區(qū)103管徑為導(dǎo)流環(huán)空102的5倍。導(dǎo)流裝置1代替常規(guī)反循環(huán)鉆井的流動(dòng)轉(zhuǎn)換接頭，實(shí)現(xiàn)了鉆井液和巖屑從自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭的返排腔405直接進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管，提高鉆井液攜巖效率。

脈沖生成裝置2包括整流腔201、諧振腔202、反饋腔203和分流區(qū)204；所述的整流腔201、諧振腔202、反饋腔203和分流區(qū)204依次對(duì)接連通，整流腔201入口與導(dǎo)流區(qū)103相連通，分流區(qū)204與下噴流道301相連通；所述的整流腔201、諧振腔202、反饋腔203和分流區(qū)204均為圓柱形構(gòu)造；整流腔201管徑是諧振腔202的1.5倍，反饋腔203管徑是諧振腔202的0.5倍，分流區(qū)204管徑是諧振腔202的2.5倍。整流腔201是鉆井液進(jìn)入脈沖生成裝置2的通道；反饋腔203產(chǎn)生鉆井液初始?jí)毫Σ▌?dòng)，并將初始?jí)毫Σ▌?dòng)反饋到諧振腔202；當(dāng)反饋的初始?jí)毫Σ▌?dòng)與諧振腔202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。

高效破巖裝置包括下噴流道301、自旋轉(zhuǎn)噴嘴302和刀翼303；下噴流道301與分流區(qū)204相連通，出口在鉆頭端部，其中均布安裝有3個(gè)自旋轉(zhuǎn)噴嘴302。自旋轉(zhuǎn)噴嘴302安裝在下噴流道301，由自旋轉(zhuǎn)中心軸體501、正向噴嘴505、側(cè)向噴嘴502、噴嘴外殼503、自旋轉(zhuǎn)體504等部分組成。流體流經(jīng)自旋轉(zhuǎn)噴嘴的正向噴嘴505和側(cè)向噴嘴502，產(chǎn)生正向和側(cè)向射流，正向射流剪切拉伸破巖、周期性沖擊、掃面式破巖；側(cè)向射流提供鉆頭自進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)體繞自旋轉(zhuǎn)中心軸體的自旋轉(zhuǎn)，并有擴(kuò)孔的作用，提高破巖和清巖效率。

負(fù)壓抽汲裝置4包括反向高速流道401、負(fù)壓抽汲腔402、混合腔403、緩沖腔404和返排腔405；所述的反向高速流道401、混合腔403、緩沖腔404和返排腔405依次對(duì)接連通，反向高速流道401入口與導(dǎo)流區(qū)103對(duì)接連通；負(fù)壓抽汲腔402入口在鉆頭外壁，與混合腔403呈120°夾角相貫通，同時(shí)與導(dǎo)流環(huán)空102為交叉設(shè)置。負(fù)壓抽汲腔402、混合腔403和緩沖腔404均為圓柱形構(gòu)造，返排腔405為60°錐形構(gòu)造與緩沖腔404對(duì)接連通，負(fù)壓抽汲腔402、混合腔403和緩沖腔404的管徑相同。負(fù)壓抽汲裝置4基于射流泵，憑借反向高速流道的流體高速特性在負(fù)壓抽汲腔402產(chǎn)生負(fù)壓，抽汲巖屑和鉆井液回流，減小壓持效應(yīng)，提高鉆井液的清巖效率。

本實(shí)用新型的自旋轉(zhuǎn)反循環(huán)脈沖抽汲鉆頭的工作過(guò)程如下：

鉆井液由雙壁鉆桿外管經(jīng)進(jìn)給腔101直接進(jìn)入導(dǎo)流裝置1，經(jīng)導(dǎo)流環(huán)空102流入導(dǎo)流區(qū)103；在導(dǎo)流區(qū)103中，鉆井液實(shí)現(xiàn)分流，分別流向脈沖生成裝置2和負(fù)壓抽汲裝置4。下流的鉆井液經(jīng)整流腔201整流后，進(jìn)入脈沖生成裝置2，流經(jīng)反饋腔203時(shí)，在收縮截面作用下產(chǎn)生初始的壓力波動(dòng)；產(chǎn)生的壓力波動(dòng)被反饋到諧振腔202；當(dāng)反饋的壓力波動(dòng)頻率與諧振腔202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202內(nèi)得到脈沖射流；得到的脈沖射流經(jīng)分流區(qū)203流入高效破巖裝置3，流經(jīng)下噴流道301，經(jīng)下噴流道301中自旋轉(zhuǎn)噴嘴302的正向噴嘴505和側(cè)向噴嘴502噴出，產(chǎn)生正向和側(cè)向射流，正向射流旋轉(zhuǎn)沖擊，通過(guò)剪切、拉伸作用在井底形成圓形破巖面，而反向射流由于存在反向張角和偏心距，為鉆頭提供進(jìn)給力和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)體504繞自旋轉(zhuǎn)中心軸體501的自旋轉(zhuǎn)。同時(shí)刀翼303機(jī)械破巖。上返的鉆井液經(jīng)反向高速流道401進(jìn)入負(fù)壓抽汲裝置4，在反向高速流道401收縮截面的作用下，鉆井液被轉(zhuǎn)換為反向高速射流，憑借其高速特性，鉆井液在負(fù)壓抽汲腔402產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓抽汲腔402與鉆 頭外壁相連通，抽汲經(jīng)脈沖生成裝置2破巖后的巖屑流回流，在混合腔403實(shí)現(xiàn)巖屑流與反向高速射流的混合，混合后的巖屑流在緩沖腔404速度得到降低并流向外排腔405，經(jīng)外排腔405錐形結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步降速后流入雙壁鉆桿內(nèi)管。