一種鉆井用強(qiáng)化脈沖pdc鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井用鉆頭，特別涉及一種鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，屬于石油鉆井設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是鉆井破碎巖石的主要工具，從出現(xiàn)至今，針對(duì)不同的地層及巖性，已發(fā)展成不同的類型和系列。通常在選擇鉆頭的時(shí)候，在考慮工程、地質(zhì)條件的同時(shí)，兼顧經(jīng)濟(jì)效益方面因素，主要從以下兩個(gè)方面:(I)同一只鉆頭，取得更多的進(jìn)尺；(2)同樣的時(shí)間，獲得更快的機(jī)械鉆速。對(duì)于同一只鉆頭取得進(jìn)尺的多少，主要與地質(zhì)條件、鉆頭制作材料及工程技術(shù)參數(shù)有關(guān)；在地質(zhì)條件、鉆頭制作材料及工程參數(shù)一定的條件下，同樣時(shí)間取得更高的機(jī)械鉆速，與鉆頭的結(jié)構(gòu)布局有很大關(guān)系。
[0003]PDC鉆頭即Polycrystalline Diamond Compact bit聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，針對(duì)相應(yīng)的巖性特點(diǎn)，主要是在刀翼數(shù)量與布局、復(fù)合片強(qiáng)度與布齒、傾角大小、剖面布局、冠面類型及噴嘴流道設(shè)計(jì)等方面進(jìn)一步優(yōu)化。近年來，隨著材料的改良和設(shè)計(jì)軟件的進(jìn)步，各廠家在取得進(jìn)尺更多、機(jī)械鉆速更快或兩者兼顧的目標(biāo)下，鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本達(dá)到最優(yōu)化。但從鉆頭腔體內(nèi)部進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，卻很少涉及。
[0004]目前幾乎所有常見的PDC鉆頭內(nèi)腔僅僅是用作流體的通道，其它功能沒有得到充分開發(fā)和拓展。由于常規(guī)內(nèi)腔的PDC鉆頭，在水力學(xué)方面，絕大多數(shù)都是在井底產(chǎn)生正壓力場(chǎng)，限制了機(jī)械鉆速的進(jìn)一步提高。雖然近年來水力脈沖空化射流接頭、脈沖噴嘴或兩者耦合作用的方式開始應(yīng)用，但脈沖效果沒有達(dá)到最大化，一方面限制了機(jī)械鉆速的進(jìn)一步提高，另一方面也易受到安全和工程條件的制約。
[0005]常規(guī)PDC鉆頭的不足之處分析如下:
1、常規(guī)PDC鉆頭與普通噴嘴組合，鉆井液通過鉆具內(nèi)水眼、鉆頭內(nèi)腔后，從噴嘴流出時(shí)，由于流體沒有經(jīng)過擾動(dòng)，在井底產(chǎn)連續(xù)射流，這種連續(xù)射流雖然在一定程度上有助于水力破巖和清洗井底，但使巖肩翻滾和運(yùn)移的程度有限，易造成重復(fù)切削；連續(xù)射流，還在井底產(chǎn)生相對(duì)的正壓力場(chǎng)，對(duì)井底巖石有一定的壓制作用，這都限制了機(jī)械鉆速的提高。
[0006]2、采用脈沖空化射流工具與鉆頭配合時(shí)，工具自身的長(zhǎng)度加上鉆頭的高度，往往空化發(fā)生位置離噴嘴0.5m左右，任何空化射流的有效噴距是一定的，如果有效噴距小于空化發(fā)生位置與鉆頭水眼之間的距離，則噴嘴處產(chǎn)生的脈沖射流被削弱，產(chǎn)生水力破巖和清潔井底的效果也被削弱，提高機(jī)械鉆速的程度就受到限制。
[0007]3、由于脈沖噴嘴的設(shè)計(jì)受到鉆頭水眼大小及自身強(qiáng)度要求的限制，產(chǎn)生的脈沖效果達(dá)不到最大化，另外，在井深以后，隨著井底圍壓的增加，也會(huì)削弱脈沖噴嘴的實(shí)際效果，這都使得產(chǎn)生水力破巖和清潔井底的效果被削弱，提高機(jī)械鉆速的程度也受到限制。
[0008]4、鉆井安全的原則之一是盡量簡(jiǎn)化鉆具，即鉆具組合中的接頭等應(yīng)盡可能少，使用脈沖空化射流接頭時(shí)，就增加了井下安全隱患；另外，現(xiàn)在大力推廣單彎螺桿連續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)，在需要控制及調(diào)整井身軌跡時(shí)，由于脈沖空化射流接頭的接入，加大了工程控制及調(diào)整井身軌跡的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種鉆井用強(qiáng)化脈沖roc鉆頭，可以提尚清洗井底的效果和水力破巖的能力。
[0010]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的一種鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，包括鉆頭本體，所述鉆頭本體的上端外周設(shè)有鉆頭公扣，所述鉆頭本體的下端安裝有刀翼，所述鉆頭本體的內(nèi)腔沿軸線設(shè)有水流通道，所述水流通道的下部設(shè)有與水流通道共軸線的分流區(qū)，所述分流區(qū)的下部圓周上均勻分布有噴孔，各所述噴孔中分別安裝有噴嘴，所述分流區(qū)上方的所述水流通道中設(shè)有與水流通道共軸線的風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)，所述風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)自上而下依次設(shè)有風(fēng)琴管進(jìn)水腔、風(fēng)琴管諧振腔和風(fēng)琴管出水口，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔、風(fēng)琴管諧振腔和風(fēng)琴管出水口呈階梯圓柱孔狀，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑大于所述水流通道的孔徑且大于所述風(fēng)琴管諧振腔的孔徑，所述風(fēng)琴管諧振腔的孔徑大于所述風(fēng)琴管出水口的孔徑，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的上端進(jìn)水口與所述水流通道相通，所述風(fēng)琴管出水口與所述分流區(qū)的中心相通。
[0011]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明取得了以下有益效果:直徑為D的風(fēng)琴管諧振腔的入口與直徑為Ds的風(fēng)琴管進(jìn)水腔相連，(Ds / D)2構(gòu)成風(fēng)琴管諧振腔的入口收縮截面積比；諧振腔的下部與直徑為d的風(fēng)琴管出水口相連，(D / d)2構(gòu)成風(fēng)琴管諧振腔的的出口收縮截面積比。出口收縮截面既是自激勵(lì)機(jī)構(gòu)，又是反饋機(jī)構(gòu)，當(dāng)穩(wěn)定流體通過時(shí)，其收縮面既能使流體產(chǎn)生初始?jí)毫?dòng)，又能將壓力激動(dòng)反饋回風(fēng)琴管諧振腔，形成反饋壓力振蕩。根據(jù)瞬態(tài)流理論，如果壓力激動(dòng)的頻率與風(fēng)琴管諧振腔的固有頻率匹配，反饋的壓力振蕩就能得到放大，從而在風(fēng)琴管諧振腔內(nèi)產(chǎn)生流體共振，形成駐波，使連續(xù)射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，從而得到脈沖射流。把鉆頭內(nèi)腔做成風(fēng)琴管式，流體經(jīng)過風(fēng)琴管的收縮面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生空化作用，由于產(chǎn)生空化的位置在鉆頭內(nèi)，離噴嘴很近，可以控制在0.2m左右，這個(gè)距離相對(duì)于傳統(tǒng)脈沖接頭接在鉆頭上組合的方式，距離減小了一半以上，因此脈沖效果在到達(dá)噴嘴時(shí)，壓力及狀態(tài)衰減的較少。本發(fā)明減少了一個(gè)專用脈沖空化射流接頭和減小了脈沖射流發(fā)生位置與噴嘴間的距離，一方面降低了鉆具安全風(fēng)險(xiǎn)，另一方面使脈沖射流作用得到強(qiáng)化，可以適用于更深的井，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，可帶來較好的直接經(jīng)濟(jì)效益；鉆井周期的縮短，可以大大降低井下復(fù)雜發(fā)生的幾率和加快油氣開發(fā)力度，帶來可觀的間接經(jīng)濟(jì)效益。由于鉆頭內(nèi)腔有風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)存在，使得進(jìn)入鉆頭噴嘴的流體本身屬于脈沖射流，脈沖射流代替普通鉆頭的連續(xù)射流，提高了清洗井底和水力破巖能力。把風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)放在鉆頭內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)了不增加額外接頭的情況下獲得了脈沖射流，在增加了鉆具在井下工作的安全性的同時(shí)也不會(huì)影響井身軌跡的控制與調(diào)整。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述噴嘴均為脈沖噴嘴，所述脈沖噴嘴沿自身軸線自上而下依次設(shè)有噴嘴進(jìn)水孔、噴嘴擾動(dòng)區(qū)、噴嘴碰撞區(qū)和噴嘴分離區(qū)，所述噴嘴進(jìn)水孔的上端設(shè)有上大下小的喇叭口，所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)的內(nèi)徑大于所述噴嘴進(jìn)水孔的孔徑，所述噴嘴碰撞區(qū)的上端與所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)等直徑貫通，所述噴嘴分離區(qū)的通徑小于所述噴嘴碰撞區(qū)的孔徑，且噴嘴分離區(qū)的上端呈圓錐狀突出于所述噴嘴碰撞區(qū)的下端空腔中，所述噴嘴分離區(qū)的下端設(shè)有噴嘴出水口。當(dāng)一股射流從噴嘴進(jìn)水孔向下游噴嘴擾動(dòng)區(qū)流動(dòng)時(shí)，射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動(dòng)得到放大，在射流層中形成一連串離散渦環(huán)，當(dāng)其到達(dá)碰撞壁并與之互相作用時(shí)，在噴嘴碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力振蕩波，該波以聲速向上游傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動(dòng)，若噴嘴分離區(qū)與噴嘴碰撞區(qū)的壓力脈動(dòng)互相為反相，就會(huì)形成“渦量擾動(dòng)-放大-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生”的循環(huán)過程，該過程不斷的重復(fù)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖射流。鉆頭內(nèi)腔的脈沖射流經(jīng)過脈沖噴嘴進(jìn)一步放大，可以產(chǎn)生更好的水力破巖和清洗井底的效果；由于鉆頭內(nèi)腔的脈沖射流經(jīng)過脈沖噴嘴產(chǎn)生耦合作用進(jìn)一步放大，到達(dá)井底的脈沖射流效果優(yōu)于單獨(dú)使用脈沖接頭或者脈沖噴嘴以及兩者的組合，由于這種脈沖作用更強(qiáng)，可適用于更高的圍壓環(huán)境，即可以使用到更深的井中。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑為所述水流通道孔徑的1.3倍，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑為所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑的2倍，所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑為所述風(fēng)琴管出水口孔徑的1.62倍，所述風(fēng)琴管諧振腔長(zhǎng)度為所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑的1.62倍。此結(jié)構(gòu)下的風(fēng)琴管諧振腔入口收縮截面積比、出口收縮截面積比及諧振腔結(jié)構(gòu)比可以使壓力激動(dòng)的頻率與風(fēng)琴管諧振腔的固有頻率匹配，在風(fēng)琴管諧振腔內(nèi)產(chǎn)生最佳的流體共振，得到強(qiáng)勁的脈沖射流。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)內(nèi)徑為所述噴嘴進(jìn)水孔孔徑的2.36倍。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述噴嘴分離區(qū)的橫截面呈圓形，所述噴嘴碰撞區(qū)孔徑為所述噴嘴分離區(qū)直徑的2.1倍，所述噴嘴分離區(qū)的長(zhǎng)度為所述噴嘴分離區(qū)直徑的1.2倍。
[0016]噴嘴擾動(dòng)區(qū)內(nèi)徑為噴嘴進(jìn)水孔孔徑的2.36倍，噴嘴碰撞區(qū)孔徑為噴嘴分離區(qū)直徑的2.1倍，噴嘴分離區(qū)的長(zhǎng)度為噴嘴分離區(qū)直徑的1.2倍，此尺寸比例下，噴嘴分離區(qū)與噴嘴碰撞區(qū)的壓力脈動(dòng)互為反相，會(huì)形成最佳的“渦量擾動(dòng)-放大-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生”的循環(huán)過程，形成最強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖射流。
【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，附圖僅提供參考與說明用，非用以限制本發(fā)明。
[0018]圖1為本發(fā)明一種鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為圖