一種旋轉射流pdc鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等領域使用的鉆探用鉆頭，具體的講是涉及一種旋轉射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部，PDC切削齒位于刀翼上，所述鉆頭本體內設有下端開口的空腔，所述空腔內從上到下依次設置有導流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導流板的樹枝狀流道連通，所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結構，所述儲存腔內設置有旋轉元件，所述旋轉元件由旋轉元件本體和螺旋設置在旋轉元件本體外圍的旋轉葉片組成，PDC鉆頭結構簡單，沖擊能力強，機械鉆速高，避免巖屑對鉆頭的二次磨削，延長使用壽命，反向噴嘴接頭結構，降低了鉆井的能源消耗。
【專利說明】
一種旋轉射流PDC鉆頭
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等領域使用的 鉆探用鉆頭，具體的講是涉及一種旋轉射流roc鉆頭。
【背景技術】
[0002] 在PDC鉆頭的工作過程中，鉆井液對鉆頭體表面的沖洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正 常工作的一個非常重要的條件。對PDC鉆頭而言，水力結構，尤其是中心噴嘴和冠部流道的 設計的重要性尤為重要，由于PDC鉆頭相比于牙輪鉆頭有機械鉆速高、工作壽命長、進尺多 等特征，因此在石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等領域中廣泛應用。
[0003] PDC鉆頭的水力結構的主要功能是有效地清除井底巖肩和冷卻PDC切削齒，因此水 力結構對鉆頭的破巖效率有較大影響。由于roc鉆頭鉆速快、產生的巖肩多，鉆壓過大，地層 或鉆肩與鉆頭表面形成直接接觸，溫度急劇升高，加速了鉆頭體的磨損速度，降低了鉆頭壽 命，甚至會引起鉆頭泥包，鉆頭泥包后roc切削齒吃入地層困難，降低鉆頭的機械鉆速，影響 工作效率。
[0004] 目前，現(xiàn)有的定向PDC鉆頭主要采用軸向射流技術，軸向射流在工作中存在一些缺 陷，一是從中心噴嘴產生的鉆井液射流對井底巖肩會產生一個持續(xù)的壓力，壓力作用在巖 肩上，巖肩會在壓力的作用下緊緊的貼在井底，這些附著在井底的巖肩會大大降低roc鉆頭 的機械鉆速，從而影響破巖效率;二是巖肩會在pdc鉆頭的沖擊與鉆井液射流的沖刷下，在 井底與roc鉆頭表面來回運動，并在往返過程中對鉆頭產生二次磨損，加速了 roc鉆頭的磨 損速度，降低了 roc鉆頭壽命。
[0005] 當前也有少量將旋轉射流技術與pdc鉆頭結合應用的先例，如專利號 201320031588.8-種旋轉射流roc鉆頭，但該專利介紹的roc鉆頭主要是對噴嘴處的流道增 加螺旋葉片的方式來獲得旋轉射流，并沒有對roc鉆頭的水力結構進行優(yōu)化，僅僅依靠螺旋 葉片的旋轉產生旋轉射流，由于流道的孔徑有限制，會出現(xiàn)水力功率不夠的情形，從而井底 巖肩清除不充分，巖肩重復切削的情況依然存在。而且螺旋葉片制造加工成本比較高，螺旋 葉片的安裝也比較困難。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種旋轉射流roc鉆頭，以克服現(xiàn)有 PDC鉆頭會在巖肩作用下工作效率降低，二次磨損的技術問題。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種旋轉射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、 PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部，PDC切削齒位于刀翼上，所述鉆頭本體內設有下端開口 的空腔，所述空腔內從上到下依次設置有導流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導流 板的樹枝狀流道連通，所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結構;所述儲存腔 內設置有旋轉元件，所述旋轉元件由旋轉元件本體和螺旋設置在旋轉元件本體外圍的旋轉 葉片組成
[0008] 進一步地，還包括位于空腔開口端的中心處設有通孔的反向噴嘴接頭，所述反向 噴嘴接頭上設置有反向噴嘴流道，所述反向噴嘴流道與所述反向噴嘴接頭的通孔連通。
[0009] 進一步地，所述鉆頭本體采用平底型roc鉆頭。
[0010] 進一步地，所述旋轉葉片的數(shù)量為2個或4個。
[0011] 進一步地，所述儲存腔內壁與反向噴嘴接頭的連接位置處設有密封圈。
[0012] 進一步地，所述反向噴嘴流道的數(shù)量為2個或4個。
[0013] 進一步地，所述反向噴嘴流道的軸線與所述反向噴嘴接頭的中心軸線夾角為15° ~30。。
[0014] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 1.通過旋轉元件和導流板產生的高壓旋轉射流能以很高的流速沖刷巖層，能夠有 效地清除井底巖肩，減少附著巖肩的存在，達到提高roc鉆頭機械鉆速的作用；
[0016] 2.高壓旋轉射流的噴射方向與刀翼上PDC齒的布齒走向大致相同，高壓旋轉的鉆 井液在井底和鉆頭本體之間往返，返回的鉆井液能夠對roc切削齒進行有效的清洗和冷卻， 降低roc切削齒重復切削巖石的可能性，延長roc鉆頭的使用壽命；
[0017] 3.在解決上述技術問題之外，本發(fā)明設置反向噴嘴流道，通過鉆井液射流在反沖 力作用下，通過反向噴嘴流道處的噴嘴反向噴出，輔助驅動PDC鉆頭前進，降低鉆井作業(yè)中 的能源消耗。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0019] 圖1為本發(fā)明一種旋轉射流roc鉆頭的結構示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明一種旋轉射流roc鉆頭的俯視圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明一種旋轉射流roc鉆頭的正視圖；
[0022] 圖4為圖3中的A-A剖視圖；
[0023] 圖5為本發(fā)明一種旋轉射流roc鉆頭的旋轉元件示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖及實施例對本發(fā)明中的技術方案進一步說明。
[0025]如圖1-2所示，本發(fā)明的一種旋轉射流PDC鉆頭包括鉆頭本體1、刀翼2、PDC切削齒 3、噴嘴、流道、排肩槽6以及反向噴嘴接頭7,刀翼2設置在鉆頭本體1冠部，PDC切削齒3排列 設置在刀翼2上，流道5貫通鉆頭本體1及反向噴嘴接頭7,通過鉆頭本體1帶動刀翼2旋轉， PDC切削齒3切削巖層，再配合經過流道的高壓射流的沖刷殘余巖肩，最終完成整個鉆井動 作。
[0026]下面詳細介紹本發(fā)明的結構與原理。
[0027] 如圖1-4所示，本發(fā)明提供一種旋轉射流？00鉆頭（？0(]即？〇15^巧8七311;[116 Diamond Compact bit，聚晶金剛石復合片），其包括鉆頭本體1和多個刀翼2,鉆頭本體1內 設有沿軸向貫穿的通孔，所述鉆頭本體1內部設有儲存腔12,所述儲存腔12內設有旋轉元件 121，鉆頭本體1內部還設有壓縮腔13,所述壓縮腔13位于儲存腔12上方，所述壓縮腔13與位 于鉆頭本體1內部的導流板14連通，所述導流板14內部設置有樹枝狀的流道141，其中樹枝 狀流道141主干截面呈沙漏狀，所述樹枝狀流道141與鉆頭本體1的多個出水口 15連通，出水 口 15位置處設置有噴嘴;其中，所述鉆頭本體1尾部設置有反向噴嘴接頭7,兩者固定連接， 所述鉆頭本體1和所述反向噴嘴接頭7之間設置有密封圈，所述反向噴嘴接頭7上也設有沿 軸向貫穿的通孔71，所述反向噴嘴接頭7還設有多個反向噴嘴流道72,所述通孔71和所述反 向噴嘴流道72連通，所述反向噴嘴流道72出水口處也設有噴嘴。
[0028]具體地，本發(fā)明采用平底型PDC鉆頭，刀翼為3個，各刀翼上設置單排PDC切削齒3， 鉆頭本體1呈圓柱體，其內部設有下方開口的空腔，鉆頭本體1內部設有儲存腔12，儲存腔12 內設有旋轉元件121，如圖4所示，旋轉元件121的安裝可以有幾種方法，簡單的可以直接放 入鉆頭本體1內部的儲存腔12,通過高壓鉆井液帶動旋轉元件121旋轉，本實施例是在旋轉 元件121下端面中心固定連接一根軸，軸穿過通孔71與電機相連，電機啟動旋轉元件121旋 轉;如圖5所示，旋轉元件121由旋轉元件本體和螺旋設置在旋轉元件本體外圍的旋轉葉片 組成，兩個相鄰旋轉葉片之間組成流槽，本實施例流槽頭數(shù)為4頭，鉆頭本體1內部還設有壓 縮腔13，高壓鉆井液進入鉆頭后，旋轉元件121旋轉，高壓鉆井液會被旋轉元件121的螺旋葉 片分成幾股涌流，每股涌流沿著流槽流動，再通過兩邊逐漸收窄的壓縮腔13進入位于鉆頭 本體1內部的導流板14,導流板14內部設有樹枝狀流道141，樹枝狀流道141分別與多個設置 在鉆頭本體1上的出水口連通，出水口處設有噴嘴，其中，高壓旋轉的鉆井液射流在進入導 流板14樹枝狀流道141后，在樹枝狀流道141主干流動時，主干部位呈沙漏狀，高壓旋轉的鉆 井液射流在通過沙漏最窄處，動態(tài)壓力達到最大，靜態(tài)壓力達到最小，高壓旋轉的鉆井液的 流速會隨著涌流的橫截面積變化的關系而上升，整個鉆井液涌流都要在同一時間內經歷流 道縮小的過程，從而壓力也在同一時間減小，進而鉆井液涌流會在沙漏的兩端產生壓力差， 這個壓力差會對鉆井液射流提供一個吸力，使鉆井液射流可以以一個更高的流速從出水口 射出，如圖2，本實施例優(yōu)選的出水口 ：軸向出水口 4個，橫向出水口 3個;鉆頭本體1的尾部設 有內螺紋，反向噴嘴接頭7上設有外螺紋，兩者通過螺紋固定連接，為了防止泄露，鉆頭本體 內壁還設有環(huán)槽，環(huán)槽上安裝有0型密封圈，反向噴嘴接頭7內也設有沿軸向貫穿的通孔71， 通孔71為鉆頭的進水口，反向噴嘴接頭7設置有反向噴嘴流道72,通孔71和所述反向噴嘴流 道72連通，反向噴嘴流道72出水口處設有噴嘴4,其中，由于前文所述的高壓旋轉的鉆井液 射流具有3個方向的速度，分別是軸向速度、徑向速度和切向速度，徑向速度和切向速度產 生的反沖力會相互抵消，軸向速度產生的反沖力可以根據(jù)反噴原理的相關公式得到，如動
根據(jù)反沖力，再結合流量、鉆速要求，計算出系統(tǒng)阻力， 從而得到噴嘴的運動方程，公式比較繁瑣，在這里只列出運動方程的變形式：
[0030] fif2為鉆頭、噴嘴、鉆井材質三者之間的滑動摩擦系數(shù)；
[0031] v為鉆頭的鉆進速度；
[0032] Q為流經噴嘴的液體流量，u為流經噴頭的液體的速度；
[0033] Θ為噴嘴軸線與反向噴嘴接頭軸線的夾角；
[0034] η為正面噴嘴的數(shù)量，X為需要反向噴嘴流道的數(shù)量；
[0035] 根據(jù)上面公式可以確定反向噴嘴流道72的數(shù)量和角度，本實施例最優(yōu)選的反向噴 嘴流道72為4個，反向噴嘴流道72的軸線與通孔71的軸線之間夾角為20°，通過這些布置在 反向噴嘴流道72出水口處的噴嘴4,利用反噴原理提供動力，輔助驅動roc鉆頭前進，降低鉆 井作業(yè)中的能源消耗。
[0036]本發(fā)明未詳述部分為現(xiàn)有技術。
[0037]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種旋轉射流PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、PDC切削齒，刀翼位于鉆頭本體冠部， PDC切削齒位于刀翼上，其特征在于:所述鉆頭本體內設有下端開口的空腔，所述空腔內從 上到下依次設置有導流板、壓縮腔、儲存腔，所述壓縮腔與貫通導流板的樹枝狀流道連通， 所述樹枝狀流道的主干為兩端寬中間窄的沙漏狀結構;所述儲存腔內設置有旋轉元件，所 述旋轉元件由旋轉元件本體和螺旋設置在旋轉元件本體外圍的旋轉葉片組成。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種旋轉射流PDC鉆頭，其特征在于:還包括位于空腔開口端 的中心處設有通孔的反向噴嘴接頭，所述反向噴嘴接頭上設置有反向噴嘴流道，所述反向 噴嘴流道與所述反向噴嘴接頭的通孔連通。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種旋轉射流PDC鉆頭，其特征在于:所述鉆頭本體采用平底 型roc鉆頭。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種旋轉射流roc鉆頭，其特征在于:所述旋轉葉片的數(shù)量為2 個或4個。5. 根據(jù)權利要求2所述的一種旋轉射流PDC鉆頭，其特征在于:所述儲存腔內壁與反向 噴嘴接頭的連接位置處設有密封圈。6. 根據(jù)權利要求2所述的一種旋轉射流PDC鉆頭，其特征在于:所述反向噴嘴流道的數(shù) 量為2個或4個。7. 根據(jù)權利要求2所述的一種旋轉射流PDC鉆頭，其特征在于:所述反向噴嘴流道的軸 線與所述反向噴嘴接頭的中心軸線夾角為15°~30°。
【文檔編號】E21B10/46GK105927160SQ201610452193
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】張翼, 付正兵, 劉文彬, 傅紅兵, 饒豪, 杜楊
【申請人】宜昌神達石油機械有限公司, 湖北三峽職業(yè)技術學院