一種串狀水孔的鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油天然氣、礦山工程、地?zé)峋⒔ㄖA(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種具有新型水力結(jié)構(gòu)的鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是鉆井工程中用于破碎巖石形成井眼的破巖工具，鉆頭的水力結(jié)構(gòu)是決定鉆頭鉆進(jìn)性能的重要因素。鉆頭破巖鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液(流體)從鉆頭內(nèi)流道通過(guò)鉆頭水孔噴射到井底，從鉆頭水孔噴出的鉆井液主要起清洗井底，攜帶并運(yùn)移鉆頭破碎巖石所形成的巖肩，冷卻并清洗切削齒，以及輔助破巖等作用。在現(xiàn)代快速鉆井技術(shù)中，需要鉆頭具有優(yōu)良破巖切削結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還需鉆頭具有良好的清洗井底、運(yùn)移巖肩、切削齒冷卻與清洗等水力性能。常規(guī)鉆頭中使用的水孔大多為單個(gè)圓形孔，其直接清洗井底的能力，直接攜巖運(yùn)巖的能力，以及直接噴射冷卻清洗切削齒的能力均較弱。其大部分區(qū)域的井底清洗，巖肩攜帶運(yùn)移，切削齒的冷卻都是利用圓形噴嘴噴射后的鉆井液的漫流來(lái)完成的，漫流的水力能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接噴射流體的水力能量，且噴射后所形成的漫流易形成渦流，渦流對(duì)鉆頭體和切削齒等會(huì)形成非常不利的影響，也不利于清洗和巖肩的及時(shí)快速運(yùn)離。另外，現(xiàn)有鉆頭為了匹配鉆頭在井底破巖時(shí)的井底流場(chǎng)，其水孔多設(shè)置在鉆頭心部或設(shè)置在切削結(jié)構(gòu)靠近心部的開(kāi)始端附近，即所有水孔都盡量靠近鉆頭中心，以便于井底清洗和攜巖時(shí)，形成從心部往外的鉆井液(流體)漫流流場(chǎng)，但井底水力能量損失大，流場(chǎng)優(yōu)化空間小，且只能集中在心部區(qū)域噴射。
[0003]近年，地?zé)徙@井發(fā)展迅速，地?zé)徙@井中常遇到高溫井。很多地?zé)峋械貙訙囟纫呀?jīng)達(dá)到150攝氏度或更高，鉆頭的工作溫度甚至達(dá)到200攝氏度以上。常規(guī)圓形水孔的鉆頭，其水孔結(jié)構(gòu)已不能滿足高溫井中鉆頭切削齒及時(shí)快速冷卻、清洗的需要。高溫井中，如不能及時(shí)冷卻和清洗鉆頭及其切削齒，鉆頭和切削齒溫度過(guò)高將會(huì)顯著降低鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)性能。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于:克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種串狀水孔的鉆頭，解決鉆頭在快速鉆井和高溫井鉆井中因鉆頭水力結(jié)構(gòu)不合理而降低鉆頭鉆進(jìn)性能和使用壽命的冋題。
[0005]本實(shí)用新型目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]一種串狀水孔的鉆頭，包括鉆頭本體，設(shè)于鉆頭本體上的切削結(jié)構(gòu)，切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有切削齒，切削結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有排肩槽和流道，流道上設(shè)置有水孔，所述水孔至少有一個(gè)是串狀水孔，所述串狀水孔的出口由至少兩個(gè)圓或橢圓串通形成，所述串狀水孔的長(zhǎng)度方向的縱剖面形狀為口大底小的扇形或者類(lèi)扇形。
[0007]本專(zhuān)利中，為了便于理解，參考圖示，如圖5所示dl為串狀水孔的出口的寬度(因?yàn)閷挾确较蛏闲螤畈灰?guī)則，該寬度指的是最大寬度)，d2為串狀水孔的出口的長(zhǎng)度(因?yàn)殚L(zhǎng)度方向上形狀不規(guī)則，該長(zhǎng)度指的是最大長(zhǎng)度)，如圖6所示，串狀水孔的進(jìn)口 51與鉆頭內(nèi)流道12相連通，串狀水孔的出口 52與切削結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)；其中鉆頭的徑向布齒覆蓋區(qū)域的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，串狀水孔的扇形角覆蓋區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，鉆頭切削結(jié)構(gòu)的徑向外二分之一區(qū)域的長(zhǎng)度為P，串狀水孔的扇形角覆蓋區(qū)域在該鉆頭切削結(jié)構(gòu)的徑向外二分之一區(qū)域的覆蓋長(zhǎng)度為P1。如圖7所示，A-A是串狀水孔的長(zhǎng)度方向縱剖面，B-B是串狀水孔的寬度方向縱剖面，C-C是串狀水孔的橫向剖面，即可知，水孔的寬度方向縱剖面與水孔的長(zhǎng)度方向縱剖面、水孔的橫向剖面相互垂直。
[0008]上述方案中，扇形或者類(lèi)扇形(或者叫放射狀)的內(nèi)腔形狀，以及串狀(顧名思義，即為通常意義上的若干個(gè)圓或橢圓直接或間接連通成串，包括圓與圓相鄰、橢圓與橢圓相鄰，以及圓與橢圓相鄰的方式)孔口的串狀水孔能夠更有效地利用其水力能量，并避免鉆井液對(duì)切削結(jié)構(gòu)、切削齒的沖蝕。
[0009]作為選擇，所述串狀水孔的出口的長(zhǎng)度是寬度的1.5倍以上。
[0010]上述方案中，較大的水孔長(zhǎng)寬比能很好地實(shí)現(xiàn)水孔噴射較大覆蓋的范圍；串狀水孔上至少有兩個(gè)圓或橢圓串通，較長(zhǎng)的水孔長(zhǎng)度便于圓(或橢圓)的設(shè)置，并能在水孔長(zhǎng)度方向上根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆頭破巖工作的特性進(jìn)行圓(或橢圓)的優(yōu)化合理設(shè)計(jì)，在需要加強(qiáng)清洗、破巖任務(wù)量大、巖肩量大、巖肩易匯聚堆積、需加強(qiáng)冷卻、以及需加強(qiáng)水力輔助破巖等區(qū)域，進(jìn)行圓(或橢圓)的布置設(shè)計(jì)，以形成明顯的多點(diǎn)噴射，有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)高速?lài)娚洌惠^大的水孔長(zhǎng)寬比便于靈活設(shè)計(jì)水孔的噴射形狀。因此，較大的水孔長(zhǎng)寬比能有效利用水力能量，優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)，提高鉆頭性能，并能實(shí)現(xiàn)鉆頭水力結(jié)構(gòu)的個(gè)性化設(shè)計(jì)要求。
[0011]作為選擇，所述切削結(jié)構(gòu)為固定切削結(jié)構(gòu)，所述串狀水孔的長(zhǎng)度方向與固定切削結(jié)構(gòu)的布齒排布方向的走向一致。
[0012]上述方案中，固定切削結(jié)構(gòu)通常指PDC切削結(jié)構(gòu)、孕鑲金剛石切削結(jié)構(gòu)等，串狀水孔的長(zhǎng)度方向順著鉆頭切削結(jié)構(gòu)的布齒排布方向，能夠提高鉆頭巖肩運(yùn)移效率和自潔能力，將水力能量直接用于切削齒的清洗和冷卻、巖肩運(yùn)移。
[0013]作為選擇，所述串狀水孔的扇形角覆蓋區(qū)域達(dá)到切削結(jié)構(gòu)徑向布齒覆蓋區(qū)域的60%以上。
[0014]上述方案中，特定的串狀水孔徑向覆蓋區(qū)域，更優(yōu)化串狀水孔直接噴射清洗、冷卻切削齒的區(qū)域。
[0015]作為選擇，所述串狀水孔的扇形角覆蓋區(qū)域覆蓋80%以上的鉆頭切削結(jié)構(gòu)的徑向外二分之一區(qū)域。
[0016]上述方案中，這有利于破巖任務(wù)量大的鉆頭徑向外二分之一區(qū)域切削齒冷卻與清洗。
[0017]上述方案中，串狀水孔內(nèi)腔的某橫向剖面的長(zhǎng)度為該橫向剖面的最大尺寸，橫向剖面的寬度為垂直于該剖面長(zhǎng)度方向上的最大尺寸。串狀水孔的出口寬度小于串狀水孔內(nèi)橫向剖面中的最大寬度，即串狀水孔的出口寬度相對(duì)其內(nèi)腔寬度收縮，其在不減少串狀水孔徑向噴射覆蓋范圍的同時(shí)，提高串狀水孔出口處的噴射速度，有利于提高鉆頭清洗井底、運(yùn)移巖肩和直接冷卻切削結(jié)構(gòu)的效果。
[0018]作為選擇，所述串狀水孔的出口寬度小于串狀水孔內(nèi)橫向剖面中的最大寬度。
[0019]作為選擇，所述串狀水孔的寬度方向的縱剖面形狀為口小底大的反扇形或者類(lèi)反扇形。
[0020]上述方案中，該內(nèi)腔結(jié)構(gòu)形式可增加水孔射流等速核的長(zhǎng)度，對(duì)井底的清洗、冷卻效果更好，且便于胎體鉆頭的加工制造。
[0021]作為選擇，所述串狀水孔出口的圓或橢圓之間首尾相交連通形成串狀。
[0022]上述方案中，圓(或橢圓)與圓(或橢圓)依次相交連通形成串狀，能保證水孔寬度，加大鉆頭水孔的過(guò)流面積，提高水力能量的利用效率的同時(shí)，易于鉆頭水孔的加工，特別是鋼體式(鉆頭本體一般有兩種，一種是通過(guò)粉末冶金方法制造成型的胎體式，另一種是通過(guò)機(jī)加工而成的鋼體式)鉆頭的加工成型。另外，串狀水孔出口的圓(或橢圓)與圓(或橢圓)依次相交連通形成串狀，能形成連續(xù)的多點(diǎn)高速?lài)娚鋷В瑢?shí)現(xiàn)較長(zhǎng)范圍的高速?lài)娚涓采w。
[0023]作為選擇，所述串狀水孔出口的圓或橢圓之間通過(guò)直線或曲線連接串通形成串狀。
[0024]上述方案中，串狀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與冷卻范圍的同時(shí)，利用串狀水孔圓形(或橢圓形)水孔較大較集中的直接噴射，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(shí)現(xiàn)清洗、攜巖、冷卻的優(yōu)化。該方案還能根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)和井底流場(chǎng)的需要，在加大鉆頭噴射覆蓋范圍的前提下，進(jìn)行鉆頭水力結(jié)構(gòu)的合理匹配，實(shí)現(xiàn)大噴射覆蓋的多點(diǎn)局部加強(qiáng)噴射。
[0025]作為選擇，所述串狀水孔出口的圓或橢圓的尺寸不相同。
[0026]上述方案中，圓或橢圓的尺寸不相同，指的是圓與圓尺寸不同，或橢圓與橢圓尺寸不同，而圓與橢圓本身尺寸就不同。針對(duì)不同地層、鉆井條件完成鉆頭水力結(jié)構(gòu)的個(gè)性化設(shè)計(jì)，滿足鉆頭徑向區(qū)域內(nèi)的各種流量、流速分配，提高鉆頭與地層的水力匹配性。
[0027]作為選擇，所述串狀水孔的長(zhǎng)度方向的縱剖面的扇形夾角為5?120°。
[0028]上述方案中，更優(yōu)化串狀水孔徑向覆蓋區(qū)域，有利于水孔大覆蓋直接清洗井底、切削齒，提高鉆頭巖肩運(yùn)移效率。
[0029]前述本實(shí)用新型主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的方案:如本實(shí)用新型，各選擇即可和其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多