專利名稱：用于粒子沖擊鉆井技術鉆頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種石油鉆探用鉆頭，適用于堅硬、極堅硬和耐磨性強的地層鉆井。
背景技術：
隨著我國對油氣資源的需求量不斷增加，在深部硬地層以及復雜地質條件下尋求油氣資源是目前油田勘探開發的重點方向。提高硬地層鉆井速度是目前面臨的技術難題之一，而影響硬地層鉆井速度的主要因素有巖石硬度大、研磨性強、可鉆性差、井斜等，導致在硬地層鉆井過程中出現鉆速低、鉆井周期長、成本高等問題，制約著深井和超深井的鉆井速度和油田勘探開發的整體效益。2002 年美國的 Curlett H. B.、Sharp D. P.和 Gregory Μ. Α.等人，提出了粒子沖擊鉆井技術，粒子沖擊鉆井技術主要包括粒子注入系統、粒子回收系統和粒子沖擊鉆頭三個部分。其中粒子沖擊鉆頭的設計和加工是其中的關鍵技術之一，粒子沖擊鉆頭(Particle Impact Drilling Bit)是隨著粒子沖擊鉆井技術的提出而發展起來的一類新型鉆井破巖工具，在硬地層鉆井中具有很好的破巖性能，主要表現在改變了常規PDC鉆頭的結構、依靠粒子磨料射流和切削齒破巖，鉆進速度快，鉆速高。粒子沖擊鉆井鉆頭的破巖方式是粒子沖擊和鉆頭切削齒聯合破巖的方式，通過先期粒子沖擊破巖形成體積破碎坑，在三個噴嘴作用下形成巖石環脊，巖石環脊釋放了原有的應力，使得沿切削齒作用方向的巖石的“壓持效應”消失，巖石環脊的內外壓力接近，巖石的強度降低容易破碎。自該技術的提出，經過一系列的室內和現場試驗，通過對鉆頭結構及材質的優化，經歷了以下幾種鉆頭結構(1)首先出現的是四鉆頭側翼、四噴嘴、中心體無噴嘴結構的鉆頭，該鉆頭有四個鉆頭側翼、鉆頭側翼之間各有一個小排屑槽，排泄槽有四個。四個噴嘴分別布置在四個鉆頭側翼上，中心體上沒有噴嘴，噴嘴形狀為圓柱型噴嘴，有四個內流道，分別與四個噴嘴相連接。但該鉆頭存在以下缺陷①鉆頭側翼數太多導致每個鉆頭側翼的體積太小，強度不夠；②排屑槽太小，巖屑不能及時排除；③鉆頭中心體上無噴嘴，破巖效率不高；④噴嘴布置位置、角度和結構不合理，破巖效率不高和噴嘴的壽命太低。(2)緊接著出現了四鉆頭側翼、五噴嘴、中心體有噴嘴結構的鉆頭，該鉆頭有四個鉆頭側翼，鉆頭側翼之間各有一個小排屑槽，排泄槽有四個。噴嘴共有五個，其中有四個噴嘴分別布置在四個鉆頭側翼上，一個安裝在中心體上，噴嘴形狀為圓柱型噴嘴，有五個內流道，分別與五個噴嘴相連接。該鉆頭解決了上文提到的鉆頭破巖效率不高的問題，但還有以下幾個問題沒有解決①鉆頭側翼數太多導致每個鉆頭側翼的體積太小，強度不夠；②排屑槽太小，巖屑不能及時排除；③鉆頭內流道結構不合理；
④噴嘴布置位置、角度和結構不合理，破巖效率不高和噴嘴的壽命太低。(3)三鉆頭側翼、四噴嘴、中心體有噴嘴結構的鉆頭，該鉆頭有三個鉆頭側翼，三個鉆頭側翼之間各有一個排屑槽，排泄槽有三個。噴嘴共有四個，其中三個噴嘴分別布置在三個鉆頭側翼上，一個安裝在中心體上，噴嘴形狀為圓柱型噴嘴，有四個內流道，分別與四個噴嘴相連接。該鉆頭仍存在以下問題①鉆頭側翼和排屑槽不夠大，巖石的排除效率不高；②鉆頭內流道結構和安裝位置不合理，內流道沖蝕比較嚴重；③噴嘴布置位置、角度和結構不合理，破巖效率不高和噴嘴的壽命太低；④鉆頭切削齒的配合關系、結構和安裝位置不合理。
發明內容
本發明要解決的技術問題是要提供一種能夠用于粒子沖擊鉆井過程中的粒子沖擊鉆頭。本發明的技術問題按以下方案實現粒子沖擊鉆頭主要由鉆頭基體、鉆頭中心體、 鉆頭側翼、保徑齒、排屑槽、切削齒和噴嘴組成，鉆頭側翼和鉆頭中心體聯成一體，鉆頭上部為鉆頭基體，下部連接著鉆頭中心體，在中心體的兩側分別有一個鉆頭側翼，鉆頭的兩個鉆頭側翼與中心體之間有兩個大排泄槽，保徑齒分布在兩鉆頭側翼外側表面，切削齒分布在鉆頭側翼低面和中心體上。噴嘴為圓錐帶圓柱出口段型結構，噴嘴長度與直徑比為5左右，噴嘴長度為 50mm 70mm，噴嘴圓柱段長度和圓錐段長度之比為4 1 5 1之間，噴嘴共有三個，在兩個鉆頭側翼上分別安裝一個噴嘴，另一個安裝在鉆頭中心體上。安裝在鉆頭側翼上的側噴嘴與鉆頭中心線呈10° 14°布置，安裝在鉆頭中心體上的中心噴嘴布置在鉆頭中心凸起的一側，與鉆頭中心線呈18° 22°，中心噴嘴出口直徑8 20mm，鉆頭側噴嘴出口直徑7 18mm。鉆頭內部有三個橢圓形的流道，分別連接著三個鉆頭噴嘴，各流道軸線與所連接的噴嘴的軸線平行。保徑齒布置在兩個鉆頭側翼的外側，在鉆頭側翼的中上部均勻布置15個保徑齒，兩個鉆頭側翼上一共布置30個保徑齒。硬質合金球形齒分布在鉆頭中心體和兩個鉆頭側翼的底部，鉆頭中心體切削齒采用硬質合金球形齒，鉆頭側翼布置10 15 個齒，中心體布置6 10個齒，鉆頭側翼底部采用特殊形狀、布齒方便、堅固耐用，中心體采用凸面圓錐狀。粒子流從鉆頭上部進入三個橢圓形鉆頭內流道，然后通過三個高壓噴嘴高速噴出，粒子沖擊作用產生的拉應力和剪切應力超過巖石的極限強度后，巖石中裂縫擴張，強度降低，容易破碎形成坑穴和產生剪切體，有利于巖石“體積破碎”的產生。同時結合硬質合金球形齒的破巖作用，利用水力沖擊作用和機械作用聯合破巖的方式，形成井眼中心部位徑向一定位置的巖石環脊。本發明的有益效果是鉆頭兩側翼與中心體之間有兩個大排泄槽，破碎的巖石和粒子直接從大排屑槽進入環空，隨著鉆井液一起返至地面。鉆頭中心體上的硬質合金球形齒呈錐形布置，在低鉆壓和低扭矩的作用下以擠壓膨脹的方式破碎井底形成的巖石環脊。 巖石環脊釋放了原有的應力，使得沿切削齒作用方向的巖石的“壓持效應”消失，巖石環脊的內外壓力接近，巖石的強度降低容易破碎。這種破巖方式可以產生巖石體積破碎，在不增加鉆壓和扭矩的條件下，提高了鉆井速度和所能夠達到的井深，并且產生的較大巖屑有利于錄井。
圖1是本發明所提出的粒子沖擊鉆井鉆頭的結構圖。圖2是本發明所提出的粒子沖擊鉆井鉆頭的底部結構圖。圖3是本發明所提出的粒子沖擊鉆井鉆頭的側向簡圖。圖4是本發明所提出的粒子沖擊鉆井鉆頭冠部輪廓示意圖。圖中1.鉆頭基體，2.鉆頭中心體，3.鉆頭側翼，4.保徑齒，5.切削齒，6.內流道， 7.中心噴嘴，8.側噴嘴，9.排屑槽。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例來進一步描述本發明的結構。實施例1 圖1所示，粒子沖擊鉆井鉆頭主要由鉆頭基體1、鉆頭中心體2、鉆頭側翼3、保徑齒4、切削齒5、內流道6、中心噴嘴7、側噴嘴8和排屑槽9組成。鉆頭上部為鉆頭基體，下部接鉆頭中心體，在中心體2的兩側分別有一個側翼，兩鉆頭側翼3與鉆頭中心體2之間有兩個大排泄槽9，保徑齒4分布在兩鉆頭側翼3的外側表面，切削齒5分布在鉆頭側翼3底面和鉆頭中心體2上，噴嘴為圓錐帶圓柱出口段型結構，噴嘴長度與直徑比為5，噴嘴長度為50mm，噴嘴圓柱段長度和圓錐段長度之比為4，噴嘴共有三個，在兩個鉆頭側翼上分別安裝一個側噴嘴8，另一個安裝在鉆頭中心體2上。安裝在鉆頭側翼3上的噴嘴與鉆頭中心線呈10°布置，安裝在鉆頭中心體2上的中心噴嘴7布置在鉆頭中心凸起的一側，與鉆頭中心線呈18°，中心噴嘴7出口直徑為10mm，鉆頭側噴嘴8出口直徑為8mm。鉆頭內部有三個橢圓形的流道，分別連接著三個鉆頭噴嘴，各流道軸線與所連接的噴嘴成一定角度。保徑齒4 布置在兩個鉆頭側翼3的外側，在鉆頭側翼3的中上部均勻布置15個保徑齒，兩個鉆頭側翼一共布置30個保徑齒。硬質合金球形齒分布在鉆頭中心體2和兩個鉆頭側翼3的底部， 鉆頭中心體布置6個齒，鉆頭側翼布置10個齒，鉆頭側翼底部采用采平面形狀、布齒方便、 堅固耐用，中心體采用凸面圓錐狀。本實施例所提供的鉆頭，結構簡單，破巖效率高，工作壽命長，可以完全匹配到粒子沖擊鉆井技術中。該鉆頭粒子沖擊所用的粒子直徑較大，適用于鉆遇極堅硬和極耐磨性的地層，可以大幅度提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規鉆井的4 5倍，具有廣闊的應用前景和開發價值。實施例2 圖1所示，粒子沖擊鉆井鉆頭主要由鉆頭基體1、鉆頭中心體2、鉆頭側翼3、保徑齒 4、切削齒5、內流道6、中心噴嘴7、側噴嘴8和排屑槽9組成。鉆頭上部為鉆頭基體1，下部接著鉆頭中心體2，在中心體的兩側分別有一個鉆頭側翼，兩個鉆頭側翼與鉆頭中心體之間有兩個大排泄槽，保徑齒4分布在兩鉆頭側翼3的外側表面，切削齒5分布在鉆頭側翼3的底面和鉆頭中心體2上，噴嘴為圓錐帶圓柱出口段型結構，噴嘴長度與直徑比為5，噴嘴長度為60mm，噴嘴圓柱段長度和圓錐段長度之比為4. 5，噴嘴共有三個，在兩個鉆頭側翼上分
5別安裝一個噴嘴，在鉆頭中心體2上再安裝一個。安裝在鉆頭側翼上的側噴嘴8與鉆頭中心線呈12°布置，安裝在鉆頭中心體2上的中心噴嘴7布置在鉆頭中心凸起的一側，與鉆頭中心線呈20°，中心噴嘴7的出口直徑為12mm，鉆頭側噴嘴8的出口直徑為10mm。鉆頭內部有三個橢圓形的流道，分別連接著三個鉆頭噴嘴，各流道軸線與所連接的噴嘴成一定角度。 保徑齒4布置在兩個鉆頭側翼的外側，在鉆頭側翼的中上部均勻布置15個保徑齒，兩個鉆頭側翼一共30個。硬質合金切球形齒分布在鉆頭中心體2和兩個鉆頭側翼3的底部，在鉆頭中心體上布置8個齒，在鉆頭側翼3上布置13個齒，鉆頭側翼底部采用特殊形狀采用平面形狀、布齒方便、堅固耐用，中心體采用凸面圓錐狀。本實施例所提供的鉆頭，結構簡單，破巖效率高，工作壽命長，可以完全匹配到粒子沖擊鉆井技術中。該鉆頭粒子沖擊所用的粒子直徑中等大小，適用于鉆遇極堅硬和耐磨性強的地層，可以大幅度提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規鉆井的3 4倍，具有廣闊的應用前景和開發價值。實施例3 圖1所示，粒子沖擊鉆井鉆頭主要由鉆頭基體1、鉆頭中心體2、鉆頭側翼3、保徑齒4、切削齒5、內流道6、中心噴嘴7、側噴嘴8和排屑槽9組成。鉆頭上部為鉆頭基體1， 下部接著鉆頭中心體2，在鉆頭中心體2的兩側分別有一個鉆頭側翼，兩個鉆頭側翼3與鉆頭中心體2之間有兩個大排泄槽，保徑齒4分布在兩鉆頭側翼3的外側表面，切削齒5分布在鉆頭側翼3的底面和鉆頭中心體2上，噴嘴為圓錐帶圓柱出口段型結構，噴嘴長度與直徑比為5，噴嘴長度為70mm，噴嘴圓柱段長度和圓錐段長度之比為5，噴嘴共有三個，在兩個鉆頭側翼上分別安裝一個噴嘴，另一個安裝在鉆頭中心體2上。安裝在鉆頭側翼上的側噴嘴8與鉆頭中心線呈14°布置，安裝在鉆頭中心體2上的中心噴嘴7布置在鉆頭中心凸起的一側，與鉆頭中心線呈22°，中心噴嘴7的出口直徑為14mm，鉆頭側噴嘴8的出口直徑為 12mm。鉆頭內部有三個橢圓形的流道，分別連接著三個鉆頭噴嘴，各流道軸線與所連接的噴嘴成一定角度。保徑齒4布置在兩個鉆頭側翼的外側，在鉆頭側翼的中上部均勻布置15個保徑齒，兩個鉆頭側翼一共30個。徑齒硬質合金球形齒分布在鉆頭中心體2和兩個鉆頭側翼3的底部，鉆頭中心體上布置10個齒，鉆頭側翼上布置15個齒，鉆頭側翼底部采用采用平面形狀、布齒方便、堅固耐用，中心體采用凸面圓錐狀。本實施例所提供的鉆頭，結構簡單，破巖效率高，工作壽命長，可以完全匹配到粒子沖擊鉆井技術中。該鉆頭粒子沖擊所用的粒子直徑較小，適用于鉆遇堅硬、極堅硬地層， 可以大幅度提高了能量的利用率，其鉆井速度是常規鉆井的2 4倍，具有廣闊的應用前景和開發價值。
權利要求
1.一種用于粒子沖擊鉆井技術鉆頭，由鉆頭基體(1)，鉆頭中心體O)、鉆頭側翼(3)、 保徑齒(4)、切削齒(5)、內流道(6)、中心噴嘴(7)、側噴嘴(8)和排屑槽(9)組成，鉆頭上部為鉆頭基體，下部連接鉆頭中心體，其特征是，在鉆頭中心體⑵的兩側分別有一個鉆頭側翼⑶，兩個鉆頭側翼與鉆頭中心體之間有兩個大排泄槽，保徑齒⑷分布在兩個鉆頭側翼外側表面，切削齒(5)分布在鉆頭側翼底面和鉆頭中心體上，噴嘴均為圓錐帶圓柱出口段型結構，噴嘴長度與噴嘴內徑之比為5，噴嘴長度為50mm 70mm，噴嘴圓柱段長度和圓錐段長度之比為4 1 5 1，噴嘴共有三個，在兩個鉆頭側翼上分別安裝一個噴嘴，另一個噴嘴安裝在鉆頭中心體(2)上，安裝在鉆頭側翼(3)上的側噴嘴(8)與鉆頭中心線呈 10° 14°布置，安裝在鉆頭中心體上的中心噴嘴(7)布置在鉆頭中心凸起的一側，與鉆頭中心線呈18° 22°，中心噴嘴(7)的出口直徑為8 20mm，鉆頭側噴嘴(8)的出口直徑為7 18mm。
2.根據權利要求1所述的用于粒子沖擊鉆井技術鉆頭，其特征是，切削齒(5)為硬質合金球形齒，在鉆頭側翼上布置10 15個齒，在鉆頭中心體上布置6 10個齒。
3.根據權利要求1所述的用于粒子沖擊鉆井技術鉆頭，其特征是，鉆頭側翼底部為平面形狀，鉆頭中心體采用凸面圓錐狀。
全文摘要
本發明公開了一種用于粒子沖擊鉆井技術鉆頭，主要由鉆頭基體、鉆頭中心體、鉆頭側翼、保徑齒、切削齒、內流道、中心噴嘴、側噴嘴和排屑槽組成，鉆頭上部為鉆頭基體，下部連接鉆頭中心體，在中心體的兩側分別有一個鉆頭側翼，鉆頭兩側翼與中心體之間有兩個大排泄槽，保徑齒分布在兩鉆頭側翼外側表面，切削齒分布在鉆頭側翼地面和中心體上，圓錐帶圓柱出口段型噴嘴分別以一定角度布置在鉆頭側翼底部和鉆頭中心體位置，粒子從噴嘴高速噴出，粒子沖擊作用產生的拉應力和剪切應力超過巖石的極限強度后，巖石中裂縫擴張，強度降低，容易破碎形成坑穴和產生剪切體，有利于巖石“體積破碎”的產生。
文檔編號E21B10/38GK102345445SQ20111016083
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者任建華, 侯德舉, 周榮昌, 彭小強, 徐依吉, 段鵬, 許魯楠, 趙健, 趙紅香 申請人:中國石油大學(華東)