自旋转反循环脉冲抽汲钻头的制作方法

本实用新型属于钻井与油气井领域，具体设计一种用于自旋转反循环脉冲抽汲钻头。

背景技术：

油气钻探采用的反循环钻井技术属于岩土钻掘工程学范畴，称之为反循环钻井，即凡冲洗介质循环与传统的正循环相反的钻进方法皆可以称为反循环钻井。随着双壁钻具的出现，反循环钻井在岩土钻掘工程中得到快速的发展，已在地质、冶金、建筑、水利、煤田和军工等系统推广应用，主要涉及水井、水文地质钻孔、大孔径工程施工孔、非开挖铺设地下管线等施工方面。

具有代表性的是双壁钻杆反循环钻井技术，自2004年提出双壁钻杆反循环钻井技术概念。2005年开始对双壁钻杆反循环钻井技术进行可行性评价；2006年完成了关键配套设备的研发与测试；2009年在陆上与海上试验井的钻探成功；2013年在OTC会议上系统介绍了双壁钻杆反循环无隔水管钻井方法，近些年反循环钻井在国外油气工业中已进入商业开发阶段。

双壁钻杆反循环钻井技术在控压钻井、大位移钻井和深水钻井具有极大的优势，例如(1)钻井液在管中管内反循环，实现无隔水管钻井；(2)双壁钻杆充当电力和数据传输通道；(3)实现全过程控压钻井。但由于钻井液经流动转换接头由底部钻具进入双壁钻杆内管，流道的突然改变增大了钻井液的流动阻力，极大限制了钻井液的清岩和携岩效率。

脉冲射流以其非对称、非均匀、不稳定特性，相对常规稳态射流，可极大提高水力辅助破岩效率，理论研究和现场试验均证明脉冲射流在钻井领域有着相当广阔的应用前景，而将脉冲射流运用于钻头设计也已经被理论和实验证明其可行性。

水力破岩在机械钻井领域已经得到大规模的应用，并在现场取得了良好效益，基于水射流理论的自旋转喷嘴在水平井钻井中，剪切拉伸破岩效率高、摩阻小、寿命长、工作平稳。

射流泵在采油、固井等领域已经得到大规模的应用，而如何将射流泵理论应用于岩屑的清岩、携岩却是一个新问题，将基于射流泵的负压抽汲理论应用于新型钻头的设计是一个新方向，也为优化反循环钻井提供一种新思路。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种自旋转反循环脉冲抽汲钻头，通过导流装置，实现了钻井液和岩屑经自旋转反循环脉冲抽汲钻头的返排腔直接进入双壁钻杆内管，减小流动阻力，提高钻井液携岩效率；通过脉冲生成装置，产生高速脉冲射流，非对称、非均匀冲击破岩；通过高效破岩装置，自旋转喷嘴水力辅助 高效破岩；通过负压抽汲装置，负压抽汲腔形成负压，抽汲岩屑回流，减小压持效应，提高机械钻速。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种新型自旋转反循环脉冲抽汲钻头，其特征在于在常规PDC钻头的基础上加装了导流装置、脉冲生成装置、高效破岩装置和负压抽汲装置。

所述的导流装置包括进给腔、导流环空和导流区；所述的进给腔与导流环空相连通，两者轴线呈150°夹角，导流环空出口在导流区内，贯穿进给腔和导流区；进给腔、导流环空和导流区均为圆柱形构造；进给腔与导流环空等管径，导流区管径为导流环空的5倍。钻井液经双壁钻杆外管由进给腔进入导流装置，通过导流环空流入导流区；在导流区钻井液实现分离，分别流向脉冲生成装置和负压抽汲装置。导流装置代替常规反循环钻井的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑经自旋转反循环脉冲抽汲钻头的返排腔直接进入双壁钻杆内管，提高钻井液携岩效率。

所述的脉冲生成装置包括整流腔、谐振腔、反馈腔和分流区；所述的整流腔、谐振腔、反馈腔和分流区依次对接连通，整流腔入口与导流区相连通，分流区与下喷流道相连通；所述的整流腔、谐振腔、反馈腔和分流区均为圆柱形构造；整流腔管径是谐振腔的1.5倍，反馈腔管径是谐振腔的0.5倍，分流区管径是谐振腔的2.5倍。整流腔是钻井液进入脉冲生成装置的通道；反馈腔产生钻井液初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔；当反馈的初始压力波动与谐振腔固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，获得脉冲射流。

所述的高效破岩装置包括下喷流道、自旋转喷嘴和刀翼；下喷流道与分流区相连通，出口在钻头端部，其中均布安装有3个自旋转喷嘴。自旋转喷嘴安装在下喷流道，由自旋转中心轴体、正向喷嘴、侧向喷嘴、喷嘴外壳、自旋转体等部分组成。流体流经自旋转喷嘴的正向和侧向喷嘴，产生正向和侧向射流，正向射流剪切拉伸破岩、周期性冲击、扫面式破岩；侧向射流提供钻头自进力，实现自旋转体绕自旋转中心轴体的自旋转，并有扩孔的作用，提高破岩和清岩效率。

所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、负压抽汲腔、混合腔、缓冲腔和返排腔；所述的反向高速流道、混合腔、缓冲腔和返排腔依次对接连通，反向高速流道入口与导流区对接连通；负压抽汲腔入口在钻头外壁，与混合腔呈120°夹角相贯通，同时与导流环空为交叉设置。负压抽汲腔、混合腔和缓冲腔均为圆柱形构造，返排腔为60°锥形构造与缓冲腔对接连通，负压抽汲腔、混合腔和缓冲腔的管径相同。负压抽汲装置基于射流泵，凭借反向高速流道的流体高速特性在负压抽汲腔产生负压，抽汲岩屑和钻井液回流，减小压持效应，提高钻井液的清岩效率。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)导流装置代替常规反循环钻井的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑从自旋转反循环脉冲抽汲钻头的返排腔直接进入双壁钻杆内管，减小了钻井液的流动阻力，提高钻井液携岩效率。

(2)脉冲生成装置将稳定的钻井液转换为脉冲射流，相对于常规连续射流，脉冲射流非均匀、非对 称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩和钻井液清洗井底的能力。

(3)自旋转喷嘴，自旋转提供钻头进给力，区别于常规的冲击破岩，射流剪切拉伸破岩，效率高，功率消耗小、摩阻小、寿命长、工作平稳，可提高破岩、清岩效率。

(4)负压抽汲装置凭借反向高速流道的流体高速特性在负压抽汲腔产生负压，抽汲岩屑和钻井液回流，减小压持效应，提高机械钻速和钻井液的清岩效率。

附图说明

图1为一种自旋转反循环脉冲抽汲钻头示意图。

图2为图1中的自旋转喷嘴示意图。

图3为图1的左视示意图。

图4为图1中A-A剖面示意图。

图5为图1中B-B剖面示意图。

图6为图1中C-C剖面示意图。

图7为图1中D-D剖面示意图。

图8为图1的右视示意图。

图9为反向高速流道示意图。

图1中：1、导流装置，101、进给腔102、导流环空，103、导流区；2、脉冲生成装置，201、整流腔，202、谐振腔，203、反馈腔，204、分流区；3、高效破岩装置，301、下喷流道，302、自旋转喷嘴，303、刀翼；4、负压抽汲装置，401、反向高速流道，402、负压抽汲腔，403、混合腔，404、缓冲腔，405、返排腔。

图2中：501、自旋转中心轴体，502、侧向喷嘴，503、喷嘴外壳，504、自旋转体，505、正向喷嘴。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种新型自旋转反循环脉冲抽汲钻头，其特征在于在常规PDC钻头的基础上加装了导流装置1、脉冲生成装置2、高效破岩装置3和负压抽汲装置4。

导流装置1包括进给腔101、导流环空102和导流区103；进给腔101与导流环空102相连通，两者轴线呈150°夹角，导流环空102出口在导流区103内，贯穿进给腔101和导流区103；进给腔101、导流环空102和导流区103均为圆柱形构造；进给腔101与导流环空102等管径，导流区103管径为导流环空102的5倍。导流装置1代替常规反循环钻井的流动转换接头，实现了钻井液和岩屑从自旋转反循环脉冲抽汲钻头的返排腔405直接进入双壁钻杆内管，提高钻井液携岩效率。

脉冲生成装置2包括整流腔201、谐振腔202、反馈腔203和分流区204；所述的整流腔201、谐振腔202、反馈腔203和分流区204依次对接连通，整流腔201入口与导流区103相连通，分流区204与下喷流道301相连通；所述的整流腔201、谐振腔202、反馈腔203和分流区204均为圆柱形构造；整流腔201管径是谐振腔202的1.5倍，反馈腔203管径是谐振腔202的0.5倍，分流区204管径是谐振腔202的2.5倍。整流腔201是钻井液进入脉冲生成装置2的通道；反馈腔203产生钻井液初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔202；当反馈的初始压力波动与谐振腔202固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，获得脉冲射流。

高效破岩装置包括下喷流道301、自旋转喷嘴302和刀翼303；下喷流道301与分流区204相连通，出口在钻头端部，其中均布安装有3个自旋转喷嘴302。自旋转喷嘴302安装在下喷流道301，由自旋转中心轴体501、正向喷嘴505、侧向喷嘴502、喷嘴外壳503、自旋转体504等部分组成。流体流经自旋转喷嘴的正向喷嘴505和侧向喷嘴502，产生正向和侧向射流，正向射流剪切拉伸破岩、周期性冲击、扫面式破岩；侧向射流提供钻头自进力，实现自旋转体绕自旋转中心轴体的自旋转，并有扩孔的作用，提高破岩和清岩效率。

负压抽汲装置4包括反向高速流道401、负压抽汲腔402、混合腔403、缓冲腔404和返排腔405；所述的反向高速流道401、混合腔403、缓冲腔404和返排腔405依次对接连通，反向高速流道401入口与导流区103对接连通；负压抽汲腔402入口在钻头外壁，与混合腔403呈120°夹角相贯通，同时与导流环空102为交叉设置。负压抽汲腔402、混合腔403和缓冲腔404均为圆柱形构造，返排腔405为60°锥形构造与缓冲腔404对接连通，负压抽汲腔402、混合腔403和缓冲腔404的管径相同。负压抽汲装置4基于射流泵，凭借反向高速流道的流体高速特性在负压抽汲腔402产生负压，抽汲岩屑和钻井液回流，减小压持效应，提高钻井液的清岩效率。

本实用新型的自旋转反循环脉冲抽汲钻头的工作过程如下：

钻井液由双壁钻杆外管经进给腔101直接进入导流装置1，经导流环空102流入导流区103；在导流区103中，钻井液实现分流，分别流向脉冲生成装置2和负压抽汲装置4。下流的钻井液经整流腔201整流后，进入脉冲生成装置2，流经反馈腔203时，在收缩截面作用下产生初始的压力波动；产生的压力波动被反馈到谐振腔202；当反馈的压力波动频率与谐振腔202固有频率相符时，激发液体共振，产生高速涡流，从而在谐振腔202内得到脉冲射流；得到的脉冲射流经分流区203流入高效破岩装置3，流经下喷流道301，经下喷流道301中自旋转喷嘴302的正向喷嘴505和侧向喷嘴502喷出，产生正向和侧向射流，正向射流旋转冲击，通过剪切、拉伸作用在井底形成圆形破岩面，而反向射流由于存在反向张角和偏心距，为钻头提供进给力和旋转动力，实现自旋转体504绕自旋转中心轴体501的自旋转。同时刀翼303机械破岩。上返的钻井液经反向高速流道401进入负压抽汲装置4，在反向高速流道401收缩截面的作用下，钻井液被转换为反向高速射流，凭借其高速特性，钻井液在负压抽汲腔402产生负压，负压抽汲腔402与钻 头外壁相连通，抽汲经脉冲生成装置2破岩后的岩屑流回流，在混合腔403实现岩屑流与反向高速射流的混合，混合后的岩屑流在缓冲腔404速度得到降低并流向外排腔405，经外排腔405锥形结构的进一步降速后流入双壁钻杆内管。