内排屑射流降压钻头的制作方法

本发明涉及钻井工具技术，尤其涉及一种内排屑射流降压钻头，属于钻井与油气工程技术领域。

背景技术：

加快非常规油气的勘探开发速度，降低勘探开发成本，对于推进我国非常规油气产业化，实现“非常规油气革命”，缓解我国油气供需矛盾，具有重要的战略意义。

钻井速度是影响非常规油气成本的主要因素之一。一口典型的油气井中，接近50％的费用用于机械钻进。据美国的研究与实践表明：如果钻井效率提高一倍，总的钻井费用可以降低约25％。因此，提高机械钻速是降低钻井成本、实现效益最大化的首要追求。

降低井底压力并实现井底局部反循环能够有效提高机械钻速，一方面降低井底压差会降低井底待破碎岩石的塑性，并使得井底岩石由塑性向脆性转变，从而降低破碎强度，提高破碎效率；另一方面实现井底局部反循环会减轻或消除井底岩屑的压持效应，促使新产生的岩屑及时脱离井底岩石母体，避免重复破碎。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明提供一种内排屑射流降压钻头，用来提高钻井的效率。

本发明提供一种内排屑射流降压钻头，包括：聚晶金刚石复合片pdc钻头主体，所述pdc钻头主体内部设置有降压结构、抽屑结构和输送初始钻井液的主流道，所述pdc钻头底端设置有排屑槽；

所述降压结构和所述主流道连通并与所述主流道反向设置，所述抽屑结构分别和所述降压结构以及所述排屑槽连通，所述降压结构用于使通过所述主流道的初始钻井液从所述降压结构反向冲出以产生负压，所述抽屑结构用于利用所述负压将携岩钻井液通过所述排屑槽吸入所述pdc钻头主体内部。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述降压结构包括反向高速射流喷嘴以及与所述反向高速射流喷嘴的出口连通，并沿所述主流道的反方向延伸的负压输送通道；

所述反向高速射流喷嘴的入口与所述主流道连通。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述反向高速射流喷嘴的轴线与所述主流道的轴线之间的夹角为β，0°≤β＜90°。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述抽屑结构包括初始钻井液正向射流喷嘴以及岩屑吸入管；

所述初始钻井液正向射流喷嘴的入口与所述主流道的底端连通，所述初始钻井液正向射流喷嘴的出口设置在所述排屑槽的近端，所述岩屑吸入管的入口设置在所述排屑槽的远端，所述岩屑吸入管的出口与所述负压输送通道连通。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述初始钻井液正向射流喷嘴的轴线与所述主流道的轴线之间具有夹角。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述负压输送通道由底端至顶端包括依序连通的负压室、喉管以及旁通管，

所述负压室的第一入口与所述反向高速射流喷嘴的出口连通；

所述负压室的第二入口与所述岩屑吸入管的出口连通。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述旁通管为两端口径不等的管，其中，大口径端口为所述旁通管的出口，小口径端口为所述旁通管的入口。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述旁通管的出口与钻杆和井壁之间形成的环空连通。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述pdc钻头主体底端沿圆周方向间隔设置有多个pdc刀翼，所述排屑槽设置在所述多个pdc刀翼之间。

如上所述的内排屑射流降压钻头，其中，所述pdc钻头主体底端的外侧设置有保径。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明提供的内排屑射流降压钻头内部水力结构及流道结构相对简单，易于生产加工；

2、本发明提供的内排屑射流降压钻头能够加速携岩钻井液的流动，高效的清洗井底岩屑和岩渣，提高钻井的效率，避免井底压持效应和岩屑重复破碎的问题；

3、抽屑结构基于抽砂泵的原理抽吸井底岩屑和流体，井底岩屑和流体从钻头内部返出，实现井底反循环，降低压持效应；

4、降压结构基于射流泵的原理，减小井底压差，实现欠平衡提高机械钻速；

5、360°保径钻头能够形成的井眼光滑，能有效减小水平井托压。

附图说明

图1为本发明内排屑射流降压钻头的剖视图；

图2为图1的右视图。

附图标记说明：

1：pdc钻头主体；

101：主流道；

102：排屑槽；

103：保径；

104：pdc刀翼；

201：反向高速射流喷嘴；

202：负压输送通道；

202a：负压室；

202b：喉管；

202c：旁通管；

301：初始钻井液正向射流喷嘴；

302：岩屑吸入管；

a：第一入口；

b：第二入口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中，方位“顶端”指示的是靠近钻杆一端的位置，方位“底端”指的是靠近钻头一端的位置，方位“近端”指的是在钻头底端面的径向方向上靠近钻头中轴线一端的位置，方位“远端”指的是在钻头底端面的径向方向上远离钻头中轴线一端的位置，方向“正向”是指初始钻井液进入的方向，方向“反向”是指将初始钻井液进入方向改变90°-180°的方向。

此外，在本发明中，初始钻井液指的是从泥浆泵泵出流至钻杆、未携带有岩屑、岩渣的钻井液；携岩钻井液指的是钻井液经过井底工作面、携带有岩屑、岩渣的钻井液。

图1为本发明内排屑射流降压钻头的剖视图，图2为图1的右视图。

请参照图1-图2，本实施例的内排屑射流降压钻头包括：聚晶金刚石复合片pdc钻头主体1，pdc钻头主体1内部设置有降压结构、抽屑结构和输送初始钻井液的主流道101，pdc钻头主体1底端设置有排屑槽102；降压结构和主流道101连通并与主流道101反向设置，抽屑结构分别和降压结构以及排屑槽102连通，降压结构用于使通过主流道101的初始钻井液从降压结构反向冲出以产生负压，抽屑结构用于利用负压将携岩钻井液通过排屑槽102吸入pdc钻头主体1内部。

本实施例中的pdc钻头主体1内部开设有用于初始钻井液进入pdc钻头主体1的主流道101，可以想象的是该pdc钻头主体1的顶端是与钻杆(未图示)连接的，并且主流道101的入口是与钻杆的出液口连通的，从而使得钻杆中的初始钻井液经过主流道101的入口进入主流道101。

具体地，本实施例中的pdc钻头主体1在使用时与钻杆固定连接在一起，可以是通过螺纹固定连接。本实施例的内排屑射流降压钻头可以是pdc钻头主体1设置有内螺纹，和钻杆设置的外螺纹配合，实现固定连接；或者，pdc钻头主体1设置有外螺纹，和钻杆设置的内螺纹配合，实现固定连接。当然，pdc钻头主体1和钻杆之间也可以通过焊接等连接方式实现固定连接，本发明不作具体限定。

在本实施例中，主流道101的横截面可以是圆形、椭圆形、多边形，或者不规则形状等。为了减小主流道101对初始钻井液的阻力以及增加初始钻井液对井底的清洗力度，本实施例主流道101的主要部分优选圆形通道，主流道101的底端优选为梯形通道。同时，主流道101可以是单独的管道，也可以是通过在pdc钻头主体1内部的一个柱状部件上开设通孔的方式来形成上述主流道101，当然，还可以采用其他结构形式，本发明不作具体限制。

继续参照图1-图2，pdc钻头主体1的底端端面上还设置有排屑槽102，该排屑槽102能够容纳钻井后产生的携岩钻井液，在携岩钻井液还未进入pdc钻头主体1内部实现反循环前提供便于被吸入pdc钻头主体1内部的路径，排屑槽102即为两侧凸出中间凹陷的槽体结构，该排屑槽102可以在pdc钻头主体1的底端端面上以圆周方向均匀分布，也可以以任意方向不规则分布，本领域技术人员可以根据钻井具体情况以及pdc钻头主体1底端端面的具体情况进行设置，本发明不做具体限制。

在本实施例中，降压结构具体设置在pdc钻头主体1的内部，降压结构与主流道101连通并且反向设置，从而能够利用主流道101中的初始钻井液产生负压，通过负压对井底流体和岩屑的作用降低井底的局部压力，减小井底压差，促进岩屑脱离井底并加速上返，实现局部欠平衡提高机械钻速。本发明对降压结构的具体表现形式不做限制。

在本实施例中，抽屑结构具体设置在pdc钻头主体1的内部，抽屑结构能够利用主流道101中的初始钻井液对井底岩屑以及流体进行清理，还能够在降压结构产生的负压下帮助井底的携岩钻井液经过排屑槽102进入pdc钻头主体1内部实现反循环，降低压持效应。本发明对抽屑结构的具体结构不做限制，只要能够实现上述功能即可。

本实施例中的降压结构以及抽屑结构可以根据pdc钻头主体1内部的具体结构进行设置，本发明也不限制降压结构和抽屑结构的具体个数，可以是一个或多个，具体个数可以根据本发明的内排屑射流降压钻头在钻井时的具体条件进行设置。

另外，还可以在pdc钻头主体1底端的外侧设置360°的保径103，从而通过保径103对pdc钻头主体1进行大力度的保护，并且使井眼光滑有效减小水平井托压。值得注意的是，本发明的内排屑射流降压钻头中，保径上不设置排屑槽。

本实施例提供的内排屑射流降压钻头结构简单，易于生产加工，通过pdc钻头主体1的主流道101，使得初始钻井液进入pdc钻头主体1内部并通过抽屑结构清洗pdc钻头主体1钻井生成的岩屑、岩渣，降压结构利用钻头内部的初始钻井液产生负压，抽屑结构利用负压将岩屑、岩渣以及井底的钻井液通过排屑槽102吸入钻头内部，从而完成钻井液的反循环，本发明能够加速携岩钻井液的流动，高效的清洗井底岩屑和岩渣，提高钻井的效率，避免井底压持效应和岩屑重复破碎的问题，而且还能减小压持效应和防漏。

在上述实施例的基础上，本实施例的内排屑射流降压钻头中的降压结构包括反向高速射流喷嘴201以及与反向高速射流喷嘴201的出口连通，并沿主流道101的反方向延伸的负压输送通道202；反向高速射流喷嘴201的入口与主流道101连通。

具体的，反向高速射流喷嘴201的入口与主流道101连通，反向高速射流喷嘴201的出口与负压输送通道202的入口连通，从而能够分流进入主流道101的初始钻井液使部分主流道101中的初始钻井液经反向高速射流喷嘴201的入口进入反向高速射流喷嘴201，再由反向高速射流喷嘴201的出口进入至负压输送通道202。本实施例中的反向高速射流喷嘴201是指能够将初始钻井液的流入方向改变90°-180°的喷嘴，经过该反向高速射流喷嘴201的初始钻井液能够在负压输送通道202的入口处以与初始钻井液流入方向相反的方向向pdc钻头主体1的顶端喷射，从而在负压输送通道202的入口产生负压。在该负压的作用下，井底的携岩钻井液会通过抽屑结构经排屑槽102进入pdc钻头主体1内部，再经过负压输送通道202的入口进入负压输送通道202，经过负压输送通道202的出口排出pdc钻头主体1实现钻井液的反循环。

反向高速射流喷嘴201与主流道101的具体连通的位置能够决定在井底产生负压的大小，反向高速射流喷嘴201与主流道101具体连通的位置越靠近主流道101的底端，井底产生的负压就越大。在图1中，反向高速射流喷嘴201与主流道101具体连通的位置靠近主流道101的偏底部，针对不同的钻井情况工作人员可以设置具体的连通的位置。

另外，本实施例对负压输送通道202的轴向剖面不做限制，可以是规则或者不规则结构，为了方便携岩钻井液的排出，本实施例中的负压输送通道202的轴向剖面为不规则结构，即底端细顶端粗的喇叭型结构。

本实施例对反向高速射流喷嘴201和负压输送通道202的个数不做具体限制，可以为一个或多个，但是反向高速射流喷嘴201和负压输送通道202两者的个数必须一一对应。

当然，为了便于本实施例中的内排屑射流降压钻头适用于各种情况的油气井的钻井开发，降压结构产生的负压大小还可以根据反向高速射流喷嘴201的轴线与主流道101的轴线之间的夹角β进行调节，其中，0°≤β<90°，当β越小，产生的负压越大，促进岩屑脱离井底并加速上返的动力就越大。

进一步地，本实施例的内排屑射流降压钻头中的抽屑结构包括初始钻井液正向射流喷嘴301以及岩屑吸入管302；初始钻井液正向射流喷嘴301的入口与主流道101的底端连通，初始钻井液正向射流喷嘴301的出口设置在排屑槽102的近端，岩屑吸入管302的入口设置在排屑槽102的远端，岩屑吸入管102的出口与负压输送通道202连通。

具体地，初始钻井液正向射流喷嘴301的入口与主流道101的底端连通，初始钻井液正向射流喷嘴的出口301设置在排屑槽102的近端，从而主流道101的初始钻井液在部分被负压部的反向高速射流喷嘴201分流后，剩余的初始钻井液会经过初始钻井液正向射流喷嘴301的入口进入初始钻井液正向射流喷嘴301，再由初始钻井液正向射流喷嘴301的出口喷射出pdc钻头主体1，从而对井底的岩屑进行搅动以及清理。

另外，岩屑吸入管302是井底的携岩钻井液由排屑槽102进入pdc钻头主体1内部的唯一通道，具体地，岩屑吸入管302的入口设置在排屑槽102的远端，岩屑吸入管302的出口与负压输送通道202连通。由于岩屑吸入管302的出口与负压输送通道202连通，因此岩屑吸入管302的出口处有负压，从而井底的携岩钻井液会被岩屑吸入管302由岩屑吸入管302的入口吸入至pdc钻头主体1内部，即经岩屑吸入管302的入口进入岩屑吸入管302，再由岩屑吸入管302的出口进入负压输送通道202，最后通过负压输送通道202被排出pdc钻头主体1，完成钻井液的反循环。

为了最大限度利用降压结构生成的负压，岩屑吸入管302的出口可以与负压输送通道202的入口(即反向高速射流喷嘴201的出口)连通。

岩屑吸入管302的横截面可以是圆形、椭圆形、多边形，或者不规则形状等。为了减小岩屑吸入管302对携岩钻井液的阻力，使携岩钻井液的畅通，本实施例岩屑吸入管302优选为入口大出口小的喇叭管。

本实施例对初始钻井液正向射流喷嘴301和岩屑吸入管302的个数不做具体限制，可以为一个或多个，初始钻井液正向射流喷嘴301和岩屑吸入管302两者的个数也无须一一对应，但是岩屑吸入管302的个数与负压输送通道202的个数必须一一对应。

为了提升井底清岩效率并且使岩屑吸入管302能够实现井底携岩钻井液的高效吸入，可以使初始钻井液正向射流喷嘴301的轴线与主流道101的轴线之间具有夹角θ，且0°≤θ<90°，从而使初始钻井液正向射流喷嘴301与pdc钻头主体1旋转联合作用产生井底湍流流场，改善井底携岩钻井液的受力状况。

在本实施例中，负压输送通道202由底端至顶端包括依序连通的负压室202a、喉管202b以及旁通管202c，负压室202a的第一入口a与反向高速射流喷嘴201的出口连通；202a负压室的第二入口b与岩屑吸入管302的出口连通。

可以将负压输送通道202进行细化，使其由底端至顶端依次具体包括负压室202a、喉管202b以及旁通管202c，并且负压室202a与喉管202b连通，喉管202b与旁通管202c连通。其中，负压室202a包括两个入口，分别为第一入口a和第二入口b，第一入口a与反向高速射流喷嘴201的出口连通，用于利用反向高速射流喷嘴201喷射出的初始钻井液产生负压；第二入口b与岩屑吸入管302的出口连通，用于利用负压室202a的压力将携岩钻井液通过岩屑吸入管302吸入至负压室202a，然后通过喉管202b、旁通管202c排出pdc钻头主体1，完成钻井液的反循环。

进一步地，为了降低携岩钻井液自负压室202a向外喷射的动力，可以将旁通管202c设置为两端口径不等的管，其中，大口径端口为旁通管202c的出口，小口径端口为旁通管202c的入口。

具体地，小口径的端口与喉管202b的出口连通，大口径的端口与钻杆和井壁之间形成的环空(未图示)连通，当携岩钻井液在负压的作用下，经岩屑吸入管302的入口进入岩屑吸入管302，再由岩屑吸入管302的出口喷出经由第二入口进b入负压室202a后，会汇入由反向高速射流喷嘴201喷射出的部分初始钻井液形成高速射流，由底端至顶端依序经负压室202a、喉管202b、旁通管202c，最终进入环空。当行至旁通管202c时，由于其进口小出口大的特殊结构，高速射流会在旁通管202c内发生降速。

参照图2，本实施例pdc钻头主体1底端沿圆周方向间隔设置有多个pdc刀翼104，排屑槽设置在多个pdc刀翼104之间。具体地，pdc刀翼104是本发明内排屑射流降压钻头切削岩石的工作部件，其表面分布有数个pdc切削齿(未图示)。为了使每个pdc刀翼104切下的岩屑、岩渣能够被及时的清洗走，且保持pdc钻头主体1的平衡，可以将排屑槽102设置在多个pdc刀翼104之间。另外，本发明对pdc刀翼104的具体个数不做限制，图2中为5个pdc刀翼。

上述实施例的内排屑射流降压钻头的具体工作过程如下：

在钻进过程中，内排屑射流降压钻头旋转，使得pdc刀翼104上的pdc切削齿切削岩石产生岩屑。同时高压初始钻井液由钻杆进入主流道101，一部分高压初始钻井液由反向高速射流喷嘴201喷出，形成高速射流，高速射流在负压室202a产生负压，负压室202a内的负压通过岩屑吸入管302对井底的流体和岩屑进行抽吸，从而降低井底压差，减小岩屑的压持效应，创造井底的欠平衡条件，提高机械钻速。另一部分高压初始钻井液进入抽屑结构的初始钻井液正向射流喷嘴301内，并以高速射流喷出，初始钻井液正向射流喷嘴301喷出的不对称高速射流将井底岩屑冲击成高浓度的湍流，使岩屑吸入管302能高效吸入在排屑槽102中的井底岩屑与井底钻井液。井底岩屑与井底钻井液在反向高速射流喷嘴201的抽吸作用下经岩屑吸入管302进入负压室202a。

降压结构的反向高速射流喷嘴201喷出高速射流，在负压室202a产生负压卷吸岩屑，井底岩屑与井底钻井液在负压室202a和喉管202b处被汇入高速射流，高速射流在旁通管202c内速度降下来后排入环空。

本发明的内排屑射流降压钻头的内部水利结构及流道相对简单，易于生产和加工，其中的抽屑结构基于抽砂泵的原理抽吸井底岩屑和流体，井底岩屑和流体从钻头内部返出，实现井底反循环，降低压持效应；其中的降压结构基于射流泵的原理，减小井底压差，实现欠平衡提高机械钻速。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。