一种用于复杂地层二元矢量喷嘴PDC钻头的制作方法

本发明涉及pdc钻头结构的技术领域，特别是一种用于复杂地层二元矢量喷嘴pdc钻头。

背景技术：

pdc钻头及金刚石钻头在石油及地质钻井中应用越来越广泛，在软地层或硬地层中能取得好的使用效果和良好的经济效益，受到石油界和地质界的广泛重视。常规pdc钻头和金刚石钻头的设计以平衡设计为原则，以深锥和双锥等冠部形状作为被动防斜技术，应用到设计之中，起到一定的定心作用和稳斜作用。目前，pdc钻头主要由钻头体（胎体）、pdc切削齿、出水孔、保径材料和连接体等组成，依靠pdc切削齿切削地层以实现钻进，所述出水孔是钻头内腔与外部的水力通道，出水孔主要作用是清洗井底，将碎屑带离井底，防止钻头泥包，减少重复切削，提高破岩效率，另外在一定钻井参数下还有水力破岩作用。工作时，高速转动的钻头体带动pdc切削齿高速转动，pdc切削齿切削软地层或硬地层。

然而，当pdc钻头在钻进软地层时，pdc切削齿上容易形成切削物的堆积，即粘稠物包裹住pdc切削齿，导致pdc切削齿不能顺利钻进软地层，从而降低了钻井的效率。当pdc钻头在钻进硬地层时，坚固的岩石被钻碎后，产生大量的颗粒状碎屑，虽然碎屑不会包裹住pdc切削齿，但是碎屑大量沉积于井底，造成流体难以将碎屑从井道排出，且排屑效率慢，进一步的降低了破岩效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、提高破岩效率、制造成本低的用于复杂地层二元矢量喷嘴pdc钻头。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于复杂地层二元矢量喷嘴pdc钻头，它包括钻头体，所述钻头体内开设有流体腔体，钻头体的底部设置有冠部，所述冠部的底表面上且沿钻头体的圆周方向固设有多个主刀翼，主刀翼上且沿其长度方向固设有多个pdc切削齿，所述冠部的底表面上开设有一圈出水口和一圈出水孔，出水口位于出水孔外侧，每个出水口处均设置有二元矢量喷嘴，二元矢量喷嘴包括电机、机架a、机架b、喷管、电缆以及固设于出水口底部的管接头a，机架a和机架b均焊接于冠部的底表面上且位于出水口的两侧，喷管位于机架a和机架b之间，喷管两侧的外壁上均焊接有转轴，两个转轴分别旋转安装于机架a和机架b上，电机设置于机架a上且电机的输出轴与转轴经联轴器连接，喷管顶部连接有管接头b，管接头b与管接头a之间连接有软管，所述电缆的一端贯穿流体腔体、出水口、管接头a、软管、管接头b且与电机的输入端口连接，电缆的另一端与地面plc控制器的输出端口连接。

所述主刀翼均匀分布于冠部上。

所述出水孔的出水方向与pdc切削齿的切削方向相反。

所述机架a上固设有平台。

所述电机固定安装于平台上。

本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、提高破岩效率、制造成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中省略电机后的仰视图；

图3为图1的a-a剖视图；

图4为钻进软地层时喷管的状态图；

图5为钻进硬地层时喷管的状态图；

图中，1-钻头体，2-流体腔体，3-冠部，4-主刀翼，5-pdc切削齿，6-出水口，7-出水孔，8-二元矢量喷嘴，9-电机，10-机架a，11-机架b，12-喷管，13-管接头a，14-转轴，15-管接头b，16-软管，17-平台，18-电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1~3所示，一种用于复杂地层二元矢量喷嘴pdc钻头，它包括钻头体1，所述钻头体1内开设有流体腔体2，钻头体1的底部设置有冠部3，所述冠部3的底表面上且沿钻头体1的圆周方向固设有多个主刀翼4，本实施例中，所述主刀翼4均匀分布于冠部3上，主刀翼4上且沿其长度方向固设有多个pdc切削齿5，所述冠部3的底表面上开设有一圈出水口6和一圈出水孔7，出水口6位于出水孔7外侧，每个出水口6处均设置有二元矢量喷嘴8。

所述二元矢量喷嘴8包括电机9、机架a10、机架b11、喷管12、电缆18以及固设于出水口6底部的管接头a13，机架a10和机架b11均焊接于冠部3的底表面上且位于出水口6的两侧，喷管12位于机架a10和机架b11之间，喷管12两侧的外壁上均焊接有转轴14，两个转轴14分别旋转安装于机架a10和机架b11上，电机9设置于机架a10上且电机9的输出轴与转轴14经联轴器连接，喷管12顶部连接有管接头b15，管接头b15与管接头a13之间连接有软管16，所述电缆18的一端贯穿流体腔体2、出水口6、管接头a13、软管16、管接头b15且与电机9的输入端口连接，电缆18的另一端与地面plc控制器的输出端口连接。

所述出水孔7的出水方向与pdc切削齿5的切削方向相反，当向流体腔体2中通入高压流体后，高压流体从出水孔7中喷射出，形成了转矩，即射出的流体给予了pdc钻头一定的推动力，从而提高了pdc钻头的钻速，进一步的提高了破岩效率。所述机架a10上固设有平台17，所述电机9固定安装于平台17上。

本发明的工作过程如下：

工作前，将钻头体1上端部的锥形螺纹头与钻杆的内螺纹连接，以安装整个pdc钻头；工作时，下放钻杆并使其高速转动，钻杆带动pdc钻头高速转动，pdc钻头吃入地层中，在钻进过程中，工人在地面上操作高压泵，通过高压泵向流体腔体2中泵入高压流体，部分高压流体依次经出水口6、管接头a13、软管16、管接头b15、最后从喷管12中射出。

如图4所示，当pdc钻头在钻进软地层时，pdc切削齿5上包裹有粘稠物，此时plc控制器向电缆18中通入电流，电机9带动转轴14绕着摆动，进一步的带动喷管12转动一定角度，在喷管12转动过程中，从喷管12喷射出的高压流体扫过pdc切削齿5，以将包裹在pdc切削齿5上的粘稠物冲刷掉，从而确保了pdc钻头的正常工作，提高了破岩的效率。

如图5所示，当pdc钻头在钻进硬地层时，破碎后的碎屑大量堆积于井底，此时经plc控制器向电缆18中通入电流，当喷管12转动到垂直于井底时立即停止通电流，从喷管12喷射出的高压流体直接冲洗井底的碎屑，使得钻井碎屑很快被清洗掉，并且碎屑沿着井道排出，加快了碎屑的排出，从而有效避免了碎屑大量沉积于井底，提高了破岩效率。

此外，无论是在硬地层钻进还是在软地层钻进中，另一部分高压流体还从出水孔7中喷射出，由于出水孔7的出水方向与pdc切削齿5的切削方向相反，形成了转矩，即射出的流体给予了pdc钻头一定的推动力，从而提高了pdc钻头的钻速，进一步的提高了破岩效率。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种用于复杂地层二元矢量喷嘴PDC钻头，它包括钻头体（1），钻头体（1）内开设有流体腔体（2），钻头体（1）的底部设置有冠部（3），所述冠部（3）的底表面上且沿钻头体（1）的圆周方向固设有多个主刀翼（4），主刀翼（4）上且沿其长度方向固设有多个PDC切削齿（5），所述冠部（3）的底表面上开设有一圈出水口（6）和一圈出水孔（7），出水口（6）位于出水孔（7）外侧，每个出水口（6）处均设置有二元矢量喷嘴（8）。本发明的有益效果是：结构紧凑、提高破岩效率、制造成本低。

技术研发人员：刘清友;毛良杰
受保护的技术使用者：西南石油大学;西华大学
技术研发日：2018.09.26
技术公布日：2019.01.18