[实用新型]水力脉冲空化射流钻井装置及钻头

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种井下钻井的新装置，特别是一种水力脉冲空化射流钻井装置，以及一种可以配合该装置使用的钻头。

背景技术

钻采工艺技术面对的对象是井下系统(从井筒到地层)。这种对象的特点是井眼小，地层深，井下条件复杂，而且看不见，只有井下钻采工具才能最接近工作的对象。因此，要想用新的钻采工艺技术对井下系统进行精细作业，只有依靠井下钻采工具。发展先进的钻采工艺技术的需求，引发了新的井下钻采工具的产生，而新的钻采工艺技术的实施，也必须依靠性能优良、工作可靠的井下钻采工具，而且后者的创新又将反过来进一步促进钻采工艺技术的变革。

传统钻井方式在钻井过程中能量传输、转换、分配和利用一直存在着效率低等问题。虽然旋转冲击钻井、井下增压钻井均可以不同程度的提高机械钻速，但由于其寿命及稳定性差所以一直未能在现场大规模使用。脉冲射流辅助钻井技术在现场取得了一定的效果但因其寿命较短，因而也存在一定的局限性。脉冲射流辅助钻井技术主要是通过脉冲喷嘴的作用来产生脉冲效果，安装在钻头底部的胎体上。

单纯脉冲喷嘴寿命在现场使用具有一定的局限性，而且随着井深的增加，钻头水力能量降低，围压增大，空化能力相应减弱，射流冲击效果明显下降；井下液力推进器靠工具活塞产生钻压，水力脉冲效果不好；水力脉冲循环阀负压脉冲效果好，缺点是结构复杂，且钻井液中含有的固相颗粒易对调制器内部零件造成磨损。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种水力脉冲空化射流钻井装置，可将其安装在钻铤(或井下动力钻具)和钻头之间，也可以在钻头上安装自振空化喷嘴钻头，或者将水力脉冲空化射流装置短接和自振空化喷嘴钻头组合使用。目的都是使喷嘴出口产生强烈脉动涡环流，以波动压力的方式冲击井底，改善井底流场及井底岩石受力状况、减少“压持效应”、辅助破岩提高机械钻速，节约钻井成本。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种水力脉冲空化射流钻井装置，包括一柱形的本体，该本体的一端设有流体入口段，另一端设有流体出口段，所述流体入口段与流体出口段之间依次匹配设有使流体的流向产生偏离的导流部、使连续的流体产生脉冲的脉冲发生器以及使具有脉冲的流体产生谐振的自激振荡部；所述导流部的一端设有入口，另一端设有出口，该出口与入口采取偏心方式设置，且出口的面积小于入口的面积；所述脉冲发生器内枢设有利用流体的推力转动的叶轮，该叶轮的叶片与所述导流部的出口对正设置；所述自激振荡部内设有一贯穿的流体通道，该流体通道由多段截面积依次减小的流道构成，截面积最大的流道设置在自激振荡部与所述脉冲发生器对接的一端。

上述本体的流体入口段可为圆柱状或为外大内小的圆台状；所述本体的内侧下部有弹性挡圈槽便于固定自激振荡腔体，本体的上部与井下动力钻具或钻铤连接；所述导流部的入口的形状以及导流部的出口的形状为矩形或圆形；所述导流部与所述脉冲发生器结合的端面上还设有用于卡入脉冲发生器的入口，并使所述导流部的出口与所述叶轮对正的凸棱；所述自激振荡部内设置的多段流道的截面形状为圆形或多边形。

本实用新型还提供了一种自振空化喷嘴钻头，包括钻头，所述钻头内设置有两个贯穿的流体通道，该流体通道由多段截面积依次减小的流道构成，截面积最大的流道设置流体进口端；所述钻头的上端外部为配合连接于所述水力脉冲空化射流钻井装置的流体出口段内。

上述技术方案中，所述流体通道下端最细段向所述钻头中心倾斜，用以提高冲岩质量。

风琴管状谐振腔可形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，诱发空化的发生；旋转叶轮可对连续流体产生扰动，增强流体的不连续性，从而增强空化作用。

使上述脉冲谐振流动液体的压力产生波动，并使其产生反馈压力谐振，利用压力谐振产生流体声谐共振，提高具有流体声谐共振的脉冲谐振流动液体的流速，射入相对静止的液体中，产生空化现象。

本实用新型提出了一种水力脉冲空化射流钻井装置，安装在钻头与钻铤(或井下动力钻具)之间，使钻铤(或井下动力钻具)内钻井液的连续流动转变为脉冲流动并产生空化现象，经钻头喷嘴流至井底，从而改善井底流场及井底岩石的受力状况。一方面在钻头喷嘴出口形成脉冲射流，减少“压持效应”，提高携岩能力；另一方面由于水力脉冲装置产生压力脉动及钻头周围的环空内钻井液的惯性对钻头底部产生的抽汲作用，形成低压区，减少井底岩石的围压，其机理类似于欠平衡钻井，可以大幅提高钻井速度。同时水力脉冲方法得到的低压区仅局限在井底钻头附近，整个环空仍为超平衡压力，比欠平衡钻井方法能更好地保证井壁稳定性同时保证了井下安全。