[发明专利]一种串状水孔的钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体是涉及一种具有新型水力结构的钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具，钻头的水力结构是决定钻头钻进性能的重要因素。钻头破岩钻进时，钻井液(流体)从钻头内流道通过钻头水孔喷射到井底，从钻头水孔喷出的钻井液主要起清洗井底，携带并运移钻头破碎岩石所形成的岩屑，冷却并清洗切削齿，以及辅助破岩等作用。在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构的同时，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中使用的水孔大多为单个圆形孔，其直接清洗井底的能力，直接携岩运岩的能力，以及直接喷射冷却清洗切削齿的能力均较弱。其大部分区域的井底清洗，岩屑携带运移，切削齿的冷却都是利用圆形喷嘴喷射后的钻井液的漫流来完成的，漫流的水力能量远远小于直接喷射流体的水力能量，且喷射后所形成的漫流易形成涡流，涡流对钻头体和切削齿等会形成非常不利的影响，也不利于清洗和岩屑的及时快速运离。另外，现有钻头为了匹配钻头在井底破岩时的井底流场，其水孔多设置在钻头心部或设置在切削结构靠近心部的开始端附近，即所有水孔都尽量靠近钻头中心，以便于井底清洗和携岩时，形成从心部往外的钻井液(流体)漫流流场，但井底水力能量损失大，流场优化空间小，且只能集中在心部区域喷射。

近年，地热钻井发展迅速，地热钻井中常遇到高温井。很多地热井中地层温度已经达到150摄氏度或更高，钻头的工作温度甚至达到200摄氏度以上。常规圆形水孔的钻头，其水孔结构已不能满足高温井中钻头切削齿及时快速冷却、清洗的需要。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的不足之处，提出一种串状水孔的钻头，解决钻头在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种串状水孔的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，所述水孔至少有一个是串状水孔，所述串状水孔的出口由至少两个圆或椭圆串通形成，所述串状水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形。

本专利中，为了便于理解，参考图示，如图5所示d1为串状水孔的出口的宽度(因为宽度方向上形状不规则，该宽度指的是最大宽度)，d2为串状水孔的出口的长度(因为长度方向上形状不规则，该长度指的是最大长度)，如图6所示，串状水孔的进口51与钻头内流道12相连通，串状水孔的出口52与切削结构相对应；其中钻头的径向布齿覆盖区域的长度为L，串状水孔的扇形角覆盖区域长度为L1，钻头切削结构的径向外二分之一区域的长度为P，串状水孔的扇形角覆盖区域在该钻头切削结构的径向外二分之一区域的覆盖长度为P1。如图7所示，A-A是串状水孔的长度方向纵剖面，B-B是串状水孔的宽度方向纵剖面，C-C是串状水孔的横向剖面，即可知，水孔的宽度方向纵剖面与水孔的长度方向纵剖面、水孔的横向剖面相互垂直。

上述方案中，扇形或者类扇形(或者叫放射状)的内腔形状，以及串状(顾名思义，即为通常意义上的若干个圆或椭圆直接或间接连通成串，包括圆与圆相邻、椭圆与椭圆相邻，以及圆与椭圆相邻的方式)孔口的串状水孔能够更有效地利用其水力能量，并避免钻井液对切削结构、切削齿的冲蚀。

作为选择，所述串状水孔的出口的长度是宽度的1.5倍以上。

上述方案中，较大的水孔长宽比能很好地实现水孔喷射较大覆盖的范围；串状水孔上至少有两个圆或椭圆串通，较长的水孔长度便于圆(或椭圆)的设置，并能在水孔长度方向上根据钻头结构和钻头破岩工作的特性进行圆(或椭圆)的优化合理设计，在需要加强清洗、破岩任务量大、岩屑量大、岩屑易汇聚堆积、需加强冷却、以及需加强水力辅助破岩等区域，进行圆(或椭圆)的布置设计，以形成明显的多点喷射，有针对性地实现多点高速喷射；较大的水孔长宽比便于灵活设计水孔的喷射形状。因此，较大的水孔长宽比能有效利用水力能量，优化水力结构，提高钻头性能，并能实现钻头水力结构的个性化设计要求。

作为选择，所述切削结构为固定切削结构，所述串状水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致。