[实用新型]一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头

说明书

一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者固定喷嘴，其特征在于：在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，且喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，在钻头体内设置有液压马达与液压泵，这样使水力射流具有更高的瞬时冲击力，同时水力射流的区域随时变化，水力破岩范围拓宽，钻头通过射流剪切拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合破岩，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头水力能量的利用率，从而提升钻头的综合性能。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种刀翼上设置被动旋转喷嘴的PDC钻头。

背景技术

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

在油气钻井工程中，地层的地质条件往往很复杂，深部地层的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力以及高密度钻井液条件下，不仅密度和硬度增加，而且从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或塑性岩石转化，可钻性很差，加之深部井段的水力能量严重不足，不能有效发挥水力辅助破岩作用，钻进的速度相当低。钻头上的固定喷嘴作用仅仅是冷却PDC齿和携带岩屑离开井底，对井底岩石的辅助破岩能力有限。钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致PDC钻头的异常失效，或使钻头在特殊钻井工艺条件下的钻进效果变差，仅靠机械式破岩很难满足现在钻井需求。

冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶（鼻部）、外锥、肩部和保径五部分。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。值得说明一点是钻头刀翼本体轮廓线与刀翼切削轮廓线就不应该包含钻头保径部分，这是由刀翼切削轮廓线与本体轮廓线定义中得到的，钻头中主切削齿一般是指具有纵向切削能力的切削元件，而保径部分的保径齿是不具备纵向切削能力，所以主切削是不包含保径齿的，这样刀翼的切削轮廓线与本体轮廓线就应该从钻头中心开始，在规径齿结束。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。