[发明专利]多向耦合脉冲振荡的PDC钻头

说明书

本发明公开了一种多向耦合脉冲振荡的PDC钻头，由钻头接头、耦合脉冲短节、钻头体、流体入射口、右反馈流道、右射流流道、右分流劈、右流体出口、销钉、左反馈流道、左射流流道、左分流劈、左流体出口组成。本发明的多向耦合脉冲振荡的PDC钻头工作时，钻井液从钻头接头流入后，经过耦合脉冲短节，从钻头水眼流出，钻井液流过耦合脉冲短节时，耦合脉冲短节将产生轴向脉冲压力波动，形成轴向振动，而耦合脉冲短节圆周上均匀分布有四组流道，通过叠加原理，可以将单组流道产生的轴向振动耦合在一起，作用在钻头上，辅助钻头破岩。本发明的多向耦合脉冲振荡的PDC钻头通过钻井液作用形成轴向脉冲振动，可以提高钻头破岩效率，降低钻井成本。

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气勘探开发的多向耦合脉冲振荡的PDC钻头，尤其是适用于深井、超深井等复杂工况井。

背景技术

随着石油天然气资源的不断开采，钻井过程中所面临的问题也越来越多，在钻井过程中，地层硬度和钻井难度随着井深的增加是呈指数形式增加的，提高硬地层钻速是被世界所公认的难题之一。在深井钻井过程中，由于井深逐渐增加，钻头在井底破岩钻进时，产生的岩屑无法及时排除，降低钻井效率，甚至出现钻头泥包、烧钻等现象，给钻井工程带来不利影响。并且随着井深的增加，底层环境更加复杂，钻头所处的工况恶劣，导致钻井进尺增加缓慢。导致准头在深井地层钻进时，普遍存在机械钻速慢，钻井成本高的问题，而提高钻井速度的关键技术手段在于如何提高钻头的破岩效率。

结合现场生产实际情况，当钻具组合中加入提速工具，为钻头提供额外的冲击载荷，可以辅助钻头破岩，有利于提高钻头的破岩效率，提高钻进速度。国内外各大研究机构研制了各种各样的轴向振动冲击钻井工具，为钻头提供轴向冲击，从而提高中深井、硬地层钻井速度、坚硬打滑地层的钻井效率。而目前钻井工程中常使用的钻头中，钻头自身不能产生轴向振动，为了改善钻头和岩石的受力情况，进行具备轴向振动功能的钻头结构设计，成为优化钻头结构设计的研究方向。

发明内容

为了探索解决背景技术中所述的为钻头提供额外的冲击载荷，改善钻头和岩石的受力情况，辅助钻头破岩，本发明提供了一种多向耦合脉冲振荡的PDC钻头。本发明的多向耦合脉冲振荡的PDC钻头工作时，钻井液从钻头接头流入后，经过耦合脉冲短节，从钻头水眼流出，钻井液流过耦合脉冲短节时，分别进入周向方向的四组流道，从每组流道的流体入射口流入，形成高速轴向流，经过射流流道后从流体出口流出，在此过程中，耦合脉冲短节将产生轴向脉冲压力波动，形成轴向振动，而耦合脉冲短节圆周上均匀分布有四组流道，通过叠加原理，可以将单组流道产生的轴向振动耦合在一起，作用在钻头上，辅助钻头破岩。

本发明的技术方案是：多向耦合脉冲振荡的PDC钻头主要由钻头接头、耦合脉冲短节、钻头体、流体入射口、右反馈流道、右射流流道、右分流劈、右流体出口、销钉、左反馈流道、左射流流道、左分流劈、左流体出口组成；所述的耦合脉冲短节和销钉位于钻头体内部，首先将销钉安装到钻头体内圆周上，再将耦合脉冲短节安装到钻头体内，通过销钉对耦合脉冲短节进行定位，防止耦合脉冲短节在钻头体内产生相对转动，然后通过钻头接头对耦合脉冲短节进行轴向锁紧；所述的流体入射口、右反馈流道、右射流流道、右分流劈、右流体出口、左反馈流道、左射流流道、左分流劈、左流体出口位于耦合脉冲短节圆周上，构成钻井液流经耦合脉冲短节的循环流道。

所述的钻头接头与钻头体通过螺纹连接在一起，完成螺纹配合后，通过焊接方式，将钻头接头与钻头体完全固连在一起，并对钻头接头与钻头体外圆周上的焊缝进行打磨抛光，保证焊缝位置的表面粗糙度。

所述的循环流道一共有4组，呈90°分布在耦合脉冲短节圆周上，当钻井液从钻头接头进入钻头内部后，首先通过流体入射口进入循环流道，然后流过右射流流道与左射流流道，在右分流劈与左分流劈的作用下，部分钻井液将进入右反馈流道与左反馈流道，其余钻井液将经过右流体出口与左流体出口流出，进入右反馈流道与左反馈流道的钻井液沿着流道循环将重新进入右射流流道与左射流流道。

所述的销钉数量为4个，呈90°安装在钻头体前端内圆周的对应位置。