[发明专利]一种自吸式粒子冲击钻头

说明书

本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种自吸式粒子冲击钻头，钻头胎体的前端设有圆周均布的刀翼，其后端设有钻头接头、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴、混合腔和加速腔，加速腔前端设有中心喷嘴，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴位于冠顶鼻部和刀翼之间，吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔。吸入‑混合‑加速三段式结构使得钻头在有限的空间内充分提高环空岩屑与钻井液的混合度，使射流达到有效射流速度，从而大幅提高粒子冲击钻头的破岩效率。中心喷嘴与鼻部喷嘴的布设使得钻头能够充分发挥粒子射流的冲击效果，有效释放钻头中心和冠顶鼻部处的原岩应力，从而避免或减小了钻头中心和冠顶鼻部处的应力集中导致的磨损和损坏。

技术领域

本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种自吸式粒子冲击钻头。

背景技术

粒子冲击钻井技术是近年来兴起的一项新型高效钻井技术，区别于传统的钻头与高压水射流钻井，粒子冲击钻井通过地面泵送高速坚硬球形粒子，形成以冲击破碎为主、高速水力破岩和钻头机械破岩为辅的钻井破岩方法。这种技术的优点在于，较高的粒子冲击速度能够形成瞬时冲击接触应力，从而有效提高坚硬地层、强研磨性地层的破岩效率。但这种技术存在地面粒子循环设备造价高昂，粒子对管柱的冲蚀严重，粒子回收率低等问题。

通过井下近钻头工具吸收环空岩屑颗粒，从而实现粒子冲击破岩已成为一种新的选择，但这种方法仍存在许多弊端。首先工具的尺寸通常较小，吸入的岩屑难以加速到有效的冲击速度，破岩效果不佳；其次吸入的岩屑流体流速较低，难以与工具中心的高速钻井液充分混合，导致粒子附壁在钻具内壁面上，各喷嘴分配的含粒子射流不均匀；三是目前的粒子冲击工具通常配合常规钻头使用，形成的含粒子射流不能有效的释放井底原岩应力，导致提速效果不明显。

发明内容

为了解决现有粒子冲击工具的粒子速度低、与钻井液混合不充分、工具与钻头不适配的问题，本发明提供一种自吸式粒子冲击钻头，以提高井下自吸式粒子冲击钻井的破岩效率。

本发明采用的技术方案为：一种自吸式粒子冲击钻头，所述自吸式粒子冲击钻头的钻头胎体的前端设有圆周均布的刀翼，其后端设有钻头接头、钻头胎体内从后至前依次设有吸入喷嘴、混合腔和加速腔，加速腔前端设有中心喷嘴，中心喷嘴的前端为喇叭形扩孔，鼻部喷嘴位于冠顶鼻部和刀翼之间，所述吸入喷嘴出口处的胎体上开有吸入孔。

进一步地，所述混合腔的中间段的内壁设有坡道。

进一步地，所述刀翼的冠面由冠顶鼻部和保径段组成，钻头中心无刀翼，刀翼上布设有PDC切削齿，用于切削破碎岩石。

进一步的，所述自吸式粒子冲击钻头的胚胎内部为吸入-混合-加速三段式结构。

进一步地，所述钻头胎体整体为桶状结构，胎体的前腔为喇叭形扩口，内部含有中心喷嘴，其前端布设有刀翼，刀翼间布设有鼻部喷嘴，钻头胎体的前部和刀翼后方布设有用于吸收环空岩屑的吸入孔。

进一步地，所述吸入喷嘴布设在钻头内部的后端，喷嘴出口处布设有用于联通钻头外部的环空吸入孔，钻头胎体外壁的吸入口位于刀翼的后方。

进一步地，所述混合腔为一段具有三段坡道的混合管，三段坡道从前至后内径逐渐增大，每段坡道的下部坡度大于上部坡度，上部坡度较缓；其作用为利用开尔文-亥姆赫兹原理，使得吸入喷嘴产生的中心高速钻井液射流与吸入口吸入的低速含岩屑流体发生卷吸作用，从而提高粒子混合程度。中心高速射流的射流边缘首先撞击第一段坡道，在坡道作用下产生涡旋，从而与低速含岩屑流体发生卷吸，形成混合，并产生射流发散；发散的射流进一步与第二、三段流道发生碰撞和卷吸，从而大幅提高岩屑粒子与钻井液的混合程度。