一种具有开放式水孔的钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有开放式水孔的钻头，属于钻井技术领域，包括钻头本体、切削结构、切削齿、排屑槽、内流道和水孔，切削结构布置在钻头本体上，切削齿设置在切削结构上，内流道设置在钻头本体内，排屑槽设置在切削结构之间，水孔设置在内流道与排屑槽之间并连通内流道与排屑槽，水孔仅有一个，整体呈口大底小形状，且水孔底部开口直接与内流道顶部开口贯通，水孔底部开口面积与内流道顶部开口面积一致或大小基本相当。本实用新型专利技术为了解决钻头在快速钻井和高温钻井过程中因钻头水力结构不合理而降低钻头使用寿命和钻进性能的问题，特提供一种具有开放式水孔的钻头。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于钻井

技术介绍
钻头是钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的主要工具，钻头的水力结构是决定钻进性能的重要因素。钻头破岩钻进时，钻井液从钻头的内流道通过钻头水孔喷射到井底，起到清洗井底、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的作用。在现代快速钻井技术中，钻头不仅要具有优良的破岩结构，还要具有良好的水力性能。常规钻头中使用的水孔大多为小的圆形孔，且均多个设置，利用圆形喷嘴喷射出的钻井液所形成的漫流来完成井底携岩和切削齿冷却工作。由于漫流的水力能量远远小于直接喷射流体的水力能量，圆形喷嘴喷射出的钻井液对钻头的清洗和冷却能力较弱。此外，常规钻头的多个喷嘴产生的多股射流会相互干扰，向井底冲刺的液流又与井底上返的液流相互干扰，造成井底流场紊乱，极易形成涡旋，导致岩屑的聚集和堆积，岩屑难以顺利上返，不利于钻头体和切削齿的清洗和冷却，严重时甚至会出现钻头泥包，烧钻等现象，给钻井带来了巨大的危害。近年来，地热钻井发展迅速，很多地热井中地层温度已经达到150℃或者更高，钻头的工作温度甚至达到200℃以上。常规多个设置的圆形水孔的钻头，其水孔结构已不能满足高温钻井中钻头及切削齿快速清洗和冷却的需要，一旦钻头和切削齿的温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。
技术实现思路
本技术的目的在于：为了解决钻头在快速钻井和高温钻井过程中因钻头水力结构不合理而降低钻头使用寿命和钻进性能的问题，特提供一种具有开放式水孔的钻头。本技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有开放式水孔的钻头，包括钻头本体、切削结构、切削齿、排屑槽、内流道和水孔，切削结构布置在钻头本体上，切削齿设置在切削结构上，内流道设置在钻头本体内，排屑槽设置在切削结构之间，水孔设置在内流道与排屑槽之间并连通内流道与排屑槽，水孔仅有一个，整体呈口大底小形状，且水孔底部开口直接与内流道顶部开口贯通，水孔底部开口面积与内流道顶部开口面积一致或大小基本相当。在本技术中，将本技术的水孔称之为“开放式水孔”。作为优选，水孔与内流道同轴连通。本技术所述“大小基本相当”做普遍的一般理解即可，是为了避免对前述“一致”做数值上的绝对等同理解而进行的补充说明，无需特别约定，一般而言，需要水孔底部开口面积为内流道顶部开口面积的90％以上。作为选择，切削结构为固定切削结构。作为选择，固定切削结构在钻头本体中心悬空成梁，水孔设置于悬空梁下方。作为选择，水孔为口大底小的柱体，其横断面轮廓呈星形(该星形具有中心孔以及支臂，各支臂以中心孔中心对称或不对称均可)。该方案中，水孔具有类扇形柱体(或者叫发散状柱体)的内腔形状，以及开放式水孔的出口水槽(对于星形结构，其支臂即形成出口水槽)的结构能够充分利用钻井液射流的水力能量，并能避免钻井液对切削结构和切削齿的冲蚀。星形状出口的开放式水孔，其出口过流面积比常规圆形水孔大，可直接利用射流的水力能量冲洗井底。作为选择，水孔的出口水槽数目与切削结构个数相同。该方案中，每一个切削结构对应一个开放式水孔的出口水槽，更有利于各切削结构上切削齿的清洗和冷却。作为选择，切削结构为固定切削结构，水孔的出口水槽沿排屑槽延伸，且延伸方向与固定切削结构上的切削齿排布方向的走向一致。该方案中，所述开放式水孔的出口水槽的延伸方向顺着钻头切削结构上的切削齿排布方向，能够提高钻头岩屑运移效率和自洁能力，将水力能量直接用于切削齿的清洗、冷却和岩屑运移。作为选择，切削结构为固定切削结构，水孔的出口水槽中心面与对应的固定切削结构布齿面的距离为对应排屑槽在保径圆周上的距离的0.5倍以下。该方案中，根据相邻固定切削结构之间的距离，在一定比例范围内来调整开放式水孔的出口水槽中心面与对应固定切削结构布齿面的距离，能够更合理地设置出口水槽的位置，合理利用排屑槽的空间，有利于切削齿和固定切削结构的冷却和清洗，并避免切削齿因流速过大造成冲蚀。作为选择，水孔的出口水槽宽度是对应排屑槽在保径圆周上的距离的0.4倍以下。本方案中，对开放式水孔的出口水槽宽度的调节便是对出口过流面积的调整，一般而言，过流面积越小，液体流过得流速就越高，但对于开放式水孔的出口水槽宽度而言，出口水槽宽度过大或过小都不利于切削齿的冷却和清洗效果。作为选择，水孔的出口水槽延伸方向的纵剖面的扇形边与钻头轴线夹角为20°～80°之间。作为选择，水孔的出口水槽延伸方向的纵剖面的扇形边与钻头轴线所形成的扇形角覆盖区域达到对应切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上。上述方案中，对所述具有开放式水孔的钻头进行喷射清洗和冷却时，由于钻头本体尺寸空间有限，钻井液必须以一定的角度和方向进行喷射才能保证清洗范围并使清洗效果和冷却效果达到最佳。而使喷射角度控制在20°～80°之间就可以满足钻头各种喷射角度和喷射区域范围的要求。开放式水孔的出口水槽延伸方向的纵剖面的扇形边与钻头轴线所形成的扇形角覆盖区域达到对应切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上，且都能进行直接喷射，满足了钻头清洗与冷却的需求范围。前述本技术主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本技术可采用并要求保护的方案；且本技术，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。本技术的有益效果：开放式水孔直接喷射的射流范围可以达到井底区域的60％以上，射流直接清洗钻头并携带井底岩屑，减少了水力能量的损失以及射流干扰和井底漫流的区域，从而减少或避免形成涡旋及因涡旋产生的危害，同时还能提高钻头的水力利用率，增强了钻头和切削齿与钻井液的换热效果，提高钻头的清洗、携岩和冷却能力，减小了钻头的磨损，提高钻头的钻进性能和使用寿命。本技术的开放式水孔打破了小水孔的局限，增加了钻头水孔及水力结构设计的灵活性，简化了钻头水孔设计的繁琐，提高了钻头的设计效率。本技术能够根据钻头结构、针对不同地层、不同钻井条件完成钻头水力结构的个性化设计，满足钻头的流量、流速分配，提高钻头与地层的水力匹配性。开放式水孔所覆盖的全部区域都能进行直接喷射，拓宽水孔直接喷射清洗和冷却范围的同时，可通过改变开放式水孔的出口水槽形状，在钻头刀翼鼻尖部、布齿密度高的区域、破岩工作量大的区域等需要较强直接喷射的区域进行加强喷射，实现清洗、携岩和冷却的优化。附图说明图1为本技术实施例的具有开放式水孔的钻头的结构示意图；图2为图1钻头的俯视图；图3为本技术实施例的开放式水孔出口示意图；图4为本技术实施例的开放式水孔径向覆盖区域示意图；图5为本技术实施例的开放式水孔与内流道示意图；图6为图1剖面A—A钻头的仰视图；附图中标记相应零部件名称：1-钻头本体、2-切削结构、3-排屑槽、4-切削齿、5-水孔、9-水孔的出口水槽中心面、10-切削结构布齿面、11-内流道、12-排屑槽在保径圆周上的距离、15-水孔的出口水槽。具体实施方式下列非限制性实施例用于说明本技术。参考图1至6所示，一种具有开放式水孔的钻头，包括钻头本体1、切削结构2、切削齿4、排屑槽3、内流道11和水孔5，切削结构2布置在钻头本体1上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有开放式水孔的钻头，包括钻头本体、切削结构、切削齿、排屑槽、内流道和水孔，切削结构布置在钻头本体上，切削齿设置在切削结构上，内流道设置在钻头本体内，排屑槽设置在切削结构之间，水孔设置在内流道与排屑槽之间并连通内流道与排屑槽，其特征在于：水孔仅有一个，整体呈口大底小形状，且水孔底部开口直接与内流道顶部开口贯通，水孔底部开口面积与内流道顶部开口面积一致或大小基本相当。

【技术特征摘要】
1.一种具有开放式水孔的钻头，包括钻头本体、切削结构、切削齿、排屑槽、内流道和水孔，切削结构布置在钻头本体上，切削齿设置在切削结构上，内流道设置在钻头本体内，排屑槽设置在切削结构之间，水孔设置在内流道与排屑槽之间并连通内流道与排屑槽，其特征在于：水孔仅有一个，整体呈口大底小形状，且水孔底部开口直接与内流道顶部开口贯通，水孔底部开口面积与内流道顶部开口面积一致或大小基本相当。2.如权利要求1所述的具有开放式水孔的钻头，其特征在于：切削结构为固定切削结构。3.如权利要求2所述的具有开放式水孔的钻头，其特征在于：固定切削结构在钻头本体中心处悬空成梁，水孔设置于悬空梁下方。4.如权利要求1所述的具有开放式水孔的钻头，其特征在于：水孔为口大底小的柱体，其横断面轮廓呈星形。5.如权利要求1所述的具有开放式水孔的钻头，其特征在于：水孔的出口水槽数目与切削结构个数相同。...

【专利技术属性】
技术研发人员：况雨春，王芳，尹永清，王勤，秦超，
申请(专利权)人：西南石油大学，奥瑞拓能源科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51