一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108533183A(43)申请公布日2018.09.14(21)申请号201810654776.3(22)申请日2018.06.22(71)申请人西南石油大学地址610500四川省成都市新都区新都大道8号(72)发明人黄奎林杨迎新(51)Int.Cl.E21B10/61(2006.01)E21B10/46(2006.01)E21B7/18(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图5页(54)发明名称一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头(57)摘要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。CN108533183ACN108533183A权利要求书1/1页1.一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。2.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上设置有至少3个高压水孔，包括1个高压中心水孔。3.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴轮廓线为圆弧、抛物线。4.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上设置有至少3个凸起结构，且凸起结构均匀分布在喷嘴的圆周上。5.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：液压马达为叶片式液压马达，且液压泵为叶片式液压泵。6.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴的位于钻头径向半径的外1/3区域。7.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：喷嘴轴线与钻头轴线的夹角θ取值范围为：0≤θ≤90°，喷嘴偏移量S的取值范围为：-D/8≤S≤D/8,其中D为钻头的直径。8.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴通过滚珠实现轴向锁定。9.如权利要求4所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上凸起结构材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷。2CN108533183A说明书1/5页一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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。[0004]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、