排屑槽可变式射流钻头

摘要

本发明公开了一种排屑槽可变式射流钻头，其涉及油气井钻井领域，其包括：沿轴线延伸的本体，本体具有流道，本体具有切削机构，切削机构用于对岩石进行切削，本体的下端处具有与流道相连通的第一射流喷嘴，第一射流喷嘴用于对井底进行射流并冲洗切削机构产生的岩屑颗粒；本体的侧壁上具有沿轴线方向延伸的排屑槽，本体的排屑槽的侧壁上开设有容置密封板的凹槽，本体内沿径向方向具有连通流道与凹槽的第一通道，第一通道中设置有与密封板相传动的伸缩机构，伸缩机构在流道的液压的作用下能够驱动密封板在径向方向上进行移动，以使排屑槽具有阻断和通畅两种状态。本申请能够根据钻头的工作状态对排屑槽的状态进行改变，以提高射流钻头的使用效果。

权利要求

1.一种排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述排屑槽可变式射流钻头包括：

沿轴线延伸的本体，所述本体沿轴线方向具有流道，所述本体的下端具有切削机构，所述切削机构用于对岩石进行切削，所述本体的下端处具有与所述流道相连通的第一射流喷嘴，所述第一射流喷嘴用于对井底进行射流并冲洗所述切削机构产生的岩屑颗粒；所述本体的侧壁上具有多条沿所述轴线方向延伸的排屑槽，所述本体的排屑槽的侧壁上开设有容置密封板的凹槽，所述本体内沿径向方向具有连通所述流道与所述凹槽的第一通道，所述第一通道中设置有与所述密封板相传动的伸缩机构，所述伸缩机构在流道的液压的作用下能够驱动所述密封板在径向方向上进行移动，以使所述排屑槽具有阻断和通畅两种状态。

2.根据权利要求1所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述第一通道中形成有活塞腔，所述伸缩机构设置在所述活塞腔中，所述伸缩机构包括活塞杆、活塞和弹簧，所述活塞杆沿径向方向设置，所述活塞杆的一端连接所述密封板，所述活塞杆的另一端连接所述活塞，所述活塞远离所述活塞杆的一端与所述活塞腔远离所述活塞杆的一端之间设置有所述弹簧，所述弹簧为拉伸弹簧。

3.根据权利要求1所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述第一通道中形成有活塞腔，所述伸缩机构设置在所述活塞腔中，所述伸缩机构包括活塞杆、活塞和弹簧，所述活塞杆沿径向方向设置，所述活塞杆的一端连接所述密封板，所述活塞杆的另一端连接所述活塞，所述活塞靠近所述活塞杆的一端与所述活塞腔靠近所述活塞杆的一端之间设置有所述弹簧，所述弹簧为压缩弹簧。

4.根据权利要求1所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述排屑槽为多个，所述排屑槽绕所述轴线呈圆周分布；所述密封板、所述第一通道和所述伸缩机构的数量与所述排屑槽相对应，所述密封板、所述第一通道和所述伸缩机构分别绕所述轴线呈圆周分布。

5.根据权利要求1所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述第一射流喷嘴与所述流道之间具有分流空腔，多个所述第一射流喷嘴与所述分流空腔相连接。

6.根据权利要求5所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述本体内开设有用于岩屑吸入的第二通道以及第三通道，所述第三通道的一端连接所述分流空腔，所述第三通道与所述第二通道相交，所述第三通道与所述第二通道相交点至所述分流空腔之间设置有第二射流喷嘴。

7.根据权利要求6所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述第二射流喷嘴能产生一负压区，所述第二通道的一端连接在所述负压区处，所述第二通道的另一端连通钻头下端处。

8.根据权利要求6所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述第三通道中包括依次相连接的混合加速段、粉碎段和扩散出口，所述混合加速段与所述粉碎段之间具有预设夹角。

9.根据权利要求8所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述扩散出口呈喇叭状，所述预设夹角在100°到170°之间。

10.根据权利要求8所述的排屑槽可变式射流钻头，其特征在于，所述扩散出口位于所述本体的侧面，所述扩散出口朝向钻头的尾部方向。

说明书

排屑槽可变式射流钻头

技术领域

[0001] 本发明涉及油气井钻井领域，特别涉及一种排屑槽可变式射流钻头。

背景技术

[0002] 随着非常规油气资源开发的不断深入，以水平井为基础的相关复杂结构井的比例逐年上升。水平井在钻井的过程中存在携岩困难、不易加钻压的问题，同时大颗粒岩屑由于重力作用容易在水平井段形成岩屑床，如此有可能造成憋泵、卡钻等一系列复杂的井下事故。

[0003] 以上问题不仅制约着机械钻速和钻井效率的提高，还影响着钻井的安全。为了消除水平井岩屑床的问题以及提高水平井的钻速，在实际应用中通常采用增加钻井液返速、改善钻井液性能、短程起下钻、划眼等方法。上述方法虽然具有一定的效果，但都对钻井设备、地层条件、钻井成本等具有相应的要求，因此具有一定的局限性。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种排屑槽可变式射流钻头，其能够根据钻头的工作状态对排屑槽的状态进行改变，以提高射流钻头的使用效果。

[0005] 本发明实施例的具体技术方案是：

[0006] 一种排屑槽可变式射流钻头，所述排屑槽可变式射流钻头包括：

[0007] 沿轴线延伸的本体，所述本体沿轴线方向具有流道，所述本体的下端具有切削机构，所述切削机构用于对岩石进行切削，所述本体的下端处具有与所述流道相连通的第一射流喷嘴，所述第一射流喷嘴用于对井底进行射流并冲洗所述切削机构产生的岩屑颗粒；所述本体的侧壁上具有多条沿所述轴线方向延伸的排屑槽，所述本体的排屑槽的侧壁上开设有容置密封板的凹槽，所述本体内沿径向方向具有连通所述流道与所述凹槽的第一通道，所述第一通道中设置有与所述密封板相传动的伸缩机构，所述伸缩机构在流道的液压的作用下能够驱动所述密封板在径向方向上进行移动，以使所述排屑槽具有阻断和通畅两种状态。

[0008] 在一种优选的实施方式中，所述第一通道中形成有活塞腔，所述伸缩机构设置在所述活塞腔中，所述伸缩机构包括活塞杆、活塞和弹簧，所述活塞杆沿径向方向设置，所述活塞杆的一端连接所述密封板，所述活塞杆的另一端连接所述活塞，所述活塞远离所述活塞杆的一端与所述活塞腔远离所述活塞杆的一端之间设置有所述弹簧，所述弹簧为拉伸弹簧。

[0009] 在一种优选的实施方式中，所述第一通道中形成有活塞腔，所述伸缩机构设置在所述活塞腔中，所述伸缩机构包括活塞杆、活塞和弹簧，所述活塞杆沿径向方向设置，所述活塞杆的一端连接所述密封板，所述活塞杆的另一端连接所述活塞，所述活塞靠近所述活塞杆的一端与所述活塞腔靠近所述活塞杆的一端之间设置有所述弹簧，所述弹簧为压缩弹簧。

[0010] 在一种优选的实施方式中，所述排屑槽为多个，所述排屑槽绕所述轴线呈圆周分布；所述密封板、所述第一通道和所述伸缩机构的数量与所述排屑槽相对应，所述密封板、所述第一通道和所述伸缩机构绕所述轴线呈圆周分布。

[0011] 在一种优选的实施方式中，所述第一射流喷嘴与所述流道之间具有分流空腔，多个所述第一射流喷嘴与分流空腔相连接。

[0012] 在一种优选的实施方式中，所述本体内开设有用于岩屑吸入的第二通道以及第三通道，所述第三通道的一端连接所述分流空腔，所述第三通道与所述第二通道相交，所述第三通道与所述第二通道相交点至所述分流空腔之间设置有第二射流喷嘴。

[0013] 在一种优选的实施方式中，所述第二射流喷嘴能产生一负压区，所述第二通道的一端连接在所述负压区处，所述第二通道的另一端连通钻头下端处。

[0014] 在一种优选的实施方式中，所述第三通道中包括依次相连接的混合加速段、粉碎段和扩散出口，所述混合加速段与所述粉碎段之间具有预设夹角。

[0015] 在一种优选的实施方式中，所述扩散出口呈喇叭状，所述预设夹角在100°到170°之间。

[0016] 在一种优选的实施方式中，所述扩散出口位于所述本体的侧面，所述扩散出口朝向钻头的尾部方向。

[0017] 本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

[0018] 本申请中的排屑槽可变式射流钻头在处于工作状态时，即钻头在切削破碎岩石时，钻井液通过本体中的流道从而向第一射流喷嘴输送，第一射流喷嘴对井底进行射流，从而冲洗并携带走岩屑颗粒，如此有助于本体切削机构的切削破碎效果。在钻井液通过流道时，钻井液通过第一通道对伸缩机构进行施压，进而使得伸缩机构在流道的液压的作用下驱动所述密封板在径向方向上向外移动，从而使得密封板对本体侧壁上的排屑槽进行阻断密封，即本体的侧壁与井相当于无排屑槽，本体的侧壁与油井侧壁之间处于密封状态，如此，一方面可以使得钻头上部的钻井液不能回流到井底，另一方面由于负压抽吸可以有效降低钻头下端的压力，减小对井底岩石的压持效应。当排屑槽可变式射流钻头处于非工作状态时，由于流道中不存在高压的钻井液，在伸缩机构的作用下密封板能够在径向方向上向轴线方向移动收回，藏于钻头本体的凹槽内，从而留出足够的排屑槽，即使得排屑槽处于通畅状态，因此在起钻或下钻过程中可以防止沿途井壁岩屑在钻头尾部或头部堆积，保证起钻或下钻过程的安全。

[0019] 参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

[0020] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

[0021] 图1为本发明实施例中排屑槽可变式射流钻头的正视图；

[0022] 图2为本发明实施例中排屑槽可变式射流钻头的仰视图；

[0023] 图3为本发明实施例中排屑槽可变式射流钻头的俯视图；

[0024] 图4为图3中A-A处的剖面图；

[0025] 图5为图1中B-B处在第一种实施方式中的剖面图；

[0026] 图6为图1中B-B处在第二种实施方式中的剖面图。

[0027] 以上附图的附图标记：

[0028] 1、本体；2、流道；3、切削机构；31、刀翼；32、切削齿；33、凹陷槽；4、第一射流喷嘴；5、排屑槽；6、凹槽；7、密封板；8、伸缩机构；81、活塞杆；82、活塞；83、弹簧；9、第一通道；91、活塞腔；10、分流空腔；11、第二通道；12、第三通道；121、混合加速段；122、粉碎段；123、扩散出口；13、第二射流喷嘴；14、钻头接头部。

具体实施方式

[0029] 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0030] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0031] 为了能够根据钻头的工作状态对排屑槽的状态进行改变，以提高射流钻头的使用效果，在本申请中提出了一种排屑槽可变式射流钻头，图1为本发明实施例中排屑槽可变式射流钻头的正视图，图4为图3中A-A处的剖面图，如图1和图4所示，排屑槽可变式射流钻头可以包括：沿轴线延伸的本体1，本体1沿轴线方向具有流道2，本体1的下端具有切削机构3，切削机构3用于对岩石进行切削，本体1的下端处具有与流道2相连通的第一射流喷嘴4，第一射流喷嘴4用于对井底进行射流并冲洗切削机构3产生的岩屑颗粒；本体1的侧壁上具有多条沿轴线方向延伸的排屑槽5，本体1的排屑槽5的侧壁上开设有容置密封板7的凹槽6，本体1内沿径向方向具有连通流道2与凹槽6的第一通道9，第一通道9中设置有与密封板7相传动的伸缩机构8，伸缩机构8在流道2的液压的作用下能够驱动密封板7在径向方向上进行移动，以使排屑槽5具有阻断和通畅两种状态。

[0032] 本申请中的排屑槽可变式射流钻头在处于工作状态时，即钻头在切削破碎岩石时，钻井液通过本体1中的流道2从而向第一射流喷嘴4输送，第一射流喷嘴4对井底进行射流，从而冲洗并携带走岩屑颗粒，如此有助于本体1切削机构3的切削破碎效果。在钻井液通过流道2时，钻井液通过第一通道9对伸缩机构8进行施压，进而使得伸缩机构8在流道2的液压的作用下驱动密封板7在径向方向上向外移动，从而使得密封板7对本体1侧壁上的排屑槽5进行阻断密封，即本体1的侧壁与井相当于无排屑槽5，本体1的侧壁与油井侧壁之间处于密封状态，如此，一方面可以使得钻头上部的钻井液不能回流到井底，另一方面由于负压抽吸可以有效降低钻头下端的压力，减小对井底岩石的压持效应。当排屑槽可变式射流钻头处于非工作状态时，由于流道2中不存在高压的钻井液，在伸缩机构8的作用下密封板7能够在径向方向上向轴线方向移动收回，藏于钻头本体1的凹槽6内，从而留出足够的排屑槽5，即使得排屑槽5处于通畅状态，因此在起钻或下钻过程中可以防止沿途井壁岩屑在钻头尾部或头部堆积，保证起钻或下钻过程的安全。

[0033] 为了能够更好的理解本申请中的排屑槽可变式射流钻头，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，排屑槽可变式射流钻头的本体1沿轴线方向延伸，本体1的上端为钻头接头部14，其可以是一个具有螺纹的接口，用于与其它部件相连接。本体1的下端设置有切削机构3，切削机构3用于对岩石进行切削。

[0034] 图2为本发明实施例中排屑槽可变式射流钻头的仰视图，如图2所示，切削机构3可以包括：由轴线中心向外螺旋延伸的刀翼31；设置在刀翼31上的切削齿32。刀翼31可以为多根，其绕轴线呈圆周分布，相邻刀翼31之间具有凹陷槽33。刀翼31上的切削齿32朝向钻头转动的方向。

[0035] 如图2和图3所示，本体1沿轴线方向具有流道2，流道2与本体1的上端面相连通。本体1的下端处具有与流道2相连通的第一射流喷嘴4，第一射流喷嘴4可以安装在刀翼31之间的凹陷槽33处。第一射流喷嘴4可以为多个，相邻刀翼31之间的凹陷槽33处均安装有第一射流喷嘴4。第一射流喷嘴4与流道2之间具有分流空腔10，多个第一射流喷嘴4与分流空腔10相连接，从而使得第一射流喷嘴4与流道2相连通。当流道2中通入高压钻井液时，第一射流喷嘴4用于对井底进行射流并冲洗切削机构3产生的岩屑颗粒。

[0036] 如图1和图4所示，本体1的侧壁上具有多条沿轴线方向延伸的排屑槽5，排屑槽5也可以带有一定的螺旋趋势。排屑槽5可以为多个，排屑槽5绕轴线呈圆周分布。本体1的排屑槽5的侧壁上开设有容置密封板7的凹槽6，本体1内沿径向方向具有连通流道2与凹槽6的第一通道9，第一通道9中设置有与密封板7相传动的伸缩机构8。密封板7、第一通道9和伸缩机构8的数量与排屑槽5相对应，密封板7、第一通道9和伸缩机构8绕轴线呈圆周分布。伸缩机构8在流道2中钻井液的液压的作用下能够驱动密封板7在径向方向上进行移动，进而密封板7对排屑槽5进行封堵，以使排屑槽5具有阻断和通畅两种状态。

[0037] 图5为图1中B-B处在第一种实施方式中的剖面图，如图5所示，第一通道9中形成有活塞腔91，伸缩机构8设置在活塞腔91中，伸缩机构8包括活塞杆81、活塞82和弹簧83，活塞杆81沿径向方向设置，活塞杆81的一端连接密封板7，活塞杆81的另一端连接活塞82，活塞82远离活塞杆81的一端与活塞腔91远离活塞杆81的一端之间设置有弹簧83，弹簧83为拉伸弹簧83。在排屑槽可变式射流钻头处于工作状态时，会向本体1的流道2中打入钻井液，在钻井液通过流道2时，钻井液通过第一通道9对伸缩机构8进行施压，伸缩机构8中的弹簧83原本处于正常的收缩状态，密封板7收缩在凹槽6中，在伸缩机构8中的活塞82受到钻井液向外的压力后，活塞82将弹簧83拉伸，同时活塞82推动活塞杆81向外运动，进而使得活塞杆81推动密封板7移出凹槽6中，如此，使得密封板7将排屑槽5阻断。当排屑槽可变式射流钻头处于非工作状态时，由于流道2中不存在高压的钻井液，弹簧83收缩，活塞82、活塞杆81向轴线方向运动，最终使得活塞杆81推动密封板7收缩移动入凹槽6中。

[0038] 图6为图1中B-B处在第二种实施方式中的剖面图，如图6所示，第一通道9中形成有活塞腔91，伸缩机构8设置在活塞腔91中，伸缩机构8包括活塞杆81、活塞82和弹簧83，活塞杆81沿径向方向设置，活塞杆81的一端连接密封板7，活塞杆81的另一端连接活塞82，活塞82靠近活塞杆81的一端与活塞腔91靠近活塞杆81的一端之间设置有弹簧83，弹簧83为压缩弹簧83。在排屑槽可变式射流钻头处于工作状态时，会向本体1的流道2中打入钻井液，在钻井液通过流道2时，钻井液通过第一通道9对伸缩机构8进行施压，伸缩机构8中的弹簧83原本处于正常的拉伸状态，密封板7收缩在凹槽6中，在伸缩机构8中的活塞82受到钻井液向外的压力后，活塞82将弹簧83压缩，同时活塞82推动活塞杆81向外运动，进而使得活塞杆81推动密封板7移出凹槽6中，如此，使得密封板7将排屑槽5阻断。当排屑槽可变式射流钻头处于非工作状态时，由于流道2中不存在高压的钻井液，弹簧83张开，活塞82、活塞杆81向轴线方向运动，最终使得活塞杆81推动密封板7收缩移动入凹槽6中。

[0039] 如图4所示，本体1内开设有用于岩屑吸入的第二通道11以及第三通道12，第三通道12的一端连接分流空腔10，第三通道12与第二通道11相交，第三通道12与第二通道11相交点至分流空腔10之间设置有第二射流喷嘴13。第二通道11的下端为岩屑吸入口，该岩屑吸入口位于相邻刀翼31之间的凹陷槽33中，其连通钻头下端处，如此有助于岩屑的吸入。第二通道11大体沿轴线方向延伸，其位于本体1的外侧。第三通道12大体由分流空腔10向本体1侧壁的上端方向延伸，第三通道12与第二通道11在相交点至第二射流喷嘴13之间的第三通道12与第二通道11的夹角在0度至90度之间。作为优选的，该夹角的度数越小越好，由于第二射流喷嘴13能产生一负压区，第二通道11的一端连接在所述负压区处，当夹角的度数较小时，负压区产生的抽吸作用对井底钻井液产生抽吸，减小井底压力，并自第二通道11的岩屑吸入口吸入携带岩屑的钻井液，携带岩屑的钻井液在第二通道11中还能够进行加速。
通过上述机构，可以降低井底钻头下端的压力，减小井底岩石的压持效应，加快井底岩屑的上返，创造井底的欠平衡条件，从而实现提高钻速的目的。

[0040] 如图4所示，第三通道12中包括依次相连接的混合加速段121、粉碎段122和扩散出口123，混合加速段121与粉碎段122之间具有预设夹角。一般而言，该预设角度可以选择在100°至170°之间，优选为160度。上述扩散出口123呈喇叭状，其位于本体1的侧面，扩散出口
123朝向钻头的尾部方向。自第二通道11的岩屑吸入口吸入的携带岩屑的钻井液与第二射流喷嘴13喷出的钻井液在混合加速段121进行混合，并且得到进一步加速。由于混合加速段
121与粉碎段122之间具有预设夹角，携带岩屑的钻井液经过混合加速段121加速之后，会以高速度撞击在粉碎段122处的侧壁上，利用瞬间冲击力以及水楔效应实现对岩石的粉粹，岩屑颗粒经过二次破碎后最终由扩散出口123排出。通过上述方式，排屑槽可变式射流钻头可以实现岩屑颗粒的二次粉粹，减小岩屑颗粒的粒径，从而有效增加钻井液携岩效率，从根本上避免水平井岩屑床的形成，保证钻井的安全高效。

[0041] 披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

[0042] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。