1中A部位的放大圖。
[0020]圖中:1.鉆頭本體；la.鉆頭公扣；lb.水流通道；lc.風(fēng)琴管進(jìn)水腔；ld.風(fēng)琴管諧振腔；Ie.風(fēng)琴管出水口 ；lf.分流區(qū)；2.脈沖噴嘴；2a.噴嘴進(jìn)水孔；2b.噴嘴擾動(dòng)區(qū)；2c.噴嘴碰撞區(qū)；2d.噴嘴分離區(qū)；2e.噴嘴出水口；3.刀翼。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭包括鉆頭本體1，鉆頭本體I的上端外周設(shè)有與鉆桿連接的鉆頭公扣la，鉆頭本體I的下端安裝有刀翼3，鉆頭本體I的內(nèi)腔沿軸線設(shè)有水流通道lb，水流通道Ib的下部設(shè)有與水流通道Ib共軸線的分流區(qū)lf，分流區(qū)If的下部圓周上均勻分布有噴孔，各噴孔中分別安裝有噴嘴，分流區(qū)If上方的水流通道Ib中設(shè)有與水流通道共軸線的風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)，風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)自上而下依次設(shè)有風(fēng)琴管進(jìn)水腔lc、風(fēng)琴管諧振腔Id和風(fēng)琴管出水口 le，風(fēng)琴管進(jìn)水腔lc、風(fēng)琴管諧振腔Id和風(fēng)琴管出水口 Ie呈階梯圓柱孔狀，風(fēng)琴管進(jìn)水腔Ic的孔徑Ds大于水流通道Ib的孔徑且大于風(fēng)琴管諧振腔Id的孔徑D，風(fēng)琴管諧振腔Id的孔徑D大于風(fēng)琴管出水口 Ie的孔徑d，風(fēng)琴管進(jìn)水腔Ic的上端進(jìn)水口與水流通道Ib相通，風(fēng)琴管出水口 Ie與分流區(qū)If的中心相通。
[0022]風(fēng)琴管進(jìn)水腔Ic的孔徑Ds為水流通道Ib孔徑的1.3倍，風(fēng)琴管進(jìn)水腔Ic的孔徑Ds為風(fēng)琴管諧振腔孔徑D的2倍，風(fēng)琴管諧振腔孔徑D為風(fēng)琴管出水口孔徑d的1.62倍，風(fēng)琴管諧振腔長(zhǎng)度L為風(fēng)琴管諧振腔孔徑d的1.62倍。
[0023]噴嘴均為脈沖噴嘴2，脈沖噴嘴2沿自身軸線自上而下依次設(shè)有噴嘴進(jìn)水孔2a、噴嘴擾動(dòng)區(qū)2b、噴嘴碰撞區(qū)2c和噴嘴分離區(qū)2d，噴嘴進(jìn)水孔2a的上端設(shè)有上大下小的喇叭口，噴嘴擾動(dòng)區(qū)2b的內(nèi)徑大于噴嘴進(jìn)水孔2a的孔徑，噴嘴碰撞區(qū)2c的上端與噴嘴擾動(dòng)區(qū)2b等直徑貫通，噴嘴分離區(qū)2d的通徑小于噴嘴碰撞區(qū)2c的孔徑，且噴嘴分離區(qū)2d的上端呈圓錐狀突出于噴嘴碰撞區(qū)2c的下端空腔中，噴嘴分離區(qū)2d的下端設(shè)有噴嘴出水口 2e。
[0024]噴嘴擾動(dòng)區(qū)2b內(nèi)徑為噴嘴進(jìn)水孔2a孔徑的2.36倍。噴嘴分離區(qū)2d的橫截面呈圓形，噴嘴碰撞區(qū)2c孔徑為噴嘴分離區(qū)2d直徑的2.1倍，噴嘴分離區(qū)2d的長(zhǎng)度為噴嘴分離區(qū)直徑的1.2倍；此尺寸比例下，噴嘴分離區(qū)2d與噴嘴碰撞區(qū)2c的壓力脈動(dòng)互為反相，會(huì)形成最佳的“渦量擾動(dòng)-放大-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生”的循環(huán)過(guò)程，形成最強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖射流。
[0025]直徑為D的風(fēng)琴管諧振腔的入口與直徑為Ds的風(fēng)琴管進(jìn)水腔Ic相連，(Ds / D)2構(gòu)成風(fēng)琴管諧振腔的入口收縮截面積比；諧振腔的下部與直徑為d的風(fēng)琴管出水口相連，(D / d)2構(gòu)成風(fēng)琴管諧振腔的的出口收縮截面積比。出口收縮截面既是自激勵(lì)機(jī)構(gòu)，又是反饋機(jī)構(gòu)，當(dāng)穩(wěn)定流體通過(guò)時(shí)，其收縮面既能使流體產(chǎn)生初始?jí)毫?dòng)，又能將壓力激動(dòng)反饋回風(fēng)琴管諧振腔，形成反饋壓力振蕩。根據(jù)瞬態(tài)流理論，如果壓力激動(dòng)的頻率與風(fēng)琴管諧振腔的固有頻率匹配，反饋的壓力振蕩就能得到放大，從而在風(fēng)琴管諧振腔內(nèi)產(chǎn)生流體共振，形成駐波，使連續(xù)射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，從而得到脈沖射流。
[0026]把鉆頭內(nèi)腔做成風(fēng)琴管式，流體經(jīng)過(guò)風(fēng)琴管的收縮面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生空化作用，由于產(chǎn)生空化的位置在鉆頭內(nèi)，離噴嘴很近，可以控制在0.2m左右，這個(gè)距離相對(duì)于傳統(tǒng)脈沖接頭接在鉆頭上組合的方式，距離減小了一半以上，因此脈沖效果在到達(dá)噴嘴時(shí)，壓力及狀態(tài)衰減的較少。本發(fā)明減少了一個(gè)專用脈沖空化射流接頭和減小了脈沖射流發(fā)生位置與噴嘴間的距離，一方面降低了鉆具安全風(fēng)險(xiǎn)，另一方面使脈沖射流作用得到強(qiáng)化，可以適用于更深的井，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，可帶來(lái)較好的直接經(jīng)濟(jì)效益；鉆井周期的縮短，可以大大降低井下復(fù)雜發(fā)生的幾率和加快油氣開(kāi)發(fā)力度，帶來(lái)可觀的間接經(jīng)濟(jì)效益。
[0027]由于鉆頭內(nèi)腔有風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)存在，使得進(jìn)入鉆頭噴嘴的流體本身屬于脈沖射流，脈沖射流代替普通鉆頭的連續(xù)射流，提高了清洗井底和水力破巖能力。把風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)放在鉆頭內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)了不增加額外接頭的情況下獲得了脈沖射流，在增加了鉆具在井下工作的安全性的同時(shí)也不會(huì)影響井身軌跡的控制與調(diào)整。
[0028]當(dāng)一股射流從噴嘴進(jìn)水孔2a向下游噴嘴擾動(dòng)區(qū)2b流動(dòng)時(shí)，射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動(dòng)得到放大，在射流層中形成一連串離散渦環(huán)，當(dāng)其到達(dá)碰撞壁并與之互相作用時(shí)，在噴嘴碰撞區(qū)2c產(chǎn)生壓力振蕩波，該波以聲速向上游傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動(dòng)，若噴嘴分離區(qū)2d與噴嘴碰撞區(qū)2c的壓力脈動(dòng)互相為反相，就會(huì)形成“渦量擾動(dòng)-放大-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生”的循環(huán)過(guò)程，該過(guò)程不斷的重復(fù)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的自激振蕩脈沖射流。鉆頭內(nèi)腔的脈沖射流經(jīng)過(guò)脈沖噴嘴2進(jìn)一步放大，可以產(chǎn)生更好的水力破巖和清洗井底的效果；由于鉆頭內(nèi)腔的脈沖射流經(jīng)過(guò)脈沖噴嘴2產(chǎn)生耦合作用進(jìn)一步放大，到達(dá)井底的脈沖射流效果優(yōu)于單獨(dú)使用脈沖接頭或者脈沖噴嘴2以及兩者的組合，由于這種脈沖作用更強(qiáng)，可適用于更高的圍壓環(huán)境，即可以使用到更深的井中。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明之較佳可行實(shí)施例而已，非因此局限本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過(guò)或采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，包括鉆頭本體，所述鉆頭本體的上端外周設(shè)有鉆頭公扣，所述鉆頭本體的下端安裝有刀翼，所述鉆頭本體的內(nèi)腔沿軸線設(shè)有水流通道，所述水流通道的下部設(shè)有與水流通道共軸線的分流區(qū)，所述分流區(qū)的下部圓周上均勻分布有噴孔，各所述噴孔中分別安裝有噴嘴，其特征在于:所述分流區(qū)上方的所述水流通道中設(shè)有與水流通道共軸線的風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)，所述風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)自上而下依次設(shè)有風(fēng)琴管進(jìn)水腔、風(fēng)琴管諧振腔和風(fēng)琴管出水口，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔、風(fēng)琴管諧振腔和風(fēng)琴管出水口呈階梯圓柱孔狀，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑大于所述水流通道的孔徑且大于所述風(fēng)琴管諧振腔的孔徑，所述風(fēng)琴管諧振腔的孔徑大于所述風(fēng)琴管出水口的孔徑，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的上端進(jìn)水口與所述水流通道相通，所述風(fēng)琴管出水口與所述分流區(qū)的中心相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，其特征在于:所述噴嘴均為脈沖噴嘴，所述脈沖噴嘴沿自身軸線自上而下依次設(shè)有噴嘴進(jìn)水孔、噴嘴擾動(dòng)區(qū)、噴嘴碰撞區(qū)和噴嘴分離區(qū)，所述噴嘴進(jìn)水孔的上端設(shè)有上大下小的喇叭口，所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)的內(nèi)徑大于所述噴嘴進(jìn)水孔的孔徑，所述噴嘴碰撞區(qū)的上端與所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)等直徑貫通，所述噴嘴分離區(qū)的通徑小于所述噴嘴碰撞區(qū)的孔徑，且噴嘴分離區(qū)的上端呈圓錐狀突出于所述噴嘴碰撞區(qū)的下端空腔中，所述噴嘴分離區(qū)的下端設(shè)有噴嘴出水口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，其特征在于:所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑為所述水流通道孔徑的1.3倍，所述風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑為所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑的2倍，所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑為所述風(fēng)琴管出水口孔徑的1.62倍，所述風(fēng)琴管諧振腔長(zhǎng)度為所述風(fēng)琴管諧振腔孔徑的1.62倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，其特征在于:所述噴嘴擾動(dòng)區(qū)內(nèi)徑為所述噴嘴進(jìn)水孔孔徑的2.36倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，其特征在于:所述噴嘴分離區(qū)的橫截面呈圓形，所述噴嘴碰撞區(qū)孔徑為所述噴嘴分離區(qū)直徑的2.1倍，所述噴嘴分離區(qū)的長(zhǎng)度為所述噴嘴分離區(qū)直徑的1.2倍。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鉆井用強(qiáng)化脈沖PDC鉆頭，鉆頭本體的內(nèi)腔沿軸線設(shè)有水流通道，水流通道下部設(shè)有分流區(qū)，分流區(qū)下部均勻安裝有脈沖噴嘴，分流區(qū)上方設(shè)有風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)，風(fēng)琴管結(jié)構(gòu)自上而下依次設(shè)有呈階梯圓柱孔狀的風(fēng)琴管進(jìn)水腔、風(fēng)琴管諧振腔和風(fēng)琴管出水口，風(fēng)琴管進(jìn)水腔的孔徑大于水流通道的孔徑且大于風(fēng)琴管諧振腔的孔徑，風(fēng)琴管諧振腔的孔徑大于風(fēng)琴管出水口的孔徑，風(fēng)琴管進(jìn)水腔的上端進(jìn)水口與水流通道相通，風(fēng)琴管出水口與分流區(qū)的中心相通。脈沖噴嘴沿自身軸線自上而下依次設(shè)有噴嘴進(jìn)水孔、噴嘴擾動(dòng)區(qū)、噴嘴碰撞區(qū)和噴嘴分離區(qū)，噴嘴分離區(qū)的下端設(shè)有噴嘴出水口。該鉆頭可以提高清洗井底的效果和水力破巖的能力。
【IPC分類】E21B10-60, E21B10-61
【公開(kāi)號(hào)】CN104832106
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510113284
【發(fā)明人】陳小元, 王委, 王治國(guó), 湯燕丹, 郭忠志, 秦春, 孟鵬, 嚴(yán)沾
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工股份有限公司, 中石化江蘇石油工程有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日