CN102678053B - 一种交叉刮切-冲击复合式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉刮切-冲击复合式钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域，包括钻头体、设置在钻头体上的固定切削结构、盘刀切削结构和水力结构，钻头体还设置有冲击切削结构，冲击切削结构包括传递冲击力的传力机构以及冲击切削齿，冲击切削齿固结在传力机构末端的冲头上，冲头能在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击。与以切削方式破岩的钻头相比，本发明既有利于钻头切削齿对地层的吃入，提高破岩效率，同时也有利于减缓切削齿的磨损速度，特别是在强度较高、研磨性较强的难钻地层具有明显的技术优势。

Description

一种交叉刮切-冲击复合式钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片钻头（即PDC钻头）和冲旋钻头（也称旋冲钻头或钎头）等。

三牙轮钻头主要以压碎（牙齿压入岩石造成岩石破碎）的形式破岩，适用的地层范围较宽，但能量利用率不高，破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时，在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效应十分明显，牙齿难以压入地层并形成有效的破碎，钻头机械钻速受到很大限制。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。三牙轮钻头需要大钻压才能保证较高的破岩效率，所以轴承的载荷幅值高，同时牙轮上牙齿交替破碎岩石的工作原理必然导致钻头的轴向或纵向振动，以及较大幅度的轴承载荷波动。加之牙轮钻头轴承在井下的工作环境恶劣，轴承密封的寿命难以保障，因此三牙轮钻头的轴承寿命相对较短。

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片（即PDC齿，亦简称齿）对岩石的刮切或剪切作用破岩的钻头。由于在切削元件性能以及破岩方式方面具备了突出的优越性，所以PDC钻头在软至中硬地层的破岩效率明显高于三牙轮钻头。现今，PDC钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大，但对于硬度、研磨性高的地层以及严重不均质的地层，PDC钻头仍难以适应。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头（钻头上无运动部件）。对PDC钻头而言，在钻头转速、钻压相同的条件下，钻头的破岩效率主要取决于PDC齿吃入岩石的能力，PDC齿吃入岩石的深度越大，钻头破岩效率就越高。通常，在软地层钻进时，PDC钻头切削齿的吃入深度较大，钻头的破岩效率较高；当硬地层钻进时，切削齿的吃入能力就变弱，吃入深度变小，钻头的钻进效率就明显降低。PDC钻头的主要有缺点是：第一，在岩石的强度或硬度较高时，PDC齿难以吃入岩石以形成有效的刮切，特别是当PDC齿有磨损后，牙齿更加难以吃入地层，钻头的机械钻速会急剧降低。第二，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象（当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象）的发生。第三，PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域（特别是钻头半径的外1/3区域）的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿，切削齿磨损均衡性差，从而降低了钻头的综合性能。

冲旋钻头是冲旋钻井中配合潜孔冲击器（即潜孔锤）使用的固定齿破岩工具。冲旋钻头的结构与PDC钻头相似，钻头上没有可运动部件，钻头体上固结了一定数量的能够覆盖井底待破碎区域的切削齿。不同之处主要在于：PDC钻头的切削元件主要为PDC齿，而冲旋钻头的切削元件主要为与牙轮钻头牙齿形状相似的硬质合金或金刚石复合牙齿。冲旋钻头的破岩机理与牙轮钻头的压碎机理以及PDC钻头的切削机理均具有显著的区别。冲旋钻头依靠其牙齿的瞬间冲击力实现对井底岩石的破碎。冲旋钻头的上端连接着潜孔冲击器，潜孔冲击器在工作时，其冲锤在循环流体（钻井液或循环气体）的作用下往复运动，反复撞击钻头或钎头，从而为与井底岩石相接触的钻头牙齿提供了脉动冲击载荷，岩石在牙齿的瞬间冲击力作用下发生破碎。由于钻头的冲击载荷依赖于潜孔冲击器，所以，冲旋钻头工作过程中不需要施加很大的钻压（这一特点与牙轮钻头有着显著区别，牙轮钻头必须在大钻压下才能获得较高的破岩效率），只需用很小的钻压将钻头压在井底即可。通常情况下，冲旋钻头在脆性地层特别是较硬的脆性地层钻进时能取得较高的破岩效率。此外，在地层倾角较大的易斜地层，采用冲旋钻头钻进有利于减小井斜趋势。但由于冲旋钻头为固定齿钻头，当有少量切削齿损坏失效时，其负责破碎的井底区域将无法破碎，这将影响整个钻头的破岩效率和钻进能力，少量切削齿的失效会很快引起钻头体的损害，进而影响钻头的使用寿命。

西南石油大学提出“一种以切削形式破岩的复合式钻头”（申请号：201010229371.9），该钻头由大偏移角（偏移角的范围是20°～90°）转轮（即盘刀，又称轮刀）切削单元和固定切削结构复合而成，大偏移角转轮切削单元使转轮上的切削齿以刮切方式缓慢交替破碎岩石，固定切削结构上的切削齿与转轮上的切削齿共同作用，交叉刮切形成网状的井底形貌。该钻头仍主要依靠钻压使切削齿吃入地层，钻压越大PDC齿吃入岩石的深度越大，钻头破岩效率就越高，但钻压的增加是有限的，而且增加钻压会加剧PDC齿和轴承的磨损，降低钻头的工作寿命。在硬地层的钻进中，该钻头由于切削齿吃入深度小，钻头的钻进效率不高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种交叉刮切-冲击复合式钻头，在盘刀（即转轮，又称轮刀）切削单元和固定切削结构相复合的基础上增加冲击切削结构，充分利用冲击破岩方式的优势，增进钻头切削齿对岩石的吃入，提高破岩效率，减缓切削齿的磨损速度，增加钻头使用寿命，提升钻头在强度较高、研磨性较强或非均质性较强等难钻地层的工作性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种交叉刮切-冲击复合式钻头（简称复合钻头），包括钻头体、设置在钻头体上的盘刀切削结构和固定切削结构，钻头体上还设置有冲击切削结构，冲击切削结构包括传递冲击力的传力机构以及冲击切削齿，冲击切削齿固结在传力机构末端的冲头上，所述冲头能在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击。

具体地，交叉刮切-冲击复合式钻头包括钻头体、盘刀切削结构、固定切削结构、冲击切削结构和水力结构，也可以包括产生冲击力的冲击机构。冲击切削结构包括传递冲击力的传力机构以及冲击切削齿，传力机构包括依次连接的砧体、传力杆和冲头，砧体与钻头体之间形成相对滑动，传力杆与钻头体之间形成相对滑动，或通过摆动滑块形成既允许相对滑动，又允许相对转动的连接，冲头连接在传力杆的末端，冲击切削齿固结在冲头上，冲头能在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击。所述钻头体既是用以附着、支承或容纳钻头固定切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构以及冲击机构的基体，也是安装喷嘴、形成钻头流道的基体。钻头体的上端（也即循环流体入口端，简称入口端）设置有用以连接钻柱的螺纹。钻头体的上部为管状结构，其管壁既具有传递钻压的功能，也起到将管内、管外空间相隔绝的作用，其内孔空间用于设置传力机构中的砧体等元件，冲击机构也可设于其中。钻头体的下部主要为固定切削结构和盘刀切削结构的基体，其上开设了用以容纳传力杆的孔或槽，也开设了循环流体喷射孔。除了冲头、冲击切削齿以及传力杆的露出部位以外，冲击切削结构的其它部分均位于钻头体的内部空间，并按照砧体—传力杆—冲头的顺序自上而下安装。当复合钻头包含冲击机构时，自上而下的安装顺序为：冲击机构—砧体—传力杆—冲头，冲击机构产生的冲击力作用在砧体上，再由砧体传向传力杆、冲头。砧体的上端面为承受冲击载荷的工作面，下端与传力杆相连接，可为滑动连接，也可为铰接（即铰链连接），或者直接连接等。当采用滑动连接时，砧体与传力杆之间可沿接触面相对滑动；当采用铰接方式连接时，砧体与传力杆之间可绕铰接中心相对转动。冲头用螺纹、过盈配合、销、焊接等方式连接在传力杆的另一端，或与传力杆构成一个整体式元件。一个冲头、固结于其上的冲击切削齿以及相配套的传力杆构成一个冲击切削单元，冲击切削单元的数量可以只有一个，也可以有若干个。在同一个冲击切削单元中，传力杆的数量为一个或多于一个，当传力杆的数量多于一个时，各传力杆相互串行连接，其中彼此具有相对运动的相邻传力杆之间通过铰链连接。传力机构与钻头体之间以及传力机构各元件之间的连接或安装方式，使冲头能够在冲击载荷传递方向上相对于钻头体做滑动。盘刀切削结构和固定切削结构设置在钻头体下部，盘刀切削结构包含有轮掌和盘刀（也称转轮），轮掌与钻头体固结为一体，盘刀安装在轮掌的轴颈上，与轮掌形成转动连接，盘刀上设置有盘刀切削齿。固定切削结构包含有切削齿基座（当固定切削结构采用刀翼式结构时，切削齿基座即固定刀翼）和固定切削齿，切削齿基座固结在钻头体上，与钻头体形成固定联接，或与钻头体结合形成一体式结构，固定切削齿固结在切削齿基座上。水力结构主要包括钻井循环介质的内、外部流道，以及安装在内部流道出口处的喷嘴。在钻头上还设置有一些辅助元件，包括为保证砧体正确工作位置而设置的定位扶正套，以及为实现砧体与传力杆之间的连接而设置的滑块、销轴等元件，以及密封元件等。

本发明的关键之一在于：盘刀切削结构、固定切削结构和冲击切削结构相结合构成交叉刮切-冲击复合切削结构，冲头上的冲击切削齿在冲击力作用下以一定频率不断冲击井底，配合钻头上的盘刀切削结构和固定切削结构共同完成对井底岩石的破碎。关于盘刀切削结构、固定切削结构和冲击切削结构在钻头体上的布置方式和数量，本领域技术人员在本说明书教导下结合现有技术可以有众多选择，这些技术方案均在本发明保护范围之内。

本发明的关键之二在于：冲头能在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动。由此而来的效果是：第一，由钻柱传递到钻头体上的钻压不会施加在冲击切削齿上，从而避免了冲击切削齿在持续大钻压作用下可能发生的快速磨损；第二，冲击切削结构的脉动冲击载荷不会传递到钻头体乃至钻柱上，避免了脉动冲击载荷对钻头体乃至钻柱的安全性可能造成的不利影响；第三，有助于冲击机构防空打功能的实现。关于冲击切削结构中用以实现冲头在冲击方向上相对于钻头体滑动的结构方式，本领域技术人员在本说明书教导下结合现有技术可以有众多选择，这些技术方案均在本发明保护范围之内。

所述盘刀切削结构上的盘刀切削齿、固定切削结构上的固定切削齿为聚晶金刚石复合片，也可以为热稳定聚晶金刚石、天然金刚石以及孕镶金刚石切削齿，冲击切削结构上的冲击切削齿为硬质合金齿，或用金刚石做表面加强的硬质合金齿。用作冲击切削齿的硬质合金齿的齿形可以是球形齿、锥球齿、楔形齿、边楔齿以及勺形齿，也可以是具有良好冲击破岩效果的其它形状的牙齿。

在传力机构（主要是传力杆）与钻头体相配合的滑动面上设置密封装置，避免循环流体的泄漏以及流体在泄露过程中对传力杆、钻头体的冲蚀，同时，由于循环流体在钻头体内腔的压力高于钻头体外，内外压力差作用于传力机构，产生将冲头向外推的推力，该推力能使冲头上的切削齿紧压岩石表面，有利于提高切削齿的冲击破岩效率。

所述冲击切削结构的冲击切削齿可以布置在所述盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿的径向覆盖范围之内，也可独立布置（不与盘刀切削结构、固定切削结构切削齿的径向覆盖范围相重叠），或部分独立布置。

作为优选方式，所述冲击切削结构的冲击切削齿与所述盘刀切削结构、固定切削结构的切削齿在径向重叠覆盖布置，冲击切削结构的冲击切削齿布置在钻头半径三分之一以外的径向区域之内。

作为优选方式，所述冲击切削结构的冲击切削齿与所述盘刀切削结构、固定切削结构的切削齿在径向重叠覆盖布置，冲击切削结构的冲击切削齿布置在钻头半径二分之一以外的径向区域之内。

作为优选方式，所述冲击切削结构的冲击切削齿与所述盘刀切削结构、固定切削结构的切削齿在径向重叠覆盖布置，所述冲击切削结构的冲击切削齿布置在钻头半径三分之二以外的径向区域之内。

作为优选方式，所述冲击切削结构的冲击切削齿布置在钻头半径三分之一以内的径向区域之内。

所述冲击机构上设有防脱落结构，以避免冲头和传力杆在拉拔力作用下从钻头上脱落。

所述冲击机构上还可设有防转动结构，以避免冲头在工作过程中绕传力杆轴转动。

作为优选方式，所述盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿采用聚晶金刚石复合片（PDC齿），所述冲击切削结构的切削齿采用硬质合金牙齿或用金刚石等超硬材料加强的硬质合金牙齿。

作为优选方式，所述盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿采用圆形的聚晶金刚石复合片，所述冲击切削结构的切削齿采用锥球形或楔形的硬质合金齿或金刚石复合硬质合金齿。

作为优选方式，当所述交叉刮切-冲击复合式钻头包含冲击机构时，钻头体采用分体式结构，即可将冲击机构及其所对应的钻头体部分从复合钻头上分离出来，构成一个单独的部件。此时钻头体由设有冲击机构的冲击器本体和设有固定切削结构、盘刀切削结构和冲击切削结构的切削结构本体连接而成，冲击机构安装在冲击器本体的中空部位，冲击器本体用于容纳、安装冲击机构。此时，复合钻头就被分为两个在功能上和制造上相对独立的部分，即上部的冲击器和下部的破岩工具。冲击器的功能就是提供脉动冲击力，破岩工具的功能就是传递冲击力，并与盘刀切削结构和固定切削结构一起实施对岩石的直接破碎。采用分体式结构更有利于复合钻头的制造和使用，冲击器部件和破岩工具部件可以分别制造，入井使用前再组装在一起。

对于包含冲击机构的交叉刮切-冲击复合式钻头，其工作过程为：

交叉刮切-冲击复合式钻头连接在钻柱的最末端。入井以后，钻头逐渐接近、到达井底。开动循环流体驱动设备（当循环流体为钻井液时，驱动设备为钻井泵；当循环流体为气体或主要为气体时，驱动设备为气体压缩机），使循环流体在钻柱内、外循环。在钻头上施加钻压，开始旋转钻进，钻头盘刀切削结构和固定切削结构上的切削齿即开始破碎井底岩石。与此同时，由于循环流体已开始循环，在钻柱内部循环流体的驱动下，冲击机构开始工作，连续地向砧体施加一定频率范围的脉动冲击载荷，冲击载荷通过砧体传递至传力杆，再传递至冲头，最终施加到冲击切削齿上，从而实现冲击切削结构对井底岩石的破碎。循环流体流过冲击机构后，再通过内部流道从钻头水眼或喷嘴流出，完成冷却切削齿、清洗钻头、清洗井底和携带岩屑功能。盘刀切削结构、固定切削结构和冲击切削结构的破岩工作尽管是各自进行的，破岩机理也各不相同，但彼此之间却会发生有益的相互影响。复合式钻头通常以盘刀切削结构和固定切削结构为主切削结构，冲击切削结构为辅助切削结构。盘刀切削结构和固定切削结构中的切削齿通常为PDC齿（或以PDC齿为主），其破岩效率的关键在于PDC齿对井底岩石的吃入效果。要增大PDC齿的吃入深度，通常只能增加钻压，而钻压的增加是有限度的，而且增加钻压会加剧PDC齿的磨损，盘刀切削结构中轴承的磨损、降低钻头的工作寿命。本发明技术方案通过在盘刀切削结构和固定切削结构钻头上引入冲击切削结构，能够有效利用冲击破岩方式的特点和优势，显著地提升盘刀切削结构和固定切削结构钻头的破岩效率和切削齿工作寿命。冲击切削结构依赖冲击切削齿对岩石的一定频率的脉动冲击载荷破碎岩石，因此对工作钻压的要求很低，切削齿对井底岩石的冲击效果是在井底的相应区域形成一个个的破碎坑或压入坑，这些破碎坑或压入坑的产生直接促进了盘刀切削结构及固定切削结构相应区域PDC齿对井底岩石的吃入，同时减轻了这些PDC齿的工作负荷。换言之，当盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿在具有许多破碎坑的凸凹不平的井底上钻进时，其钻进速度要明显高于在无破碎坑的井底上的钻进速度，而其切削齿的磨损速度明显低于在无破碎坑的井底上钻进时的磨损速度。

在复合钻头的冲击切削结构中，冲击切削结构中承受脉动冲击载荷的各元件（包括砧体、传力杆、冲头和切削齿等）能够在冲击载荷传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击。这样，在钻头的正常钻进过程中，冲击切削结构不承受来自钻柱和钻头体的钻压，盘刀切削结构和固定切削结构也不承受冲击切削结构的脉动冲击载荷。这一特点既可避免脉动冲击载荷对盘刀切削结构及固定切削结构的切削齿、轴承、钻头体乃至上部钻柱的损伤或不利影响，也能避免冲击切削齿因持续承受大的工作钻压而导致的快速磨损。此外，该特点还为实现复合钻头的防空打功能提供了必要的条件。在钻头的下入过程中，由于重力及循环流体内外压差的作用，冲击切削结构中的砧体、传力杆、冲头及冲击切削齿会一起向下滑动一段距离，使冲击切削齿突出于盘刀切削结构和固定切削结构切削齿包络轮廓面之外，此时冲击切削结构所处的位置是防空打位置，在该位置上，冲击机构的防空打设计能使冲击机构中的冲击锤停止对砧体的锤击，以实现对冲击切削结构的空载保护。在钻头逐渐接近、到达井底时，突出的冲击切削齿首先接触井底，然后随着钻头的进一步就位，冲击切削结构中的上述元件逐渐缩回至正常工作位置。当钻头在井底完全就位后，钻头开始旋转钻进，冲击切削结构、盘刀切削结构和固定切削结构开始进行正常的破岩工作。当需要上提钻头（如起钻或续接钻柱）时，随着钻头位置的逐渐上升，与下钻过程相反，钻头上的盘刀切削结构和固定切削结构首先离开井底，而冲击切削齿仍保持与井底岩石接触，同时，冲击切削结构中的前述其它相关元件相对钻头体向下滑移直至到达防空打位置，此后冲击切削齿不再承受冲击载荷，继而脱离井底，随钻头其它部分一起上升。

对于不包含冲击机构的交叉刮切-冲击复合式钻头，产生脉动冲击载荷的工作过程不再由复合钻头完成，而改由冲击器完成。除此以外，其余工作过程与包含冲击机构的交叉刮切-冲击复合式钻头的工作过程相同。不包含冲击机构的交叉刮切-冲击复合式钻头并非一个功能完整的钻头，必须与相应的冲击器配套安装后才能下井使用。此时的复合钻头实际上就是分体式交叉刮切-冲击复合式钻头的破岩工具部件。在具体使用时，一般应先将配套的冲击器与复合钻头连接在一起（冲击器连接在复合钻头上端），然后再将组合好的冲击器、复合钻头连接在钻柱末端。安装完毕后，方可下井使用。

本发明的有益效果：

（1）当复合钻头在井底旋转钻进时，在盘刀切削结构、固定切削结构的切削齿和冲击切削结构的切削齿重叠覆盖的井底区域，由于冲击切削齿对岩石的不断冲击，井底表面形成了压入坑或破碎坑，使井底变得凹凸不平。在切削深度（吃入深度）或切削体积（被切削破碎的岩石体积）相同的条件下，PDC齿在有破碎坑的岩石表面切削时的吃入力（即垂直于岩石表面的压入力）、主切削力（在切削速度方向上的切削力）以及切削功明显低于岩石表面没有破碎坑条件下的切削过程，切削齿吃入岩石的难度明显降低，破岩能耗也明显降低。所以，复合钻头在切削齿难以吃入的地层（硬度较高的地层）钻进时能达到更高的破岩效率。

（2）如前所述，在切削深度或切削体积相同的条件下，PDC齿在有破碎坑的岩石表面切削时的摩擦功耗明显低于岩石表面没有破碎坑条件下的切削过程，由于摩擦而产生的热量也明显减少。另一方面，在有破碎坑的岩石表面切削时，切削齿与岩石之间的接触区域和接触状态会发生频繁变化，切削齿的冷却效果可得到改善。所以，复合钻头盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿磨损速度更低，且不易发生热磨损，能达到更高的工作寿命，因而在高研磨性、高硬度以及高不均质性等难钻地层使用时，复合钻头能达到更好的钻进效果。

（3）复合钻头中的传力机构能够在冲击载荷传递方向上相对于钻头体做滑动，由此而来的有益效果是：第一，由钻柱传递到钻头体上的钻压不会施加在冲击切削齿上，从而避免了冲击切削齿在持续大钻压压持下的快速磨损；第二，冲击切削结构的脉动冲击载荷不会传递到钻头体乃至钻柱上，盘刀切削结构和固定切削结构不承受冲击切削结构的脉动冲击载荷，这可避免脉动冲击载荷对盘刀切削结构和固定切削结构的切削齿、盘刀切削结构的轴承、钻头体乃至上部钻柱的损伤或不利影响；第三，有助于冲击机构防空打功能的实现。

（4）盘刀切削结构和固定切削结构钻头的中心部位通常有一个内锥区域，复合钻头可在该区域设置冲击切削结构，隆起的锥形井底在冲击切削齿的冲击力作用下更容易发生体积破碎，井底中心部位的岩石破碎速度显著加快，从而促进钻头破岩效率的提高。

（5）对于盘刀切削结构和固定切削结构能够覆盖井底全部（或接近全部）径向区域的复合钻头，当冲击机构或冲击切削结构由于各种原因导致失效或效率低下时，固定切削结构仍能独立工作。复合钻头的该特点优于常规的冲旋钻头。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，复合钻头不包含冲击机构，具有2个固定刀翼，1套冲击切削单元和1个盘刀。

图2是图1所示的复合钻头从切削结构端向接头端看时的视图（即俯视图）。

图3是对图1所示的复合钻头做部分剖切后的冲击切削结构剖视示意图。

图4是对图1所示复合钻头的分解示意图（为表明安装关系，对钻头体1从中部进行了横向剖分）。

图5是本发明的砧体与钻头体之间设置了砧体扶正套的结构原理示意图，扶正套对砧体起扶正定位的作用。

图6是本发明砧体无扶正套时的扶正定位原理示意图（砧体323与钻头体1的内孔孔壁相接触，形成间隙配合，实现砧体的扶正定位）。

图7是冲击切削齿布置在钻头半径三分之一以外区域时的复合钻头径向覆盖布齿图。

图8是冲击切削齿布置在钻头半径二分之一以外区域时的复合钻头径向覆盖布齿图。

图9是冲击切削齿布置在钻头半径三分之二以外区域时的复合钻头径向覆盖布齿图。

图10是冲击切削齿布置在钻头半径三分之一以内区域时的复合钻头径向覆盖布齿图。

图11是冲击切削齿布置在除钻头中心和规径等小部分区域以外的整个径向范围时的复合钻头径向覆盖布齿图。

图12是图1所示结构的传力机构原理示意图，在该传力机构中，冲头与传力杆固定连接，传力杆与砧体形成滑动联接（滑动副）。

图13是本发明的一种传力机构的原理示意图，在该传力机构中，冲击切削单元中有2个传力杆，其中一个传力杆（一）与冲头固定连接（或为一体式结构），另一个传力杆（二）与砧体通过铰链相连接（形成转动副），2个传力杆之间也通过铰链相连接（形成转动副）。

图14是本发明的一种传力机构的原理示意图，在该传力机构中，冲头与传力杆固定连接，传力杆与砧体通过铰链连接，传力杆与钻头体之间设置有摆动滑块，摆动滑块与传力杆铰接，摆动滑块与钻头体滑动连接，即传力杆与钻头体之间通过摆动滑块形成了既允许相对滑动，又允许相对转动的连接，传力杆和冲头既可以相对钻头体滑动，也可以绕摆动滑块的转动中心转动。

图15是图14所示传力机构的传力杆与钻头体之间设置有摆动滑块，摆动滑块与传力杆铰接，摆动滑块与钻头体滑动连接时的结构示意图。

图16是本发明的一种传力机构的原理示意图，在该传力机构中，冲头与传力杆固定连接，传力杆与砧体通过铰链连接，传力杆与钻头体之间设置有摆动滑块，摆动滑块与传力杆滑动连接，摆动滑块与钻头体铰接，传力杆和冲头既可以相对钻头体滑动，也可以绕摆动滑块的转动中心转动。

图17是本发明的一种传力机构的结构示意图，在该传力机构中，传动杆与冲头固结，冲击切削结构的冲击方向平行于钻头轴线方向。

图18是本发明的冲击切削齿采用金刚石做表面加强的硬质合金齿时的示意图。

图19是包含冲击机构，且采用一体式结构时的复合钻头结构示意图。

图20是包含冲击机构，且采用分体式结构时复合钻头结构示意图。

图21是为防止冲头及传力杆转动，在传力杆与钻头体之间采用花键连接时的结构方案示意图。

图22是为防止冲头及传力杆等的脱落，在传力杆及钻头体上设有防脱落台阶时的结构方案示意图。

图23是复合钻头处于防空打位置时的结构示意图。

其中：1、钻头体，12、钻头体防脱落台阶，2、固定切削结构，21、固定切削齿，22、固定刀翼，3、冲击切削结构，31、冲击切削齿，311、硬质合金，312、金刚石加强层，32、传力机构，321、冲头，322、传力杆，323、砧体，324、扶正套，325、密封圈，328、摆动滑块，3221、传力杆（一），3222、传力杆（二），3223、传力杆防脱落台阶，33、冲击机构，331、冲锤，4、盘刀切削结构，41、盘刀切削齿，42、盘刀，5、冲击器部件，51、冲击器本体，52、冲击器冲锤，6、切削结构部件，61、切削结构本体，71、流道，72、喷嘴。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

如图1至图4、图7、图12和图18所示，一种交叉刮切-冲击复合式钻头，包括钻头体1，钻头体1上设有固定切削结构2、盘刀切削结构4、冲击切削结构3和由流道71及喷嘴72组成的水力结构，固定切削结构2包含有固定切削齿21，盘刀切削结构4包含有盘刀切削齿41、冲击切削结构3包括传递冲击力的传力机构32以及冲击切削齿31，传力机构32包括冲头321、传力杆322和砧体323，冲击切削齿31固结在传力机构32末端的冲头321上，冲头321能在冲击力传递方向上相对于钻头体1做滑动。复合钻头不包含冲击机构，具有2个固定刀翼，1套冲击切削单元，1个盘刀。钻头体1与传力机构32之间设置有密封装置（如图3中传力杆322与钻头体1之间的密封圈325）。固定切削齿21和盘刀切削齿41分别可以为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石齿、孕镶金刚石齿。冲击切削结构3上的冲击切削齿31为硬质合金齿，或用金刚石做表面加强的硬质合金齿。聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石齿和孕镶金刚石齿均有极好耐磨性，通常应用在固定切削结构钻头上，特别是热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石齿和孕镶金刚石齿往往采用高布齿密度布置在固定切削结构钻头体上。在硬度高、塑性大、研磨性强的难钻地层中，固定切削结构钻头上往往采用高布齿密度将耐磨性好的固定切削齿（如热稳定聚晶金刚石、天然金刚石、或孕镶金刚石切削齿）布置在钻头体上。由于布齿密度高，切削齿吃入地层深度有限，固定切削齿往往难以有效刮切地层破岩，而以效率极低的研磨方式破岩钻进，所以通常热稳定聚晶金刚石、天然金刚石、或孕镶金刚石切削齿都不适合应用于刀翼式的切削结构上或盘刀切削结构上。本发明将固定切削结构、盘刀切削结构与冲击切削结构相结合，固定切削结构2上的切削齿以同心圆的刮切轨迹切削破岩，盘刀切削结构4上的切削齿以类似螺旋线的方式从外向内（或从内向外）刮切破岩，两种刮切轨迹相互交叉在井底形成网状的破碎带。冲击切削机构3以冲击破岩的方式在井底冲击出破碎坑，使井底变得凹凸不平，这使固定切削结构2和盘刀切削结构4上的切削齿更易于吃入地层形成有效刮切，能明显提高固定切削齿21和盘刀切削齿41吃入地层的深度。因此，在硬度高、塑性大、研磨性强的难钻地层中，三种切削结构的复合，使固定切削齿21和盘刀切削齿41更易于吃入地层形成有效刮切，从而使得耐磨性强的切削齿能较好地用在固定切削结构（如刀翼式固定切削结构）和盘刀切削结构上，并易于上述难钻地层。冲击切削齿31的齿形可以是锥球齿、楔形齿、球形齿、边楔齿以及勺形齿，也可以是具有良好冲击破岩效果的其它形状的牙齿。如图18所示，冲头321上的冲击切削齿31采用金刚石做表面加强的硬质合金齿。冲击切削结构3的冲击切削齿31可以布置在固定切削结构2和盘刀切削结构4的径向覆盖范围之内，也可独立布置（不与固定切削结构2和盘刀切削结构4切削齿的径向覆盖范围相重叠），或部分独立布置。作为优选，冲击切削齿31与固定切削齿21和（或）盘刀切削齿41在径向重叠覆盖布置，冲击切削结构3的切削齿布置在钻头半径三分之一以外的径向区域之内（如图7所示），一般，钻头心部区域破碎任务量较小且易于破碎，而心部以外区域的破碎任务量相对较大，切削齿磨损和损坏较心部要快，因此，在心部以外区域布置冲击切削齿有利于对应区域岩石的破碎，并减缓固定切削齿和盘刀切削齿的磨损。冲击切削结构3上的冲头321与传力杆322相互固结为一固定整体，传力杆322与砧体323滑动联接（机构原理图如图12所示）。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：砧体323与钻头体1之间设置有砧体扶正套324（图5所示），或砧体323上直接加工出与钻头体1内孔形成间隙配合的表面，实现砧体与钻头体间的相对滑动和扶正定位（如图6所示）。

实施例3：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：某个或每个冲击切削单元中传力杆有两个，两个传力杆的运动规律各不相同，彼此之间具有相对运动，其中一个传力杆（一）3221与冲头321固定连接，另一个传力杆（二）3222与砧体323铰接，两个传力杆之间通过铰链连接（如图13所示）。当冲头321离钻头中心较远且其冲击方向与钻头轴线夹角较大时，采用两个相互铰接的传力杆更易于实现冲击方向的转变和冲击力的传递。

实施例4：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：冲击切削结构3的冲击切削齿31布置在钻头半径二分之一以外的径向范围之内（如图8所示）。

实施例5：

本实施例与实施例4基本相同，其区别在于：冲击切削结构3的冲击切削齿31布置在钻头半径三分之二以外的径向范围之内（如图9所示）。一般，钻头半径区域上越往外部区域（特别是钻头半径三分之二以外的区域）切削齿的工作负荷越大，切削齿磨损或损坏的速度越明显快于心部区域的齿，在此区域上布置冲击切削齿能使该区域固定切削齿和盘刀切削齿破岩效率提高的同时还能降低其损坏速度，从而延长钻头切削齿的使用寿命。

实施例6：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：冲击切削结构3的冲击切削齿31布置在钻头半径三分之一以内的径向范围之内（如图10所示）。钻头的中心部位通常有一个内锥区域，在硬度高脆性大的地层中钻进时，接近钻头心部区域设置冲击切削齿，在冲击切削齿的冲击作用下更易于心部岩石的脆性破碎（即体积破碎），有利于提高钻头钻进效率。

实施例7：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：冲击切削结构3的冲击切削齿31布置在除钻头中心和规径等小部分区域以外的整个径向范围内（如图11所示）。在强度高、塑性大的难钻地层中，钻头整个径向范围内均布置有冲击切削齿，能在整个径向区域内加强钻头的破岩能力，提高整个径向范围内切削齿的破岩效率，进而提高复合钻头在此种难钻地层中的破岩效率。

实施例8：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：冲头321与传力杆322固定连接，传力杆322与砧体323铰链连接，传力杆322与钻头体1之间设置有摆动滑块328，摆动滑块328与传力杆322铰接，摆动滑块328与钻头体1滑动连接（如图14和图15所示），即传力杆322与钻头体1之间通过摆动滑328块形成了既允许相对滑动，又允许相对转动的连接，传力杆322和冲头321既可以相对钻头体1滑动，也可以绕摆动滑块328的转动中心转动。当冲头321的冲击方向与钻头轴向夹角较大时，摆动滑块328的引入能使冲击力的传递更顺畅。

实施例9：

本实施例与实施例8基本相同，其区别在于：如图16所示，摆动滑块328与传力杆322滑动连接，摆动滑块328与钻头体1铰接，传力杆322和冲头321既可以相对钻头体1滑动，也可以绕摆动滑块328的转动中心转动。本实施例的效果与实施例8基本相同。

实施例10：

在本实施例中，所述冲击切削结构的冲击方向平行于钻头轴线方向。如图17所示，在此条件下，传动机构32无需复杂结构，只需传力杆322固结冲头321即可。其他技术方案本领域技术人员可在可行前提下从说明书技术方案内或其他实施例中自由组合。

实施例11：

本实施例与上述实施例基本相同，其区别在于：复合钻头包含冲击机构33，冲击机构33与钻头体为一体式结构（如图19所示）。钻头工作时冲击机构33所产生的冲击力通过冲击机构33上的冲锤331作用在传力机构32的砧体323上。一体式结构使复合钻头内部结构更紧凑、可靠性更高。

实施例12：

本实施例与实施例11基本相同，其区别在于：钻头体1采用分体式结构，由设有冲击机构的冲击器本体51和设有固定切削结构2、盘刀切削结构4和冲击切削结构3的切削结构本体61连接而成，冲击机构安装在冲击器本体51的中空部位形成冲击器部件5，固定切削结构2、盘刀切削结构4、冲击切削结构3和切削结构本体61构成切削结构部件6（如图20所示）。钻头工作时冲击器部件5所产生的冲击力通过冲击机构的上的冲锤52作用在传力机构的砧体323上。采用分体式结构有利于复合钻头的制造和使用，冲击器部件和破岩工具部件可以分别制造，入井使用前再组装在一起。

实施例13：

本实施例中，为防止钻头工作时传力杆322和冲头321等的转动，在冲头321和钻头体1之间或（和）传力杆322和钻头体1之间设有防转动结构。如图21所示，传力杆322和钻头体1之间设置花键连接，以避免传力杆322和冲头321等在工作过程中绕传力杆轴转动。

实施例14：

本实施例中，为防止传力杆322和冲头321等的脱落，在冲头321和钻头体1之间或（和）传力杆322和钻头体1之间设有防脱落结构。如图22所示，在传力杆322和钻头体1上分别设置有防脱落台阶3223和12，用以避免传力杆322和冲头321等在拉拔力作用下从钻头上脱落。

实施例15：

本实施例中，为防止钻头下入过程中或上提钻头时冲锤对砧体323的锤击，复合钻头上设有防空打结构。如图23所示，当钻头未接触井底时，由于重力及循环流体内外压差的作用，冲击切削结构3中的砧体323、传力杆322、冲头321及冲击切削齿31会一起向下滑动一段距离，使冲击切削齿31突出于固定切削结构2和盘刀切削结构4的切削齿的包络轮廓面之外，此时冲击切削结构3所处的位置为防空打位置。在该位置上，冲击机构的防空打设计能使冲击机构中的冲击锤停止对砧体的锤击，以实现对冲击切削结构的空载保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交叉刮切-冲击复合式钻头，包括钻头体（1）和设置在钻头体（1）上的固定切削结构（2）、盘刀切削结构（4），所述盘刀切削结构（4）包括盘刀（42），在所述盘刀（42）上设置有盘刀切削齿（41），所述盘刀（42）的偏移角的范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：所述钻头体（1）还设置有冲击切削结构（3），冲击切削结构（3）包括传递冲击力的传力机构（32）以及冲击切削齿（31），冲击切削齿（31）固结在传力机构（32）末端的冲头（321）上，所述冲头（321）能在冲击力传递方向上相对于钻头体（1）做滑动或滑动冲击；所述传力机构（32）包括依次连接的砧体（323）、传力杆（322）和冲头（321），砧体（323）与钻头体（1）之间形成相对滑动，传力杆（322）与钻头体（1）之间形成相对滑动，或通过摆动滑块（328）形成既允许相对滑动，又允许相对转动的连接，所述冲头（321）连接在传力杆（322）的末端，或与传力杆（322）构成一个整体式元件；所述砧体（323）与钻头体（1）之间相对滑动的滑动方向平行于钻头中心线，所述砧体（323）与传力杆（322）构成转动连接或滑动连接，所述冲头（321）能在与钻头中心线不平行的冲击力传递方向上相对于钻头体（1）做滑动或滑动冲击。

2.根据权利要求1所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：所述钻头体（1）还设置有产生冲击力并由所述传力机构（32）传递冲击力的冲击机构（33）。

3.根据权利要求2所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：所述钻头体（1）采用分体式结构，由设有所述冲击机构的冲击器本体（51）和设有所述固定切削结构（2）、盘刀切削结构（4）和冲击切削结构（3）的切削结构本体（61）连接而成，冲击机构安装在冲击器本体（51）的中空部位。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：钻头半径三分之一以外的径向区域内布置有所述冲击切削齿（31）。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：钻头半径二分之一以外的径向区域内布置有所述冲击切削齿（31）。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：钻头半径三分之二以外的径向区域内布置有所述冲击切削齿（31）。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：钻头半径三分之一以内的径向区域内布置有所述冲击切削齿（31）。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：在同一个冲击切削单元中，传力杆的数量为一个或多于一个，当传力杆的数量多于一个时，各传力杆相互串行连接，其中彼此具有相对运动的相邻传力杆之间通过铰链连接。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种交叉刮切-冲击复合式钻头，其特征在于：所述固定切削结构（2）上的固定切削齿（21）、盘刀切削结构（4）上的盘刀切削齿（41）分别为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、天然金刚石或孕镶金刚石切削齿，冲击切削结构（3）上的冲击切削齿（31）为硬质合金齿，或用金刚石做表面加强的硬质合金齿。