CN102900371A - 一种冲击旋切复合破岩工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击旋切复合破岩工具，包括与冲击器的壳体(51)连接的旋转钻头(1)，旋转钻头(1)的一端为钻头工作端(11)另一端为钻头连接端(12)，旋转钻头(1)内设有冲击钎头(2)，冲击钎头(2)穿过旋转钻头(1)的中心并能够沿着旋转钻头(1)的轴线方向往复运动，冲击钎头(2)为柱状，冲击器的锤头(52)能够推动冲击钎头(2)并使冲击钎头的工作端(21)从钻头工作端(11)穿出，在垂直于旋转钻头(1)轴线的平面上，冲击钎头的工作端(21)的投影面积为钻头工作端(11)的投影面积的4％～10％。在钻头的工作端，由于冲击钎头所占的面积较小，旋转钻头所占的面积较大，不但有利于集中能量冲击岩层，还提高了旋转钻头的强度，这样既延长旋转钻头的使用寿命又提高了破岩效率。

Description

一种冲击旋切复合破岩工具

技术领域

本发明涉及钻探设备技术领域，特别是一种石油钻探中使用的冲击旋切复合破岩工具。

背景技术

在石油天然气钻井中，当钻头遇到硬地层时会出现“打滑”现象而难以破碎岩石，导致钻进效率低，钻头寿命短，钻井时间及钻井成本大幅增加。为改变这一缺陷，中国专利CN 102251743A，在2011年11月23日公开了《一种冲击回转钻进方法》，该方法采用了将钻头与冲击器相结合的手段，使钻头在旋转钻进的同时还能够对岩层进行锤击，提高了钻井效率。

但是上述方法在使用时由于钻头同时进行冲击和旋切作业，因而钻头受到的作用力较大，导致了钻头切刀过度磨损，使用寿命短。为了解决这一问题，中国专利CN 1556892A，在2004年12月22日公开了一种《冲击钻头》，其中将钻头设置成由独立的一旋转体和一冲击体组成，旋转体只用于旋切岩层，冲击体只用于冲击岩层，该技术虽然能够在一定程度上解决钻头过度磨损的问题，但是也存在以下缺点：1、冲击体与岩层相接触的工作端的面积过大，而冲击器提供的单次冲击功有限，不能将冲击的能量集中用于破岩，因而冲击破岩效率低，尤其是遇到硬塑性岩石时破岩非常困难，2、由于冲击体工作端的面积过大，在钻头与岩层相接触的工作端面积一定的情况下，冲击体工作端的面积较大，旋转体工作端的面积就会相对较小，这样就导致了旋转体的强度较低，旋转体的旋切能力不足，容易被磨损破坏，3、在冲击体与岩层相接触破岩时，旋转体与冲击体相冲突，旋转体会突然停止旋转，这就阻碍了旋转体的正常旋转切削，从而导致了旋转体所受的扭矩变化波动过大，使旋转体容易疲劳破坏。

发明内容

为了解决现有技术中钻头的冲击体破岩效率低旋转体容易磨损的技术问题，本发明提供了一种冲击旋切复合破岩工具，由于该破岩工具的冲击钎头在钻头工作端所占的面积较小，不但能够将能量集中用于破岩，还可以减小钻头的磨损，延长钻头的使用寿命。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种冲击旋切复合破岩工具，包括与冲击器的壳体连接的旋转钻头，旋转钻头的一端为钻头工作端另一端为钻头连接端，旋转钻头内设有冲击钎头，冲击钎头穿过旋转钻头的中心并能够沿着旋转钻头的轴线方向往复运动，冲击钎头为柱状，冲击器的锤头能够推动冲击钎头并使冲击钎头的工作端从钻头工作端穿出，在垂直于旋转钻头轴线的平面上，冲击钎头的工作端的投影面积为钻头工作端的投影面积的4％～10％。

工作过程中，旋转钻头与冲击器的壳体连接并做旋转运动，冲击器的锤头能够锤击冲击钎头用于破岩。由于冲击钎头为柱状而且其在钻头工作端所占的面积较小，所以能够集中能量对井底中心的岩石进行冲击破坏，然后旋转钻头旋转对已发生冲击破坏的岩石进行切削。在钻头的工作端，由于冲击钎头所占的面积较小，旋转钻头所占的面积较大，不但有利于集中能量冲击岩层，还提高了旋转钻头的强度，这样既延长旋转钻头的使用寿命又提高了破岩效率。

优选冲击钎头与冲击器的锤头为断开式设置。

优选冲击钎头为圆柱状，冲击钎头与旋转钻头通过键连接。

优选在冲击器的锤头腔中设置有限位装置，限位装置的外壁与冲击器的壳体内壁对应连接，限位装置的一端与钻头连接端相邻，冲击钎头的末端通过限位装置的中心孔从限位装置的另一端穿出，限位装置的中心孔的半径小于键的上表面到冲击钎头的轴线的距离。

优选在限位装置与钻头连接端相邻的一端，限位装置的中心孔的圆周方向设置有用于容纳键的扩径部。

优选旋转钻头内设置有连通钻头连接端和钻头工作端的主水眼，在限位装置内，限位装置的侧壁中设置有贯穿限位装置两端的流体通道，主水眼与流体通道连通。

优选在限位装置与钻头连接端相邻的一端，沿限位装置的中心孔的圆周方向设置有环形凹槽，主水眼和流体通道通过环形凹槽连通。

优选在旋转钻头内，钻头工作端一侧设置有连通钻头工作端和主水眼的多个分水眼，分水眼在钻头工作端上的出水口分别设置在旋转钻头的内侧边缘和外侧边缘。

优选冲击钎头的末端形成锥形的砧头，砧头的顶部朝向冲击钎头的工作端，砧头的底部朝向冲击器的锤头。

优选在钻头工作端上设置有切削刃，在冲击钎头的工作端上设置有圆柱齿。

本发明的有益效果是：由于该破岩工具的冲击钎头在钻头工作端所占的面积较小，不但能够将能量集中用于破岩，还提高了旋转钻头的强度，延长了冲击旋切复合破岩工具的使用寿命。另外，在遇到较软地层时，由于将冲击和旋切相结合，可以在不起钻的前提下直接进行钻进作业，既提高了破岩效率又扩大了使用范围。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的冲击旋切复合破岩工具作进一步详细的描述。

图1是本发明所述一种冲击旋切复合破岩工具的主视图。

图2是图1中A-A方向的剖视示意图。

图3是图1中B-B方向的剖视示意图。

图4是本发明所述一种冲击旋切复合破岩工具中限位装置部位的局部放大示意图。

图5是冲击器的锤头锤击冲击钎头后的示意图。

其中1.旋转钻头，11.钻头工作端，12.钻头连接端，13.主水眼，14.分水眼，15.切削刃，16.切削齿，2.冲击钎头，21.冲击钎头的工作端，22.冲击钎头的末端，23.砧头，24.圆柱齿，3.键，31.键的上表面，4.限位装置，41.限位装置的外壁，42.限位装置的中心孔，43.扩径部，44.台阶，45.流体通道，46.环形凹槽，5.冲击器，51.冲击器的壳体，52.冲击器的锤头，53.冲击器的壳体内壁，54.冲击器的锤头腔，6.弹性垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的冲击旋切复合破岩工具详细说明。一种冲击旋切复合破岩工具，包括与冲击器的壳体51连接的旋转钻头1，旋转钻头1的一端为钻头工作端11另一端为钻头连接端12，旋转钻头1内设有冲击钎头2，冲击钎头2穿过旋转钻头1的中心并能够沿着旋转钻头1的轴线方向往复运动，冲击钎头2为柱状，冲击器的锤头52能够推动冲击钎头2并使冲击钎头的工作端21从钻头工作端11穿出，在垂直于旋转钻头1轴线的平面上，冲击钎头的工作端21的投影面积为钻头工作端11的投影面积的4％～10％，如图1、图2所示。

工作过程中，旋转钻头1与冲击器的壳体51连接并做旋转运动，冲击器的锤头能够锤击冲击钎头用于破岩。冲击钎头2为柱状，在垂直于旋转钻头1轴线的平面上，冲击钎头的工作端21的投影面积为钻头工作端11的投影面积的4％～10％，即图1中央小圆所示的冲击钎头的工作端21的面积是图1中外部大圆所示的钻头工作端11面积的4％～10％。由于冲击钎头2为柱状而且其在钻头工作端11所占的面积较小，所以能够集中能量对井底中心的岩石进行冲击破坏，然后旋转钻头1旋转对已发生冲击破坏的岩石进行切削。在钻头的工作端11，由于冲击钎头1所占的面积较小，其余全部为旋转钻头，不但有利于集中能量冲击岩层，还提高了旋转钻头的强度，这样既延长了旋转钻头的使用寿命又提高了破岩效率。另外，在遇到较软地层时，由于将冲击和旋切相结合，可以在不起钻的前提下直接进行钻进作业，既提高了破岩效率又扩大了使用范围。冲击器可以选择电动冲击器或液动冲击器。

现有技术中，冲击钎头2与冲击器的锤头52为固定连接在一起，即冲击器的锤头52与冲击钎头2能够一起进行如图2中从左向右的冲击行程和从右向左的返回行程，其中冲击行程是做有用功，而返回行程则属于无用功。为了提高冲击破岩的效率，钻头连接端12与冲击器的壳体51连接，冲击钎头2与冲击器的锤头52为断开式设置，即冲击钎头2与冲击器的锤头52之间没有固定的连接，初始状态下，冲击钎头2与冲击器的锤头52之间有一定的间距，只有在冲击行程时，冲击器的锤头52才会与冲击钎头2相接触，如图2所示。这样在返回行程时，冲击器的锤头52独自返回，节省了将冲击钎头2拉回的无用功。

现有技术中冲击钎头在与岩石相接触时，冲击钎头与岩石相对静止，此时钻头也会出现旋转停顿，即冲击钎头冲击时旋转钻头不能旋转，旋转转头旋转时冲击钎头不能冲击，会出现滞塞现象。为了避免旋转钻头不能连接工作，同时也为了使冲击钎头2在工作的过程中受力均匀，延长冲击钎头2的使用寿命，冲击钎头2为圆柱状，旋转钻头1的轴线与冲击钎头2的轴线重合。为了防止冲击钎头2插入岩层中无法拔出，冲击钎头2与钻头连接端12通过键3连接，这样在工作的过程中冲击钎头2和旋转钻头1一同转动，优选键3为花键。冲击钎头2和旋转钻头1之间的其他部位为间隙配合，这样不但可以保证冲击钎头2相对于旋转钻头1做往复运用，还可以避免岩石碎屑进入冲击钎头2和旋转钻头1之间。

当冲击钎头2与冲击器的锤头52为断开式设置时，为了避免冲击钎头2在受到反作用力后回弹可能脱离旋转钻头1，以及回弹可能撞击冲击器的锤头52。在冲击器的锤头腔54中设置有限位装置4，限位装置的外壁41与冲击器的壳体内壁53对应连接，限位装置4的一端与钻头连接端12相邻，冲击钎头的末端22通过限位装置的中心孔42从限位装置4的另一端穿出，限位装置的中心孔42的半径小于键的上表面31到冲击钎头的轴线的距离。限位装置4为圆筒形，冲击钎头的末端22露出限位装置4，限位装置的中心孔42的半径R小于键的上表面31到冲击钎头的轴线的距离A，如图4所示。冲击钎头2能够相对于限位装置4做往复运动，当冲击钎头2沿着图2中从右向左的方向回弹时，由于限位装置的中心孔42的半径R小于键的上表面31到冲击钎头的轴线的距离A，冲击钎头2上的键3运动到与图2中限位装置的中心孔42的右侧面时将被限位装置4阻挡，从而使与键3连接的冲击钎头2也不能在继续向左移动。另外，优选冲击钎头2与限位装置的中心孔42为间隙配合，这样限位装置4可以具有导向功能。

限位装置的外壁41设置有台阶44，冲击器的壳体内壁53也设置有台阶，限位装置的外壁41上的台阶44与冲击器的壳体内壁53的台阶对应连接，这样设置可以保证限位装置4相对于冲击器的壳体51在旋转钻头轴线的方向保持不动。限位装置4与钻头连接端12之间设置有弹性垫圈6，旋转钻头1与冲击器的壳体51之间为螺纹连接，限位装置4插入冲击器的壳体内壁53后，旋转钻头1旋紧，钻头连接端12挤压弹性垫圈6使限位装置4在冲击器的壳体内壁53中固定，如图2所示。

由于钻井的直径和地质条件的不同，使用时可以选择不同大小和型号的旋转钻头，如果选择的旋转钻头的尺寸较小，为了保证旋转钻头和冲击钎头之间的配合，依然需要体积较大的键，旋转钻头内的键槽深度有限，键的一部分可能会暴露在旋转钻头之外，而旋转钻头与限位装置之间的距离又较近，所以在限位装置4与钻头连接端12相邻的一端，限位装置的中心孔42的圆周方向设置有用于容纳键3的扩径部43。这样当键3的尺寸较大时能够进入扩径部43中，并且能够保证冲击钎头2与旋转钻头1之间的相对移动，不但扩大的旋转钻头的选择范围，还扩大了该冲击旋切复合破岩工具的使用范围。扩径部43在限位装置4轴线方向的长度B小于限位装置4的高度C，键3露出冲击钎头2表面的高度D小于扩径部43在限位装置4直径方向的深度E，如图4所示。另外，通过改变扩径部43在限位装置4轴线方向的长度B还可以改变冲击钎头2相对于限位装置4在限位装置4轴线方向的运动距离，参见图2和图5。

为了给旋转钻头的工作端降温及润滑，旋转钻头1内设置有连通钻头连接端12和钻头工作端11的主水眼13，在限位装置4内，限位装置的侧壁中设置有贯穿限位装置4两端的流体通道45，主水眼13与流体通道45连通。将限位装置4、弹性垫圈6和旋转钻头1安装在一起时，流体通道45和主水眼13不容易对应导通，为了保证冲击器的壳体51内的钻井液能够顺利的从流体通道45进入主水眼13，在限位装置4与钻头连接端12相邻的一端，沿限位装置的中心孔42的圆周方向设置有环形凹槽46，主水眼13和流体通道45通过环形凹槽46连通，环形凹槽46在限位装置4轴线方向的长度F小于扩径部43在限位装置4轴线方向的长度B，环形凹槽46在限位装置4直径方向的深度G小于限位装置4的半径，如图4所示。环形凹槽46相当于一个环形的空腔，这样无论旋转钻头1相对于限位装置4如何转动都能够保证流体通道45和主水眼13的连通。

由于旋转钻头的边缘和冲击钎头2的边缘更容易被磨损，所以在旋转钻头1内，钻头工作端11一侧设置有连通钻头工作端11和主水眼13的多个分水眼14，分水眼14在钻头工作端11上的出水口分别设置在旋转钻头1的内侧边缘和外侧边缘，如图3所示。将分水眼14的出水口设置在这些薄弱部位进入重点冷却润滑，更有利于延长旋转钻头1和冲击钎头2的使用寿命。

冲击钎头的末端22形成锥形的砧头23，砧头23的顶部朝向冲击钎头的工作端21，砧头23的底部朝向冲击器的锤头52。一般冲击器的锤头52的直径比冲击钎头的直径大，长期锤击容易使冲击器的锤头52因应力集中而损坏，冲击钎头的末端22形成锥形的砧头23，不但可以更好的将冲击器的锤头52的能量传导给冲击钎头2，还能延长冲击器的锤头52的使用寿命。

在钻头工作端11上设置有切削刃15，切削刃15上设置有切削齿16，在冲击钎头的工作端21上设置有圆柱齿24，圆柱齿24能够进一步将能量集中用于破岩，提高破岩效率，圆柱齿24的一端镶嵌于冲击钎头的工作端21，圆柱齿24的另一端暴露在冲击钎头的工作端21外并且为半球形。半球形可以避免应力集中，延长使用寿命，如图2所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。

Claims (10)

1.一种冲击旋切复合破岩工具，其特征在于：包括与冲击器的壳体(51)连接的旋转钻头(1)，旋转钻头(1)的一端为钻头工作端(11)另一端为钻头连接端(12)，旋转钻头(1)内设有冲击钎头(2)，冲击钎头(2)穿过旋转钻头(1)的中心并能够沿着旋转钻头(1)的轴线方向往复运动，冲击钎头(2)为柱状，冲击器的锤头(52)能够推动冲击钎头(2)并使冲击钎头的工作端(21)从钻头工作端(11)穿出，在垂直于旋转钻头(1)轴线的平面上，冲击钎头的工作端(21)的投影面积为钻头工作端(11)的投影面积的4％～10％。

2.根据权利要求1所述的破岩工具，其特征在于：冲击钎头(2)与冲击器的锤头(52)为断开式设置。

3.根据权利要求1所述的破岩工具，其特征在于：冲击钎头(2)为圆柱状，冲击钎头(2)与旋转钻头(1)通过键(3)连接。

4.根据权利要求3所述的破岩工具，其特征在于：在冲击器的锤头腔(54)中设置有限位装置(4)，限位装置的外壁(41)与冲击器的壳体内壁(53)对应连接，限位装置(4)的一端与钻头连接端(12)相邻，冲击钎头的末端(22)通过限位装置的中心孔(42)从限位装置(4)的另一端穿出，限位装置的中心孔(42)的半径小于键的上表面(31)到冲击钎头的轴线的距离。

5.根据权利要求4所述的破岩工具，其特征在于：在限位装置(4)与钻头连接端(12)相邻的一端，限位装置的中心孔(42)的圆周方向设置有用于容纳键(3)的扩径部(43)。

6.根据权利要求4所述的破岩工具，其特征在于：旋转钻头(1)内设置有连通钻头连接端(12)和钻头工作端(11)的主水眼(13)，在限位装置(4)内，限位装置的侧壁中设置有贯穿限位装置(4)两端的流体通道(45)，主水眼(13)与流体通道(45)连通。

7.根据权利要求6所述的破岩工具，其特征在于：在限位装置(4)与钻头连接端(12)相邻的一端，沿限位装置的中心孔(42)的圆周方向设置有环形凹槽(46)，主水眼(13)和流体通道(45)通过环形凹槽(46)连通。

8.根据权利要求6所述的破岩工具，其特征在于：在旋转钻头(1)内，钻头工作端(11)一侧设置有连通钻头工作端(11)和主水眼(13)的多个分水眼(14)，分水眼(14)在钻头工作端(11)上的出水口分别设置在旋转钻头(1)的内侧边缘和外侧边缘。

9.根据权利要求2所述的破岩工具，其特征在于：冲击钎头的末端(22)形成锥形的砧头(23)，砧头(23)的顶部朝向冲击钎头的工作端(21)，砧头(23)的底部朝向冲击器的锤头(52)。

10.根据权利要求1所述的破岩工具，其特征在于：在钻头工作端(11)上设置有切削刃(15)，在冲击钎头的工作端(21)上设置有圆柱齿(24)。

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