CN106869802B - 一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头 - Google Patents

Abstract

一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头，其特征在于，包括滚动破岩部件和能够沿Z轴旋转的固定破岩部件，所述固定破岩部件上设置有凹部，所述滚动破岩部件以能够相对所述固定破岩部件枢转的方式设置在所述凹部内，该枢转轴为X，X与Z相交；一种长寿命复合钻头，包括本体，所述本体上设置有至少一个复合破岩机构。这样的结构使牙轮的壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故；取消轴承的轴向锁定装置，轴承系统的承载能力将大大增加，延长轴承系统寿命，能够降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制从而提高延长钻头的使用寿命。

Description

一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头

技术领域

本发明涉及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、水文及非开挖技术领域，具体涉及一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比）均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。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）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。

美国贝克休斯公司提出的牙轮—PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的。当混合钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果。

在现有的牙轮—PDC混合钻头中，牙轮体是安装在独立的牙掌上，其轴承为单支承结构，轴承的轴颈一端固接在钻头体的牙掌上，另一端为自由端，即轴颈为单端固定的悬臂梁结构，牙轮套装在牙掌的轴颈上与钻头体形成转动连接。为防止钻头工作时牙轮轴向窜动和脱落，在轴颈和牙轮体之间设置有轴向锁定装置（如滚珠锁定装置），轴向锁定装置需在轴颈和牙轮体内加工环形槽，环形槽的存在影响了轴颈和牙轮的强度和轴承耐磨能力，减短了轴承的使用寿命；其二，即使在轴承结构中设置牙轮的轴向锁定装置，仍然存在因轴向锁定装置失效而导致牙轮脱落的可能，牙轮脱落事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响；其三为了保证牙轮切削结构的强度，其牙轮的轴承结构和牙轮体本身体积太大，占据钻头宝贵的布齿空间；其四为了保证牙轮轴承的强度就需要加大轴承的尺寸，就相应降低牙轮壳体的厚度，从而容易导致牙轮壳体的开裂，牙齿的固齿强度不够等情况的发生。上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用；并且，目前钻头扭矩过大、减小钻头横向、轴向、扭转振动，钻头工具面不易控制，从而引发钻头蹩钻、断刀翼、振动会让切削齿提前失效等问题。

综上所述，目前牙轮—PDC混合钻头存在牙轮轴承寿命短、牙轮壳体容易开裂、牙轮占据的空间过大以及牙轮仍然存在掉落的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对牙轮—PDC混合钻头存在牙轮轴承寿命短、牙轮壳体容易开裂、牙轮占据的空间过大以及牙轮仍然存在掉落的问题，提供一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合破岩机构，包括滚动破岩部件和能够沿Z轴旋转的固定破岩部件，所述固定破岩部件上设置有凹部，所述滚动破岩部件以能够相对所述固定破岩部件枢转的方式设置在所述凹部内，该枢转轴为X，X与Z相交。

作为优选，所述复合破岩机构还包括轴件，所述轴件的两端分别设置在所述凹部的两侧壁上，所述轴件与所述滚动破岩部件配合，使所述轴件的轴线形成所述滚动破岩部件的枢转轴线X。

作为优选，所述复合破岩机构包括至少两个所述滚动破岩部件，每个所述滚动破岩部件与Z轴的距离和其他滚动破岩部件与Z轴的距离均不相等。

作为优选，所述滚动破岩部件包括轮体和沿所述轮体的圆周方向布置的破岩部。

作为优选，所述轮体的厚度D与所述破岩部在所述轮体厚度方向的尺寸d之比1.1≤D/d≤2。

作为优选，两个所述破岩部与所述轮体侧面的距离不相等。

本申请还公开了一种长寿命复合钻头，包括本体，所述本体上设置有权利要求1-6任意一项所述的复合破岩机构。

作为优选，所述长寿命复合钻头包括至少两个所述复合破岩机构，每个复合破岩机构上设置有一个所述滚动破岩部件，一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件与另一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件相对于Z轴的距离不相等。

作为优选，所述本体上还设置有所述固定破岩部件。

作为优选，所述本体上还设置有牙轮。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请的有益效果是：由于滚动破岩部件布置在固定破岩部件上，因此滚动破岩部件的尺寸相比于常规牙轮要小许多，因而壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故；滚动破岩部件布置在固定破岩部件的凹部内，两侧面均与凹部的内壁接触，从而没有轴向锁定装置，轴承系统的承载能力将大大增加，延长轴承系统寿命，轴承在受力均匀的情况下能明显提升轴承的密封能力，从而提高延长钻头的使用寿命；并且，依靠凹部的内壁能对滚动破岩部件体起到轴向止推和限位的作用，这样能显著减小滚动破岩部件掉落的风险，从而降低井下事故发生的概率；由于滚动破岩部件可以设置的很小，不再以破岩为目的，而能够降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制；将滚动破岩部件设置在固定破岩部件上的凹部内，就不需要在设置独立的滚动破岩结构，例如再独立的设置牙轮，从而节约钻头上宝贵的布齿空间。

附图说明

图1为本申请复合破岩机构的结构示意图；

图2为本申请长寿命复合钻头的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本申请长寿命复合钻头的布齿包络结构图；

图5为区别于图1的本申请复合破岩机构的另一种结构示意图；

图中标记：1-本体、21-固定破岩结构、22-PDC齿、23-刀翼轮廓线、3-滚动破岩结构、31-轮体、32-破岩部、33-轴件、4-喷嘴或水眼、5-密封圈、6-凹部、7-岩石。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种复合破岩机构，包括滚动破岩部件和能够沿Z轴旋转的固定破岩部件，固定破岩部件也就是与钻杆固定连接的用于破碎岩石的部件，如PDC刀翼、金刚石钻头或空气锤钻头等，滚动破岩部件即是能够相对固定破岩部件旋转并在固定破岩部件带动下相对岩石滚动，进行滚动破岩，滚动破岩部件可以牙轮，也可以是把牙轮上的牙齿更换为PDC切削齿的新型部件，也可以是轮上设置有金刚石颗粒的新型部件，所述固定破岩部件上设置有凹部，所述滚动破岩部件以能够相对所述固定破岩部件枢转的方式设置在所述凹部内，该枢转轴为X，X与Z相交O点，如图1所示，如此，当固定破岩部件沿Z轴旋转破岩时，滚动破岩部件在固定破岩部件与岩石的作用下旋转并相对岩石滚动进而形成纯滚动破岩，滚动部件不会出现理论上的滑移破岩的情况下，受力情况更好，并且由于滚动破岩部件布置在固定破岩部件上，因此滚动破岩部件的尺寸相比于常规牙轮要小许多，因而壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故；滚动破岩部件布置在固定破岩部件的凹部内，两侧面均与凹部的内壁接触，从而没有轴向锁定装置，轴承系统的承载能力将大大增加，延长轴承系统寿命，轴承在受力均匀的情况下能明显提升轴承的密封能力，从而提高延长钻头的使用寿命；并且，依靠凹部的内壁能对滚动破岩部件体起到轴向止推和限位的作用，这样能显著减小滚动破岩部件掉落的风险，从而降低井下事故发生的概率；由于滚动破岩部件可以设置的很小，不再以破岩为目的，而能够降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制；将滚动破岩部件设置在固定破岩部件上的凹部内，就不需要在设置独立的滚动破岩结构，例如再独立的设置牙轮，从而节约钻头上宝贵的布齿空间。

复合破岩机构还包括轴件，如图4所示，所述轴件的两端分别设置在所述凹部的两侧壁上，所述轴件与所述滚动破岩部件配合，使所述轴件的轴线形成所述滚动破岩部件的枢转轴线X，从而摩擦面积更大，寿命更长。

复合破岩机构包括至少两个所述滚动破岩部件，如图5所示，每个所述滚动破岩部件与Z轴的距离和其他滚动破岩部件与Z轴的距离均不相等，因此一个固定破岩部件上设置有至少两个滚动破岩部件，并且与钻头轴线Z轴的距离不相等，从而能够形成多个破岩坑环，同时能够进一步能够降低钻头的扭矩，进一步减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制。

如图1-5所示，所述滚动破岩部件包括轮体和沿所述轮体的圆周方向布置的破岩部，破岩部固定设置在轮体上，可以采用胀接的方式将破岩部布置在轮体上，也可以采用焊接的方式，结构简单，稳定可靠。具体的，破岩部可以是常规牙轮钻头上的牙齿，也可以是PDC齿，也可以是细小的金刚石颗粒组成的层，金刚石颗粒粒径0.1mm-3mm；图1-5中的破岩部均是牙齿。

所述轮体的厚度D与所述破岩部在所述轮体厚度方向的尺寸d之比1.1≤D/d≤2，如图4所示，如此，轮体比较小，整体的质量小，因而壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故；由于滚动破岩部件可以设置的较小，不再以破岩为目的，而能够降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制。

如图3，两个所述破岩部与所述轮体侧面的距离不相等，也就是轮体上布置有两圈破岩部，能够形成两个破岩坑环，进一步降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制；同时，也能够提高破岩效率。

实施例2

如图2和3所示，一种长寿命复合钻头，包括本体，所述本体上设置有上述复合破岩机构，因此，具有复合破岩机构的上述效果。

进一步的，长寿命复合钻头包括至少两个所述复合破岩机构，如图2和3所示，每个复合破岩机构上设置有一个所述滚动破岩部件，一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件与另一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件相对于Z轴的距离不相等，能够形成两个破岩坑环，进一步降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制；同时，也能够提高破岩效率。

进一步的，所述本体上还设置有所述固定破岩部件，如图2和3所示，该固定破岩部件为PDC刀翼，如此，破岩效率更高，寿命更长，且能够进一步降低钻头的扭矩、减小钻头横向、轴向、扭转振动，使得钻头工具面更加容易控制。

进一步的，所述本体上还设置有牙轮，具体的，在常规PDC-牙轮复合钻头上的PDC刀翼更换为上述复合破岩机构，如此，破岩效率更高，寿命更长。

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)

1.一种复合破岩机构，其特征在于，包括滚动破岩部件和能够沿Z轴旋转的固定破岩部件，所述固定破岩部件上设置有凹部，所述滚动破岩部件以能够相对所述固定破岩部件枢转的方式设置在所述凹部内，该枢转轴为X，X与Z相交，当固定破岩部件沿Z轴旋转破岩时，滚动破岩部件在固定破岩部件与岩石的作用下旋转并相对岩石滚动进而形成纯滚动破岩，滚动部件不会出现理论上的滑移破岩的情况下，受力情况更好，且滚动破岩部件两侧面均与凹部的内侧接触。

2.根据权利要求1所述的破岩机构，其特征在于，包括至少两个所述滚动破岩部件，每个所述滚动破岩部件与Z轴的距离和其他滚动破岩部件与Z轴的距离均不相等。

3.根据权利要求1或2所述的破岩机构，其特征在于，所述滚动破岩部件包括轮体和沿所述轮体的圆周方向布置的破岩部。

4.根据权利要求3所述的破岩机构，其特征在于，所述轮体的厚度D与所述破岩部在所述轮体厚度方向的尺寸d之比1.1≤D/d≤2。

5.根据权利要求3所述的破岩机构，其特征在于，两个所述破岩部与所述轮体侧面的距离不相等。

6.一种长寿命复合钻头，包括本体，其特征在于，所述本体上设置有权利要求1-5任意一项所述的复合破岩机构。

7.根据权利要求6所述的复合钻头，其特征在于，包括至少两个所述复合破岩机构，每个复合破岩机构上设置有一个所述滚动破岩部件，一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件与另一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件相对于Z轴的距离不相等。

8.根据权利要求6所述的复合钻头，其特征在于，所述本体上还设置有所述固定破岩部件。

9.根据权利要求6所述的复合钻头，其特征在于，所述本体上还设置有牙轮。