CN107701111B - 切削冲击齿、冲击钻头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削冲击齿、冲击钻头及其使用方法，所述切削冲击齿包括：沿着纵长方向延伸的齿体，所述齿体具有相对的顶端面、底面和围设在所述顶端面与底面之间的侧面，所述顶端面位置设置有球状的冲击头；所述齿体与所述冲击头的一侧设置有用于设置切削片的切削平面；所述冲击头具有顶端位置；具有预定厚度的切削片，其设置在所述切削平面上；所述切削片具有相对的顶端和底端，其中，所述切削片的顶端位于所述冲击头的预定齿高位置处，低于所述冲击头的顶端位置预定高度，所述预定高度为所述切削冲击齿的冲击高度。本申请能够有效提高冲击钻头的冲击效率及使用寿命。

Description

切削冲击齿、冲击钻头及其使用方法

技术领域

本发明涉及油气地质钻井领域，特别涉及一种切削冲击齿、冲击钻头及其使用方法。

背景技术

在油气勘探开发过程中，高效完成钻井作业至关重要，它是实现油气资源效益开发的重要保障。为了实现高效钻井，需要采用合适的钻井方式、钻井工具及钻井工艺以提高钻井进尺速度，从而可以以最快速度完成钻井作业。

在钻井方式上，目前主要有旋转切削钻井和冲击钻井两种方式。其中，旋转切削钻井是一种通过对钻头施加钻压以吃入或压碎地层实现破碎岩石的钻井方式。切削钻进钻头的高速旋转对地层产生的刮削作用有利于钻井效率的提高，因此，其通常适用于较软或中硬地层。而冲击钻井是一种通过冲击发生装置产生对地层施加冲击力实现对岩石的体积破碎的钻井方式。通常冲击钻井可提高坚硬地层的钻井效率。冲击钻井中冲击发生装置有：应用于气体钻井介质的空气锤、应用于泡沫钻井介质的泡沫锤、应用于液体钻井介质的液动锤。其中，空气锤和泡沫锤主要适用于井壁稳定性较好，所钻井段无地层液体的井段中。相比之下，液动锤适用大多数的井段，其适用范围较宽。但由于液体钻井介质中，钻井液对井底的压持效应相比气体和泡沫介质大，破解岩石所需的冲击力较大，这会导致液动冲击钻井实际提速效率相比气体和泡沫介质低。

为了解决液动锤冲击破岩效率低的问题，现有技术中多采用以下技术措施：

方式一：改进液动冲击器机械结构，提高液动锤的单次冲击功及冲击功率，实现高效破岩。但受井下空间限制、液体粘滞效应的影响，实际冲击功率提高幅度有限。

方式二：采用以旋转切削破岩为主，冲击破岩为辅的破岩方式。例如，在冲击发生装置前端将冲击钻头该安装成传统的牙轮钻头或PDC钻头。该种方式下采用传统的切削钻头，从本质上看仍旧以旋转切削为主，冲击破岩只起辅助作用。在现场应用中虽有一定的效果，但平均提速幅度不超过50％。

综上所述，现有技术中亟需一种能够有效提高冲击钻头冲击效率及使用寿命的技术。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施方式所要解决的技术问题是提供了一种切削冲击齿、冲击钻头及其使用方法，其能够有效提高冲击钻头的冲击效率及使用寿命。

本发明实施方式的具体技术方案是：

一种切削冲击齿，所述切削冲击齿包括：

沿着纵长方向延伸的齿体，所述齿体具有相对的顶端面、底面和围设在所述顶端面与底面之间的侧面，所述顶端面位置设置有球状的冲击头；所述齿体与所述冲击头的一侧设置有用于设置切削片的切削平面；所述冲击头具有顶端位置；所述齿体整体呈圆柱体，所述切削平面为在所述切削冲击齿的一侧沿着所述切削平面去除预定大小的切除体后形成，所述切除体的最大厚度在所述圆柱体的直径的1/6至1/3之间，所述预定高度由所述切除体切除后获得；

具有预定厚度的切削片，其设置在所述切削平面上；所述切削片具有相对的顶端和底端，其中，所述切削片的顶端位于所述冲击头的预定齿高位置处，低于所述冲击头的顶端位置预定高度，所述预定高度为所述切削冲击齿的冲击高度。

在一种优选的实施方式中，所述切削片为聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片通过焊接或粉末冶金方式的方式设置在所述切削平面上。

在一种优选的实施方式中，所述齿体的直径在10毫米至40毫米之间，所述齿体的高度在8毫米至50毫米之间，所述齿体的高度与所述齿体的直径的比值在1.5至3之间。

在一种优选的实施方式中，所述齿体的材料为碳钢或硬质合金钢，所述冲击头由硬质合金制成。

在一种优选的实施方式中，所述冲击头具有与所述齿体的顶端面配合的圆端面以及围设在所述圆端面上的冲击面，所述圆端面的直径与所述齿体的直径相等，所述冲击面整体呈圆球面或圆锥面。

在一种优选的实施方式中，所述冲击头为圆锥面，所述圆锥面的锥角在80度至120度之间，所述圆锥面的锥顶为圆滑面或近似圆滑面，所述圆滑面的球体直径为4毫米至8毫米。

一种冲击钻头，所述冲击钻头包括：

钻头本体，所述钻头本体的端面上开设有多个凹槽；

如上述任一所述的切削冲击齿，所述切削冲击齿通过过盈配合的方式设置在所述凹槽中。

在一种优选的实施方式中，所述钻头本体呈圆柱形，其包括设置所述冲击齿的圆端面，所述冲击齿的外圆周的中心点与所述圆端面的中心点的连线与所述切削片的平面相平行。

在一种优选的实施方式中，所述冲击齿在所述圆端面上具有预定的出露高度，所述出露高度在齿体的直径的0.55至2倍之间。

一种冲击钻头的使用方法，所述冲击钻头设置有上述的切削冲击齿，所述使用方法包括：

控制冲击钻头以第一转速旋转，进行冲击破岩；

监测所述冲击齿的冲击磨损量，当所述冲击磨损量大于所述预定高度时，控制冲击钻头以第二转速旋转，进行旋转切削破岩，所述第二转速大于所述第一转速。

在一种优选的实施方式中，所述冲击钻头的冲击功率与所述预定高度呈正比。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：本申请所提供的冲击齿，在齿体和冲击头的一侧设置切削平面，并在切除平面上设置切削片，所述切削片的顶端低于所述冲击头的顶端位置预定高度L2。使用时，在冲击头在未磨损情况下，先利用冲击头进行冲击破岩，此时冲击头与岩石成点接触或线接触状态，冲击作用时能产生较大的冲击应力，破岩效率较高。当冲击头磨损量大于L2时，其点或线接触变为面接触，此时切削片可在钻压条件下吃入地层，产生切削作用，从而辅助冲击作用破碎岩石，提高冲击钻头的破岩效率，同时切削片产生切削作用延迟了冲击头的进一步磨损，从而提高新型冲击钻头的使用寿命。

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

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。

图1为本申请实施方式中切削冲击齿的正视图；

图2为本申请实施方式中切削冲击齿的侧视图；

图3为本申请实施方式中切削冲击齿的俯视图；

图4为本申请实施方式中冲击钻头的正视图；

图5为本申请实施方式中冲击钻头的俯视图。

具体实施方式

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。

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。

本申请的发明人发现现有技术中上述多种改进措施中均未能到达较好的即能够有效提高冲击钻头的冲击效率又能提高冲击钻头的使用寿命在于，目前现有技术中缺少一种以冲击为主，旋转切削为辅的切削冲击齿。因此，为了进一步提高液动锤的冲击效率及冲击钻头的使用寿命，在本申请中提出了一种兼具切削功能、能以冲击为主、切削为辅的切削冲击齿，图1为本申请实施方式中切削冲击齿的正视图，图2为本申请实施方式中切削冲击齿的侧视图，图3为本申请实施方式中切削冲击齿的俯视图。

如图1至图3所示，本申请中的切削冲击齿6可以包括：沿着纵长方向延伸的齿体1，所述齿体1具有相对的顶端面11、底面14和围设在所述顶端面11与底面14之间的侧面13，所述顶端面11位置设置有球状的冲击头3；所述齿体1与所述冲击头3的一侧设置有用于设置切削片2的切削平面12；所述冲击头3具有顶端位置；具有预定厚度的切削片2，其设置在所述切削平面12上；所述切削片2具有相对的顶端和底端，其中，所述切削片的顶端位于所述冲击头3的预定齿高位置处，低于所述冲击头的顶端位置预定高度L2，所述预定高度L2为所述切削冲击齿6的冲击高度。

在本实施方式中，所述齿体1整体呈圆柱体，所述切削平面12为在所述切削冲击齿6的一侧沿着所述切削平面12去除预定大小的切除体4后形成。所述切除体4的最大厚度在所述齿体1圆柱体的直径的1/6至1/3之间，所述预定高度L2由所述切除体4切除后获得。

在本实施方式中，所述预定高度L2为所述冲击齿6的磨损量，该磨损量的大小可以根据冲击齿6所具体应用的实际环境决定。例如，当冲击齿6对应的冲击钻头7的冲击功率要求较大时，该预定高度L2可以适应性得较高；当冲击齿6对应的冲击钻头7的冲击功率要求较小时，该预定高度可以适应性得较低。整体上，该预定高度L2可以与冲击功率成正比，从而保证在钻进过程中获得理想的破岩效果。当所述预定高度确定后，可以根据所述预定高度L2确定所述切除体4的大小。一般的，所述切除体4的最大厚度在所述圆柱体的直径的1/6至1/3之间。当切除体4的厚度L4大于齿体1直径R的1/6，但小于齿体1直径R的1/3，以保证冲击头3顶端的出露量比切削片2的出露量大L2，以保证冲击齿6在工作期主要以冲击为主，当发生顶部冲击头3磨损后，切削片2开始以旋转切削的方式切削地层，保证较高的钻井效率。

在本实施方式中，所述切削片2可以为聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片通过焊接或粉末冶金方式的方式设置在所述切削平面12上。当然，所述切削片2还可以为其较强硬度的材料制成，具体的本申请在此并不作具体的限定。聚晶金刚石复合片可以为具有预设厚度的片状结构，该预设厚度一般在1mm至5mm即可满足要求，其既可以满足冲击钻头7齿在旋转切削时聚晶金刚石复合片起到的切削目的，同时又能够节约聚晶金刚石复合片所使用的材料。

本申请所提供的冲击齿6，在齿体1和冲击头3的一侧设置切削平面12，并在切除平面上设置切削片2，所述切削片2的顶端低于所述冲击头3的顶端位置预定高度L2。使用时，在冲击头3在未磨损情况下，先利用冲击头3进行冲击破岩，此时冲击头3与岩石成点接触或线接触状态，冲击作用时能产生较大的冲击应力，破岩效率较高。当冲击头3磨损量大于L2时，其点或线接触变为面接触，此时切削片2可在钻压条件下吃入地层，产生切削作用，从而辅助冲击作用破碎岩石，提高冲击钻头7的破岩效率，同时切削片2产生切削作用延迟了冲击头3的进一步磨损，从而提高新型冲击钻头7的使用寿命。

为了更好的理解本申请中切削冲击齿6，下面将对其做进一步细化解释和说明。

如图1至图3所示，本申请提供的一种可旋转切削的切削冲击齿6主要包括：呈圆柱状的齿体1、由聚晶金刚石复合材料制成的切削片2、呈半球形的冲击头3。齿体1的顶端面11与冲击头3的圆端面31相对接。具体的，所述齿体1和冲击头3可以通过焊接方式或一体式相配合。其中，切削片2为一个具有一定厚度的片状结构。齿体1与所述冲击头3的一侧通过切除一个截面大致呈月牙形的切除体4后形成一个切削平面12。切削片2与切削平面12配合后组成可旋转切削的切削冲击齿6。其中，该切削片2与切削平面12配合方式可以为焊接。当然，该切削片2还可以通过其他方式设置在该切削平面12上，具体的，本申请在此并不作具体的限定。

具体的，齿体1的材料可以根据所使用的地层的硬度的高度选择碳钢或硬质合金。通常多选择硬质合金以适用更硬的地层岩石中高效钻进。所述冲击头3也可以由硬质合金制成，以适用更硬的地层岩石中高效钻进。当然，所述齿体1和冲击头3的材料并不限于上述举例，本申请在此并不作具体的限定。

所述齿体1的直径R可以为10～40毫米(mm)之间的某个值，齿体1的高度L为8～50mm的某个值，且满足高度L与直径R的比为1.5～3的范围内的某个值。

所述冲击头3具有与所述齿体1的顶端面11配合的圆底面31以及围设在所述圆底面31上的冲击面32，所述圆底面31的直径与所述齿体1的直径相等，所述冲击面32整体呈圆球面或圆锥面。具体的，当所述冲击头3的冲击面32为圆锥面，所述圆锥面的锥角在80度至120度之间。优选的，当该锥角可以为略大于90度的钝角，一方面保证冲击头3冲击时具有较佳的强度，另一方面可以保证达到良好的冲击效果。所述圆锥面的锥顶为圆滑面或近似圆滑面，所述圆滑面的球体直径为4毫米至8毫米。

在本申请中还提出了一种冲击钻头，图4为本申请实施方式中冲击钻头的正视图，图5为本申请实施方式中冲击钻头的俯视图，如图4和图5所示，该冲击钻头7包括：钻头本体72，所述钻头本体72的端面上开设有多个凹槽73；如上述实施方式中所述的切削冲击齿6，所述切削冲击齿6通过过盈配合的方式设置在所述凹槽73中。

钻头本体72为圆柱状体，其一端可以为圆端面71，另一端为不等径的圆柱体。切削冲击齿6安装在钻头本体72的圆端面71上。在该圆端面71上可以开设有多个凹槽73。具体的，该凹槽73的位置整体上为中部稀疏、外部密集，以保证每个旋转切削齿都具有近似的切削量。

钻头本体72圆端面71上加工有和切削冲击齿6底部相同的形状的凹槽73，以实现切削冲击齿6安装在钻头本体72圆端面71上。切削冲击齿6与钻头本体72圆端面71上凹槽73采用过盈配合方式安装，以将切削冲击齿6牢牢固定在钻头本体72的凹槽73内。具体的安装方式可以采用热安装；也可采用焊接方式安装等，具体的，本申请在此并不作具体的限定。

在一个实施方式中，切削冲击齿6的圆柱面的中心点与钻头本体72圆端面71中心点的连线与可旋转切削的新型冲击齿6上的切削片2的平面21平行，且该平面21的法线22方向朝向端面逆时针方向，以保证在旋转切削破岩下，切削片2能够最大程度的产生切削作用，以辅助冲击作用破碎岩石，从而最大程度的提高冲击钻头7的破岩效率。

在一个实施方式中，切削冲击齿6在钻头本体72圆端面71上具有一定的出露高度L3，出露高度L3为圆柱面直径R的0.55～2倍，如此，可以加深切削冲击齿6对岩石的破碎深度和加强切削冲击齿6对岩石的破碎效果。

本发明专利与现有技术相比较，设置有切削冲击齿6的冲击钻头7，通过在切削冲击齿6的一侧安装有可切削破岩的切削片2，顶部安装有冲击用的冲击头3；切削片2的出露高度相比球状冲击头3要低预定高度L2，在冲击头3在未磨损情况下，先利用冲击头3进行冲击破岩，此时冲击头3与岩石成点接触或线接触状态，冲击作用时能产生较大的冲击应力，破岩效率较高。当冲击头3磨损量大于L2时，其点或线接触变为面接触，此时切削片2可在钻压条件下吃入地层，产生切削作用，从而辅助冲击作用破碎岩石，提高冲击钻头7的破岩效率，同时切削片2产生切削作用延迟了冲击头3的进一步磨损，从而提高新型冲击钻头7的使用寿命。

本申请实施方式中还提供了针对上述冲击钻头7的使用方法，所述使用方法可以包括：

步骤S10：控制冲击钻头7以第一转速旋转，进行冲击破岩；

步骤S12：监测所述冲击齿6的冲击磨损量，当所述冲击磨损量大于所述预定高度时，控制冲击钻头7以第二转速旋转，进行旋转切削破岩，所述第二转速大于所述第一转速。

在本实施方式中，所述冲击钻头7的旋转速度一般可以在30转/分钟至70转/分钟之间。前期，当所述冲击磨损量小于所述预定高度时，表示此时冲击钻头7的破岩方式主要为冲击破岩，此时冲击钻头7的旋转速度可以选择较小的转速，可为小于50转/分钟，例如可在30至40转/分钟之间。后期，当监测到所述冲击磨损量大于所述预定高度时，表示此时冲击钻头7的破岩方式如果以冲击破岩效率较低，此时冲击钻头7以旋转破岩为主，以保证破岩效率，其旋转速度可以选择较大的转速，可为大于50转/分钟，例如可在60至70转/分钟之间。

在本实施方式中，所述冲击钻头7的冲击功率与所述预定高度呈正比。例如，当冲击钻头7的冲击功率要求较大时，该预定高度可以适应性得较高；当冲击钻头7的冲击功率要求较小时，该预定高度可以适应性得较低。整体上，该预定高度可以与冲击功率成正比，从而保证在钻进过程中获得理想的破岩效果，同时保证钻头的使用寿命。

本申请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。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施方式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。

Claims (11)

1.一种切削冲击齿，其特征在于，包括：

沿着纵长方向延伸的齿体，所述齿体具有相对的顶端面、底面和围设在所述顶端面与底面之间的侧面，所述顶端面位置设置有球状的冲击头；所述齿体与所述冲击头的一侧设置有用于设置切削片的切削平面；所述冲击头具有顶端位置；所述齿体整体呈圆柱体，所述切削平面为在所述切削冲击齿的一侧沿着所述切削平面去除预定大小的切除体后形成，所述切除体的最大厚度在所述圆柱体的直径的1/6至1/3之间，所述预定高度由所述切除体切除后获得；

具有预定厚度的切削片，其设置在所述切削平面上；所述切削片具有相对的顶端和底端，其中，所述切削片的顶端位于所述冲击头的预定齿高位置处，低于所述冲击头的顶端位置预定高度，所述预定高度为所述切削冲击齿的冲击高度。

2.根据权利要求1所述的切削冲击齿，其特征在于，所述切削片为聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片通过焊接或粉末冶金方式的方式设置在所述切削平面上。

3.根据权利要求2所述的切削冲击齿，其特征在于，所述齿体的直径在10毫米至40毫米之间，所述齿体的高度在8毫米至50毫米之间，所述齿体的高度与所述齿体的直径的比值在1.5至3之间。

4.根据权利要求1所述的切削冲击齿，其特征在于，所述齿体的材料为碳钢或硬质合金钢，所述冲击头由硬质合金制成。

5.根据权利要求4所述的切削冲击齿，其特征在于，所述冲击头具有与所述齿体的顶端面配合的圆端面以及围设在所述圆端面上的冲击面，所述圆端面的直径与所述齿体的直径相等，所述冲击面整体呈圆球面或圆锥面。

6.根据权利要求5所述的切削冲击齿，其特征在于，所述冲击头为圆锥面，所述圆锥面的锥角在80度至120度之间，所述圆锥面的锥顶为圆滑面或近似圆滑面，所述圆滑面的球体直径为4毫米至8毫米。

7.一种冲击钻头，其特征在于，包括：

钻头本体，所述钻头本体的端面上开设有多个凹槽；

如权利要求1至6任一所述的切削冲击齿，所述切削冲击齿通过过盈配合的方式设置在所述凹槽中。

8.根据权利要求7所述的冲击钻头，其特征在于，所述钻头本体呈圆柱形，其包括设置所述冲击齿的圆端面，所述冲击齿的外圆周的中心点与所述圆端面的中心点的连线与所述切削片的平面相平行。

9.根据权利要求8所述的冲击钻头，其特征在于，所述冲击齿在所述圆端面上具有预定的出露高度，所述出露高度在齿体的直径的0.55至2倍之间。

10.一种冲击钻头的使用方法，其特征在于，所述冲击钻头设置有如权利要求1所述的切削冲击齿，所述使用方法包括：

控制冲击钻头以第一转速旋转，进行冲击破岩；

监测所述冲击齿的冲击磨损量，当所述冲击磨损量大于所述预定高度时，控制冲击钻头以第二转速旋转，进行旋转切削破岩，所述第二转速大于所述第一转速。

11.如权利要求10所述的冲击钻头的使用方法，其特征在于，所述冲击钻头的冲击功率与所述预定高度呈正比。