CN107842317B - 硬岩钻进用冲剪复合钻头 - Google Patents
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Abstract
一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，可包括冲击器、内冲钎头以及外切钻头三个部分，所述冲击器的下接头与外切钻头可通过螺纹形式连接，所述内冲钎头的上部与冲击器通过花键形式连接，所述内冲钎头的下端面伸出于外切钻头的表面之上，所述内冲钎头的中心轴线与外切钻头的中心轴线平行或重合，所述内充钎头上的布齿与外切钻头的布齿组合能完全覆盖井底，并相互独立；由此，本发明将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，通过内冲钎头首先预裂孔底岩层，破坏岩层的整体构造应力，降低岩石的抗压和抗剪强度，使得PDC柱齿和PDC锥齿能够更加容易的切削/犁削岩石，大大提高超硬岩地层的破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油天气然、煤层气等勘探开发用钻具的技术领域，尤其涉及一种硬岩钻进用冲剪复合钻头。
背景技术
PDC钻头通过切削齿对刃前岩石的压剪作用破碎岩石，充分利用岩石抗剪强度低的特性，在软至中硬地层中钻进所占比例远超过牙轮钻头，成为目前缩短钻井时间、节省钻进成本的重要方式。但是随着对石油天然气、煤层气等勘探开发需求的愈发强烈，深井、超深井越来越多，所钻遇的地层情况也越来越复杂，经常钻遇石英砂岩、砾岩、燧岩等硬度大、研磨性强、可钻性差的地层，目前采用的PDC钻头，由于工作条件恶劣，导致PDC切削齿出现崩齿、脱层、磨损严重等现象，造成钻头寿命短、施工周期长、钻进成本高等问题。
为此，针对超硬岩地层，提出采用冲击回转钻进工艺，在一般回转钻进钻具的基础上，加一个冲击器(潜孔锤)进行钻进。冲击回转钻进中，钻头在已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石，由于冲击载荷的瞬时作用和应力集中的特性，有利于岩石中裂隙的扩展而形成大体积破碎。钻进时钻头既在一定轴压力的作用下，又被钻机通过钻杆柱带动旋转，同时还要承受一定频率的冲击能量，而PDC钻头切削齿的抗冲击韧性相对有限，在循环反复冲击功的作用下切削齿容易出现崩刃的现象，因此在冲击回转钻进工艺中配套采用的潜孔锤钻头一般为硬质合金材质，而硬质合金的耐磨性相对较差，特别钻头直径较大时，外圈硬质合金齿磨损较快，导致使用寿命有限。此外，孔径较大时，采用的大直径潜孔锤都是用风作为动力，钻进效率随供风量的增加而提高，同时所需的排渣风量也大，故必须配备足够供风量的多台空压机，一次投资多、能量消耗大，直接影响冲击回转钻进技术的应用。
基于以上背景，综合利用PDC钻头剪切碎岩效率高以及潜孔锤冲击回转钻进硬岩效果好的特性，针对超硬岩地层设计一种冲剪复合钻头，通过循环变化的冲击动载对地层进行预破碎，破坏地层的整体构造强度，改变孔底造型，释放岩石应力，减小破岩载荷，便于PDC柱齿更加容易的剪切岩石；同时为了避免冲击载荷对PDC柱齿寿命的影响，设计一种带有浮动装置的PDC锥齿，PDC锥齿可根据钻进动态自适应调节出露高度，一方面可提前刻划地层，保护PDC柱齿，降低PDC柱齿的冲击及破岩载荷，减少钻头的振动、粘滑效应，另一方面能够主动保护PDC锥齿，避免PDC锥齿锥尖的过快损坏，以获得更快更平稳的钻进状态和更长的钻具使用寿命。该冲剪复合钻头将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，很好解决了硬岩地层PDC钻头破岩效果差、大直径冲击回转钻进能量消耗大、投资多以及钻头耐磨性差等缺点。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，其结构简单，使用方便，克服目前PDC钻头剪切破岩和潜孔锤冲击回转破岩存在的缺点，以达到提高硬岩地层钻进效率和钻头寿命的目的。
为解决上述问题，本发明公开了一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，包括冲击器、内冲钎头以及外切钻头三个部分，所述冲击器与外切钻头连接，所述内冲钎头的中心轴线与外切钻头的中心轴线平行或重合，其特征在于：
所述冲击器包括冲击器外壳以及冲击组件，所述冲击器外壳为中空圆筒形且其内设有阶梯孔，所述阶梯孔的前部较小径处滑动设有冲击杆，所述阶梯孔的后部较大径的中部设有一圆环凸起，所述冲击杆的后端连接有一铁砧，所述阶梯孔的后部较大径内设有对冲击杆产生冲击作用的冲击组件；
所述内冲钎头由母体和合金齿柱两部分组成，所述合金齿柱通交错分布于母体上，所述母体的后部与冲击杆的前端连接；
所述外切钻头包括外切钻头体和刀翼，所述刀翼为多个且间隔位于外切钻头体上，各刀翼之间形成排屑槽，在切削过程中产生的岩屑通过排屑槽运移至钻杆与井壁之间的环空。
其中：所述冲击组件包含冲击座、阀座、活阀和冲锤活塞，所述冲击座紧固套设于圆环凸起的后方，其中部设有供活阀滑动贯穿的通孔，所述活阀的前端设有圆盘形的冲击部，后端可拆卸的套设有阀座，所述阀座和冲击座之间设有阀簧，所述冲锤活塞为阶梯状，其较小前端贯穿于圆环凸起，较大后端和圆环凸起之间设有锤簧。
其中：所述冲击杆为中空状，且冲击杆的中空通孔的中部间隔设有多个径向贯穿冲击杆的排气孔，所述铁砧的前部周缘滑动于所述冲击器外壳的后部较大径的内缘并设有承接所述冲击杆的凹槽，所述铁砧的后部设有多个径向延伸以连通所述凹槽和外部的径向斜孔，所述冲击座的周缘设有多个排气通孔，所述冲锤活塞的较大后端内设有凹孔，所述凹孔的顶部设有径向贯穿冲锤活塞的排气通孔。
其中：所述冲击杆后部还设有轴向限位组件，所述轴向限位组件包含位于冲击器外壳和冲击杆之间环形空间内的支撑环以及设于冲击杆后部外缘的限位凸起，所述支撑环供所述冲击杆贯穿且设有一与限位凸起相适配的限位槽，由此，通过支撑环和限位凸起的配合来限制冲击杆的轴向位移，从而限制内冲钎头的冲击位移。
其中：所述刀翼的切削缘具有多个间隔设置的PDC柱齿，所述刀翼还设有多个浮动装置，各浮动装置分别设有一PDC锥齿，所述刀翼的保径位置设有多个保径聚晶。
其中：所述浮动装置由活塞杆、缸体和压缩弹簧组成，所述缸体内设有阶梯凹槽，所述活塞杆的后部限位结合于阶梯凹槽内，所述活塞杆的后部设有容纳槽，所述压缩弹簧设于容纳槽内且后端抵靠于阶梯凹槽内壁，所述PDC锥齿以冷装、热装、电焊、螺纹连接等工艺方式固定在活塞杆上，所述PDC锥齿的中心轴线与浮动装置的中心轴线重合。
其中：所述内冲钎头的直径为外切钻头的直径的1/4到1/2之间，所述内冲钎头的合金齿柱冲击时的露出高度等于或略微大于刀翼上最高点PDC柱齿的出露高度，以保证钻进时内冲钎头在冲击能量的作用下能够首先破碎岩石，释放地层应力，能够保证将钻机的钻压以及转盘的转速同时施加于内充钎头上，同时内充钎头能够在冲击器的冲击功作用下冲击回转碎岩。
通过上述结构可知，本发明的硬岩钻进用冲剪复合钻头具有如下效果：
(1)冲剪复合钻头将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，通过内冲钎头首先预裂孔底岩层，破坏岩层的整体构造应力，降低岩石的抗压和抗剪强度，使得PDC柱齿和PDC锥齿能够更加容易的切削/犁削岩石，大大提高超硬岩地层的破岩效率。
(2)带有浮动装置的PDC锥齿的设计，可根据地层情况动态调整PDC锥齿的出露高度，实现碎岩方式的随时转换，加强自身保护的同时，能减少PDC柱齿的损坏。工作时，一方面能够以犁削和剪切联合方式破岩，改变传统的孔底造型，有利于增加犁削深度和破岩体积，从而有助于提高破岩效率；另一方面能够增加外切钻头的稳定性，控制钻头体的扭转振动幅度，降低钻头粘滑现象的发生，减少PDC柱齿和PDC锥齿的损坏，从而延长钻头寿命。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的硬岩钻进用冲剪复合钻头的结构示意图；
图1A显示了本发明的正视图；
图2显示了图1的剖视图；
图3A和图3B显示了本发明中浮动装置与PDC锥齿装配示意图；
图4为硬岩钻进用冲剪复合钻头内冲钎头布置示意图。
具体实施方式
参见图1至图4，显示了本发明的硬岩钻进用冲剪复合钻头。
如图1和图1A所示，所述硬岩钻进用冲剪复合钻头可包括冲击器1、内冲钎头2以及外切钻头3三个部分，所述冲击器1的下接头与外切钻头3可通过螺纹形式连接，所述内冲钎头2的上部与冲击器1通过花键形式连接，所述内充钎头2的下端面伸出外切钻头3的表面并位于外切钻头3上，所述内冲钎头2的中心轴线与外切钻头3的中心轴线平行或重合，所述内充钎头2上的布齿与外切钻头3的布齿组合能完全覆盖井底，并相互独立。
同时如图2所示，显示了本发明的内部结构中，所述冲击器1包括冲击器外壳4以及冲击组件，所述冲击器外壳4为中空圆筒形且其内设有阶梯孔，所述阶梯孔的前部较小径处滑动设有冲击杆13，所述冲击杆13为中空状，且冲击杆13的中空通孔的中部间隔设有多个径向贯穿冲击杆13的排气孔，所述阶梯孔的后部较大径的中部设有一圆环凸起(可拆卸)，所述冲击杆13的后端连接有一铁砧11，所述铁砧11位于所述圆环凸起和前部较小径之间，所述阶梯孔的后部较大径内设有对冲击杆产生冲击作用的冲击组件，所述铁砧11的前部周缘滑动于所述冲击器外壳4的后部较大径的内缘并设有承接所述冲击杆13的凹槽，所述铁砧11的后部设有多个径向延伸以连通所述凹槽和外部的径向斜孔，所述冲击组件包含冲击座、阀座5、活阀8和冲锤活塞9，所述冲击座紧固套设于圆环凸起的后方，其中部设有供活阀8滑动贯穿的通孔，周缘设有多个排气通孔，所述活阀8的前端设有圆盘形的冲击部，后端可拆卸的套设有阀座5，所述冲击部和冲击座之间设有缓冲垫圈7，所述阀座5和冲击座之间设有阀簧6，所述冲锤活塞9为阶梯状，其较小前端贯穿于圆环凸起，较大后端和圆环凸起之间设有锤簧10，而所述较大后端内设有凹孔，以提供冲击时的空气流道和缓冲，所述凹孔的顶部设有径向贯穿冲锤活塞9的排气通孔，从而提供了空气的流动，而本发明的冲击器1的工作过程主要分为四个阶段：①闭阀启动加速运行阶段：冲锤活塞9在锤簧10的作用下处于上位，其中心孔被活阀8挡住，液流瞬时被阻，液压急剧增高而产生水锤效应，在液压作用下，冲锤活塞9和和活阀8一同下行，压缩阀簧6和锤簧10；②自由行程阶段：当活阀8下行到一定位置时，活阀8被阀座5限制，活阀8停止运行并与冲锤活塞9脱开，液流经过冲锤活塞9中心孔流向孔底，液压下降，活阀8在阀簧6的作用下返回原位，冲锤活塞9在动能作用下利用惯性继续运行；③冲击阶段：在冲锤冲程末了，冲锤活塞9冲击铁砧11，冲击能量经过铁砧11以及冲击杆13传递给内冲钎头2；④回程阶段：冲击之后，冲锤活塞9在锤簧10的作用下弹回，再次与活阀8接触，完成一个冲击周期。
由此可见，本发明通过三个冲击部件完成整个冲击过程，整个冲击过程中由于空气流道非常顺畅，冲击过程更为准确，避免了干扰，而且，冲击部件的结构布置合理，实现了模块化设置，无论哪个部件出现问题后都易于更换，方便了后期维护和控制成本。
如图所示，所述内冲钎头2可由母体14和合金齿柱15两部分组成，所述合金齿柱15可通过冷装工艺交错分布于母体14上，所述母体14的后部可通过螺纹与冲击杆13的前端连接，优选的是，所述冲击杆13可与冲击器外壳4通过花键形式进行滑动连接，所述冲击杆13后部还可设有轴向限位组件，所述轴向限位组件包含位于冲击器外壳4和冲击杆13之间环形空间内的支撑环以及设于冲击杆13后部外缘的限位凸起，所述支撑环供所述冲击杆贯穿且设有一与限位凸起相适配的限位槽，由此，可通过支撑环12和限位凸起的配合来限制冲击杆13的轴向位移，从而限制内冲钎头2的冲击位移。
如图1和图2所示，所述外切钻头3中心掏空，以放置内充钎头2，所述外切钻头3可包括外切钻头体16、刀翼17、PDC柱齿18、PDC锥齿19、浮动装置20、可更换喷嘴21、排屑槽22以及保径聚晶23等部件，所述刀翼17为多个且间隔位于外切钻头体16上，各刀翼17之间形成排屑槽22，在切削过程中产生的岩屑通过排屑槽22运移至钻杆与井壁之间的环空，在一个优选实施例中，所述刀翼17的切削缘具有多个间隔设置的PDC柱齿18，所述刀翼17的前部设有多个浮动装置20，各浮动装置20分别设有一PDC锥齿19，优选的是，PDC锥齿19可通过冷装、热装、电焊等工艺方式置于浮动装置20上，可更换喷嘴21位于相邻两刀翼17之间的排屑槽22位置，并安放于外切钻头体16上，所述刀翼17的保径位置设有多个保径聚晶23。
优选的如图1所示，所述刀翼17上设置双排布齿方式，设置外切钻头3的旋转方向为前方，刀翼17的前排布置多个PDC柱齿18，所述刀翼17的后排布置PDC锥齿19，PDC锥齿19的中心轴线与浮动装置20的中心轴线重合，PDC柱齿18与PDC锥齿19均以外切钻头体16的中心为圆点，呈现同心圆式分布。
如图1所示，所述刀翼17优选采用小螺旋结构，以增加与井壁的接触面积，钻头旋转时可分散钻头对井壁的作用力，以更好地满足径向力平衡设计。
优选的是，所述内冲钎头2的直径约为外切钻头3的直径的1/4到1/2之间，所述合金齿柱15冲击时的露出高度等于或略微小于刀翼17上最高点PDC柱齿18的出露高度，以保证钻进时内冲钎头2在冲击能量的作用下能够首先破碎岩石，释放地层应力。通过上述设计，能够保证将钻机的钻压以及转盘的转速同时施加于内充钎头2上，同时内充钎头2能够在冲击器1的冲击功作用下冲击回转碎岩。
如图1和图2所示，复合钻头中心、大约1/4到1/2外切钻头直径范围内的岩石被内充钎头2上的合金齿柱15破碎，复合钻头外圈部位岩石则被PDC柱齿18和PDC锥齿19共同破碎。外切钻头3上的PDC柱齿18和PDC锥齿19的布齿完全独立，二者交错排布，并以双轨道的形式布置的刀翼17上，极大地提高了钻头的耐磨性。
如图1和图2所示，通过浮动装置的设置，初始状态下所述PDC锥齿19的出露高度比PDC柱齿18的出露高度高1mm到3mm，钻进过程中出露高度根据钻进地层硬度的不同实时动态自适应调整。当PDC锥齿19出露高度高于PDC柱齿18时，PDC锥齿19首先压入岩石，以拉剪结合的方式率先犁削地层，对孔底进行预造型，释放岩石的整体应力，降低岩石可破碎强度，提高破岩效率；当PDC锥齿19出露高度与PDC柱齿18近似相等时，PDC锥齿19主要在钻头体上形成若干个压入支撑点，抑制钻头的振动，保护并避免PDC柱齿18发生冲击损坏，同时减少钻头的振动、粘滑效应和冲击载荷，延长PDC柱齿18和PDC锥齿19的寿命。
如图3A和图3B所示，所述浮动装置20可由活塞杆24、缸体25和压缩弹簧26三大部件组成，所述缸体25内设有阶梯凹槽，所述活塞杆24的后部限位结合于阶梯凹槽内，所述活塞杆24的后部设有容纳槽，所述压缩弹簧26设于容纳槽内且后端抵靠于阶梯凹槽内壁，从而提供其浮动效果，所述PDC锥齿19以冷装、热装、电焊、螺纹连接等工艺方式固定在活塞杆24上，所述PDC锥齿19的中心轴线与浮动装置20的中心轴线重合，压缩弹簧26将活塞杆24与缸体25连接，当钻头在不同硬度地层间过渡钻进时，不同的反作用力使活塞杆24压缩弹簧26产生不同的位移，实现PDC锥齿19出露高度的动态调整。
优选的是，如图4所示，当外切钻头3的直径较大时，可在外切钻头3的刀翼17之间的位置放置若干个小直径内冲钎头2，内冲钎头2的直径根据外切钻头3的直径动态调整，以保证有足够的排屑空间。内冲钎头2与冲击器1仍然按照上述方案进行装配。
由此可见，本发明的优点在于：
(1)冲剪复合钻头将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，通过内冲钎头首先预裂孔底岩层，破坏岩层的整体构造应力，降低岩石的抗压和抗剪强度，使得PDC柱齿和PDC锥齿能够更加容易的切削/犁削岩石，大大提高超硬岩地层的破岩效率。
(2)带有浮动装置的PDC锥齿的设计，可根据地层情况动态调整PDC锥齿的出露高度，实现碎岩方式的随时转换，加强自身保护的同时，能减少PDC柱齿的损坏。工作时，一方面能够以犁削和剪切联合方式破岩，改变传统的孔底造型，有利于增加犁削深度和破岩体积，从而有助于提高破岩效率；另一方面能够增加外切钻头的稳定性，控制钻头体的扭转振动幅度，降低钻头粘滑现象的发生，减少PDC柱齿和PDC锥齿的损坏，从而延长钻头寿命。本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (6)
1.一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，包括冲击器、内冲钎头以及外切钻头三个部分，所述冲击器与外切钻头连接，所述内冲钎头的中心轴线与外切钻头的中心轴线平行或重合，其特征在于：
所述冲击器包括冲击器外壳以及冲击组件，所述冲击器外壳为中空圆筒形且其内设有阶梯孔，所述阶梯孔的前部较小径处滑动设有冲击杆，所述阶梯孔的后部较大径的中部设有一圆环凸起，所述冲击杆的后端连接有一铁砧，所述阶梯孔的后部较大径内设有对冲击杆产生冲击作用的冲击组件；
所述内冲钎头由母体和合金齿柱两部分组成，所述合金齿柱通交错分布于母体上，所述母体的后部与冲击杆的前端连接；
所述外切钻头包括外切钻头体和刀翼，所述刀翼为多个且间隔位于外切钻头体上，各刀翼之间形成排屑槽，在切削过程中产生的岩屑通过排屑槽运移至钻杆与井壁之间的环空；
所述冲击组件包含冲击座、阀座、活阀和冲锤活塞，所述冲击座紧固套设于圆环凸起的后方，其中部设有供活阀滑动贯穿的通孔，所述活阀的前端设有圆盘形的冲击部，后端可拆卸的套设有阀座，所述阀座和冲击座之间设有阀簧，所述冲锤活塞为阶梯状，其较小前端贯穿于圆环凸起，较大后端和圆环凸起之间设有锤簧。
2.如权利要求1所述的硬岩钻进用冲剪复合钻头，其特征在于：所述冲击杆为中空状，且冲击杆的中空通孔的中部间隔设有多个径向贯穿冲击杆的排气孔，所述铁砧的前部周缘滑动于所述冲击器外壳的后部较大径的内缘并设有承接所述冲击杆的凹槽，所述铁砧的后部设有多个径向延伸以连通所述凹槽和外部的径向斜孔，所述冲击座的周缘设有多个排气通孔，所述冲锤活塞的较大后端内设有凹孔，所述凹孔的顶部设有径向贯穿冲锤活塞的排气通孔。
3.如权利要求1所述的硬岩钻进用冲剪复合钻头，其特征在于：所述冲击杆后部还设有轴向限位组件，所述轴向限位组件包含位于冲击器外壳和冲击杆之间环形空间内的支撑环以及设于冲击杆后部外缘的限位凸起，所述支撑环供所述冲击杆贯穿且设有一与限位凸起相适配的限位槽，由此，通过支撑环和限位凸起的配合来限制冲击杆的轴向位移，从而限制内冲钎头的冲击位移。
4.如权利要求1所述的硬岩钻进用冲剪复合钻头，其特征在于：所述刀翼的切削缘具有多个间隔设置的PDC柱齿，所述刀翼还设有多个浮动装置，各浮动装置分别设有一PDC锥齿，所述刀翼的保径位置设有多个保径聚晶。
5.如权利要求4所述的硬岩钻进用冲剪复合钻头，其特征在于：所述浮动装置由活塞杆、缸体和压缩弹簧组成，所述缸体内设有阶梯凹槽，所述活塞杆的后部限位结合于阶梯凹槽内，所述活塞杆的后部设有容纳槽，所述压缩弹簧设于容纳槽内且后端抵靠于阶梯凹槽内壁，所述PDC锥齿以冷装、热装、电焊或螺纹连接方式固定在活塞杆上，所述PDC锥齿的中心轴线与浮动装置的中心轴线重合。
6.如权利要求1-5中任一所述的硬岩钻进用冲剪复合钻头，其特征在于：所述内冲钎头的直径为外切钻头的直径的1/4到1/2之间，所述内冲钎头的合金齿柱冲击时的露出高度等于或略微大于刀翼上最高点PDC柱齿的出露高度，以保证钻进时内冲钎头在冲击能量的作用下能够首先破碎岩石，释放地层应力，能够保证将钻机的钻压以及转盘的转速同时施加于内充钎头上，同时内冲钎头能够在冲击器的冲击功作用下冲击回转碎岩。
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