CN108756733A - 一种脉动冲击破岩钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉动冲击破岩钻头，上接头上端和上部钻柱丝扣连接，上接头下端和钻头基体上端丝扣连接；固定切削齿过盈安装在钻头基体下部表面规律排布的盲孔内，喷嘴和钻头基体外圆下部的水眼出口端螺纹固紧，冲击切削齿和碟簧整体安装在钻头基体的台阶孔内，封盖和钻头基体上台阶孔出口端螺纹固紧；螺旋转子上部设置有螺旋叶片；螺旋转子、滚动轴承、轴承座和动阀环整体置入衬管内腔。本发明可以完成常规PDC钻头破岩机理的同时，对岩层产生冲击破岩载荷，对硬地层脆性岩石具有很好的破岩效果，有效提高机械转速。

Description

一种脉动冲击破岩钻头
技术领域
本发明涉及一种石油天然气行业硬质地层钻井，特别是一种脉动冲击破岩钻头。
背景技术
在石油天然气行业中，钻井作业风险高、难度大，同时也具有极高的经济回报。在钻井过程中，提高机械钻速可以有效缩短钻井周期，降低作业成本，提高经济收益，因此如何有效提高机械钻速一直是国内外石油钻井领域研究的重要技术难题。在钻井作业中，尤其以硬地层钻进最为困难，这是由于硬地层质地坚硬，耐磨性好，造成钻头对硬地层岩石切削困难。目前国内外应用最为普遍的是牙轮钻头和PDC钻头，牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石；牙轮钻头有单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头，结构复杂，设计难度很高，PDC为整体式结构，在工艺和成本上较牙轮钻头更具优势。
然而不论是牙轮钻头还是PDC钻头，其切削齿都是和钻头本体或者牙轮牙掌整体固定的，因此在切削岩石过程中，PDC钻头的切削力基本是恒定载荷，多适用于中硬地层，对硬地层切削效果不佳；而牙轮钻头由于牙轮复杂的机械运动，产生了部分交变切削载荷，对硬地层也具有较好的切削效果，但是其结构复杂，成本高，维护难。因此，设计一种类PDC钻头形式，而切削齿可以产生交变切削载荷的破岩钻头具有很好的应用价值，可以弥补PDC钻头对于硬地层的技术短板，同时实现较为经济的成本投入。基于上述技术背景，本发明特提供一种脉动冲击破岩钻头，有效提高硬地层机械钻速，实现快速钻井作业需求。
发明内容
本发明的目的在于解决钻井过程中硬质地层机械钻速低的问题，提供一种脉动冲击破岩钻头。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种脉动冲击破岩钻头，它包括上接头、钻头基体、固定切削齿、冲击切削齿、喷嘴、动阀环和静阀环，所述上接头与钻头基体上端连接，所述钻头基体外圆下部设置有水眼，所述水眼与喷嘴紧固连接，所述钻头基体外圆下部和下端面均设置有台阶孔，所述台阶孔内安装有冲击切削齿，所述钻头基体下部表面设置有规律排布的盲孔，所述盲孔内过盈安装有固定切削齿，所述钻头基体内还设置有衬管，所述衬管内又设置有螺旋转子、滚动轴承、轴承座和动阀环，所述螺旋转子下端连接有轴承座，所述轴承座外圆上安装有滚动轴承，所述轴承座内安装有动阀环，所述动阀环下端面与所述静阀环端面贴合，所述静阀环过盈安装在钻头基体内腔下端凸台内孔上。
进一步的，所述上接头上端和上部钻柱丝扣连接，所述上接头下端和钻头基体上端丝扣连接。
进一步的，所述钻头基体外圆下部设置为圆锥面。
进一步的，所述水眼连通嘴头基体内外腔，所述水眼出口端设置为母螺纹，所述喷嘴和钻头基体外圆下部的水眼出口端螺纹固紧。
进一步的，所述台阶孔连通钻头基体内外腔，所述台阶孔内还设置有碟簧，所述碟簧安装在冲击切削齿外圆中部台阶面上，所述台阶孔出口端与封盖螺纹紧固。
进一步的，所述静阀环外圆上部设置一圈凸起台阶，静阀环内腔设置为偏心通孔。
进一步的，所述动阀环内腔设置为偏心通孔。
进一步的，所述钻头基体内腔下端设置有一圈凸台，所述衬管下端和所述凸台丝扣连接，所述衬管中部设置有过流孔。
进一步的，所述轴承座外圆上部设置有凸起台阶，轴承座上部周向均匀设置两个排流孔，轴承座内腔上部设置为螺纹孔，轴承座和螺旋转子下端丝扣连接。
进一步的，所述螺旋转子上部设置有螺旋叶片。
本发明具有以下优点：（1）本发明可以完成常规PDC钻头破岩机理的同时，对岩层产生冲击破岩载荷，对硬地层脆性岩石具有很好的破岩效果，有效提高机械转速；（2）本发明利用动阀环和静阀环的周期性节流效果，在钻头基体内墙产生脉冲压力，从而使冲击切削齿产生脉动压力，结构简单，原理可靠；（3）本发明冲击压力参数可根据地层参数进行有效调整和优化，适应井下复杂工况。
附图说明
图1 为本发明一种脉动冲击破岩钻头的结构示意图；
图2 为图1中A处局部放大视图；
图3 为螺旋转子的三维示意图；
图中：1.上接头、2.螺旋转子、3.衬管、4.钻头基体、5.固定切削齿、6.冲击切削齿、7.封盖、8.碟簧、9.喷嘴、10.滚动轴承、11.轴承座、12.动阀环、13.静阀环、31.过流孔、41.水眼、42.台阶孔、111.排流孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1、图2、图3所示，一种脉动冲击破岩钻头，它包括上接头1、钻头基体4、固定切削齿5、冲击切削齿6、喷嘴9、动阀环12和静阀环13，上接头1上端和上部钻柱丝扣连接，上接头1下端和钻头基体4上端丝扣连接，钻头基体4外圆下部设置为圆锥面，钻头基体4外圆下部设置有水眼41，水眼41连通钻头基体4内外腔，水眼41出口端设置为母螺纹，喷嘴9外圆设置有公螺纹，水眼41通过螺纹与喷嘴9固紧，钻头基体4外圆下部和下端面均设置有台阶孔42，台阶孔42连接钻头基体内外腔，冲击切削齿6外圆中部设置一圈台阶面，碟簧8安装在冲击切削齿6外圆中部台阶面上，冲击切削齿6和碟簧8整体安装在台阶孔42，台阶孔42出口端上与封盖7螺纹紧固，钻头基体4下部表面还设置有规律排布的盲孔，盲孔内过盈安装有固定切削齿5，钻头基体4内腔下端还设置有一圈凸台阶，所述凸台阶与衬管3丝扣连接，衬管3中部设置有过流孔31，衬管3内从上至下依次设置有螺旋转子2、滚动轴承10、轴承座11和动阀环12，螺旋转子2上部设置有螺旋叶片，轴承座11外圆上部设置有凸起台阶，轴承座11上部周向均匀设置两个排流孔111，轴承座11内腔上部设置为螺纹孔，轴承座11和螺旋转子2下端丝扣连接，动阀环12内腔设置为偏心通孔，且动阀环12过盈安装在轴承座11内腔下部，滚动轴承10安装在轴承座11外圆上与衬管3侧壁相连，静阀环13外圆上部设置一圈凸起台阶，静阀环13内腔设置为偏心通孔，静阀环13过盈安装在钻头基体4内腔下端凸台内孔上，静阀环13和动阀环12端面贴合无缝隙，喷嘴9、动阀环12和静阀环13由耐磨硬质合金材料构成。
本发明一种脉动冲击破岩钻头的工作原理：当该钻头下入本发明井底时，开泵循环钻井液，本发明在井下动力钻具的驱动下整体开始旋转破岩；钻井液经过螺旋转子2上部螺旋叶片，驱动螺旋转子2相对于钻头基体4产生相对转动，螺旋转子2驱动轴承座11和动阀环12相对于静阀环相对转动，这时动阀环12内腔偏心通孔和静阀环13内腔偏心通孔的重叠过流面积产生周期性变化，使得钻头基体4内腔钻井液的压力产生周期性脉动变化，冲击切削齿6在钻头基体4内腔钻井液脉动压力的作用下，产生轴向脉动冲击载荷，这是在破岩过程中，岩层同时受到固定切削齿5恒定载荷和冲击切削齿6冲击载荷的作用，达到快速破岩的效果，在此过程中钻井液一部分经喷嘴9流入井眼，另一部分经静阀环13流入井眼。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不同脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉动冲击破岩钻头，它包括上接头（1）、钻头基体（4）、固定切削齿（5）、冲击切削齿（6）、喷嘴（9）、动阀环（12）和静阀环（13），其特征在于：所述上接头（1）与钻头基体（1）上端连接，所述钻头基体（4）外圆下部设置有水眼，所述水眼（41）与喷嘴（9）紧固连接，所述钻头基体（4）外圆下部和下端面均设置有台阶孔（42），所述台阶孔（42）内安装有冲击切削齿（6），所述钻头基体（4）下部表面设置有规律排布的盲孔，所述盲孔内过盈安装有固定切削齿（5），所述钻头基体（4）内还设置有衬管（3），所述衬管（3）内又设置有螺旋转子（2）、滚动轴承（10）、轴承座（11）和动阀环（12），所述螺旋转子（2）下端连接有轴承座（11），所述轴承座（11）外圆上安装有滚动轴承（10），所述轴承座（11）内安装有动阀环（12），所述动阀环（12）下端面与所述静阀环（13）端面贴合，所述静阀环（13）过盈安装在钻头基体（4）内腔下端凸台内孔上。
2.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述上接头（1）上端和上部钻柱丝扣连接，所述上接头（1）下端和钻头基体（4）上端丝扣连接。
3.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述钻头基体（4）外圆下部设置为圆锥面。
4.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述水眼（41）连通钻头基体（4）内外腔，所述水眼（41）出口端设置为母螺纹，所述喷嘴（9）和钻头基体（4）外圆下部的水眼（41）出口端螺纹固紧。
5.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述台阶孔（42）连通钻头基体（4）内外腔，所述台阶孔（41）内还设置有碟簧（8），所述碟簧（8）安装在冲击切削齿（6）外圆中部台阶面上，所述台阶孔（41）出口端与封盖（7）螺纹紧固。
6.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述静阀环（13）外圆上部设置一圈凸起台阶，静阀环（13）内腔设置为偏心通孔。
7.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述动阀环（12）内腔设置为偏心通孔。
8.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述钻头基体（4）内腔下端设置有一圈凸台，所述衬管（3）下端和所述凸台丝扣连接，所述衬管（3）中部设置有过流孔（31）。
9.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：所述轴承座（11）外圆上部设置有凸起台阶，轴承座（11）上部周向均匀这是两个排流孔（111），轴承座（11）内腔上部设置为螺纹孔，轴承座（11）和螺旋转子（2）下端丝扣连接。
10.根据权利要求1所述的一种脉动冲击破岩钻头，其特征在于：螺旋转子（2）上部设置有螺旋叶片。
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