CN110067516B - 一种快速冲击-刮切复合式破岩pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速冲击‑刮切复合式破岩PDC钻头，包括钻头本体（1）和接头（2），其特征在于：所述钻头本体（1）的冠部外表面沿周向均匀设置有多条刀翼，所述刀翼沿径向设有多个切削齿（16），相邻两条刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽内设有多个高压喷嘴（15），所述高压喷嘴（15）安装在钻头本体（1）的表面，下端开孔至钻头本体（1）的内壁，形成旁路流道，所述钻头本体（1）的内部设有设有自动连续冲击装置，所述自动连续冲击装置包括轴承组（3）、涡轮转子（4）、轴承（5）、弹簧（6）、冲击头（7）和中心锥齿（9），所述涡轮转子（4）与冲击头（7）的内部均开有通孔，与接头（2）的螺纹孔相通形成中心流道。
Description
技术领域
本发明涉及钻井钻头领域，特别是一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头。
背景技术
上世纪初，牙轮钻头代替刮刀钻头在硬质研磨性地层应用，但这种钻头在钻页岩和其他塑性岩层中的缺点主要是压持作用造成井底泥包，而随着钻深和井底压力以及泥浆比重的增加，泥包现象会更加严重。为了解决这个问题，多年来各钻头制造商对牙轮钻头进行了各种改进，但收效甚微，
同时，考虑到刮刀钻头或固定切削齿钻头在此方面受到的影响较小，人们开始尝试将两种钻头相结合。随着PDC钻头的推广应用，以及PDC切削齿技术的改进，固定切削齿PDC钻头在多种地层中逐渐取代牙轮钻头。但在硬质、研磨性地层以及复杂定向钻井作业中，由于性能的限制，PDC钻头无法取代牙轮钻头。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，本发明适用于石油天然气、地质勘探过程中所使用的PDC钻头。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：包括接头和与接头连接的钻头本体，钻头本体冠部的外表面上设置有多个刀翼，相邻两条刀翼之间形成排屑槽，排屑槽内设置有安装在钻头本体上的喷嘴，刀翼上设有切削齿；钻头本体内部有中心流道，中心流道内设置有连续自动冲击装置，该自动冲击装置包括：滚动轴承组、涡轮转子、滑动轴承、弹簧、冲击头、蝶形缓冲弹簧、中心锥齿，滚动轴承组内环嵌接有涡轮转子、涡轮转子中心为通孔，涡轮转子底端设置有多个叶片，涡轮转子通过钻井液驱动，涡轮转子可绕钻头的中心轴线旋转，冲击头外圆柱面上安装有强力弹簧及限位环，钻头本体中心安装有滑动轴承，冲击头安装在滑动轴承内并可沿着钻头中心轴线上下运动，弹簧位于限位环与滑动轴承端面之间，冲击头底端设置有中心喷射流道和凹形圆柱凹槽，凹槽内设有锥形切削齿，所述中心喷射流道与中心流道贯通，流道口从钻头中心沿径向辐射，指向对应刀翼。
涡轮转子上端圆筒内圆柱面上，设置有对称的两个凸扣，涡轮转子顶端嵌套在冲击头的上端，冲击头底端的外圆柱面上设置有以钻头中心轴线旋转对称的两个螺旋状凸扣，转子底端的凸扣在转子转动的过程中可以与冲击头外圆柱上的螺旋凸扣断续啮合及释放，涡轮转子驱动冲击头沿钻头轴向往复运动，设置在冲击头端部的中心锥齿可随冲击头连续冲击破碎岩石。
进一步的，所述自动连续冲击装置还包括蝶形弹簧，素偶书蝶形弹簧嵌套在冲击头底端外圆柱面上，蝶形弹簧位于限位环和钻头本体之间，用于缓冲。
进一步的，所述刀翼根据长度可分为长刀翼与短刀翼，所述长刀翼的前刀面设置在钻头心部位置。
进一步的，所述中心喷射流道有多个，数量与钻头的长刀翼数量一致，流道口方向指向对应长刀翼前刀面。
进一步的，所述轴承组、涡轮转子、轴承、凸扣和螺旋凸扣的中心轴线均与钻头本体的中心轴线重合。
进一步的，所述轴承组为滚动轴承组，所述轴承为滑动轴承。
进一步的，所述凸扣和螺旋凸扣均包括多个，关于钻头本体的中心轴线对称分布。
进一步的，所述切削齿钎焊在刀翼上。
进一步的，所述中心锥齿钎焊在凹槽内。
进一步的，所述限位环与冲击头通过螺纹连接。
本发明的有益效果是：
（1）采用冲击-刮切复合式破岩，改变了PDC钻头的破岩方式，由传统钻头的刮切岩层，变成了中心锥齿高速冲击岩层与刀翼上固定切削齿刮切岩层的复合破岩，解决了常规PDC钻头由于中心部位固定式的切削齿绕钻头中心轴线旋转时线速度低而造成的钻头的机械钻速低的问题，提高了钻头的破岩效率和钻头的工具面的稳定性，保证了钻头心部的破岩效率；
（2）通过在PDC钻头本体内设置中心高压喷嘴，改善了钻头的水力结构，中心高压喷嘴的高速射流有效减少了钻头的泥包倾向，使得靠近钻头中心部位的切削齿得到更好的清洗和冷却，加快了钻头内锥岩屑向排屑槽的运移，减少心部岩屑的重复切削。
附图说明
图1为本发明一个实施例的组装爆炸图。
图2为本发明一个实施例的主视图、剖视图及局部放大图。
图3为本发明一个实施例的涡轮转子的主视图、剖视图及俯视图。
图4为本发明一个实施例的俯视图。
图5为本发明一个实施例的冲击头的主视图。
图中，1-钻头本体，2-接头，3-轴承组，4-涡轮转子，5-轴承，6-弹簧，7-冲击头，8-蝶形弹簧，9-中心锥齿，10-凸扣，11-转子叶片，12-螺旋凸扣，13-中心喷射流道，14-凹槽，15-高压喷嘴，16-切削齿,17-限位环。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1~5所示，一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，包括钻头本体1和接头2，所述钻头本体1的冠部外表面沿周向均匀设置有多条刀翼，所述刀翼沿径向设有多个切削齿16，相邻两条刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽内设有多个高压喷嘴15，所述高压喷嘴15安装在钻头本体1的表面，下端开孔至钻头本体1的内壁，形成旁路流道，所述钻头本体1的内部设有设有自动连续冲击装置，所述自动连续冲击装置包括轴承组3、涡轮转子4、轴承5、弹簧6、冲击头7和中心锥齿9，所述涡轮转子4与冲击头7的内部均开有通孔，与接头2的螺纹孔相通形成中心流道，所述轴承组3的内环与涡轮转子4相连，所述涡轮转子4的底端设置有多个转子叶片11，顶端内圆柱面上设有凸扣10，所述轴承5设置在涡轮转子4的上端，内侧设置有冲击头7，所述冲击头7在轴承5内沿着中心轴线上下运动，底端外圆柱面上设有螺旋凸扣12，所述凸扣10在转动的过程中与螺旋凸扣12断续啮合及释放，所述冲击头7的外圆柱面固定有弹簧6和限位环17，底端设有中心喷射流道13和凹槽14，所述中心喷射流道13与中心流道贯通，流道口从钻头中心沿径向辐射，指向对应刀翼，所述弹簧6设置在限位环17与滑动轴承5的端面之间，所述中心锥齿9设置在凹槽14内。
进一步的，所述自动连续冲击装置还包括蝶形弹簧8，所述蝶形弹簧8嵌套在冲击头7的底端外圆柱面上，位于限位环17和钻头本体1之间。
进一步的，所述刀翼根据长度可分为长刀翼与短刀翼，所述长刀翼的前刀面设置在钻头心部位置。
进一步的，所述中心喷射流道13有多个，数量与钻头的长刀翼数量一致，流道口方向指向对应长刀翼前刀面。
进一步的，所述轴承组3、涡轮转子4、轴承5、凸扣10和螺旋凸扣12的中心轴线均与钻头本体1的中心轴线重合。
进一步的，所述轴承组3为滚动轴承组，所述轴承5为滑动轴承。
进一步的，所述凸扣10和螺旋凸扣12均包括多个，关于钻头本体1的中心轴线对称分布。
进一步的，所述切削齿16钎焊在刀翼上。
进一步的，所述中心锥齿9钎焊在凹槽14内。
进一步的，所述限位环17与冲击头7通过螺纹连接。
本发明的实施过程为：
破岩过程：涡轮转子4通过钻井液驱动并可绕钻头的中心轴线旋转，涡轮转子4转动过程中，涡轮转子4的凸扣10与冲击头的螺旋凸扣12啮合，带动冲击头7沿钻头中心轴线向上运动并压缩弹簧6，随着涡轮转子4进一步转动，凸扣10与螺旋凸扣12断开啮合，在弹簧6作用下，冲击头7带着中心锥齿9向下冲击岩层，涡轮转子5持续转动，可实现周期性冲击破岩，同时，设置在钻头冠部的固定刀翼随着冲击头周期性的刮切岩层，实现冲击-刮切式的复合破岩。
清洗过程：钻井液首先通过接头2的螺纹孔，在涡轮转子4底部的转子叶片11处分流，钻井液一部分通过转子叶片11，经钻头本体1内壁上通孔从排屑槽之间设置的高压喷嘴15流出，进而清洗高压喷嘴15附近的刀翼，另一部分沿涡轮转子4的通孔进入内部，由于钻头本体1的冲击装置内部流道连通并形成中心流道，因此该部分钻井液随后流经冲击头7内部通孔，并经冲击头7端部设置的中心喷射流道13流出，而中心喷射流道13的方向指向对应的钻头心部位置的长刀翼前刀面，因此钻井液可直接清洗冷却心部位置的刀翼切削齿，冲击头上设置的中心喷射流道13可有效加强钻头心部的切削齿16的清洗和冷却；两种清洗方式结合可大大提高井底岩屑由钻头中心向井壁运移的效率，防止钻头泥包。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，包括钻头本体（1）和接头（2），其特征在于：所述钻头本体（1）的冠部外表面沿周向均匀设置有多条刀翼，所述刀翼沿径向设有多个切削齿（16），相邻两条刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽内设有多个高压喷嘴（15），所述高压喷嘴（15）安装在钻头本体（1）的表面，下端开孔至钻头本体（1）的内壁，形成旁路流道，所述钻头本体（1）的内部设有自动连续冲击装置，所述自动连续冲击装置包括轴承组（3）、涡轮转子（4）、滑动轴承（5）、弹簧（6）、冲击头（7）和中心锥齿（9），所述涡轮转子（4）与冲击头（7）的内部均开有通孔，与接头（2）的螺纹孔相通形成中心流道，所述轴承组（3）的内环与涡轮转子（4）相连，所述涡轮转子（4）的底端设置有多个转子叶片（11），顶端内圆柱面上设有凸扣（10），所述滑动轴承（5）设置在涡轮转子（4）的上端，内侧设置有冲击头（7），所述冲击头（7）在滑动轴承（5）内沿着中心轴线上下运动，底端外圆柱面上设有螺旋凸扣（12），所述凸扣（10）在转动的过程中与螺旋凸扣（12）断续啮合及释放，所述冲击头（7）的外圆柱面固定有弹簧（6）和限位环（17），底端设有中心喷射流道（13）和凹槽（14），所述中心喷射流道（13）与中心流道贯通，流道口从钻头中心沿径向辐射，指向对应刀翼，所述弹簧（6）设置在限位环（17）与滑动轴承（5）的端面之间，所述中心锥齿（9）设置在凹槽（14）内。
2.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述自动连续冲击装置还包括蝶形弹簧（8），所述蝶形弹簧（8）嵌套在冲击头（7）的底端外圆柱面上，位于限位环（17）和钻头本体（1）之间。
3.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述刀翼根据长度可分为长刀翼与短刀翼，所述长刀翼的前刀面设置在钻头心部位置。
4.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述中心喷射流道（13）有多个，数量与钻头的长刀翼数量一致，流道口方向指向对应长刀翼前刀面。
5.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述轴承组（3）、涡轮转子（4）、滑动轴承（5）、凸扣（10）和螺旋凸扣（12）的中心轴线均与钻头本体（1）的中心轴线重合。
6.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述轴承组（3）为滚动轴承组。
7.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述凸扣（10）和螺旋凸扣（12）均包括多个，关于钻头本体（1）的中心轴线对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述切削齿（16）钎焊在刀翼上。
9.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述中心锥齿（9）钎焊在凹槽（14）内。
10.根据权利要求1所述的一种快速冲击-刮切复合式破岩PDC钻头，其特征在于：所述限位环（17）与冲击头（7）通过螺纹连接。
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