CN113356764A - 牙轮冲击复合型pdc钻头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种牙轮冲击复合型PDC钻头及其使用方法，该钻头包括内部设置有贯通的钻井液入口流道的钻具接头；顶端与钻具接头连接的外壳，外壳内形成有连通钻井液入口流道的钻井液流道；设置在外壳内的冲击机构，冲击机构包括：复位件、冲击件，设置在外壳内的传动机构，传动机构能被钻井液流道中的流经的钻井液驱动，并带动冲击机构往复运动；外壳体的底端设置有与所述钻井液流道相连通的至少一个喷嘴、至少一个牙轮和至少一个PDC刀翼；PDC刀翼能随钻具接头同向转动，牙轮与冲击机构相连接，能随冲击机构往复运动。本发明能实现软硬交错等非均质复杂地层的破岩，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性。

Description

牙轮冲击复合型PDC钻头及其使用方法

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种牙轮冲击复合型PDC钻头及其使用方法。

背景技术

随着石油勘探开发的不断深入，浅层、易开发油气资源越来越少。如今我国油气开采的主要目标转变为岩石软硬交错的复杂地层。复杂地层的岩石强度大、硬度高、研磨性强、塑性强并且岩石的非均质性较为明显，现有的钻井技术表现出钻井速度慢、起下钻频繁、钻井周期长和钻头破损严重寿命低等问题，这大大增加了钻探成本。因此，如何提高钻头在软硬交错的复杂地层的工作效率，这已成为目前我国油气钻探需要快速解决的关键性问题。

现如今国内外的油气开采通常采用的是牙轮钻头和PDC钻头。牙轮钻头主要靠剪切作用来破碎岩石，这种破岩方式在钻进硬岩地层的破岩效率较高，但是在软地层的工作时会产生泥包堆积、钻进速度缓慢等缺点。PDC钻头的刮削速度较快，便于携带泥浆，从而使井底环境相对干净，其在软地层的钻进有着明显的优势，但是这种钻井方式的钻探成本高，在硬质夹层的钻进十分困难，还有崩齿的危险，从而降低了钻头寿命。

由此可见，国内外常规钻头的牙轮钻头和PDC钻头在硬塑性交错的地层下均表现出钻进困难、机械转速低的问题，难以满足油气开采需要。

现有技术中也提供了将传统牙轮钻头与PDC钻头结合在一起的复合钻头。该复合钻头的工作原理是：将牙轮对岩石的挤压破碎与PDC刀翼对岩石的持续性剪切、刮削相结合，共同破岩。

然而，在实际作业中，复合钻头的各个部分都存在钻压，因不具备主动调节能力，在复杂地层的软地层中，牙轮钻头工作效率低，在复杂地层的硬地层中，PDC刀翼容易磨损，因此分工不明确。并且牙轮和PDC刀翼缝隙中的泥包难以清理。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种牙轮冲击复合型PDC钻头及其使用方法，能实现软硬交错等非均质复杂地层的破岩，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，不需要频繁起下钻，缩短钻井周期，降低钻探成本。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种牙轮冲击复合型PDC钻头，包括：

内部设置有贯通的钻井液入口流道的钻具接头，所述钻具接头用于和钻杆相连接；

顶端与所述钻具接头连接的外壳，所述外壳内形成有连通所述钻井液入口流道的钻井液流道；

设置在所述外壳内的冲击机构，所述冲击机构包括：复位件、冲击件，

设置在所述外壳内的传动机构，所述传动机构能被所述钻井液流道中的流经的钻井液驱动，并带动所述冲击机构往复运动；

所述外壳体的底端设置有与所述钻井液流道相连通的至少一个喷嘴、至少一个牙轮和至少一个PDC刀翼；所述PDC刀翼能随所述钻具接头同向转动，所述牙轮与所述冲击机构相连接，能随所述冲击机构往复运动。

在一个优选的实施方式中，所述外壳包括可拆卸连接的本体上壳体、本体下壳体，所述钻井液流道包括：设置在所述本体上壳体内的钻井液上流道、钻井液测流道、钻井液汇流道，设置在所述本体下壳体内的钻井液下流道，所述钻井液入口流道、所述钻井液上流道、所述钻井液下流道依次连通，形成主流道；所述钻井液入口流道、所述钻井液测流道、所述钻井液汇流道与所述钻井液下流道依次连通，构成液压驱动流道。

在一个优选的实施方式中，所述上壳体内形成有钻井液容置空间，所述钻井液容置空间位于所述钻井液测流道与所述钻井液汇流道之间，所述钻井液容置空间用于安装所述传动机构。

在一个优选的实施方式中，所述下壳体内形成有缓冲室，所述冲击件包括沿着轴向延伸的冲击杆，以及设置在所述冲击杆下端的传动杆，所述传动杆穿设在所述缓冲室中，所述传动杆远离所述冲击杆的一端连接有所述牙轮。

在一个优选的实施方式中，所述冲击杆外侧上设置有齿条，所述传动机构为齿轮机械传动机构，包括：设置有扇叶的叶轮、传动轮和限位轮，所述限位轮为全齿轮，所述传动轮为在圆周方向局部设置有齿的半齿轮，所述半齿轮与所述齿条相啮合；所述扇叶、传动轮和限位轮同轴设置。

在一个优选的实施方式中，所述扇叶沿着垂直与所述传动杆的第一方向分布在所述传动杆的两侧，所述限位轮的个数为两个，沿着所述第一方向位于所述传动杆的同一侧，所述传动轮在沿着垂直于所述第一方向的第二方向分布在所述传动杆的两侧。

在一个优选的实施方式中，所述本体下壳体下方呈对称设置三个牙轮轴孔，所述牙轮轴孔与所述传动杆密封配合，两者能相对移动，所述牙轮固定设置在各个所述牙轮轴孔的下方。

在一个优选的实施方式中，所述复位件为弹簧，所述本体上壳体的中间设置有一个贯穿的冲击杆孔，冲击杆与冲击杆孔呈密封设置；冲击杆孔的顶部与所述弹簧之间设有一弹簧卡扣。

一种基于上述牙轮冲击复合型PDC钻头的使用方法，包括：

控制注入的钻井液在第一压力范围内，所述钻井液通过钻井液测流道进入钻井液容置空间后，能驱动所述扇叶转动，所述扇叶带动所述限位轮和传动轮转动，所述限位轮始终保持啮合状态并匀速旋转，所述传动轮的半齿部分与所述冲击杆上的齿条啮合，带动所述冲击杆向上移动压缩所述弹簧，直至所述牙轮与所述本体下壳体相接触，所述弹簧达到最大压缩位置，所述传动轮与所述齿条分离时，所述弹簧的弹性势能与重力的作用下，所述冲击杆向下加速运动，带动所述牙轮破岩；

控制注入的钻井液在第二压力范围内，在所述传动轮转到与所述冲击杆的啮合位置之前，所述牙轮绕自身轴线反时针自转辅助PDC刀翼破岩；

控制注入的钻井液在第三压力范围内，传动轮转到与所述冲击杆啮合位置时，带动所述冲击杆向上运动；

周期性重复执行上述步骤，实现牙轮的往复冲击。

在一个优选的实施方式中，所述叶轮为轴流式叶轮，所述叶轮包括6个扇叶，所述方法还包括确定所述扇叶效率，所述扇叶效率按照如下关系式确定：

η＝QF/P

上式中，Q为流量系数；F为压力系数；P为功率系数；上述三个系数为无量纲参数：

其中：Q1为通过扇叶的体积流量；n为扇叶每秒转速；d为进口直径；ρ为水的密度；P1和P0分别为进口和出口的总压力；Tr为叶轮扭矩。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请提供了一种牙轮冲击复合型PDC钻头，通过周期性的冲击牙轮钻头，间断性的使二者协同破岩或者PDC单独破岩，同时牙轮产生的冲击力可以辅助破岩，从而实现二者的优点互助，缺点互补，使得冲击压碎与刮削作用更好的配合，在PDC单独工作时可以有效清除二者协同工作时产生的泥包和岩屑，实现软硬交错等非均质复杂地层的破岩，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，不需要频繁起下钻，缩短钻井周期，降低钻探成本。

具体的，该牙轮冲击复合型PDC钻头应用时至少能够达到如下技术效果：

1、可以根据现场实际破岩情况，通过主动控制钻井液供给压力来改变牙轮往复运动的速度，从而达到最佳的配合速率，提高钻井效率。

2、牙轮的往复运动有利于将PDC切削产生的岩屑和牙轮挤压冲击产生的泥包通过喷嘴的高速水流冲洗出地底，有利于破岩工作的连续进行，减少起下钻的频率，缩短钻井周期。

3、两种破岩动作的交替配合可以有效解决在硬塑性地层钻进过程中不易吃入的问题，并使得PDC齿不易崩齿，充分利用了牙轮钻头和PDC钻头的优点，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，缩短钻井周期，降低钻探成本。

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是本发明实施方式中提供的一种牙轮冲击复合型PDC钻头的剖视图；

图2是本发明实施方式中提供的一种牙轮冲击复合型PDC钻头的仰视图；

图3是本发明实施方式中提供的一种牙轮冲击复合型PDC钻头的外观图；

图4为图1中的A-A剖视图；

图5为图1中的B-B剖视图；

图6为本发明实施方式中提供的一种牙轮冲击复合型PDC钻头液压驱动结构的示意图；

图7为本发明实施方式中提供的一种牙轮冲击复合型PDC钻头内部液压流道的位置关系示意图。

以上附图的附图标记：

1、本体上壳体；2、本体下壳体；3、钻具接头；4、PDC刀翼；5、牙轮；6、弹簧；7、冲击杆；8、扇叶；9、限位轮；10、传动轮；11、钻井液上流道；12、钻井液汇流道；13、缓冲室；14、缓冲垫；15、传动杆；16、钻井液下流道；17、钻井液容置空间；18、喷嘴；19、钻井液入口流道；20、钻井液测流道；21、锥部螺纹。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

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。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。

本发明的目的在于结合现有钻头的问题与不足，提供一种牙轮冲击复合型PDC钻头及其使用方法。

请结合参阅图1、图2、图3，本申请说明书中提供一种的牙轮冲击复合型PDC钻头，该牙轮冲击复合型PDC钻头可以包括：内部设置有贯通的钻井液入口流道19的钻具接头3，所述钻具接头3用于和钻杆相连接；顶端与所述钻具接头3连接的外壳，所述外壳内形成有连通所述钻井液入口流道19的钻井液流道；设置在所述外壳内的冲击机构，所述冲击机构包括：复位件、冲击件，设置在所述外壳内的传动机构，所述传动机构能被所述钻井液流道中的流经的钻井液驱动，并带动所述冲击机构往复运动；所述外壳体的底端设置有与所述钻井液流道相连通的至少一个喷嘴18、至少一个牙轮5和至少一个PDC刀翼4；所述PDC刀翼4能随所述钻具接头3同向转动，所述牙轮5与所述冲击机构相连接，能随所述冲击机构往复运动。

通过周期性的冲击牙轮钻头，间断性的使二者协同破岩或者PDC单独破岩，同时牙轮5产生的冲击力可以辅助破岩，从而实现二者的优点互助，缺点互补，使得冲击压碎与刮削作用更好的配合，在PDC单独工作时可以有效清除二者协同工作时产生的泥包和岩屑，实现软硬交错等非均质复杂地层的破岩，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，不需要频繁起下钻，缩短钻井周期，降低钻探成本。

其中，所述外壳包括可拆卸连接的本体上壳体1、本体下壳体2。

请结合参阅图7，所述钻井液流道包括：设置在所述本体上壳体1内的钻井液上流道11、钻井液测流道20、钻井液汇流道12，设置在所述本体下壳体2内的钻井液下流道16，所述钻井液入口流道19、所述钻井液上流道11、所述钻井液下流道16依次连通，形成主流道；所述钻井液入口流道19、所述钻井液测流道20、所述钻井液汇流道12与所述钻井液下流道16依次连通，构成液压驱动流道。

所述上壳体内形成有钻井液容置空间17，所述钻井液容置空间17位于所述钻井液测流道20与所述钻井液汇流道12之间，所述钻井液容置空间17用于安装所述传动机构。

所述下壳体内形成有缓冲室13，所述冲击件包括沿着轴向延伸的冲击杆7，以及设置在所述冲击杆7下端的传动杆15，所述传动杆15穿设在所述缓冲室13中，所述传动杆15远离所述冲击杆7的一端连接有所述牙轮5。

所述传动机构可以为齿轮机械传动机构，用于将钻井液压力转换为驱动牙轮5往复运动的驱动力。具体的，所述冲击杆7外侧上设置有齿条。请结合参阅图6，所述传动机构可以包括：扇叶8、传动轮10和限位轮9，所述限位轮9为全齿轮，所述传动轮10为在圆周方向局部设置有齿的半齿轮，所述半齿轮与所述齿条相啮合；设置有扇叶8的叶轮、传动轮10和限位轮9同轴设置。

当然，该传动机构还可以根据实际的钻头结构作适应性的调整，本申请对其具体形状、构造等并不做限定。

以下将结合具体的实施方式和附图展开说明本申请。

本发明为一种牙轮冲击复合型PDC钻头，其可以包括：内部中空并且能通过钻具接头3固定的本体上壳体1。本体上壳体1自上而下转动连接钻具接头3。

在本实施方式中，钻具接头3位于本体上壳体1的上方设置锥部螺纹21。钻具接头3通过锥部螺纹21与上方的钻杆连接。本体上壳体1的下部转动套设有能与钻具接头3同步转动的本体下壳体2。本体上壳体1与本体下壳体2之间通过密封圈实现密封。钻具接头3上沿轴向贯通设置钻井液入口流道19(请结合参阅图4)。如图7所示，本体上壳体1顶部设置钻井液上流道11和钻井液测流道20。钻井液通过钻井液测流道20进入钻井液容置空间17。钻井液容置空间17的下方设有两个孔，为钻井液汇流道12的上部。钻井液汇流道12的下部连接钻井液上流道11的下部。本体下壳体2的顶部设置顶部开口且与钻井液上流道11接通的钻井液下流道16(请结合参阅图5)。每个钻井液下流道16均产生多个分支(例如，三个分支)，分支尽头即钻井液下流道16的底部周向间隔设置多个喷嘴18。钻井液入口流道19、钻井液上流道11、钻井液测流道20、钻井液汇流道12、钻井液下流道16共同构成整体的钻井液流道。钻井液通过上述流道并由喷嘴18流到钻头底部，从而达到液体辅助破岩与清洗钻头的效果。

本体下壳体2的底端可以对称分布有多个牙轮5(例如，三个牙轮5)。本体下壳体2的底端分布有多个(例如，3个)PDC刀翼4，且牙轮5和PDC刀翼4沿周向均匀交错分布，即两个PDC刀翼4中夹有一牙轮5，两个牙轮5中夹有一PDC刀翼4。其中PDC刀翼4能随钻具接头3同向旋转，牙轮5在随着钻具接头3同向旋转的同时，还绕着自己的轴线反时针自转，并跟随传动杆15进行上下往复运动，在接触地面后还会由于齿的交替接触井底而产生小幅度上下往复震动。

本发明的牙轮冲击复合型PDC钻头在PDC刀翼4随钻具接头3同向旋转破岩的同时，牙轮5绕自己的轴线反时针自转，并随传动杆15进行垂直往复冲击，构成三个方向的破岩动作，有效解决在硬塑性地层钻进过程中不易吃入的问题，并使得PDC齿不易崩齿，充分利用了牙轮5钻头和PDC钻头的优点，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，缩短钻井周期，降低钻探成本。

进一步，如图1所示，本体下壳体2下方呈对称设置三个牙轮5轴孔，牙轮5轴孔与传动杆15密封相对移动，各牙轮5轴孔下方各固定设有一牙轮5。钻具接头3的底端与本体上壳体1的顶端呈密封设置，本体上壳体1与本体下壳体2为易于拆卸的卡扣方式连接。本体上壳体1的中间设置有一个贯穿的冲击杆7孔，冲击杆7与冲击杆7孔呈密封设置。所述复位件可以为弹簧6。冲击杆7孔的顶部设有一弹簧6卡扣，使得弹簧6的上方与冲击杆7孔的顶部重合。本体下壳体2中的缓冲室13设有缓冲垫14，用于减少钻头工作时的刚体碰撞，延长钻头寿命。

进一步，如图1至图7所示，扇叶8、限位轮9和传动轮10绕同轴转动，并共同组成液压传动结构。一侧的液压传动结构的组装顺序为扇叶8、限位轮9、传动轮10，另一侧的液压传动结构的组装顺序为扇叶8、传动轮10、限位轮9。钻井液通过钻井液测流道20进入钻井液容置空间17，并通过液压驱动扇叶8转动，扇叶8带动限位轮9和传动轮10一同旋转。限位轮9始终保持啮合状态并匀速旋转，保证了牙轮5较规律的运动，延长齿轮寿命。传动轮10为半齿轮结构，且前部半齿轮与冲击杆7两侧齿条相配合，旋转过程中，半齿部分与冲击杆7上的齿条啮合，带动冲击杆7向上移动压缩弹簧6，直到牙轮5顶与牙轮5轴孔接触，即弹簧6达到最大压缩位置，即传动轮10的齿旋转到离开啮合时，弹簧6将自身储存的弹性势能完全释放作用于冲击杆7，冲击杆7在弹力作用和自身重力的合力作用下向下加速运动，最后使牙轮5猛击井底破岩。等待传动轮10转到冲击杆7的啮合位置之前，牙轮5绕自身轴线反时针自转辅助PDC刀翼4破岩；传动轮10转到与冲击杆7的啮合位置时，带动冲击杆7向上运动，实现牙轮5的垂直往复的冲击，此时PDC刀翼4可以快速清理牙轮5冲击产生的岩屑，并且多个喷嘴18可以向不同方向清理泥包。

综上所述，本发明的牙轮冲击复合型PDC钻头具有如下有益效果：

可以根据现场实际破岩情况，通过主动控制钻井液供给压力来改变牙轮5往复运动的速度，从而达到最佳的配合速率，提高钻井效率；牙轮5的往复运动有利于将PDC切削产生的岩屑和牙轮5挤压冲击产生的泥包通过喷嘴18的高速水流冲洗出地底，有利于破岩工作的连续进行，减少起下钻的频率，缩短钻井周期；两种破岩动作的交替配合可以有效解决在硬塑性地层钻进过程中不易吃入的问题，并使得PDC齿不易崩齿，充分利用了牙轮5钻头和PDC钻头的优点，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，缩短钻井周期，降低钻探成本。

基于上述实施方式中所提供的牙轮冲击复合型PDC钻头，本说明书中还提供一种该牙轮冲击复合型PDC钻头的使用方法，该方法可以包括：

控制注入的钻井液在第一压力范围内，所述钻井液通过钻井液测流道20进入钻井液容置空间17后，能驱动所述扇叶8转动，所述扇叶8带动所述限位轮9和传动轮10转动，所述限位轮9始终保持啮合状态并匀速旋转，所述传动轮10的半齿部分与所述冲击杆7上的齿条啮合，带动所述冲击杆7向上移动压缩所述弹簧6，直至所述牙轮5与所述本体下壳体2相接触，所述弹簧6达到最大压缩位置，所述传动轮10与所述齿条分离时，所述弹簧6的弹性势能与重力的作用下，所述冲击杆7向下加速运动，带动所述牙轮5破岩；

控制注入的钻井液在第二压力范围内，在所述传动轮10转到与所述冲击杆7的啮合位置之前，所述牙轮5绕自身轴线反时针自转辅助PDC刀翼4破岩；

控制注入的钻井液在第三压力范围内，传动轮10转到与所述冲击杆7啮合位置时，带动所述冲击杆7向上运动；

周期性重复执行上述步骤，实现牙轮5的往复冲击。

其中，该第一压力、第二压力和第三压力作为进口压力，可以根据扇叶效率预先进行设定。整体上，上述进口压力用于保证扇叶效率能够达到最佳。

在一个实施方式中，所述叶轮为轴流式叶轮，所述叶轮可以包括6个扇叶8，所述方法还包括：确定所述扇叶效率，所述扇叶效率按照如下关系式确定：

η＝QF/P

上式中，所述Q为流量系数；F为压力系数；P为功率系数；上述三个系数为无量纲参数：

其中：Q1为通过扇叶8的体积流量；n为扇叶8每秒转速；d为进口直径；ρ为水的密度；P1和P0分别为进口和出口的总压力；Tr为叶轮扭矩。上述参数为已知量，均可以通过现有的测量技术获取。

需要说明的是，影响扇叶效率的因素还可以包括：扇叶8的材料、重量和井底压力等，本申请所提供的扇叶效率的计算公式主要是针对常规材料、具有预定重量，即常规规格下的扇叶8而确定的。

对于牙轮冲击复合型PDC钻头而言，如果把牙轮5冲击过程看做一个瞬时过程，则钻井液压力越大，牙轮5冲击速率越快，牙轮5辅助破岩效率越高，但需要考虑实际钻头磨损情况。

该牙轮冲击复合型PDC钻头在使用过程中，在传动轮10与冲击杆7啮合期间，牙轮5被带动向上移动，啮合结束时，牙轮5向下冲击，并在一段时间中随钻具一同绕钻头中心旋转，而牙轮5本身也可自转，它是受到井底的摩擦力，所以会有牙轮齿冲击破岩和剪切破岩两种破岩形式。两种破岩动作的交替配合可以有效解决在硬塑性地层钻进过程中不易吃入的问题，并使得PDC齿不易崩齿，充分利用了牙轮钻头和PDC钻头的优点，有效提高钻井速度和对不同地层的适应性，缩短钻井周期，降低钻探成本。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，包括：

内部设置有贯通的钻井液入口流道的钻具接头，所述钻具接头用于和钻杆相连接；

顶端与所述钻具接头连接的外壳，所述外壳内形成有连通所述钻井液入口流道的钻井液流道；

设置在所述外壳内的冲击机构，所述冲击机构包括：复位件、冲击件，

设置在所述外壳内的传动机构，所述传动机构能被所述钻井液流道中的流经的钻井液驱动，并带动所述冲击机构往复运动；

所述外壳体的底端设置有与所述钻井液流道相连通的至少一个喷嘴、至少一个牙轮和至少一个PDC刀翼；所述PDC刀翼能随所述钻具接头同向转动，所述牙轮与所述冲击机构相连接，能随所述冲击机构往复运动。

2.如权利要求1所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述外壳包括可拆卸连接的本体上壳体、本体下壳体，所述钻井液流道包括：设置在所述本体上壳体内的钻井液上流道、钻井液测流道、钻井液汇流道，设置在所述本体下壳体内的钻井液下流道，所述钻井液入口流道、所述钻井液上流道、所述钻井液下流道依次连通，形成主流道；所述钻井液入口流道、所述钻井液测流道、所述钻井液汇流道与所述钻井液下流道依次连通，构成液压驱动流道。

3.如权利要求2所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述上壳体内形成有钻井液容置空间，所述钻井液容置空间位于所述钻井液测流道与所述钻井液汇流道之间，所述钻井液容置空间用于安装所述传动机构。

4.如权利要求3所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述下壳体内形成有缓冲室，所述冲击件包括沿着轴向延伸的冲击杆，以及设置在所述冲击杆下端的传动杆，所述传动杆穿设在所述缓冲室中，所述传动杆远离所述冲击杆的一端连接有所述牙轮。

5.如权利要求4所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述冲击杆外侧上设置有齿条，所述传动机构为齿轮机械传动机构，包括：设置有扇叶的叶轮、传动轮和限位轮，所述限位轮为全齿轮，所述传动轮为在圆周方向局部设置有齿的半齿轮，所述半齿轮与所述齿条相啮合；所述扇叶、传动轮和限位轮同轴设置。

6.如权利要求5所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述扇叶沿着垂直与所述传动杆的第一方向分布在所述传动杆的两侧，所述限位轮的个数为两个，沿着所述第一方向位于所述传动杆的同一侧，所述传动轮在沿着垂直于所述第一方向的第二方向分布在所述传动杆的两侧。

7.如权利要求6所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述本体下壳体下方呈对称设置三个牙轮轴孔，所述牙轮轴孔与所述传动杆密封配合，两者能相对移动，所述牙轮固定设置在各个所述牙轮轴孔的下方。

8.如权利要求6所述的牙轮冲击复合型PDC钻头，其特征在于，所述复位件为弹簧，所述本体上壳体的中间设置有一个贯穿的冲击杆孔，冲击杆与冲击杆孔呈密封设置；冲击杆孔的顶部与所述弹簧之间设有一弹簧卡扣。

9.一种基于权利要求8所述的牙轮冲击复合型PDC钻头的使用方法，其特征在于，包括：

控制注入的钻井液在第一压力范围内，所述钻井液通过钻井液测流道进入钻井液容置空间后，能驱动所述扇叶转动，所述扇叶带动所述限位轮和传动轮转动，所述限位轮始终保持啮合状态并匀速旋转，所述传动轮的半齿部分与所述冲击杆上的齿条啮合，带动所述冲击杆向上移动压缩所述弹簧，直至所述牙轮与所述本体下壳体相接触，所述弹簧达到最大压缩位置，所述传动轮与所述齿条分离时，所述弹簧的弹性势能与重力的作用下，所述冲击杆向下加速运动，带动所述牙轮破岩；

控制注入的钻井液在第二压力范围内，在所述传动轮转到与所述冲击杆的啮合位置之前，所述牙轮绕自身轴线反时针自转辅助PDC刀翼破岩；

控制注入的钻井液在第三压力范围内，传动轮转到与所述冲击杆啮合位置时，带动所述冲击杆向上运动；

周期性重复执行上述步骤，实现牙轮的往复冲击。

10.如权利要求9所述的牙轮冲击复合型PDC钻头的使用方法，其特征在于：所述叶轮为轴流式叶轮，所述叶轮包括6个扇叶，所述方法还包括确定所述扇叶效率，所述扇叶效率按照如下关系式确定：

η＝QF/P

上式中，Q为流量系数；F为压力系数；P为功率系数；上述三个系数为无量纲参数：

其中：Q1为通过扇叶的体积流量；n为扇叶每秒转速；d为进口直径；ρ为水的密度；P1和P0分别为进口和出口的总压力；Tr为叶轮扭矩。

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