CN115596362A - 一种具有冲击破岩功能的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有冲击破岩功能的钻头，包括：钻头本体，在所述钻头本体内设有供钻井液流过的过流通道，所述过流通道沿轴向贯穿所述钻头本体；设置在所述过流通道中的叶轮机构；与所述叶轮机构固定连接的凸轮机构；以及若干设置于所述钻头本体的内部的顶针冲击机构，所述顶针冲击机构的第一端与所述凸轮机构的工作端面接触；其中，所述叶轮机构能够在钻井液的作用下带动所述凸轮机构转动，使所述凸轮机构驱动所述顶针冲击机构交替向外伸出和回缩复位，从而冲击破碎井底岩石。

Description

一种具有冲击破岩功能的钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种具有冲击破岩功能的钻头。

背景技术

钻井现场常用的PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿)作为切削元件来剪切破碎岩石。PDC钻头由于其在软到中硬地层中具有机械钻速高、寿命长、钻进成本低等优点，因此，在石油天然气勘探开发中得到了广泛使用。

然而，现有钻头的PDC齿虽然硬度高，但其抗冲击能力和抗热磨损能力不足。PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、软硬交错夹层、含砾岩层等不均质地层钻进时，PDC齿很容易发生磨损失效、崩裂失效、热失效。其中，最典型的失效形式就是PDC齿金刚石层的冲击崩损，这使得钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是切削速度比较高的冠顶，该区域内切削齿失效后会在刀翼本体上产生环槽，随即导致PDC钻头切削能力的丧失。这些会严重影响钻进施工进度。

目前，现有的部分钻井施工中，通过在PDC钻头上部的钻柱中加装轴向或者周向冲击器，将钻井液的水力能量转化为冲击器的冲击动能，冲击载荷向下传输使得钻头同时具有切削、冲击破岩能力，虽然能够在一定程度上提高钻头的整体破岩效率和钻进速度，但是PDC钻头抗冲击能力有限，冲击力参数配置不当、地层不均质会导致PDC齿冲击失效，从而导致整个钻头的提前失效。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种具有冲击破岩功能的钻头，该钻头能够将钻井液的水力能量转化为破碎岩石的冲击能量，并产生周期性的冲击，显著提升了整个钻头的破岩效率，同时避免了对钻头整体冲击造成的PDC齿破碎、崩齿等问题。

为此，根据本发明提供了一种具有冲击破岩功能的钻头，包括：钻头本体，在所述钻头本体内设有供钻井液流过的过流通道，所述过流通道沿轴向贯穿所述钻头本体；设置在所述过流通道中的叶轮机构；与所述叶轮机构固定连接的凸轮机构；以及若干设置于所述钻头本体的内部的顶针冲击机构，所述顶针冲击机构的第一端与所述凸轮机构的工作端面接触；其中，所述叶轮机构能够在钻井液的作用下带动所述凸轮机构转动，使所述凸轮机构驱动所述顶针冲击机构交替向外伸出和回缩复位，从而冲击破碎井底岩石。

在一个实施例中，所述顶针冲击机构包括顶针，在所述钻头本体的内部设有安装部，所述顶针安装在所述安装部内，且所述顶针能够伸出或缩回所述安装部。

在一个实施例中，所述顶针包括构造为圆柱体形的第一本体和与所述第一本体固定连接的第二本体，所述第一本体的直径大于所述第二本体的直径，从而在所述第一本体和所述第二本体的连接处形成第一台阶。

在一个实施例中，在所述第二本体的轴向外端设有冲击齿。

在一个实施例中，在所述第二本体上套设有弹性件，在所述安装部的内壁上设有端面朝向内侧的第二台阶，所述弹性件的两端分别抵靠所述第一台阶和所述第二台阶，所述顶针冲击机构通过所述弹性件回缩复位。

在一个实施例中，所述顶针冲击机构的中心轴线与所述钻头本体轴线的夹角γ的取值范围为0°≤│γ│≤90°。

在一个实施例中，所述顶针冲击机构设置成与所述凸轮机构之间存在偏心距e，且所述偏心距的取值范围为0≤e≤10mm。

在一个实施例中，所述顶针冲击机构的往复运动的行程h的取值范围为2≤h≤10mm。

在一个实施例中，在所述钻头本体的外周表面上设有多个刀翼，所述刀翼上设有PDC切削齿，所述钻头本体能够随上部钻具旋转，并带动所述刀翼和所述PDC切削齿旋转以切削破岩，从而使所述钻头能够进行冲击与切削复合破岩。

在一个实施例中，在所述刀翼中设有喷嘴，所述喷嘴的喷射方向设置成朝向所述PDC切削齿和所述顶针冲击机构，用于对所述PDC切削齿和所述顶针冲击机构进行清洗。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头能够将钻井液的水力能量转化为破碎岩石的冲击能量，并产生周期性的冲击，大大提高钻头整体能量利用率，利用冲击-切削混合破岩模式，显著提升了整个钻头的破岩效率。钻头利用凸轮机构与顶针冲击机构产生冲击振动，带动钻头本体产生一定频率的冲击振动，降低了钻头以及底部钻具组合附近的滑动钻进摩阻，减小井底沉砂对钻头的包裹力，能够有效避免钻头托压、钻头泥包现象的发生。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1示意性地显示了根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头的结构。

图2示意性地显示了图1所示钻头的径向布齿结构。

图3是凸轮机构与顶针冲击机构配合示意图。

图4示意性地显示了顶针冲击机构的结构。

图5示意性地显示了叶轮机构的结构。

图6示意性地显示了凸轮机构的一个实施例的结构。

图7是凸轮机构与顶针冲击机构的行程的示意图。

图8是顶针冲击机构的冲击夹角示意图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

在本申请中，需要说明的是，本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”等均是针对所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

图1示意性地显示了根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头100的结构。如图1所示，钻头100包括钻头本体1、设置在钻头本体1的外部的刀翼2、设置在钻头本体1的内部的叶轮机构3、凸轮机构4和顶针冲击机构5。叶轮机构3能够在高速钻井液的作用下旋转，叶轮机构3能够带动凸轮机构4旋转，进而使凸轮机构4的高边和低边依次交替接触顶针冲击机构5，从而驱动顶针冲击机构5不断交替伸出或回缩复位，从而冲击破碎井底岩石8，使得钻头100具有冲击破岩功能。同时，刀翼2上设有PDC切削齿21，钻头本体1用于与上部钻具(未示出)连接，上部钻具能够带动钻头本体1旋转，从而带动刀翼2旋转以切削破岩。由此，顶针冲击机构5在钻头本体1的内部形成独立的冲击振动，而刀翼2上的PDC切削齿21采用切削破岩方式，从而使得钻头100同时具有冲击破岩和切削破岩功能。

根据本发明，如图1和图2所示，在钻头本体1的外部设有多个刀翼2，多个刀翼2在钻头本体1的外周表面均匀间隔开分布。在刀翼2上设有多个PDC切削齿21。刀翼2和PDC切削齿21能够随钻头本体1旋转，从而对井底岩石进行有效切削破岩。

如图1所示，在钻头本体1的内部设有过流通道11，过流通道11用于过流钻井液。过流通道11沿轴向贯穿钻头本体1。在钻进过程中，高速钻井液能够从过流通道11流过。

叶轮机构3设置在钻头本体1内的过流通道11中。叶轮机构3安装方式不限，例如，可以通过安装座安装在过流通道11的内壁上，也可以通过轴承悬挂方式安装在过流通道11内，还可以通过叶轮轴固定安装在凸轮机构4上方。叶轮机构3包括叶轮轴和叶片31(见图5)，叶片31沿叶轮轴螺旋形延伸。高速钻井液从过流通道11流过时能够使叶轮机构3旋转。

如图1所示，凸轮机构4固定连接在叶轮机构3的下端。具体地，凸轮机构4与叶轮机构3的叶轮轴固定连接。叶轮机构3与凸轮机构4之间的连接方式例如可以采用螺栓、联轴器、柔性轴等方式。多种连接方式能够为根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头100产品化提供更多的实施性。

根据本发明，在钻头本体1的内部设有若干个顶针冲击机构5，顶针冲击机构5的第一端(图1中的左端)与凸轮机构4的工作端面接触。如图3所示，顶针冲击机构5包括顶针51，在钻头本体1的内部设有安装部12(见图2)，顶针51安装在安装部12内。顶针冲击机构5构造成能够使顶针51的第二端伸出或缩回安装部12。在周向上，顶针冲击机构5设置在钻头本体1的位置与刀翼2对应。

如图3所示，顶针51包括构造为圆柱体形的第一本体511和与第一本体511固定连接的第二本体512。第一本体511的直径大于第二本体512的直径，从而在第一本体511和第二本体512的连接处形成第一台阶。在第二本体512上套设有弹性件6。同时，在钻头本体1内部的安装部12的内壁上设有第二台阶121，第二台阶121的端面朝向钻头本体1的内部。顶针51安装在安装部12内，且弹性件6的两端分别抵靠第一台阶和第二台阶121。第一本体511的第一端(轴向内端)与凸轮机构4的工作端面接触。顶针冲击机构5通过弹性件6能够实现回缩复位，由此，随着凸轮机构4的转动能够驱动顶针冲击机构5不断交替地向外伸出和回缩复位。在一个实施例中，弹性件6采用弹簧。

如图4所示，在第二本体512的轴向外端设有冲击齿51。冲击齿51例如可以为锥形齿、斧型齿或球形齿等。顶针冲击机构5可构造为硬质合金整体件，也可在顶针冲击机构5的前端设置定制的冲击齿51。不同齿形能够对应不同的地层条件，从而拓宽钻头100的使用范围。此外，顶针冲击机构5产生的冲击振动特性能够根据破碎岩石需要进行调节，单独设置的冲击齿51能够有效破碎井底岩石，这能够避免使用常规冲击器对钻头100整体施加冲击载荷造成的PDC切削齿21失效，从而延长了钻头100的使用寿命。

根据本发明，凸轮机构4可以构造为单个凸起、两个凸起或多个凸起的平面凸轮，叶轮机构3能够在钻井液驱动下带动凸轮机构4在水平面进行旋转运动，从而实现驱动顶针冲击机构5不断交替地向外伸出和回缩复位。如图3所示，顶针冲击机构5设置成与凸轮机构4之间存在偏心距e，优选的偏心距的合理取值范围为0≤e≤10mm。一方面，该偏心距的存在有利于凸轮机构4和顶针冲击机构5在钻头本体1的内部合理装配和安排空间。另一方面，将偏心距控制在一定范围内，能够提高凸轮机构4与顶针冲击机构5的能量利用率。

在图6所示实施例中，凸轮机构4上设置有2个凸起结构，在钻头本体1内设置有2个顶针冲击机构5。2个顶针冲击机构5可以对称分布。这样，凸轮机构4旋转一周可驱动顶针冲击机构5冲击岩石2次，并在钻头本体1的两侧均产生冲击破岩作用。钻头100的这种结构能够提高冲击破岩的次数及频率，有效增加凸轮机构4的能量利用率，显著提升了整个钻头100的破岩效率。当然可以理解，顶针冲击机构5可以设置单个，也可以设置更多个。

在本实施例中，凸轮机构4的凸起结构的凸起高度决定了顶针冲击机构5的直线往复运动行程h。这里需要理解的是，凸轮机构4的内外圆半径之差为顶针冲击机构5直线往复运动的行程h。如图7所示，顶针冲击机构5的行程h的合理取值范围为2≤h≤10mm。顶针冲击机构5的行程h的这一范围设置有效能够保证顶针冲击机构5破碎岩石的可靠性，并能够避免行程过大而对钻头冲击振动过大，避免破坏PDC齿的平稳切削过程而影响钻头的使用寿命。

根据本发明，如图8所示，顶针冲击机构5的中心轴线与钻头本体1的轴线的冲击夹角γ的取值范围为0≤│γ│≤90°。将冲击夹角γ控制在一定范围内，这样能够控制顶针冲击机构5的作用范围，进一步增强冲击破岩效果，提高整个钻头100的破岩效率。由此，钻头100能够根据具体情况采用不同的结构参数，实现冲击破岩的钻头个性化设计。

如图1所示，在刀翼2中设有喷嘴7，喷嘴7的喷射方向设置成朝向PDC切削齿21和顶针冲击机构5。喷嘴7喷出的高速钻井液能够清洁刀翼2、PDC切削齿21和顶针冲击机构5的岩屑，从而有效避免钻头100发生泥包。由此，保证了顶针51能够顺利做往复运动，有效避免卡死，非常有利于保证钻头100的冲击破岩功能。

下面简述根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头100的工作过程。钻头100在井下破岩钻进时，钻头本体1在上部钻具(未示出)的带动下做旋转运动，并带动刀翼2及PDC切削齿21旋转切削破岩。同时，高速钻井液从过流通道11流过而驱动叶轮机构3旋转，叶轮机构3带动凸轮机构4做平面旋转运动。凸轮机构4在旋转运动过程中，凸轮机构4的高边和低边交替接触顶针冲击机构5的轴向内端面，当凸轮机构4转动至高边接触顶针冲击机构5时，顶针冲击机构5压缩弹性件6并向外伸出，从而冲击破碎井底岩石8，当凸轮机构4转动至低边接触顶针冲击机构5时，顶针冲击机构5在弹性件6的作用下向内回缩，完成复位。由此，叶轮机构3和凸轮机构4持续旋转，带动顶针冲击机构5不断地伸出、回缩复位，做往复运动，从而冲击破碎井底岩石8。顶针冲击机构5在钻头本体1中形成独立的冲击振动，钻头刀翼2上的PDC切削齿21依旧采用切削破岩方式，从而使得钻头100同时具有冲击-切削破岩功能。

根据本发明的具有冲击破岩功能的钻头100能够将钻井液的水力能量转化为破碎岩石的冲击能量，并产生周期性的冲击，高速旋转叶轮机构可以显著提高冲击破岩的次数与频率，大大提高钻头整体能量利用率，利用冲击-切削混合破岩模式，显著提升了整个钻头的破岩效率。钻头100利用凸轮机构4与顶针冲击机构5产生冲击振动，顶针冲击机构5在钻头本体1中形成独立的冲击运动，避免了使用冲击器对钻头100整体施加冲击载荷造成的PDC切削齿21的冲击失效，提高钻头破岩效率的同时不影响其使用寿命。同时，钻头100通过顶针冲击机构5自身产生一定频率的冲击振动，降低了滑动钻进时钻头100以及底部钻具组合附近的摩阻，减小井底沉砂对钻头的包裹力，能够有效避免钻头托压、钻头泥包现象的发生。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有冲击破岩功能的钻头，包括：

钻头本体(1)，在所述钻头本体内设有供钻井液流过的过流通道(11)，所述过流通道沿轴向贯穿所述钻头本体；

设置在所述过流通道中的叶轮机构(3)；

与所述叶轮机构固定连接的凸轮机构(4)；以及

若干设置于所述钻头本体的内部的顶针冲击机构(5)，所述顶针冲击机构的第一端与所述凸轮机构的工作端面接触；

其中，所述叶轮机构能够在钻井液的作用下带动所述凸轮机构转动，使所述凸轮机构驱动所述顶针冲击机构交替向外伸出和回缩复位，从而冲击破碎井底岩石。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述顶针冲击机构包括顶针(51)，在所述钻头本体的内部设有安装部(12)，所述顶针安装在所述安装部内，且所述顶针能够伸出或缩回所述安装部。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述顶针包括构造为圆柱体形的第一本体(511)和与所述第一本体固定连接的第二本体(512)，所述第一本体的直径大于所述第二本体的直径，从而在所述第一本体和所述第二本体的连接处形成第一台阶。

4.根据权利要求2或3所述的钻头，其特征在于，在所述第二本体的轴向外端设有冲击齿(52)。

5.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于，在所述第二本体上套设有弹性件(6)，在所述安装部的内壁上设有端面朝向内侧的第二台阶(121)，

所述弹性件的两端分别抵靠所述第一台阶和所述第二台阶，所述顶针冲击机构通过所述弹性件回缩复位。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的钻头，其特征在于，所述顶针冲击机构的中心轴线与所述钻头本体轴线的夹角γ的取值范围为0°≤│γ│≤90°。

7.根据权利要求1到3中任一项所述的钻头，其特征在于，所述顶针冲击机构设置成与所述凸轮机构之间存在偏心距e，且所述偏心距的取值范围为0≤e≤10mm。

8.根据权利要求1到3中任一项所述的钻头，其特征在于，所述顶针冲击机构的往复运动的行程h的取值范围为2≤h≤10mm。

9.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，在所述钻头本体的外周表面上设有多个刀翼(2)，所述刀翼上设有PDC切削齿(21)，

所述钻头本体能够随上部钻具旋转，并带动所述刀翼和所述PDC切削齿旋转以切削破岩，从而使所述钻头能够进行冲击与切削复合破岩。

10.根据权利要求9所述的钻头，其特征在于，在所述刀翼中设有喷嘴(7)，所述喷嘴的喷射方向设置成朝向所述PDC切削齿和所述顶针冲击机构，用于对所述PDC切削齿和所述顶针冲击机构进行清洗。

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