CN117627537A - 一种自冲击pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自冲击PDC钻头，包括：主壳体，主壳体的内部形成有安装空间；连接在主壳体的下端的钻头本体，在钻头本体的心部设有沿轴向贯穿钻头本体的通孔；布置在安装空间内的冲击总成，其包括驱动单元、冲击载荷生成单元，以及用于传递冲击载荷的冲击体，驱动单元能够在钻井液的作用下产生旋转动力，冲击体穿过通孔且能够沿通孔滑动；其中，冲击体构造成包括用于连接冲击载荷生成单元的连接轴和多个形成于连接轴的末端的冲击翼，在冲击翼的冲击端面上均布有多个冲击齿，冲击总成能够在驱动单元和冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，并传递给冲击体，从而使冲击齿冲击破岩，以在井底产生冲击坑。

Description

一种自冲击PDC钻头

技术领域

本发明属于钻井工具技术领域，具体涉及一种自冲击PDC钻头。

背景技术

PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)是石油钻井行业常用的钻井工具。随着钻井深度增加，钻井难度越来越大，对钻头也提出了更高的要求，在高硬度、高研磨性地层中，钻头在钻井过程中稳定性差，影响了钻井效率和钻井效果。

为提高钻头机械钻速及寿命，现有的PDC钻头通常采用轴向或周向加速工具配合PDC钻头来实现冲击破岩，但是加速工具的结构复杂，连接部件多，可靠性差，且操作要求高，常规的PDC钻头配合上述加速工具，PDC钻头的各切削齿在高频振动中容易受到冲击而失效，导致钻头强度不足、稳定性差，进而攻击力不足、寿命短。

常规PDC钻头的冲击结构在钻头上所占空间较大，不利于钻头的结构设计，且结构复杂，连接部件多，可靠性差。在硬度较高的地层钻进时，切削齿吃入岩石的难度大、破岩能耗大，产生的摩擦大，热磨损现象严重。此外，常规PDC钻头在钻进过程中，冲击载荷与冲击带来的振动直接传递到PDC切削齿上，严重降低了切削齿的使用寿命。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种自冲击PDC钻头，该自冲击PDC钻头能够利用钻井液产生自冲击载荷，能够明显降低切削齿吃入岩石的难度和破岩能耗，并且在钻进时能够在井底产生冲击坑，使得在心部冲击区域井底岩脊更小且不连续，大大降低该区域的岩石强度，显著提高机械转速，从而能够显著提高在硬度较高的地层钻进时的破岩效率。

为此，根据本发明提供了一种自冲击PDC钻头，包括：主壳体，所述主壳体的内部形成有安装空间；连接在所述主壳体的下端的钻头本体，在所述钻头本体的心部设有沿轴向贯穿所述钻头本体的通孔；以及布置在所述安装空间内的冲击总成，其包括驱动单元、冲击载荷生成单元，以及用于传递冲击载荷的冲击体，所述驱动单元能够在钻井液的作用下产生旋转动力，所述冲击体穿过所述通孔且能够沿所述通孔滑动；其中，所述冲击体构造成包括用于连接冲击载荷生成单元的连接轴和多个形成于所述连接轴的末端的冲击翼，在所述冲击翼的冲击端面上均布有多个冲击齿，所述冲击总成能够在所述驱动单元和所述冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，并传递给所述冲击体，从而使所述冲击齿冲击破岩，以在井底产生冲击坑。

在一个实施例中，多个所述冲击翼在所述连接轴的末端沿周向均匀间隔开分布。

在一个实施例中，在所述连接轴上安装有多个定位销钉，多个所述定位销钉在周向上与所述冲击翼对应，在所述通孔的内壁面上设有多个定向槽，所述定位销钉适配安装在所述定向槽内。

在一个实施例中，所述驱动单元包括叶轮和设置在所述叶轮的上端的导流机构，钻井液能够在所述导流机构的作用下形成射流并驱动所述叶轮旋转。

在一个实施例中，所述导流机构包括导轮轴和固定安装在所述导轮轴上的导轮，所述导轮与所述主壳体形成固定连接，所述叶轮通过轴承安装在所述导轮轴上。

在一个实施例中，所述导轮的叶片的旋向设置成与所述叶轮的叶片的旋向相反。

在一个实施例中，所述冲击载荷生成单元包括阀盘机构和连接在所述阀盘机构下端的冲击杆，所述冲击体与所述冲击杆固定连接，

所述阀盘机构包括与所述叶轮固定连接的动阀盘和与所述冲击杆固定连接的静阀盘，所述动阀盘随所述叶轮旋转而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化，从而产生冲击载荷并传递给所述冲击体。

在一个实施例中，在所述动阀盘和所述静阀盘上分别设有偏心通孔，用于使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化。

在一个实施例中，所述冲击载荷生成单元还包括套设在所述冲击杆上的复位机构，其包括套设在所述冲击杆上的弹性件和限位挡件，

所述限位挡件与所述主壳体的内壁面固定连接，所述弹性件的两端分别抵靠所述静阀盘和所述限位挡件。

在一个实施例中，所述限位挡件构造成具有中心孔的圆柱体，且在所述圆柱体上设有多个用于供钻井液流通的连通孔，所述冲击杆穿过所述中心孔并能沿所述中心孔滑动。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

根据本发明的自冲击PDC钻头在作业时，固定切削机构与冲击体上的自冲击机构的运动相对独立，冲击载荷不会对自冲击PDC钻头造成不利的影响。与现有技术的单一牙轮-PDC混合钻头相比，自冲击PDC钻头的结构简单，连接部件少，可靠性高，且其自冲击结构在钻头本体上所占空间较小，有利于钻头的结构设计，非常有利于提高钻头的寿命。同时，自冲击PDC钻头能够显著降低切削齿吃入岩石的难度和破岩能耗，在硬度较高的地层钻进时能达到更高的破岩效率。由于切削齿在有破碎坑的地方切削时的能耗较低，产生的摩擦更小，使得热磨损现象得到极大的改善。此外，冲击齿能够相对于钻头本体在冲击载荷传递的方向滑动，避免了冲击载荷与冲击带来的振动直接传递到切削齿上，有利于延长切削齿的使用寿命。使用根据本发明的自冲击PDC钻头，在钻进时井底能够产生冲击坑，使切削齿切削破岩产生的微小岩脊不再连续，尤其是使心部区域切削齿产生的微小环形岩脊得到了有效的破碎，这能够显著提高机械转速，从而能够极大地提高自冲击PDC钻头的破岩钻进效率，以及增强破岩效果。

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自冲击PDC钻头的结构。

图2示意性地显示了导轮的结构。

图3示意性地显示了动阀盘的偏心孔的结构。

图4示意性地显示了冲击体的结构。

图5示意性地显示了冲击体的冲击端面的结构。

图6示意性地显示了钻头本体的结构。

图7示意性地显示了冲击体安装到钻头本体上的结构。

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。

为方便理解，在本申请中，将靠近井口的一端定义为上端、上游端或相似用语，例如图1中的左端，而将远离井口的一端定义为下端、下游端或相似用语，例如图1中的右端。同时，将沿着自冲击PDC钻头的长度方向称为纵向方向、轴向方向或类似用语，而与之垂直的方向称为横向方向、径向方向或类似用语。

图1示意性地显示了根据本发明的自冲击PDC钻头100的结构。如图1所示，自冲击PDC钻头100包括主壳体1、冲击总成3，以及钻头本体5。主壳体1构造成筒状，在主壳体1的内部形成有安装空间2。钻头本体5固定连接在主壳体1的下端，在钻头本体5的心部设有沿轴向贯穿钻头本体5的通孔53(见图6)。冲击总成3安装在安装空间2内，冲击总成3包括驱动单元、冲击载荷生成单元，以及用于传递冲击载荷的冲击体6，驱动单元能够在钻井液的作用下产生旋转动力，冲击体6穿过通孔53且能够沿通孔53滑动。冲击总成3能够在驱动单元和冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，并传递给冲击体6，使得冲击体6能够产生周期性的冲击载荷，以冲击破岩。由此，自冲击PDC钻头100在钻进时能够在井底产生冲击坑。

在一个实施例中，主壳体1的上端构造成螺纹接头，用于连接上部钻杆(未示出)。

根据本发明，如图1所示，驱动单元包括叶轮34和设置在叶轮34的上端的导流机构35，钻井液能够在导流机构35的作用下形成射流并冲击叶轮34，从而驱动叶轮34旋转。导流机构35包括导轮轴351和固定安装在导轮轴351上的导轮352。导轮352结构如图2所示。在一个实施例中，导轮352通过螺纹固定安装在导轮轴351上。导轮352与主壳体1形成固定连接，在一个实施例中，主壳体1上设有销钉孔，导轮352上设有安装孔，销钉孔与安装孔对准后安装定位销钉11，从而使导轮352与主壳体1形成固定连接。图2示意性地显示了导轮352的结构。

在导轮轴351的上端设有导轮帽353，用于对钻井液形成导流，便于钻井液流向导轮352。

叶轮34通过轴承(未示出)安装在导轮轴351上，使得叶轮34与导轮轴351形成转动连接。钻井液能够在导轮352的作用下形成射流冲击叶轮34，从而驱动叶轮34旋转。为了增强流体对叶轮34的叶片的冲击作用，导轮352的叶片的旋向设置成与叶轮34的叶片的旋向相反。

根据本发明，如图1所示，冲击载荷生成单元包括阀盘机构31和连接在阀盘机构31下端的冲击杆32，冲击体6与冲击杆32固定连接。阀盘机构31包括与叶轮34固定连接的动阀盘311和与冲击杆32固定连接的静阀盘312，动阀盘311随叶轮34旋转而使阀盘机构31的过流面积呈周期性变化，从而产生冲击载荷并传递给冲击体6。静阀盘312固定连接在冲击杆32的上端。优选地，静阀盘312与冲击杆32设置为一体，这样不仅方便加工与安装，且有利于冲击载荷的传递。

冲击载荷生成单元还包括套设在冲击杆32上的复位机构33，复位机构33包括套设在冲击杆32上的弹性件331和限位挡件332。弹性件331例如可以为弹簧。限位挡件332与主壳体1的内壁面固定连接，弹性件331的两端分别抵靠静阀盘312和限位挡件332。限位挡件332构造成具有中心孔的圆柱体，且在圆柱体上设有多个用于供钻井液流通的连通孔3321，冲击杆32穿过中心孔并能沿中心孔滑动。

根据本发明，在动阀盘311和静阀盘312上分别设有偏心通孔310，用于使阀盘机构31的过流面积呈周期性变化。优选地，如图3所示，偏心通孔310可以构造成月牙形通孔。

在本实施例中，动阀盘311和静阀盘312上的偏心通孔310构造成具有同样形状、同样尺寸的月牙形通孔。叶轮34带动动阀盘311旋转时，实现阀盘机构312的过流面积呈周期性变化。当两个偏心通孔310不一致时(部分重叠)，在动阀盘311与静阀盘312之间形成水锤效应，从而产生冲击载荷，冲击载荷冲击静阀盘312带动冲击杆32克服复位机构33的阻力对岩石进行冲击。随着动阀盘311的旋转，当两个偏心通孔310的位置一致(完全重合)时，流体压力得到释放，水锤效应消失，静阀盘312与冲击杆32在复位机构33的作用下回弹，开始下一个循环。由此，冲击杆32能够在冲击载荷与复位机构33的作用下带动冲击体6沿轴向往复运动，从而使冲击体6冲击破岩。

在一个实施例中，叶轮34与动阀盘311通过螺纹形成固定连接。优选地，叶轮34与动阀盘311之间的螺纹旋向与叶轮34运动的方向相反，这样能够防止叶轮34和动阀盘311在工作时脱落。

根据本发明的自冲击PDC钻头100在下井前可根据不同岩层调节使用不同升角的叶轮34和导轮352，以调节叶轮34的旋转速度，从而调节冲击体6的冲击频率，提高自冲击PDC钻头100适用性，非常有利于提高破岩效率。

根据本发明，如图4所示，冲击体6构造成包括用于连接冲击载荷生成单元的连接轴61和多个形成于连接轴61的末端的冲击翼62，在冲击翼62的冲击端面(下端面)上均布有多个冲击齿63，冲击总成3能够在驱动单元和冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，并传递给冲击体6，使得冲击体6能够产生周期性的冲击载荷，从而使冲击齿63冲击破岩。

冲击体6的连接轴61构造成沿轴向延伸一定长度，连接轴61的上端设有连接部。连接轴61的上端向上延伸至安装空间2内并通过连接部与冲击杆32固定连接。多个冲击翼62形成于连接轴61的下端的外周表面上，且沿周向均匀间隔开分布。冲击翼62的下端面形成为冲击端面，多个冲击齿63均匀分布在冲击翼62的冲击端面上。图5示意性地冲击翼62和冲击齿63的结构。

如图4所示，在连接轴62上安装有多个定位销钉7，多个定位销钉7在周向上分别与冲击翼62对应。同时，如图6所示，在钻头本体5心部的通孔53的内壁面上设有多个定向槽8，多个定向槽8在周向上均布，且沿轴向延伸设置。定位销钉7适配安装在定向槽8内，且随着冲击体6的轴向往复运动，定位销钉7沿定向槽8滑动，以对冲击体6形成定向，有效避免冲击体6产生转动。

如图7所示，钻头本体5上设有多个主刀翼51，多个主刀翼51沿周向均匀间隔开设置，在主刀翼51上均匀排列布设有多个切削齿52。主刀翼51和切削齿52形成为自冲击PDC钻头100的固定切削机构。冲击体6上的冲击翼62的数量优选设置成与主刀翼51的数量相等，且冲击翼62在周向上分别处于相邻的主刀翼51之间。冲击体6上的冲击翼62和冲击齿63形成为自冲击PDC钻头100的自冲击机构。

根据本发明的自冲击PDC钻头100在作业时，固定切削机构与冲击体6上的自冲击机构的运动相对独立，冲击载荷不会对自冲击PDC钻头100造成不利的影响。与现有技术的单一牙轮-PDC混合钻头相比，自冲击PDC钻头100的结构简单，连接部件少，可靠性高，且其自冲击结构在钻头本体5上所占空间较小，有利于钻头的结构设计，非常有利于提高钻头的寿命。同时，自冲击PDC钻头100能够显著降低切削齿52吃入岩石的难度和破岩能耗，在硬度较高的地层钻进时能达到更高的破岩效率。由于切削齿52在有破碎坑的地方切削时的能耗较低，产生的摩擦更小，使得热磨损现象得到极大的改善。此外，冲击齿63能够相对于钻头本体5在冲击载荷传递的方向滑动，避免了冲击载荷与冲击带来的振动直接传递到切削齿52上，有利于延长切削齿52的使用寿命。

根据本发明的自冲击PDC钻头100在钻进时井底能够产生冲击坑，使切削齿52切削破岩产生的微小岩脊不再连续，尤其是使心部区域切削齿产生的微小环形岩脊得到了有效的破碎。与常规PDC钻头形成的井底相比，本发明的自冲击PDC钻头100在冲击齿63冲击岩石的区域的井底岩脊更小且不连续，使得该区域的岩石的强度更小，以至于在未完全形成微小岩脊时便已经被破碎掉，这使得本发明的自冲击PDC钻头100在相同钻进条件下能够显著提高机械转速，从而能够极大地提高自冲击PDC钻头100的破岩钻进效率，以及增强破岩效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，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。

另外，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)

1.一种自冲击PDC钻头，包括：

主壳体(1)，所述主壳体(1)的内部形成有安装空间(2)；

连接在所述主壳体的下端的钻头本体(5)，在所述钻头本体(5)的心部设有沿轴向贯穿所述钻头本体(5)的通孔(53)；以及

布置在所述安装空间(2)内的冲击总成(3)，其包括驱动单元、冲击载荷生成单元，以及用于传递冲击载荷的冲击体(6)，所述驱动单元能够在钻井液的作用下产生旋转动力，所述冲击体(6)穿过所述通孔(53)且能够沿所述通孔(53)滑动；

其中，所述冲击体(6)构造成包括用于连接冲击载荷生成单元的连接轴(61)和多个形成于所述连接轴(61)的末端的冲击翼(62)，在所述冲击翼(62)的冲击端面上均布有多个冲击齿(63)，所述冲击总成能够在所述驱动单元和所述冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，并传递给所述冲击体，从而使所述冲击齿(63)冲击破岩，以在井底产生冲击坑。

2.根据权利要求1所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，多个所述冲击翼(62)在所述连接轴(61)的末端沿周向均匀间隔开分布。

3.根据权利要求1或2所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，在所述连接轴上安装有多个定位销钉(7)，多个所述定位销钉(7)在周向上与所述冲击翼(62)对应，在所述通孔(53)的内壁面上设有多个定向槽(8)，所述定位销钉(7)适配安装在所述定向槽(8)内。

4.根据权利要求1所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述驱动单元包括叶轮(34)和设置在所述叶轮(34)的上端的导流机构(35)，钻井液能够在所述导流机构(35)的作用下形成射流并驱动所述叶轮(34)旋转。

5.根据权利要求4所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述导流机构(35)包括导轮轴(351)和固定安装在所述导轮轴(351)上的导轮(352)，所述导轮(352)与所述主壳体(1)形成固定连接，所述叶轮(34)通过轴承安装在所述导轮轴(351)上。

6.根据权利要求5所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述导轮(352)的叶片的旋向设置成与所述叶轮(34)的叶片的旋向相反。

7.根据权利要求4所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述冲击载荷生成单元包括阀盘机构(31)和连接在所述阀盘机构(31)下端的冲击杆(32)，所述冲击体(6)与所述冲击杆(32)固定连接，

所述阀盘机构(31)包括与所述叶轮(34)固定连接的动阀盘(311)和与所述冲击杆(32)固定连接的静阀盘(312)，所述动阀盘(311)随所述叶轮(34)旋转而使所述阀盘机构(31)的过流面积呈周期性变化，从而产生冲击载荷并传递给所述冲击体(6)。

8.根据权利要求7所述的井下辅助钻井工具，其特征在于，在所述动阀盘(311)和所述静阀盘(312)上分别设有偏心通孔(310)，用于使所述阀盘机构(31)的过流面积呈周期性变化。

9.根据权利要求7或8所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述冲击载荷生成单元还包括套设在所述冲击杆(32)上的复位机构(33)，其包括套设在所述冲击杆(32)上的弹性件(331)和限位挡件(332)，

所述限位挡件(332)与所述主壳体(1)的内壁面固定连接，所述弹性件(331)的两端分别抵靠所述静阀盘(312)和所述限位挡件(332)。

10.根据权利要求9所述的自冲击PDC钻头，其特征在于，所述限位挡件(332)构造成具有中心孔的圆柱体，且在所述圆柱体上设有多个用于供钻井液流通的连通孔(3321)，所述冲击杆(32)穿过所述中心孔并能沿所述中心孔滑动。