双轴承简支梁式破岩滚刀及其混合式PDC钻头

摘要

一种双轴承简支梁式破岩滚刀及其混合式PDC钻头，所述破岩滚刀包含圆球状的本体，所述本体的中心设有供支撑轴贯穿的通孔，外缘设有多个破岩元件，所述支撑轴的两端分别通过轴承支撑于破岩滚刀的通孔两端并贯穿伸出，该混合式PDC钻头包括钻头本体，钻头本体的前端分布有多对刀翼，在刀翼与刀翼之间或者刀翼的冠部位置布置有破岩滚刀。由此，所述支撑轴在工作时承担简支梁功能，肩负工作时破岩滚刀的剪力和扭矩，由此，本发明克服现有技术的缺陷，有效结合破岩滚刀压裂碎岩优势与PDC钻头的切削碎岩优势，同时对岩石进行压碎、切削，从而达到在开采作业中钻头对地层的多样适应性，同时也提高钻井速度和效率，有效延长钻头寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井勘探工具的技术领域，尤其涉及一种双轴承简支 梁式破岩滚刀及其混合式PDC钻头，其结构结合破岩滚刀进行碎岩， 利用PDC钻头复合片旋转切削原理，综合两种钻头的优势的，达到 互补提高，形成一种新的，易于制造的混合式钻头。

背景技术

PDC钻头普遍用于地质勘探，煤田钻采，石油勘探等领域，在近 年来，PDC钻头使用中事故率低，钻进速度快，其每年的钻井进尺数 量一直上升，使用十分广泛，但是在钻采中越到一些特殊复杂地层时， 如夹层砾石，橡皮地层，PDC复合片在钻井过程中容易出现不抗冲击， 或者地层不能有效吃入，要么出现复合片先期损坏，导致钻头磨损， 寿命提前终结，要么不能有效的保持钻井进尺速度，从而不得不重新 进行起钻，更换新的钻头，或者使用牙轮钻头进行作业，增加钻井周 期和成本。

本发明的申请人利用双轴承简支梁式破岩滚刀并组合至混合式 PDC钻头，破岩滚刀两端均使用轴与钻头进行焊接固定，从而起到简 支梁的效果，其承载能力大大强于牙轮钻头的悬挑梁结构，同时也能 承担更大的剪力和扭矩，并且破岩滚刀内部采用双轴承结构，有效分 担简支梁的钻压载荷，使破岩滚刀更有效的切入地层起到碎岩作用， 安全系数也得到提高。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计， 综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种双轴承简 支梁式破岩滚刀及其混合式PDC钻头，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双轴承简支梁式破岩滚刀及其混合 式PDC钻头，其克服PDC金刚石复合片钻头在钻井作业中，当钻越 复杂夹层地层、砾石地层、橡胶地层等，或者定向作业时，PDC复合 片寿命不足出现先期损坏，亦或无法有效吃入岩石地层，出现作业中 鳖钻蹦跳现象，PDC钻头未到达理想的进尺效果不得不提前报废的尴 尬状态，从而结合破岩滚刀压裂碎岩优势与PDC钻头的切削碎岩优 势，同时对岩石进行压碎、切削，从而达到在开采作业中钻头对地层 的多样适应性，同时也提高钻井速度和效率，有效延长钻头寿命。

为解决上述问题，本发明公开了一种双轴承简支梁式破岩滚刀， 其特征在于：所述破岩滚刀包含圆球状的本体，所述本体的中心设有 供支撑轴贯穿的通孔，外缘设有多个破岩元件，所述支撑轴的两端分 别通过轴承支撑于破岩滚刀的通孔两端并贯穿伸出，由此，所述支撑 轴在工作时承担简支梁功能，肩负工作时破岩滚刀的剪力和扭矩。

其中：所述支撑轴的上端依次穿过端部推力轴承、端部密封元件 和锁紧元件后伸出，所述支撑轴的下端依次安装有承重推力轴承和密 封元件。

其中：所述支撑轴和通孔之间具有间隙，以设有便于旋转的轴承 润滑脂，所述支撑轴内还可设有泄油孔和泄压油囊。

其中：所述泄压油囊包含油囊本体，油囊本体的中间设有不贯通 至顶部的中间孔，所述中间孔的上端设有纵向贯通至外部的出油孔， 所述中间孔的末端安装有堵塞件，内部设有挤压件，所述堵塞件和挤 压件之间设有能推动挤压件进行前后运动以实现收纳和挤压的缓冲 弹簧。

一种混合式PDC钻头，包括钻头本体，其特征在于：所述钻头 本体的前端分布有多对刀翼，在刀翼与刀翼之间或者刀翼的冠部位置 布置有如上所述的破岩滚刀。

其中：所述钻头本体的中心纵向设有主水孔，顶部设有多个分水 孔，所述主水孔与各分水孔连通。

其中：所述刀翼上设有多个切削元件，所述切削元件从刀翼的心 部一直布置至钻头保径。

其中：所述破岩滚刀的支撑轴的轴线与钻头本体的轴线之间具有 夹角为β，所述60°>β>30°。

其中：所述破岩滚刀的支撑轴的轴线与钻头本体的轴线之间有一 个偏距为δ，所述δ大于零但小于等于25mm。

通过上述结构可知，本发明的双轴承简支梁式破岩滚刀及其混合 式PDC钻头具有如下效果：

1、破岩滚刀使用双轴承简支梁结构，大大提高破岩滚刀在压碎 岩石时的寿命以及受力的均匀性，同时也提高钻井开采作业的安全 性，极大的避免轴承失效，破岩滚刀滑落井底的事故。

2、在工作时，破岩滚刀受到岩石的反力推动破岩滚刀自转，破 岩滚刀上镶嵌的合金齿在转动过程中不断的对岩石进行研磨压碎，钻 头的旋转过程中，钻头刀翼上面的切割元件同时对岩石进行旋转切 削，使致密的岩石先期塑性破坏，也可以避免在钻头工作不均衡时， 复合片受到冲击先期失效，从而获得理想的切削钻进效果，满足钻探 领域PDC钻头在应付多样性，含有砾石等地层作业时的需求。

3、结合了PDC钻头旋转切削岩石和破岩滚刀滚动压碎岩石的原 理，在钻井中能有效的延长钻头寿命，并且发挥破岩滚刀切削，已经 PDC钻头切削的优势，使钻头在钻越复杂地层时能有效的适应其变 化，提高钻井效率和延长钻头寿命。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明中具有双轴承简支梁式破岩滚刀的混合式PDC 钻头的部分剖视图。

图2显示了图1中对双轴承简支梁式破岩滚刀进行剖视的附图。

图3显示了图1的俯视图。

图4显示了本发明双轴承简支梁式破岩滚刀的分解图。

图5显示了本发明双轴承简支梁式破岩滚刀的组合剖视图。

图6显示了本发明泄压油囊的示意图。

图7本实施破岩滚刀与PDC钻头体装配示意图。

图8显示了本发明中未安装双轴承简支梁式破岩滚刀的混合式 PDC钻头的俯视图。

图9显示了本发明中混合式PDC钻头安装双轴承简支梁式破岩 滚刀的示意图。

图10显示了另一实施例未安装双轴承简支梁式破岩滚刀的混合 式PDC钻头的俯视图。

图11显示了另一实施例的俯视图。

本发明附图标记如下：

钻头本体1，上安装座101，下安装座102，刀翼2，切削元件3， 分水孔4，活动喷嘴5，破岩滚刀6，破岩元件7，支撑轴8，锁紧元 件9，端部密封元件10，端部推力轴承11，轴承润滑脂12，承重推 力轴承13，密封元件14，泄压油囊15，油囊本体151，中间孔152， 出油孔153，堵塞件154，挤压密封件155，缓冲弹簧156，定位凸起 157，泄油孔16，电焊层17，连接螺纹18，主水孔19，卸扣槽20， 钻头加强保径垫21。

具体实施方式

参见图1至图3，显示了本发明中混合式PDC钻头的一种实施例 的示意图。

所述混合式PDC钻头包括基本为柱形的钻头本体1，所述钻头本 体1的中心纵向设有主水孔19，下部外缘设有连接螺纹18，用于钻 头与钻杆连接来传递扭矩，中部设有卸扣槽20，便于操作，顶部设 有多个分水孔4，所述主水孔19与各分水孔4连通，在各分水孔4 内安装有活动喷嘴5，所述活动碰嘴5通过密封圈，通过螺纹连接定 位在分水孔4内，钻井液通过水孔通过主水孔19和分水孔4流入井 底，通过循环，把切削下来的岩屑带出地面，钻头本体1的前端可分 布有多对刀翼，所述刀翼可包含主刀翼和/或副刀翼，所述刀翼的数 量可为2至15对，在刀翼与刀翼之间，或者刀翼的冠部位置布置有 破岩滚刀6。

由此，所述破岩滚刀6可以通过焊接层17布置在钻头本体1上 所布置的刀翼2之间，也可以布置在刀翼2上。

在图中所示实施例中，钻头本体1的上端布置有两对分别沿钻头 本体1的轴心分布的刀翼2，在设置两对刀翼2的情况下，刀翼2可 均为长刀翼，在两个长刀翼2之间可设有安装破岩滚刀6的支座，同 时参见图7和图8，支座可包含上安装座101、下安装座102和两者 之间的容纳部，所述破岩滚刀6的两端分别固定安装于上安装座101 和下安装座102，容纳部的尺寸可供破岩滚刀6置入并进行可期待的 旋转，固定方式可通过冷却电焊的方法，即两端通过电焊层17焊接 与钻头本体1为一个整体，当然，也可通过端部与钻头本体1采用螺 栓连接或者销铆连接的方式使之成为一体，以满足工作需要，这种螺 栓连接或者销铆连接的方式替换了电焊层17的连接方式，这样的结 构利于钻头在入井使用后滚刀轴承晃动或者PDC复合片磨损情况下， 钻头进行修复后二次使用。

其中，所述刀翼2上设有多个切削元件3，在本实施例中所述切 削元件3使用PDC复合片，也可在刀翼2上面按照地层要求使用金 刚石聚集孕镶齿或者复合齿来替代PDC复合片，所述切削元件3一 直从刀翼的心部一直布置至钻头保径，即覆盖完整井底。

其中，所述下安装座102的外缘设有多个钻头加强保径垫21， 所述钻头加强保径垫21可为钎焊上的硬质合金垫或复合齿，以有效 提高井眼的质量和钻头寿命。

参见图4-5，显示了本发明的双轴承简支梁式破岩滚刀，所述破 岩滚刀6包含圆球状的本体，或带沟槽旋转本体，所述本体的中心设 有供支撑轴8贯穿的通孔，外缘设有多个破岩元件7，所述支撑轴8 的两端分别通过轴承支撑于破岩滚刀6的通孔两端并贯穿伸出，从而 通过支撑轴8固定于钻头本体1的支座，由此，所述支撑轴8在工作 时承担简支梁功能，肩负工作时破岩滚刀6的剪力和扭矩。

在图中所示实施例中，所述支撑轴8的上端依次穿过端部推力轴 承11、端部密封元件10和锁紧元件9后伸出，所述支撑轴8的下端 依次安装有承重推力轴承13和密封元件14，由此，支撑轴8的两端 分别由轴承支撑，该支撑轴8的两端分别固定于钻头本体1，且本体 可相对支撑轴8旋转，从而通过支撑轴8实现简支梁的支撑作用。

其中，所述支撑轴8和通孔之间具有间隙，以设有便于旋转的轴 承润滑脂12，所述支撑轴8内还可设有泄油孔16和泄压油囊15，其 中，所述泄油孔16可连通与上述间隙与支撑轴8的下端外部，所述 泄压油囊15设置于泄油孔16内，参见图6，所述泄压油囊15可包 含油囊本体151，所述油囊本体151的中间设有不贯通至顶部的中间 孔152，所述中间孔152的上端设有纵向贯通至外部的出油孔153， 所述中间孔152的末端可拆卸的安装有堵塞件154，内部设有挤压密 封件155，所述堵塞件154和挤压密封件155之间设有可推动挤压密 封件155进行前后运动以实现收纳和释放的单向密封弹簧156，所述 堵塞件154可设有连接单向密封弹簧156一端的单向堵塞球157。

由此，所述泄压油囊15设置为单向结构，即当破岩滚刀转动中 温度升高导致轴承润滑脂12膨胀，内部油压过高时，多余的轴承润 滑脂12进入泄压油囊15，达到单向阀效果，而外部泥浆却不会串入 支撑轴内部，避免轴承的寿命缩短或先期失效。

参见图7和8，显示了本发明安装破岩滚刀的示意图，装配好的 破岩滚刀6的支撑轴的轴线与钻头本体1的轴线之间具有夹角为β， 所述60°>β>30°，优选为36°。且两者之间还存在有一个偏距， 即破岩滚刀的轴心与钻头本体1的轴心偏离一定的距离δ(同时参见 图3和图10)，所述δ大于零但小于等于25mm，优选为6mm，这 种偏心距离利于钻头在旋转时，破岩滚刀在岩石反力作用下更有效的 自转。

从实际结果验证来看，采用此种两端固定的简支梁结构固定破岩 滚刀优于一端固定，一端支撑的悬挑简支梁结构，同时更优异于是一 端固定，心部一端悬挑的悬挑结构，其所受剪力不足悬挑梁结构的五 分之一。

参见图10和11，在另一实施例中，所述钻头本体1上可布置有 三对共6个刀翼2，其中两对为长刀翼，一对为短刀翼，在其中两个 长刀翼上设置有安装破岩滚刀6的支座，在钻头工作时，心部通过刀 翼2破岩，钻头冠部肩部通过破岩滚刀碎岩及刀翼切削破岩的切削方 式完成岩石的塑性破坏，达到钻头钻进的目的。

其中，所述破岩滚刀6的锁紧元件9可为锁紧螺母，当其他元件 装配完成后，通过锁紧螺母与支撑轴8上的螺纹实现自锁，完成支撑 轴8的固定配合。

其中，所述破岩滚刀6的锁紧元件9为卡簧锁紧机构，当其他元 件装配完成后，通过卡簧定位，完成支撑轴8的固定配合。

其中，所述破岩滚刀6的表面可做硬化耐冲蚀处理，也可以喷焊 耐磨层，其上镶嵌或者钎焊的碎岩元件7可以为硬质合金齿、复合齿、 孕镶金刚石齿等耐磨元件，并可通过钎焊或者镶嵌方法使破岩滚刀6 与破岩元件7结合为一体。

其中，所述混合式PDC钻头可为钢体式和胎体式PDC钻头。

本发明在钻井内破碎岩石时，岩石的法力推动破岩滚刀绕轴旋 转，在旋转过程中，破岩滚刀对岩石起到压碎，辗压破碎，松动的效 果，同时钻头的旋转，钻头刀翼上的切削元件对破岩滚刀先期破坏的 岩石进行犁式切削，这样充分发挥了破岩滚刀以及钻头优势，起到充 分的结合发挥功效。

本发明使用双轴承、两端简支梁结构对破岩滚刀进行装配与钻头 上，能有效的提高破岩滚刀的稳定性和安全性，即使轴承损坏，破岩 滚刀也不至于马上失效或者掉入井底造成安全事故。

本发明更有利于适用于复杂的地层，比如夹心地层，砾石地层， 在使用中先期冲击破坏，通过破岩滚刀能缓解钻头工作中受到瞬间冲 击，同时提高钻井效率，是PDC钻头的适用范围更广，效率提高， 寿命增加，满足钻探领域不断发展的需要。

本发明中支撑轴的轴承采用了推力轴承，有效分担破岩滚刀所承 受的载荷以及弯矩、剪力。

本发明在泄压孔内安装一个泄压油囊，当破岩滚刀内部油压较大 时，多余的油可以排走，避免轴承锁死，泄压油囊的独特压力补偿装 置能有效调节破岩滚刀体内的油压，钻头在工作中温度的升高，油压 增大，能得到有效的调节，更有利于延长轴承及密封系统的使用寿命， 滚刀工作中不能旋转的状况发生。轴前端还加工有轴承配合机构以及 锁紧装置。

本发明的钻头本体，在进行表面进行强化处理完毕后，按照工艺 要求钎焊上PDC复合片，待冷却清理后，加工出轴安装基准面，把 装配好的破岩滚刀通过电焊的工艺方法，使破岩滚刀与PDC钻头组 焊起来，组焊时可采用循环水冷却工艺，确保破岩滚刀内密封元件， 轴承元件等不会产生热效应或热失效损坏。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本 发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附 图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的 作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的 范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。