一种PDC-牙轮复合钻头

摘要

本发明公开了一种PDC‑牙轮复合钻头，属于石油天然气钻探技术领域，包括钻头体、牙掌、牙轮、固定刀翼，所述固定刀翼上设置有切削齿，牙轮安装在牙掌上，并设置有牙齿，钻头体上至少有一个固定刀翼上设置有冲击组件；固定刀翼上设置有滚动槽，冲击装置随传动装置一起转动，并在匹配滚体作用下进入到滚动槽中,传动方式为带传动。该结构可对岩石进行冲击预破碎或预损伤，降低岩石强度。匹配滚体进入到滚动槽，进而回缩到刀翼体内不暴露在井底，能避免冲击装置受到冲蚀，带传动能够对冲击装置进行完全保护，避免冲击装置因受载过大而失效，增加冲击装置使用寿命，提高复合钻头钻进效率。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，特别是涉及一种PDC-牙轮复合钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。而PDC钻头是钻井工程中常用的钻头工具之一，尤其在现代快速钻井过程中，PDC钻头所取得的进尺数已达到油气钻井总进尺的90%以上， PDC钻头凭借在钻进过程中机械钻速高、钻进成本低、寿命长等优点，在油气钻井中得到了广泛使用。

在现代快速钻井技术中，在钻头具有良好的携岩能力的同时，更重要的是要有优良的破岩切削结构，尤其在钻进强研磨性、高硬度等难钻地层，由于地层研磨性强、硬度高，常规PDC 钻头的切削齿在钻进过程中经常会发生齿的磨损、崩齿等现象，尤其是钻头肩部的切削齿，其磨损速度更快，当钻头上一颗齿的磨损发生时，将会增加该齿临近区域齿的所承受的钻压，使临近区域切削齿的工作载荷大大提高，进而加速临近区域切削齿齿的快速磨损，当切削齿磨损到一定程度后将会造成刀翼上切削齿的失效，导致其使用寿命快速降低，大大降低钻头钻进效率。

为提高钻头钻进过程中切削齿的使用寿命，增加钻头对岩石的侵入能力，国内外越来越多的钻头厂家及科研院所设计不同结构形式的PDC-牙轮复合钻头，通过牙轮牙齿侵入地层，通过对地层进行碾压作用降低井底岩石的应力，固定刀翼切削齿在较低的载荷作用下刮切岩石进行破岩，大大提高PDC-牙轮复合钻头在钻进过程中的破岩效率更高。为进一步提高PDC-牙轮复合钻头的破岩效率、使用寿命，相关科研人员将冲击器与复合钻头配合使用，从而通过冲击器对复合钻头施加一定的压力，从而使岩石受力增加，在较大压力下岩石降低附近区域的应力，从而增加切削齿的刮切能力，而现有设计的冲击复合钻头上所安装的冲击器中，冲击装置均是暴露在井底中，这样一方面将会造成钻井液对冲击装置的冲蚀现象，减弱冲击装置的使用寿命，另一方面，冲击装置一直暴露在井底，阻碍了岩屑在井底的运移，影响岩屑的排出，使岩屑在井底发生堆积，进而产生泥包，大大降低PDC-牙轮复合钻头钻进效率。

发明内容

本发明目的在于：提出一种PDC-牙轮复合钻头，从而增加复合钻头在强研磨性、高硬度等难钻地层中的使用寿命，进而提高PDC-牙轮复合钻头的钻进效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种PDC-牙轮复合钻头，包括钻头体、牙掌、牙轮、延伸自钻头体上的固定刀翼，所述固定刀翼上设置有切削齿，牙轮安装在牙掌上，牙轮上设置有牙齿，其特征在于：钻头体上至少有一个固定刀翼上设置有冲击组件，所述冲击组件由冲击装置、滚动装置、传动装置构成；所述固定刀翼上设置有滚动槽，冲击装置随传动装置一起转动，并在匹配滚体作用下进入到滚动槽中；所述冲击装置在冲击作用下冲击齿的出露高度高于固定刀翼上切削齿的出露高度，高度差为Δh；所述冲击装置的冲击作用依靠弹簧、滚动装置、传动装置、匹配滚体共同作用来完成；所述冲击装置的冲击作用传动方式为带传动。

上述方案中，在固定刀翼上设置冲击组件，可实现PDC-牙轮复合钻头在钻进过程中，对岩石的冲击作用，该效果能够达到钎头钻头的作用，使冲击齿所冲击作用区域的岩石进行预破碎或预损伤，并形成点坑，从而大大降低了PDC齿刮切该区域时的强度，大大提高钻井效率。冲击装置通过弹簧、滚动装置、传动装置、匹配滚体等部件可实现自由收缩与冲击作用。钻井过程中，从喷嘴射出的钻井液及流道槽中的钻井液在流动过程中带动滚动装置的叶片轮，使叶片轮带动带传动装置进行转动。当匹配滚体刚与滚动槽开始接触时，弹簧在传动装置的驱动下存储很小部分能量准备压缩，当匹配滚体进入到滚动槽随传动装置进行转动时，弹簧处于压缩状态，当匹配滚体从滚动槽出来时，弹簧存储的一小部分能量释放，使冲击齿接触滚动槽，当匹配滚体与冲击齿均从滚动槽中出来时将会使压缩弹簧所储存的能量完全得到释放，从而使冲击装置冲击岩石。冲击装置在冲击作用下冲击齿的出露高度高于固定刀翼上切削齿的出露高度可使冲击齿优先接触井底岩石并进行预破碎或预损伤，降低固定刀翼切削齿刮切井底岩石所受载荷，提高切削齿使用寿命。

现有设计的冲击复合钻头中冲击装置均是始终暴露在井底中，在井底依靠弹性元件进行收缩与冲击，这样结构一方面将会造成钻井液对冲击装置的冲蚀现象，减弱冲击装置的使用寿命，另一方面，冲击装置一直暴露在井底，阻碍了岩屑在井底的运移，影响岩屑的排出，使岩屑在井底发生堆积，进而产生泥包，大大降低PDC-牙轮复合钻头钻进效率。而本发明中所设计的冲击装置当匹配滚体接触到固定刀翼上的滚动槽时，冲击装置压缩弹簧进入滚动槽中随传动装置一起转动。当冲击装置不进行冲击作用时，冲击装置通过匹配滚体进入到滚动槽中，进而回缩到复合钻头刀翼体内不暴露在井底，不仅能够大大降低钻井液从喷嘴喷射出时的冲击现象，防止冲击装置的冲蚀失效，而且也避免了对岩屑运移的阻碍，提高岩屑在井底的运移效率，防止岩屑在流道槽中堆积，避免复合钻头泥包现象的发生。同时在滚动槽可避免冲击装置在井底持续受力，对其起到保护作用，大大提高冲击装置使用寿命。当匹配滚体与冲击齿均从滚动槽中出来时将会使压缩弹簧所储存的能量得到释放，从而使冲击装置冲击岩石，从而实现岩石的预破碎。本发明传动方式采用带传动，结构简单，传动效率高，且当复合钻头所受载荷较大超过带传动所承受的最大摩擦阻力时，将会在轮上产生打滑效果，使冲击装置不暴露在井底，避免在高载荷下冲击下零件的损坏，对零件起到安全保护的效果，而现有的冲击钻头所用的冲击传动方式一般为齿轮、凸轮等传动方式，在高载荷作用下冲击装置依然进行工作，从而加速了冲击装置在井底工作时的受载效果，易对冲击零件造成损坏，从而降低冲击装置的使用寿命。

作为选择，冲击组件设置在钻头肩部区域。

上述方案中，PDC-牙轮复合钻头肩部切削齿在刮切过程中产生的切削量大，且该区域切削齿线速度高，刮切过程中岩石所承受的载荷大，容易使切削齿发生磨损现象，将冲击组件设置在复合钻头肩部，可使冲击装置优先对该区域进行冲击破损，从而对岩石产生预破碎或预损伤，大大降低PDC-牙轮复合钻头刀翼上切削齿所受载荷，提高切削齿的使用寿命。

作为选择，复合钻头本体上设置专用水眼喷射液流来驱动滚动装置转动。

上述方案中，设置专用的水眼来对滚动装置进行驱动，能够高效率保证滚动装置的转动，避免因岩屑量过大阻碍液流对滚动装置的驱动，从而大大提高冲击组件的冲击效率。

作为选择，冲击装置中冲击齿的齿顶点离固定刀翼切削齿齿面距离L的范围为15-30mm。

上述方案中，冲击齿作用于井底岩石将会产生一定的裂纹，从而降低作用区域岩石强度，固定刀翼切削齿在刮切这部分岩石区域时将会大大降低切削齿所受载荷，即提高了切削齿的破岩效率，也增加了使用寿命。冲击齿作用区域中齿顶点所作用区域岩石强度最弱，区域内往外岩石强度依次增加，通过对冲击齿的齿顶点离固定刀翼切削齿齿面距离的调节来使切削齿承担不同的载荷，进而适用于不同岩性地层的钻进，合理优化切削齿的使用效果。

作为选择，设置冲击组件的刀翼可沿复合钻头轴向方向收缩，收缩面离刀翼面距离H的范围为4-25mm。

上述方案中，冲击组件设置在收缩的刀翼上，使冲击装置的冲击作用行程得到增加，从而使井底岩石得到的冲击载荷增加，大大提高井底岩石的预破碎或预损伤程度，降低切削齿刮切该区域及其附近区域时所受载荷，同时对不同岩性地层采用不同的冲击行程，可对切削齿所受载荷进行合理优化，从而提高切削齿的切削效率及使用寿命，此外刀翼收缩也增加了复合钻头流道槽中的容屑空间，防止钻头因岩屑不能及时运移出去而造成的钻头流道堵塞，进而有效抑制复合钻头泥包的发生几率，增加PDC-牙轮复合钻头使用寿命。

本发明有益效果：

1、冲击装置可对岩石进行冲击破碎，降低该区域及其附近区域的岩石强度，对岩石形成预破碎，冲击后使切削元件在刮切该区域时大大提高切削元件的切削效率，提高切削齿的使用寿命。

2、在未冲击岩石时冲击装置通过匹配滚体进入到滚动槽中，进而回缩到PDC-牙轮复合钻头刀翼体内不暴露在井底，不仅能够大大降低钻井液从喷嘴喷射出时的冲击现象，防止冲击装置的冲蚀失效，而且在滚动槽中也避免了对岩屑运移的阻碍，提高岩屑在井底的运移效率，同时在滚动槽中能够避免冲击装置在井底持续受力，大大提高冲击装置使用寿命。

3、冲击传动方式采用带传动，结构简单，且当PDC-牙轮复合钻头所受载荷较大超过带传动所承受的最大摩擦阻力时，将会在轮上产生打滑效果，从而避免带传动在井底的暴露，冲击装置起到保护作用。

4、通过对冲击装置冲击行程的调节，来实现不同地层岩性的破岩效率及切削齿的使用寿命，同时也增加了PDC-牙轮复合钻头的容屑空间，避免钻头泥包现象的发生，提高PDC-牙轮复合钻头使用寿命。

5、对滚动装置驱动设置专用水眼，能够高效率保证滚动装置的转动，避免因岩屑量过大阻碍液流对滚动装置的驱动，大大提高冲击组件的冲击效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种PDC-牙轮复合钻头结构示意图；

图2为图1复合钻头的俯视图；

图3为图2在匹配滚体进入滚动槽时沿A-A方向的剖面示意图；

图4为冲击组件示意图；

图5为匹配滚体刚与滚动槽时冲击组件示意图；

图6为匹配滚体进入到滚动槽时冲击组件示意图；

图7为匹配滚体从滚动槽出来冲击齿接触滚动槽时冲击组件示意图；

图8为冲击装置完全从滚动槽出来进行冲击时示意图；

图9为采用双弹簧冲击时示意图；

图10为设置冲击组件的刀翼沿复合钻头轴向方向收缩示意图；

图11为图10在匹配滚体进入滚动槽时沿B-B方向的剖面示意图；

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-固定刀翼、21-PDC切削齿、3-钻井液流道、41-喷嘴、42-滚动装置驱动水眼、51-牙掌、52-牙轮、521-牙轮上牙齿、6-滚动槽、71-冲击装置、711-冲击齿、72-滚动装置、73-弹簧、74-带传动装置、75-匹配滚体、8-复合钻头刀翼沿钻头轴向方向收缩面。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例

本发明实施例提供了一种PDC-牙轮复合钻头。请参阅图1、2，包括钻头体1、牙掌51、牙轮52、延伸自钻头体1上的固定刀翼2，所述固定刀翼2上设置有切削齿21，牙轮52安装在牙掌51上，牙轮52上设置有牙齿521，其特征在于：钻头体1上至少有一个固定刀翼2上设置有冲击组件7，所述冲击组件7由冲击装置71、滚动装置72、传动装置74构成；所述固定刀翼2上设置有滚动槽6，冲击装置71随传动装置74一起转动，并在匹配滚体75作用下进入到滚动槽6中；所述冲击装置71在冲击作用下冲击齿711的出露高度高于固定刀翼2上切削齿21的出露高度，高度差为Δh；所述冲击装置71的冲击作用依靠弹簧73、滚动装置72、传动装置74、匹配滚体75共同作用来完成；所述冲击装置71的冲击作用传动方式为带传动。

钻头在钻进过程中，冲击组件可实现对岩石的冲击作用，该效果能够达到钎头钻头的作用，对冲击齿所作用岩石区域进行预破碎或预损伤，并形成点坑，降低刀翼上切削齿刮切该区域时的强度，大大提高钻井效率。冲击装置在冲击作用下冲击齿的出露高度高于固定刀翼上切削齿的出露高度可使冲击齿优先接触井底岩石并进行预破碎或预损伤，降低固定刀翼切削齿刮切井底岩石所受载荷，提高切削齿使用寿命，如图3所述。整个冲击组件时通过泥浆液的流动带动滚动装置叶片轮，从而使传动装置转动，如图4所示。当匹配滚体刚与滚动槽开始接触时，弹簧在传动装置的驱动下存储很小部分能量准备压缩，如图5所示。当匹配滚体进入到滚动槽随传动装置进行转动时，弹簧处于压缩状态，如图6所示。当匹配滚体从滚动槽出来时，弹簧存储的一小部分能量释放，使冲击齿接触滚动槽，如图7所示。当匹配滚体与冲击齿均从滚动槽中出来时将会使压缩弹簧所储存的能量完全得到释放，从而使冲击装置冲击岩，如图8所示。冲击装置所用弹簧除采用单弹簧外，还能同时使用双弹簧分布在冲击杆的两边，从而提高冲击装置的高效稳定性，如图9所示。冲击组件设置在复合钻头肩部切削量大的肩部区域，可使冲击装置对该区域岩石进行预破碎或预损伤，降低固定刀翼切削齿作用该区域时所受载荷，提高切削齿的使用寿命，在复合钻头本体上设置专用水眼，水眼所喷射液流来驱动滚动装置转动，能够高效率保证滚动装置的转动，大大提高冲击组件的冲击效率，如图1所示。

切削齿在对冲击装置所作用区域破岩时，刮切位置不同切削齿所受到的载荷也不同，通过对冲击齿的齿顶点离固定刀翼切削齿齿面距离的调节来使切削齿承担不同的载荷，从而适用于不同岩性地层的钻进，合理优化切削齿的使用效果，如图2所示意。冲击组件设置在收缩的刀翼上，不仅使冲击装置有不同的冲击行程，使岩石受到不同的冲击载荷，合理优化切削齿在不同地层的受力载荷，提高切削齿切削效率，而且也增加了复合钻头流道槽中的容屑空间，增加复合钻头使用寿命，如图10、11所。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。