CN111720060A - 冲击切削复合双级钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及勘探钻具技术领域，公开了一种冲击切削复合双级钻头。所述双级钻头包括：切削破岩部件(1)和冲击破岩部件(9)，所述切削破岩部件(1)位于冲击破岩部件(9)的前方，其中所述冲击破岩部件(9)由多个滚轮支座(2)和多个截锥滚轮(3)组成，且所述冲击破岩部件(9)设置在所述切削破岩部件(1)的外周。本发明双级钻头将用于切削的一级钻头和用于冲击的多个二级钻头相结合，通过二者联合的方式可在待破岩区域形成应力释放面，既有利于提高钻头的稳定性，又有利于提高破岩效率。

Description

冲击切削复合双级钻头

技术领域

本发明涉及勘探钻具技术领域，具体地涉及一种冲击切削复合双级钻头。

背景技术

随着石油勘探力度的不断增大，4500米以上的深井和6000米以上的超深井越来越多，其中深井钻速慢的问题日益突出，提高深部地层的钻进效率已经成为当下研究重点。钻头作为钻进过程中的直接破岩工具，其性能的好坏将直接影响钻井速度的快慢。

目前石油钻井使用的钻头可分为两大类：牙轮钻头和PDC钻头。牙轮钻头是靠牙轮的滚动破碎岩石，其优点是可以产生冲击载荷，使岩石在钻压和冲击载荷的共同作用下容易发生体积破碎。牙轮钻头的主要缺点是受牙轮锥顶空间小的限制，钻头中心齿数很少(1～3个)，牙轮每转动一周，锥顶齿仅作用地层一次，这是牙轮钻头破岩效率较低的主要原因。而PDC钻头以切削方式破碎岩石，其优点是锋锐的切削刃容易吃入岩石，其破岩过程连续，在软到中硬的地层中钻速快，钻头寿命长。这种切削破岩方式的主要缺点在于随着地层硬度增大和刀刃磨损，吃入地层越来越困难，钻速越来越慢。

因此，需要研发一种新型钻头以克服牙轮钻头和PDC钻头在结构设计及破岩机理方面的缺陷，充分发挥冲击作用和连续切削作用的优势，提高深部地层的钻进效率。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种充分发挥冲击作用和连续切削作用的优势，提高破岩效率的冲击切削复合双级钻头。

为了实现上述目的，本发明提供一种冲击切削复合双级钻头，包括：

切削破岩部件和冲击破岩部件，所述切削破岩部件位于所述冲击破岩部件的前方，且所述冲击破岩部件设置在所述切削破岩部件的外周。

可选的，所述冲击破岩部件包括均匀分布在所述切削破岩部件外周的多个滚轮支座和分别转动设置在每个所述滚轮支座上的多个截锥滚轮。

可选的，所述冲击破岩部件上形成有位于相邻的所述滚轮支座之间的排屑槽。

可选的，所述冲击破岩部件所形成的工作半径大于所述切削破岩部件的工作半径，所述切削破岩部件的工作半径与整个所述双级钻头的工作半径之间的比值不小于0.6。

可选的，所述截锥滚轮朝向所述切削破岩部件设置，且所述截锥滚轮的中心轴线与所述切削破岩部件的轴线之间的角度设置为55°～60°。

可选的，所述切削破岩部件上环绕所述切削破岩部件的轴线固定设有多个刀翼，每个所述刀翼位于相邻的所述滚轮支座之间。

可选的，每个所述刀翼上镶焊有具有凹面的切削齿，所述切削齿的材料为聚晶金刚石复合材料。

可选的，所述刀翼包括周向交错设置的第一刀翼和第二刀翼，所述第一刀翼延伸至所述切削端的中心，所述第二刀翼延伸至与所述中心之间存在间隔以在该间隔内设置有排屑槽。

可选的，所述截锥滚轮上设有至少两圈齿圈，每圈所述齿圈上镶嵌有冲击齿，所述冲击齿的材料为聚晶金刚石复合材料。

通过上述技术方案，本发明双级钻头将用于切削的切削破岩部件和用于冲击的冲击破岩部件相结合，破岩过程中，首先切削破岩部件以切削方式进行破岩，形成领眼，然后冲击破岩部件在岩石阻力作用下发生滚动，产生冲击载荷，使其以冲击压碎方式破碎岩石，由此通过二者联合的方式可在待破岩区域形成应力释放面，既有利于提高钻头的稳定性，又有利于提高破岩效率。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的冲击切削复合双级钻头的结构示意图；

图2是图1的双级钻头的俯视图。

附图标记说明

1—切削破岩部件、2—滚轮支座、3—截锥滚轮、4—第一刀翼、5—第二刀翼、6—切削齿、7—排屑槽、8—冲击齿、9—冲击破岩部件、10—装配连接部件、11—储油单元、12—修边齿。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1、图2，本发明提供了一种双级钻头，包括：

切削破岩部件1和冲击破岩部件9，所述切削破岩部件1位于所述冲击破岩部件9的前方，所述冲击破岩部件9围绕所述切削破岩部件1的外周设置。

本发明的所述双级钻头在使用过程中，所述切削破岩部件1能够进行转动，首先通过切削破岩部件1以切削方式进行破岩，在地层中形成领眼，同时所述冲击破岩部件9上将在受到岩石阻力作用下发生转动，产生冲击载荷，使其以冲击压碎方式破碎岩石。

通过上述技术方案，本发明的双级钻头将用于切削的切削破岩部件1和用于冲击的冲击破岩部件9相结合，可在待破岩区域形成应力释放面，有利于提高钻头的稳定性，降低了扭矩，减少了破岩过程中粘滑振动现象的产生，进而避免了钻头的非常规损坏，延长了钻头的使用寿命，此外由于二者结合后所形成的工作半径相比传统单钻头设计更小，有效提升了钻进深硬地层的破岩效率。

具体而言，为方便设置，保证破岩过程中钻头受力均匀，所述冲击破岩部件9包括多个周向均布的滚轮支座2，每个所述滚轮支座2上均转动地设置有截锥滚轮3。使用过程中，所述滚轮支座2能够与所述切削破岩部件1同步转动，进一步地，所述截锥滚轮3将在受到岩石阻力作用下相对于所述滚轮支座2发生转动，以通过冲击压碎方式破碎岩石。具体来说，为实现转动，所述截锥滚轮3与所述滚轮支座2之间可以通过轴承连接，进一步地，所述滚轮支座2还可设有用于对所述轴承进行注油的储油单元11，由此能够提高润滑性，减少所述截锥滚轮3相对所述滚轮支座2的转动阻力，避免影响所述截锥滚轮3在受到岩石挤压后的自由转动，防止转动过程出现卡涩现象，从而保证所述截锥滚轮3的冲击效果。

为了给钻井液提供流出通道，以用于冲刷井底和钻头，减少泥包的产生，所述冲击破岩部件9上形成有位于相邻的所述滚轮支座2之间的排屑槽7。

本实施方式中，由于多个所述截锥滚轮3均匀分布在所述切削破岩部件1的外周，因此，所述冲击破岩部件9所形成的工作半径必然大于所述切削破岩部件1的工作半径，从而增加了双级钻头的破岩范围，使得破岩效率得到有效提升。优选地，所述切削破岩部件1的工作半径与整个所述双级钻头的工作半径之间的比值不小于0.6，以在保证切削破岩部件1切削深入硬地层的能力的基础上，又能通过周向设置的截锥滚轮3弥补现有技术中牙轮钻头中心薄弱的问题，辅助切削破岩部件1完善破岩效果。此外，为保证本发明的所述双级钻头钻进后的通道边缘均匀，所述每个滚轮支座2的外壁上设有修边齿12，由此，使得双级钻头在钻进过程中，能够通过该修边齿12对井壁进行修饰，以保证井壁质量。

本实施方式中，在钻头钻进过程中，所述截锥滚轮3在受到岩石阻力作用下发生转动，产生冲击载荷。需要特别注意的是，所述截锥滚轮3的朝向设置，即所述截锥滚轮3相对所述切削破岩部件1轴向方向的设置，将直接决定所述截锥滚轮3是否完全与岩石相互接触，从而影响整个钻头的破岩效率。为提高钻头的破岩效率，优选将所述截锥滚轮3倾斜设置，即所述截锥滚轮3的中心轴线不能平行于所述切削破岩部件1的中心轴线设置。

具体而言，所述截锥滚轮3朝向所述切削破岩部件1设置，且所述截锥滚轮3的中心轴线与所述切削破岩部件1的轴线之间的角度设置为55°～60°，使得所述截锥滚轮3能够对岩石产生较大的冲击载荷，保证本发明的双级钻头能够更好的适应深硬地层，从而对冲击破岩部件9起到保护作用，延长钻头的使用寿命，进一步有效提升钻头的破岩效率。

其中，所述切削破岩部件1在能够实现切削破岩功能的前提下，可以设置为任意结构形式。在本实施方式中，所述切削破岩部件1通过丝扣连接的方式固定在冲击破岩部件的前方，更具体来说，所述切削破岩部件1设置在装配连接部件10上，所述装配连接部件10可以设计为筒状，而所述切削破岩部件1的端部则形成用于深入带破岩区域的切削端，也就是说，所述切削端通过螺纹连接在所述装配连接部件10的端部，且所述切削端位于所述冲击破岩部件9的前方，多个所述滚轮支座2通过镶焊的方式固定在装配连接部件10上。

需要说明的是，此处将所述切削端设置在所述冲击破岩部件9的前方，是考虑到充分发挥切削破岩部件与冲击破岩部件各自优点的目的，在钻进过程中，便于先通过所述切削破岩部件1的旋转切削形成领眼，从而方便后续冲击破岩部件9的冲击，对所述冲击破岩部件9起到保护作用，进而有助于提高钻进效率及钻头寿命。

为进一步提升所述双级钻头的破岩效率，所述切削破岩部件1的切削端上环绕所述切削破岩部件1的轴线固定设有多个刀翼，每个所述刀翼位于相邻的所述滚轮支座2之间。由此，所述切削破岩部件1的刀翼和所述冲击破岩部件9上的所述截锥滚轮3将在不同的圆周上实现交叉设置，以保证实现钻头的360°设置，从而使得破岩效果更加全面，有效提高破岩效率。

此外，由于所述刀翼位于相邻的所述滚轮支座2之间，因此在钻头使用过程中，每个所述刀翼将始终正对位于相邻的所述安装支座2之间的所述排屑槽7设置，这样，经所述排泄槽7流出的钻井液能够对钻头进行清洗降温，减少泥包和热磨损的产生。

可以理解的是，为进一步提升钻进效率，所述刀翼上应设有切削齿。本实施方式中，每个所述刀翼上镶焊有具有凹面的切削齿6，所述切削齿6的材料为聚晶金刚石复合材料。当然，所述切削齿6也可以设置为任意其他形状，此处不作过多限制。其中，聚晶金刚石复合材料主要由金刚石材料和碳化钨材料混合烧制而成，采用该材料制成的切削齿6具有较大的硬度和强度，在保证切削破岩效果的同时，提升了切削齿6的耐磨性，有效防止切削齿6的损坏。

进一步地，每个所述刀翼可以设置为任意形式，作为其中的一种实施方式，所述刀翼包括周向交错设置的第一刀翼4和第二刀翼5，所述第一刀翼4延伸至所述切削端的中心，所述第二刀翼5延伸至与所述中心之间存在间隔以在该间隔内设置有排屑槽7。通过在所述一级钻头1上同样设置排屑槽7，进一步对钻头进行清洗，进而减少钻进过程中泥包和热磨损的产生。

需要说明的是，为保证所述第一刀翼4和第二刀翼5的交错设置，所述刀翼的数量优选设置为偶数，比如，在一些实施方式中可以设置为六个，在其他一些实施方式中也可设置为八个等，当然，最少不能少于三个。

在能够保证所述截锥滚轮3在受到岩石的阻力作用下发生转动产生冲击载荷的前提下，所述截锥滚轮3可以设置为任意形式。在一些实施方式中，所述截锥滚轮3上设有若干排齿圈(2～4排)，每圈所述齿圈上镶嵌有冲击齿8，所述冲击齿8的材料为聚晶金刚石复合材料。

当然，所述冲击齿8还可以具有其他排列设置方式，本发明对此不作特殊限制，但值得注意的是，需尽量保证所述冲击齿8在所述截锥滚轮上的密集均匀分布，这样在钻头钻进过程中，密集分布的所述冲击齿8更容易受到岩石等硬物的挤压而产生冲击载荷，提高了钻头的冲击频率，使得本发明的钻头能更好的适应深硬地层，实现破岩，减少切削过程的阻碍，保证钻进过程顺利进行，提高钻头的钻进效率。

可见，本发明双级钻头中的切削破岩部件1和冲击破岩部件9之间相辅相成，共同配合完成钻进。通过切削破岩部件1的切削破岩，便于形成领眼，释放地层应力，为所述冲击破岩部件9的冲击减少阻力；而利用冲击破岩部件9的冲击将击碎挖掘过程中遇到的岩石，防止在钻进过程中受到岩石阻碍而影响切削破岩部件1的继续前进，由此通过二者联合的方式可在待破岩区域形成应力释放面，既有利于提高钻头的稳定性，又有利于提高破岩效率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冲击切削复合双级钻头，其特征在于，包括：

切削破岩部件(1)和冲击破岩部件(9)，所述切削破岩部件(1)位于所述冲击破岩部件(9)的前方，且所述冲击破岩部件(9)设置在所述切削破岩部件(1)的外周。

2.根据权利要求1所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述冲击破岩部件(9)包括均匀分布在所述切削破岩部件(1)外周的多个滚轮支座(2)和分别转动设置在每个所述滚轮支座(2)上的多个截锥滚轮(3)。

3.根据权利要求2所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述冲击破岩部件(9)上形成有位于相邻的所述滚轮支座(2)之间的排屑槽(7)。

4.根据权利要求1所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述冲击破岩部件(9)所形成的工作半径大于所述切削破岩部件(1)的工作半径，所述切削破岩部件(1)的工作半径与整个所述双级钻头的工作半径之间的比值不小于0.6。

5.根据权利要求2所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述截锥滚轮(3)(3)朝向所述切削破岩部件(1)设置，且所述截锥滚轮(3)的中心轴线与所述切削破岩部件(1)的轴线之间的角度设置为55°～60°。

6.根据权利要求1所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述切削破岩部件(1)上环绕所述切削破岩部件(1)的轴线固定设有多个刀翼，每个所述刀翼位于相邻的所述滚轮支座(2)之间。

7.根据权利要求6所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，每个所述刀翼上镶焊有具有凹面的切削齿(6)，所述切削齿(6)的材料为聚晶金刚石复合材料。

8.根据权利要求6所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述刀翼包括周向交错设置的第一刀翼(4)和第二刀翼(5)，所述第一刀翼(4)延伸至所述切削端的中心，所述第二刀翼(5)延伸至与所述中心之间存在间隔以在该间隔内设置有排屑槽(7)。

9.根据权利要求2-8中任意一项所述的冲击切削复合双级钻头，其特征在于，所述截锥滚轮(3)上设有至少两圈齿圈，每圈所述齿圈上镶嵌有冲击齿(8)，所述冲击齿(8)的材料为聚晶金刚石复合材料。

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