[发明专利]一种具有冲击切削结构的盘式复合钻头

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、水文等钻探设备用破岩工具领域。

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。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片钻头（即PDC钻头）和冲旋钻头（也称旋冲钻头或钎头）等。

三牙轮钻头主要以压碎（牙齿压入岩石造成岩石破碎）的形式破岩，适用的地层范围较宽，但能量利用率不高，破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时，在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效应十分明显，牙齿难以压入地层并形成有效的破碎，钻头机械钻速受到很大限制。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。三牙轮钻头需要大钻压才能保证较高的破岩效率，所以轴承的载荷幅值高，同时牙轮上牙齿交替破碎岩石的工作原理必然导致钻头的轴向或纵向振动，以及较大幅度的轴承载荷波动。加之牙轮钻头轴承在井下的工作环境恶劣，轴承密封的寿命难以保障，因此三牙轮钻头的轴承寿命相对较短。

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片（即PDC齿，亦简称齿）对岩石的刮切或剪切作用破岩的钻头。由于在切削元件性能以及破岩方式方面具备了突出的优越性，所以PDC钻头在软至中硬地层的破岩效率明显高于三牙轮钻头。现今，PDC钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大，但对于硬度、研磨性高的地层以及严重不均质的地层，PDC钻头仍难以适应。

冲旋钻头是冲旋钻井中配合潜孔冲击器（即潜孔锤）使用的固定齿破岩工具。冲旋钻头的结构与PDC钻头相似，钻头上没有可运动部件，钻头体上固结了一定数量的能够覆盖井底待破碎区域的切削齿。不同之处主要在于：PDC钻头的切削元件主要为PDC齿，而冲旋钻头的切削元件主要为与牙轮钻头牙齿形状相似的硬质合金或金刚石复合牙齿。冲旋钻头的破岩机理与牙轮钻头的压碎机理以及PDC钻头的切削机理均具有显著的区别。冲旋钻头依靠其牙齿的瞬间冲击力实现对井底岩石的破碎。冲旋钻头的上端连接着潜孔冲击器，潜孔冲击器在工作时，其冲锤在循环流体（钻井液或气体循环介质）的作用下往复运动，反复撞击钻头或钎头，从而为与井底岩石相接触的钻头牙齿提供了脉动冲击载荷，岩石在牙齿的瞬间冲击力作用下发生破碎。由于钻头的冲击载荷依赖于潜孔冲击器，所以，冲旋钻头工作过程中不需要施加很大的钻压（这一特点与牙轮钻头有着显著区别，牙轮钻头必须在大钻压下才能获得较高的破岩效率），只需用很小的钻压将钻头压在井底即可。通常情况下，冲旋钻头在脆性地层特别是较硬的脆性地层钻进时能取得较高的破岩效率。此外，在地层倾角较大的易斜地层，采用冲旋钻头钻进有利于减小井斜趋势。但由于冲旋钻头为固定齿钻头，当有少量切削齿损坏失效时，其负责破碎的井底区域将无法破碎，这将影响整个钻头的破岩效率和钻进能力，少量切削齿的失效会很快引起钻头体的损害，进而影响钻头的使用寿命。

盘式钻头（也称盘形钻头、碟形钻头或碟式钻头）是一种全新齿形结构的牙轮钻头，其齿面制成与牙轮（或称轮盘）母线垂直或成一定螺旋角的圆环形连续或断续齿圈。盘式钻头的破岩机理不同于常规的牙轮钻头，当齿圈沿岩石滚碾时，利用大的接触应力迫使岩石破碎，形成同心圆环式的岩石破碎带。由于齿圈成圆环形，便于牙轮（或称轮盘）在岩石上的连续滚动，因此，与三牙轮钻头相比盘式钻头的工作载荷较平稳，轴承所受的载荷波动幅度也要小得多。不同规格类型的盘式钻头的台架试验和工业试验结果都表明，与常规的三牙轮钻头相比，盘式钻头在硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进更为有效。上世纪中期，在前苏联、美国 、法国 、英国等国家都有盘式钻头的研究和试验，当时的台架实验和现场实验的结果都显示出良好的前景，但今天却难以见到盘式钻头在钻井中的使用。盘式钻头切削齿（齿盘）的疲劳破坏和磨料磨损是其失效的主要形式。盘式钻头没有真正在现场推广应用的主要原因就是切削齿的寿命太短，难以满足钻井的要求。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有冲击切削结构的盘式复合钻头，在轮盘切削齿钻头（即盘式钻头）基础上增加冲击切削结构，复合式钻头在冲击和碾压的联合作用下，利用冲击破岩方式的优势，提高破岩效率，增加钻头使用寿命，提升钻头在强度较高、研磨性较强的难钻地层中的工作性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有冲击切削结构的盘式复合钻头（简称复合钻头），包括钻头体和设置在钻头体上的轮盘切削结构，所述钻头体上还设置有冲击切削结构，冲击切削结构包括传递冲击力的传力机构以及冲击切削齿，冲击切削齿固结在传力机构末端的冲头上，所述冲头能在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击。