[实用新型]一种具有轴向冲击能力的PDC钻头

说明书

一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体、PDC齿、外壳、铁砧，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达、柱面凸轮、环空锤体，所述液动马达固定在钻头外壳上，液动马达的轴与柱面凸轮相连接，柱面凸轮与环空锤体配合连接，在液动马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。该钻头的冲击装置具有结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探等领域，具体涉及一种具有轴向冲击能力的PDC钻头。

背景技术

随着浅层油气资源日趋枯竭，钻井工程逐渐向深井、超深井等环境条件严峻的领域发展，随着井深的增加，岩石破碎的难度会大大增加，导致钻头破岩效率不高，钻井速度大幅下降。传统的旋转钻井方式碰到硬地层时，钻井效率降低，钻井周期更长，成本更高。现场实践和室内实验研究表明，对钻头施加一定周期性的冲击力，有助于提高钻头的破岩效率，提高机械钻速，因此，冲击器已成为深部地层高效破岩技术的有益补充，已经成为深井钻井提速的一个重要技术手段。现有能产生轴向冲击的液动冲击器大都依靠换向阀实现，其容易因钻井液的冲蚀导致开关阀件损坏从而造成整个冲击器性能不稳定，使用和维护较困难、存在易损件导致寿命短等，这些问题使得液动冲击器不能在生产实践中大规模推广应用。

江汉石油钻头股份有限公司提出一种轴向振动冲击器（CN201520569786.9），这种冲击器依靠上下凸轮的相互配合，使得整个动力钻具及钻柱整体上移达到最高点后自由下落，产生冲击力。这样的结构有以下缺陷：1、钻柱的质量与钻压太大，需要过大的扭矩才能将其提升，动力钻具在冲击过程中也要受到冲击，将会影响动力工具的寿命和工作稳定性；2、上凸轮与钻柱从最高点自由下落，撞击下凸轮通过下凸轮轴将冲击力传递给钻头，冲击力的大小由钻压与凸轮的振幅控制，不方便冲击力的大小的调节，且冲击力需要通过上、下凸轮、下主轴等来传递，其效率太低下，不利于冲击力的传递。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提出一种具有轴向冲击能力的PDC钻头。该钻头的冲击装置具有结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体、PDC齿、外壳、铁砧，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达、柱面凸轮、环空锤体；所述液动马达固定在钻头外壳上，液动马达的轴与柱面凸轮相连接，柱面凸轮与环空锤体配合连接，在液动马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。

上述方案中，在液动马达、柱面凸轮、环空锤体上都设置有排液孔。现有的液压马达技术非常成熟，利用它给柱面凸轮提高扭矩和转速，柱面凸轮与环空锤体相互配合，凸轮在液压马达的带动下将环空锤体向上提升，达到最高点时，此时，在液压马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。这样就会在封闭腔室形成憋压，高压液体给环空锤体一定液柱压力，这样环空锤体在自身重力与液柱压力的作用下加速下落，直接冲击铁砧，将冲击力直接传递给钻头体，这样的冲击装置结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。其中封闭腔室的进口是由液动马达的出口26以及液动马达的排液孔71构成，封闭腔室的出口是由环空锤体的排液孔73构成，如图1、3、6所示。

作为选择，所述液动马达为叶片式液动马达。

上述方案中，叶片式液动马达能够根据冲击器的冲击功与冲击频率来确定叶片式液动马达的转速和扭矩，拓宽钻头的适用范围。

作为选择，所述柱面凸轮设置有至少2个斜面凸起，且凸起平均分布在柱面凸轮上。