[发明专利]一种冲击-刮削复合PDC钻头

说明书

本发明公开了一种冲击‑刮削复合PDC钻头，包括钻头体、外壳、固定切削结构、冲击结构；冲击结构包括上圆盘、内腔体、上活阀、冲锤、限流盘、冲头，所述上圆盘和限流盘固定在钻头外壳两端，内腔体安装在上圆盘和限流盘之间，上活阀和冲锤可在内腔体内上下运动，冲头安装在钻头冠部中心，冲锤与冲头螺纹连接。本发明与传统冲击类工具相比，不需要额外的配套冲击器来进行外部能量输入，能显著提高钻头吃入岩石的深度，缓解粘滑效应，从而提高钻头的破岩效率。具有结构简单、易操作、传递效率高且兼具自动换向等优点。

技术领域

本发明涉及钻井工具技术领域，特别涉及一种钻头，具体是一种冲击-刮削复合PDC钻头。

背景技术

近年来，随着油气资源勘探开发技术的进步以及世界各国对能源需求量的不断增加，勘探领域面临更多的深层、超深层油气井。常规的钻头在面临深井、超深井和深部难钻岩层，例如高硬度、高塑性致密、严重不均质等地层，没有良好的适应性，钻进速率慢导致钻井效率非常低，从而大大提高了钻井的成本。目前在钻井井下工具的选择中，PDC钻头由于其高耐磨性且运动部件少等特点而被广泛使用。但是，随着钻井深度的增加，PDC钻头表现出打滑以及不钻进的现象，且切削齿齿的热磨损加剧，导致了钻井效率低、成本高等突出问题。

为了解决上述问题，国内外专家和学者通过给PDC钻头增加轴向的载荷，来增加PDC切削齿的吃入力。相关方面的改进研究有许多，比如中石化研究院设计的钻头与冲击器配套使用的钻井方法。相比同样作业条件下的其他机械钻井来说，钻头的钻速有了显著的提高，由此证明了给PDC钻头加上轴向的载荷是有效可行的。类似的实验还有国外的Scottpowell等人所做的研究，得到的结果都是显著提高了钻井速度。但是仍然存在明显的缺陷，例如在实验过程中，即使考虑了切削齿的抗冲击强度，依然会出现部分切削齿崩坏的现象。我国SLTIT型扭力冲击器利用了动力学和能量转换的原理，在钻井液的驱动下，产生扭转冲击力，不但解决了钻头卡滑，同时对钻头的使用寿命也有一定的增益。然而在硬地层中应用该冲击器时，PDC齿全部崩坏。因此，在设计冲击装置时，不得不考虑冲击载对钻头寿命造成的影响。

而目前市面上的其他冲击装置，也都存在类似问题，如公开号为CN102094577A的中国专利《芯阀射吸式液压潜孔锤》，提供了一种冲击模式，但其结构是通过侧面流道实现上下移动，其冲击力和阻断效率，都明显存在瑕疵。

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具有轴向冲击能力的一种冲击—刮削复合PDC钻头。该钻头的冲击装置具有结构简单、易操作、传递效率高且兼具自动换向等优点。与传统冲击类工具相比，不需要额外的配套冲击器来进行外部能量输入，能显著提高钻头吃入岩石的深度，缓解粘滑效应，从而提高钻头的破岩效率。

本发明的技术方案如下：

一种冲击-刮削复合PDC钻头，包括钻头体、外壳、固定切削结构、冲击结构、钻头连接段，所述外壳为中空结构的筒体，其筒体顶部为椭圆面结构，其筒体底部连接到钻头连接段，所述固定切削结构设置于椭圆面结构上，固定切削结构包括多个设置在钻头体上的刀翼，刀翼设置在外壳顶部并呈现周向阵列排布，并在外壳顶部中心处留出空白（即每一个刀翼的顶部不延伸到接触，从而让外壳顶部中心表面无刀翼覆盖），所述外壳顶部中心处的空白设有连接到外壳内侧的通孔，在外壳内安装冲击结构，冲击结构的一部分延伸出外壳顶部的通孔。

进一步的，钻头连接段内径小于外壳的筒体内径，钻头连接段和外壳连接后，形成一个台阶；在外壳的筒体两端分别设有上圆盘和限流盘，上圆盘与钻头连接段的台阶抵紧，在上圆盘和限流盘之间安装有内腔体，所述内腔体为中空筒体，在内腔体内侧设有多级台阶，并将整个内腔体内侧分为上中下三段，上段安装有上活阀，上活阀可沿着上段内部轴向运动，下段安装有冲锤，冲锤可沿着下段内部轴向运动，中段为上活阀和冲锤的过渡段，上活阀和冲锤在沿着上段和下段做轴向运动时，各自的一部分会进入中段并在中段内发生接触；上活阀和冲锤均设有贯穿的流道结构，并在相互接触面设有一块接触板，使上活阀和冲锤接触的时候封闭两者的贯穿的流道结构。