[发明专利]自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头及钻井提速方法

说明书

本发明公开了一种自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，包括钻头本体；钻头本体的钻井端设置外部环形破岩部，外部环形破岩部的头端中部内凹形成中心破岩部；外部环形破岩部沿圆周方向设置有若干刀翼和若干镶嵌有牙轮切削齿的牙轮；刀翼的径向外端面上沿母线方向设置若干外环切削齿；中心破岩部的底端面设置中心切削齿；钻头本体上设置钻头喷嘴。本发明还公开了一种自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻井提速方法。本发明可以自动产生轴向冲击提高钻头整体破岩速度、可以耦合诱导卸荷效果进一步强化破岩效率、可以发挥复合切削提升卸荷效果，从而将钻井速度提升到一个更高水平。

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，具体涉及一种自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头及钻井提速方法。

背景技术

提高钻井速度是钻井工程领域一直的研究热点，提高破岩效率是提高钻井速度的最主要途径之一。旋转冲击破岩、复合切削破岩及井底诱导卸荷破岩是目前提高破岩效率的三种有效方法。然而，现有旋转冲击破岩所依赖的冲击力由专用工具产生，旋转冲击工具的存在影响了轨迹控制作业、降低了钻头水力能量且带来额外的井下风险；现在的复合切削破岩实现工具为复合钻头(狮虎兽)，该钻头在多夹层地层及坚硬难钻地层仍然会出现崩齿、掉牙轮及中心“掏心”等事故；现存的井底诱导卸荷破岩所利用的钻头在一定程度上提高了破岩效率，但其卸荷效果有待于进一步提升。

基于以上问题，本申请提出一种自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头及钻井提速方法，该钻头及钻井方法可以自动产生轴向冲击提高钻头整体破岩速度、可以耦合诱导卸荷效果进一步强化破岩效率、可以发挥复合切削提升卸荷效果，从而将钻井速度提升到一个更高水平。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头及钻井提速方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，包括钻头本体；

所述钻头本体的钻井端设置外部环形破岩部，所述外部环形破岩部的头端中部沿钻头轴向内凹形成呈圆形凹槽的中心破岩部；

所述外部环形破岩部沿圆周方向设置有若干刀翼和若干镶嵌有牙轮切削齿的牙轮；

所述刀翼由中心破岩部的边缘延伸至钻头本体的侧壁；

所述牙轮与外部环形破岩部上的相应轴颈进行转动连接；

所述刀翼的径向外端面上沿母线方向设置若干外环切削齿；

所述中心破岩部的底端面设置中心切削齿；

所述钻头本体上设置钻头喷嘴，所述钻头喷嘴通过喷嘴流道与钻头本体内部的钻头内腔相连通。

优选的，所述刀翼面向中心破岩部的竖直连接面呈柱面结构；

所有刀翼的竖直连接面位于同一个轴向圆柱面上，所述轴向圆柱面的中心轴线、中心破岩部的中心轴线均与钻头本体的中心轴线共线；

所述轴向圆柱面的直径与中心破岩部圆形凹槽的直径一致。

优选的，所述竖直连接面在钻头轴向方向的高度与中心破岩部圆形凹槽侧壁在钻头轴向方向的高度之和h为0.2D～2D；

所述中心破岩部圆形凹槽的直径d为0.2D～0.8D，D为钻头直径。

优选的，所述牙轮上牙轮切削齿所形成的最外切削轮廓包络线l₁高于刀翼上外环切削齿所形成的最外切削轮廓包络线l₂。

优选的，所述钻头喷嘴包括设置在刀翼一侧外部环形破岩部上的外环喷嘴、设置在中心破岩部底端面上的中心喷嘴；

所述外部环形破岩部内设置的排屑通道与中心破岩部设置的排屑通道相贯通。