一种冲击-刮削复合PDC钻头的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

进一步的，上活阀为中空筒体结构，其侧面设有一段凸缘，使其在上段内侧活动的时候通过凸缘限位，且其运动过程中与上段的台阶周向密封；其下端设有接触板，接触板为锥形结构，接触板与上活阀的筒体边缘连接，并在连接处设有多个通孔，作为分流口，使其形成贯穿的流道结构，分流口的倾斜角度为25°；

冲锤为中空筒体结构，并在其侧面设有一段凸缘，使其在下段内侧活动的时候通过凸缘限位，在冲锤内部对应凸缘段的位置设有一实体段，在实体段上设有多个通孔或通槽，使其形成贯穿的流道结构，所述实体段为锥形结构；在实体段下侧固定有冲头，冲头另一端设有冲击齿；

接触板与冲锤的中空筒体端部相配合，可盖住并封堵住冲锤，使冲锤和上活阀之间贯穿的流道被封堵；

上活阀在上段的轴向运动空间长度小于冲锤在下段的轴向运动空间长度。

进一步的，在中段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳对应中段侧面通孔的位置也设有通孔，且外壳的通孔为斜线结构，两个通孔联通；

在下段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳对应下段侧面通孔的位置也设有直线的通孔，两个通孔联通；

上述两组通孔作为呼吸孔，呼吸孔与外界相通，使装置能的吸排气或吸排液，从而完成往复运动。

进一步的，在上段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳对应上段侧面通孔的位置也设有直线的通孔，两个通孔联通；该孔作为携流排屑侧孔，通过活阀和冲锤在内腔体中周期性的运动来带动腔体内流体周期性脉动，并且排出到钻头外部，起到侧孔携流，加快岩屑排出的速度，提高排屑效率的优化作用。

进一步的，在内腔体的两端与限流盘和上圆盘的接触面设有密封槽，密封槽内设有密封圈。

进一步的，在限流盘上对应冲锤的通孔或通槽的位置设有贯穿孔，在壳体顶部的椭圆面结构上设有水眼。

进一步的，所述刀翼数量为5个，在每个刀翼上设置有5颗切削齿。

进一步的，冲击齿与冲头的轴线略微偏移，偏移值的范围为1～5mm。

一种冲击-刮削复合pdc钻头的使用方法如下：

s1.冲击装置在开始工作前，由于重力的作用，上活阀和冲锤都处于各自行程的下顶点；

s2.钻井液从上圆盘进入装置的内部，经过上活阀的分流口流入冲锤的内部通道，由于限流盘的通孔面积很小，钻井液在下段的冲锤的下侧腔体内形成了高压液流，由于上活阀和冲锤的下端有效承压面积都大于上端有效承压面积，在上下端面压力差的作用下，上活阀和冲锤上行至行程的上顶点；

s.按照结构设计的尺寸，上活阀先于冲锤到达上行顶点；当冲锤上行到和上活阀接触时，内部流体通道被瞬间关闭，此时上活阀内产生较大的水击作用，上活阀和冲锤会在水击作用和重力的作用下加速下行；

s4.由于冲锤的行程大于上活阀的行程，上活阀下行至其行程下顶点时和冲锤分离，此时冲锤继续下行，直到完成冲击，冲击后冲锤和上活阀回到工作前的相对位置，开始下一周期的工作。

本发明的有益之处在于：

1）与现有技术的单一牙轮-pdc混合钻头相比，冲击结构在钻头上所占空间较小，有利于钻头的结构设计，提高钻头的寿命。

2）与现有技术的具备冲击器的钻头相比，本发明所提供的复合钻头中的自动换向机制，冲击结构简单且更合理，通过液压产生高频冲击力，其结构简单，连接部件少，可靠性高，能有效利用水力冲击实现上升下降，并保证冲击速度，不需要额外的配套冲击工具进行外部能量输入，钻头尺寸小，对钻定向井十分有利。

3）在脆性较强的地层，复合钻头的冲击效果更明显。

4）当冲击齿由于各种原因失效或效率较低时，固定切削元件仍然可以正常工作，不会造成无法切削地层的问题，减少升井更换维修钻头频率。

5）与常规pdc钻头相比，本专利能明显降低切削齿吃入岩石的难度和破岩能耗，在硬度较高的地层钻进时能达到更高的破岩效率。

6）由于pdc切削齿在有破碎坑的地方切削时的能耗较低，产生的摩擦更小，热磨损现象得到极大的改善，也不会因此影响冲击结构。

7）本专利中的冲头和冲击齿能够沿钻头轴向做固定行程的直线运动，冲击力带来的振动不会传递到切削齿上，有利于延长切削齿的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的冲击-刮切复合pdc钻头外部立体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是冲击-刮切复合钻头的剖视图；

图4是复合钻头周向布齿示意图；

图5是复合钻头冲锤剖视图；

图6是复合钻头上活阀示意图；

图7是复合钻头内腔体剖视图。

图中：

1、钻头体；2、pdc切削齿；3、刀翼；4、水眼；5、外壳；6、侧孔；7、呼吸孔；8、冲击齿；9、冲头；10、限流盘；11、冲锤；11-1实体段；12、上活阀；12-1接触板；13、内腔体；13-1上段；13-2中段；13-3下段；14、上圆盘；15、密封圈；16、钻头连接段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，需要说明的是，在本文中，诸如“上”、“下”等词语，仅仅用于方便对附图进行描述，并非限制实际使用中的方向，且不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1-7所示，一种冲击-刮削复合pdc钻头，包括钻头体1、外壳5、固定切削结构、冲击结构、钻头连接段16；所述外壳5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16，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1上的刀翼3，刀翼3在外壳5顶部并周向阵列排布，并在外壳5顶部中心处留出空白，所述外壳5顶部中心处的空白设有连接到外壳5内侧的通孔，在外壳5内安装冲击结构，钻头连接段内径小于外壳5的筒体内径，钻头连接段16和外壳5连接后，形成一个台阶；在外壳5的筒体两端分别设有上圆盘14和限流盘10，上圆盘14与钻头连接段的台阶抵紧，在上圆盘14和限流盘10之间安装有内腔体13，所述内腔体13为中空筒体，在内腔体13内侧设有多级台阶，并将整个内腔体13内侧分为上中下三段，上段13-1安装有上活阀12，上活阀12可沿着上段13-1内部轴向运动，下段13-3安装有冲锤11，冲锤11可沿着下段13-3内部轴向运动，中段13-2为上活阀12和冲锤11的过渡段，上活阀12和冲锤11在沿着上段13-1和下段13-3做轴向运动时，各自的一部分会进入中段并在中段13-2内发生接触；上活阀12和冲锤11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12和冲锤11接触的时候封闭两者的贯穿的流道结构。

上活阀12为中空筒体结构，其侧面中部设有一段凸缘，使其在上段内侧活动的时候通过凸缘限位，且其运动过程中与上段的台阶周向密封；其下端设有接触板12-1，接触板12-1为锥形结构，接触板12-1与上活阀12的筒体边缘连接，并在连接处设有多个通孔，作为分流口，使其形成贯穿的流道结构；上活阀12采用铸造一体成型，上活阀12是需要长期接收冲击和摩擦，因此材料选用42crmo。根据强度校核公式以及富余加工余量，其壁厚最小处取4mm，为了尽可能的减小流体在分流处的压力损失，经过流体模拟实验和实物加工后的实验，将分流口的倾斜角度设计为25°，这样能够保证流体更加顺利的进入腔室中。冲锤11为中空筒体结构，并在其侧面底部设有一段凸缘，使其在下段内侧活动的时候通过凸缘限位，在冲锤11内部对应凸缘段的位置设有一实体段11-1，在实体段11-1上设有多个通孔或通槽，使其形成贯穿的流道结构，所述实体段11-1为锥形结构；在实体段11-1下侧固定有冲头9，冲头9另一端设有冲击齿8，冲头9伸出壳体端部的椭圆面结构的通孔，但在冲锤11未移动到最大行程时，冲击齿8不超过刀翼3的最低位置；接触板与冲锤11的中空筒体端部相配合，可盖住并封堵住冲锤11，使冲锤11和上活阀12之间贯穿的流道被封堵，接触板的表面粗糙度为ra0.6，确保密封端面效果；上活阀12在上段的轴向运动空间长度小于冲锤11在下段的轴向运动空间长度。冲锤11与内腔体13配合，冲锤11上部开口直径小于上活阀12实体段底面直径，在冲锤11的下端预留冲头9的连接尺寸20mm。为尽可能保证小的流量损失，冲锤11内部采用多孔流道设计。考虑到强度的要求，经过仿真模拟试验和实物加工后的力学测试，取最小壁厚为5mm，取孔径大小为7mm，冲锤11材料为42crmo。通过本结构，复合钻头能够实现冲击装置的自动换向，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。

如图3所示，在中段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳5对应中段侧面通孔的位置也设有通孔，且外壳5的通孔为斜线结构，两个通孔联通；在下段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳5对应下段侧面通孔的位置也设有直线的通孔，两个通孔联通；上述两组通孔作为呼吸孔，呼吸孔与外界相通，使装置能的吸排气（液）从而完成往复运动。特别的是，冲锤11的呼吸孔设置在靠近上段的台阶段的位置，其台阶分为两部分，该台阶上部用于与冲锤11的外表面密封，该台阶下部内径变大2mm，但依然小于内腔体下段的内径。在上段的腔体侧面设有直线的通孔，在外壳5对应上段侧面通孔的位置也设有直线的通孔，两个通孔联通；该孔作为携流排屑的侧孔，通过活阀和冲锤在内腔体中周期性的运动来带动腔体内流体周期性脉动，并且排出到钻头外部，起到侧孔携流，加快岩屑排出的速度，提高排屑效率的优化作用。在内腔体13的两端与限流盘10和上圆盘14的接触面设有密封槽，密封槽内设有密封圈15。

在壳体顶部的椭圆面结构上设有水眼4，在限流盘10上对应冲锤11的通孔或通槽的位置设有贯穿孔，该贯穿孔用于给水眼4提供水力，且该贯穿孔的结构为锥形。

所述冲锤11与冲头9之间采用螺纹连接。

所述固定切削结构为刀翼3，刀翼3设有5个，在每个刀翼3上设置有5颗切削齿。

冲击齿8与冲头9的轴线略微偏移，偏移值的范围为1～5mm，冲击齿8和冲头9之间为焊接连接。

所述冲锤的行程范围为10～100mm。

所述pdc切削齿2和冲击齿8的材料为聚晶金刚石复合片切削齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削块、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、金刚石加强硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿中的任意一种。

本发明的使用方法如下：

s1.冲击装置在开始工作前，由于重力的作用，上活阀12和冲锤11都处于各自行程的下顶点；

s2.钻井液从上圆盘14进入装置的内部，经过上活阀12的分流口流入冲锤11的内部通道，由于限流盘10的通孔面积很小，钻井液在下段13-3的冲锤11的下侧腔体内形成了高压液流，由于上活阀12和冲锤11的下端有效承压面积都大于上端有效承压面积，在上下端面压力差的作用下，上活阀12和冲锤11上行至行程的上顶点；

s3.在设计时，通过调整结构尺寸让上活阀12先于冲锤11到达上行顶点，当冲锤11上行到和上活阀12接触时，内部流体通道被瞬间关闭，此时上活阀12内产生较大的水击作用，上活阀12和冲锤11会在水击作用和重力的作用下加速下行；

s4.由于冲锤11的行程大于上活阀12的行程，上活阀12下行至其行程下顶点时和冲锤11分离，此时冲锤11继续下行，直到完成冲击，冲击过程中钻井液通过内部流道从刀翼3之间的水眼4形成高压射流冲击岩石，对岩石造成一定程度的损伤，并且还能冷却切削齿、清洗钻头、清洗井底和携带岩屑；冲击后冲锤11和上活阀12回到工作前的相对位置，开始下一周期的工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的改进。