專利名稱：一種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備用破巖工具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具?，F(xiàn)今鉆井工程中所使用的常規(guī)鉆頭主要有三牙輪鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(即PDC鉆頭)和沖旋鉆頭(也稱旋沖鉆頭或釬頭)等。三牙輪鉆頭主要以壓碎(牙齒壓入巖石造成巖石破碎)的形式破巖，適用的地層范圍較寬，但能量利用率不高，破巖效率相對(duì)較低。特別是在深部地層鉆進(jìn)時(shí)，在高密度鉆井液作用條件下井底的巖屑?jí)撼中?yīng)十分明顯，牙齒難以壓入地層并形成有效的破碎，鉆頭 機(jī)械鉆速受到很大限制。軸承壽命低是制約三牙輪鉆頭使用壽命的主要因素之一。三牙輪鉆頭需要大鉆壓才能保證較高的破巖效率，所以軸承的載荷幅值高，同時(shí)牙輪上牙齒交替破碎巖石的工作原理必然導(dǎo)致鉆頭的軸向或縱向振動(dòng)，以及較大幅度的軸承載荷波動(dòng)。加之牙輪鉆頭軸承在井下的工作環(huán)境惡劣，軸承密封的壽命難以保障，因此三牙輪鉆頭的軸承壽命相對(duì)較短。PDC鉆頭是ー種利用聚晶金剛石復(fù)合片(即PDC齒，亦簡(jiǎn)稱齒)對(duì)巖石的刮切或剪切作用破巖的鉆頭。由于在切削元件性能以及破巖方式方面具備了突出的優(yōu)越性，所以roc鉆頭在軟至中硬地層的破巖效率明顯高于三牙輪鉆頭。現(xiàn)今，PDC鉆頭在鉆井工程中使用得越來越多，比例越來越大，但對(duì)于硬度、研磨性高的地層以及嚴(yán)重不均質(zhì)的地層，PDC鉆頭仍難以適應(yīng)?，F(xiàn)有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭(鉆頭上無運(yùn)動(dòng)部件)，作為切削元件的聚晶金剛石復(fù)合片按照一定的規(guī)律布置并固結(jié)在鉆頭體上，構(gòu)成PDC鉆頭破碎巖石的切削結(jié)構(gòu)。為了及時(shí)將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帯至地面，同時(shí)也為了清洗鉆頭和冷卻切削齒，PDC鉆頭上還需具有水力結(jié)構(gòu)。水力結(jié)構(gòu)通常由鉆頭內(nèi)流道、外流道和噴射孔組成。噴射孔又稱噴嘴，可以是直接設(shè)置在鉆頭體上的固定式噴嘴，也可以是安裝在鉆頭上的可替換式噴嘴。為了使鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的工作效果，在設(shè)計(jì)、制造鉆頭時(shí)，通常按照一定的規(guī)律將PDC齒分成若干組，同組的PDC齒固結(jié)在同一個(gè)齒座上,姆個(gè)齒座以及分布于其上的PDC齒構(gòu)成ー個(gè)切削結(jié)構(gòu)單元，稱為刀翼(齒座為刀翼體)。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的外流道。這種鉆頭為刀翼式PDC鉆頭。刀翼式PDC鉆頭是PDC鉆頭的主要結(jié)構(gòu)類型。對(duì)roc鉆頭而言，在鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆壓相同的條件下，鉆頭的破巖效率主要取決于roc齒吃入巖石的能力，PDC齒吃入巖石的深度越大，鉆頭破巖效率就越高。通常，在軟地層鉆進(jìn)吋，PDC鉆頭切削齒的吃入深度較大，鉆頭的破巖效率較高；當(dāng)硬地層鉆進(jìn)時(shí)，切削齒的吃入能力就變?nèi)酰匀肷疃茸冃?，鉆頭的鉆進(jìn)效率就明顯降低。PDC鉆頭的主要有缺點(diǎn)是第一，在巖石的強(qiáng)度或硬度較高吋，PDC齒難以吃入巖石以形成有效的刮切，特別是當(dāng)PDC齒有磨損后，牙齒更加難以吃入地層，鉆頭的機(jī)械鉆速會(huì)急劇降低。第二，PDC齒連續(xù)不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使齒達(dá)到相當(dāng)高的溫度，當(dāng)溫度超過一定界限吋，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導(dǎo)致熱磨損現(xiàn)象(當(dāng)PDC齒工作溫度高于某ー特定溫度時(shí)，其耐磨性明顯下降的現(xiàn)象稱為PDC齒的熱磨損現(xiàn)象)的發(fā)生。第三，PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒，切削齒磨損均衡性差，從而降低了鉆頭的綜合性能。沖旋鉆頭是沖旋鉆井中配合潛孔沖擊器(即潛孔錘)使用的固定齒破巖工具。沖旋鉆頭的結(jié)構(gòu)與PDC鉆頭相似，鉆頭上沒有可運(yùn)動(dòng)部件，鉆頭體上固結(jié)了一定數(shù)量的能夠覆蓋井底待破碎區(qū)域的切削齒。不同之處主要在于PDC鉆頭的切削元件主要為PDC齒，而沖旋鉆頭的切削元件主要為與牙輪鉆頭牙齒形狀相似的硬質(zhì)合金或金剛石復(fù)合牙齒。沖旋鉆頭的破巖機(jī)理與牙輪鉆頭的壓碎機(jī)理以及PDC鉆頭的切削機(jī)理均具有顯著的區(qū)別。沖旋鉆頭依靠其牙齒的瞬間沖擊力實(shí)現(xiàn)對(duì)井底巖石的破碎。沖旋鉆頭的上端連接著潛孔沖擊器，潛孔沖擊器在工作時(shí)，其沖錘在循環(huán)流體(鉆井液或循環(huán)氣體)的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)撞擊鉆頭或釬頭，從而為與井底巖石相接觸的鉆頭牙齒提供了脈動(dòng)沖擊載荷，巖石在牙齒的 瞬間沖擊力作用下發(fā)生破碎。由于鉆頭的沖擊載荷依賴于潛孔沖擊器，所以，沖旋鉆頭工作過程中不需要施加很大的鉆壓(這ー特點(diǎn)與牙輪鉆頭有著顯著區(qū)別，牙輪鉆頭必須在大鉆壓下才能獲得較高的破巖效率)，只需用很小的鉆壓將鉆頭壓在井底即可。通常情況下，沖旋鉆頭在脆性地層特別是較硬的脆性地層鉆進(jìn)時(shí)能取得較高的破巖效率。此外，在地層傾角較大的易斜地層，采用沖旋鉆頭鉆進(jìn)有利于減小井斜趨勢(shì)。美國貝克休斯公司提出了一種牙輪-PDC混合式鉆頭(在美國及其他國家均提出了專利申請(qǐng)，如PTC W02010/132232等)，該鉆頭在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了牙輪切削結(jié)構(gòu)(或稱牙輪部件)，因此，也可以說該混合鉆頭是由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪切削結(jié)構(gòu)組合而成的?；旌香@頭的固定切削結(jié)構(gòu)由若干roc固定刀翼組成，刀翼上布置有固定切削齒(PDC齒)，當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)吋，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖；混合鉆頭的牙輪切削結(jié)構(gòu)與牙輪鉆頭中相類似，牙輪安裝在牙掌的軸頸上，牙掌與鉆頭體形成固定的整體，牙輪在隨鉆頭體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞軸頸作轉(zhuǎn)動(dòng)，牙輪上的牙齒主要以壓入破碎的方式破巖。該混合鉆頭將PDC鉆頭和牙輪鉆頭的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，在某些特定條件下鉆進(jìn)吋，鉆頭性能優(yōu)于PDC鉆頭和牙輪鉆頭。但該鉆頭也有以下較明顯的缺點(diǎn)第一，牙輪切削結(jié)構(gòu)和固定切削結(jié)構(gòu)的軸向(鉆頭的軸向)或縱向整體運(yùn)動(dòng)是一致的。因此，牙輪切削結(jié)構(gòu)在工作過程中必然產(chǎn)生的上下振動(dòng)將會(huì)直接影響roc固定切削結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致兩方面的不良后果首先，縱向振動(dòng)帶來的沖擊載荷各易引起PDC齒的損壞，減短鉆頭的使用壽命；其次，縱向振動(dòng)會(huì)使固定切削結(jié)構(gòu)中的PDC齒的吃入深度發(fā)生頻繁變化，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成PDC齒頻繁脫離井底，從而在一定程度上降低鉆頭的破巖效率。第二，牙輪通過軸承系統(tǒng)與牙掌軸頸相連接，由于強(qiáng)度的需要，牙輪切削結(jié)構(gòu)的幾何尺寸相對(duì)較大，占據(jù)了鉆頭上寶貴而有限的空間，不利于鉆頭體上固定切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計(jì)。牙輪切削結(jié)構(gòu)較大的尺寸需求，也在一定程度上限制了該鉆頭在深井小井眼鉆井中的應(yīng)用。其三，牙輪切削結(jié)構(gòu)的軸承工作壽命對(duì)鉆頭的整體壽命形成了明顯的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，在固定切削齒鉆頭基礎(chǔ)上増加沖擊切削結(jié)構(gòu)，充分利用沖擊破巖方式的優(yōu)勢(shì)，增進(jìn)鉆頭切削齒對(duì)巖石的吃入，提高破巖效率，減緩切削齒的磨損速度，増加鉆頭使用壽命，提升鉆頭在強(qiáng)度較高、研磨性較強(qiáng)或非均質(zhì)性較強(qiáng)等難鉆地層的工作性能。本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭(簡(jiǎn)稱復(fù)合鉆頭)，包括鉆頭體和固結(jié)在鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)，復(fù)合鉆頭上設(shè)置有沖擊切削結(jié)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)包括傳遞沖擊カ的傳カ機(jī)構(gòu)以及沖擊切削齒，沖擊切削齒固結(jié)在傳カ機(jī)構(gòu)末端的沖頭上，所述沖頭能在沖擊カ傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。具體地，刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)、沖擊切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)，也可以包括產(chǎn)生沖擊カ的沖擊機(jī)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)包括傳遞沖擊カ的傳カ機(jī)構(gòu)以及沖擊切削齒，傳カ機(jī)構(gòu)包括依次連接的砧體、傳カ桿和沖頭，砧體與鉆頭體之間形成相對(duì)滑動(dòng)，傳カ桿與鉆頭體之間形成相對(duì)滑動(dòng)，或通過擺動(dòng)滑塊形成既允許相對(duì)滑動(dòng)，又允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，沖頭連接在傳カ桿的末端，沖擊切削齒固結(jié)在沖頭上，沖頭能在沖擊カ傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。所述鉆頭體既是用以附著、支承或容納鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)、沖擊切削結(jié)構(gòu)以及沖擊機(jī)構(gòu)的基體，也是安裝噴嘴、形成鉆頭流道的基體。鉆頭體 的上端(也即循環(huán)流體入口端，簡(jiǎn)稱入口端)設(shè)置有用以連接鉆柱的螺紋。鉆頭體的上部為管狀結(jié)構(gòu)，其管壁既具有傳遞鉆壓的功能，也起到將管內(nèi)、管外空間相隔絕的作用，其內(nèi)孔空間用于設(shè)置傳力機(jī)構(gòu)中的砧體等元件，沖擊機(jī)構(gòu)也可設(shè)于其中。鉆頭體的下部主要為固定切削結(jié)構(gòu)的基體，其上開設(shè)了用以容納傳カ桿的孔或槽，也開設(shè)了循環(huán)流體噴射孔。除了沖頭、沖擊切削齒以及傳カ桿的露出部位以外，沖擊切削結(jié)構(gòu)的其它部分均位于鉆頭體的內(nèi)部空間，并按照砧體ー傳カ桿一沖頭的順序自上而下安裝。當(dāng)復(fù)合鉆頭包含沖擊機(jī)構(gòu)時(shí)，自上而下的安裝順序?yàn)闆_擊機(jī)構(gòu)ー站體一傳カ桿ー沖頭，沖擊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力作用在砧體上，再由砧體傳向傳カ桿、沖頭。砧體的上端面為承受沖擊載荷的工作面，下端與傳力桿相連接，可為滑動(dòng)連接，也可為鉸接(即鉸鏈連接)，或者直接連接等。當(dāng)采用滑動(dòng)連接吋，砧體與傳カ桿之間可沿接觸面相對(duì)滑動(dòng)；當(dāng)采用鉸接方式連接時(shí)，砧體與傳カ桿之間可繞鉸接中心相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。沖頭用螺紋、過盈配合、銷、焊接等方式連接在傳カ桿的另一端，或與傳カ桿構(gòu)成ー個(gè)整體式元件。一個(gè)沖頭、固結(jié)于其上的沖擊切削齒以及相配套的傳カ桿構(gòu)成一個(gè)沖擊切削単元，沖擊切削単元的數(shù)量可以只有ー個(gè)，也可以有若干個(gè)。在同一個(gè)沖擊切削単元中，傳カ桿的數(shù)量為ー個(gè)或多于ー個(gè)，當(dāng)傳カ桿的數(shù)量多于ー個(gè)時(shí)，各傳カ桿相互串行連接，其中彼此具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相鄰傳カ桿之間通過鉸鏈連接。傳カ機(jī)構(gòu)與鉆頭體之間以及傳カ機(jī)構(gòu)各元件之間的連接或安裝方式，使沖頭能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)。固定切削結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆頭體下部的外端，包含有切削齒基座(當(dāng)固定切削結(jié)構(gòu)采用刀翼式結(jié)構(gòu)吋，切削齒基座即固定刀翼)和固定切削齒，切削齒基座固結(jié)在鉆頭體上，與鉆頭體形成固定聯(lián)接，或與鉆頭體結(jié)合形成一體式結(jié)構(gòu)，固定切削齒固結(jié)在切削齒基座上。水力結(jié)構(gòu)主要包括鉆井循環(huán)流體的內(nèi)、外部流道，以及安裝在內(nèi)部流道出口處的噴嘴。在鉆頭上還設(shè)置有一些輔助元件，包括為保證砧體正確工作位置而設(shè)置的扶正套，以及為實(shí)現(xiàn)砧體與傳カ桿之間的連接而設(shè)置的滑塊、銷軸等元件，以及密封元件等。本發(fā)明的關(guān)鍵之一在于固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，沖頭上的沖擊切削齒在沖擊力作用下以一定頻率不斷沖擊井底，配合鉆頭上的固定切削結(jié)構(gòu)共同完成對(duì)井底巖石的破碎。特別是當(dāng)沖頭上的沖擊切削齒分布于鉆頭徑向的外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)時(shí)，沖擊切削齒的破巖作用使得該區(qū)域固定切削齒吃入、切削巖石所需要的力明顯降低，磨損速度明顯下降，因而可顯著改善固定切削結(jié)構(gòu)上切削齒磨損的均衡性，使鉆頭心部區(qū)域和外部區(qū)域固定切削齒的磨損速度接近于同歩。關(guān)于固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)在鉆頭體上的布置方式和數(shù)量，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說明書教導(dǎo)下結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)可以有眾多選擇，這些技術(shù)方案均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的關(guān)鍵之ニ在于沖頭能在沖擊カ傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。由此而來的效果是第一，由鉆柱傳遞到鉆頭體上的鉆壓不會(huì)施加在沖擊切削齒上，從而避免了沖擊切削齒在持續(xù)大鉆壓作用下可能發(fā)生的快速磨損；第二，沖擊切削結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)沖擊載荷不會(huì)傳遞到鉆頭體乃至鉆柱上，避免了脈動(dòng)沖擊載荷對(duì)鉆頭體乃至鉆柱的安全性可能造成的不利影響；第三，有助于沖擊機(jī)構(gòu)防空打功能的實(shí)現(xiàn)。關(guān)于沖擊切削結(jié)構(gòu)中用以實(shí)現(xiàn)沖頭在沖擊方向上相對(duì)于鉆頭體滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說明書教導(dǎo)下結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)可以有眾多選擇，這些技術(shù)方案均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。所述固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片，也可以為熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石以及孕鑲金剛石切削齒，沖擊切削結(jié)構(gòu)上的沖擊切削齒為硬質(zhì)合金齒，或 錐球齒、楔形齒、邊楔齒以及勺形齒，也可以是具有良好沖擊破巖效果的其它形狀的牙齒。在傳カ機(jī)構(gòu)(主要是傳カ桿)與鉆頭體相配合的滑動(dòng)面上設(shè)置密封裝置，避免循環(huán)流體的泄漏以及流體在泄露過程中對(duì)傳カ桿、鉆頭體的沖蝕，同吋，由于循環(huán)流體在鉆頭體內(nèi)腔的壓カ高于鉆頭體外，內(nèi)外壓カ差作用于傳カ機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生將沖頭向外推的推力，該推力能使沖頭上的切削齒緊壓巖石表面，有利于提高切削齒的沖擊破巖效率。所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒可以布置在所述固定切削結(jié)構(gòu)固定切削齒的徑向覆蓋范圍之內(nèi)，也可獨(dú)立布置(不與固定切削結(jié)構(gòu)固定切削齒的徑向覆蓋范圍相重疊)，或部分獨(dú)立布置。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒與所述固定切削結(jié)構(gòu)固定切削齒在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外的徑向區(qū)域之內(nèi)。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒與所述固定切削結(jié)構(gòu)固定切削齒在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑二分之一以外的徑向區(qū)域之內(nèi)。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒與所述固定切削結(jié)構(gòu)固定切削齒在徑向重疊覆蓋布置，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之ニ以外的徑向區(qū)域之內(nèi)。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以內(nèi)的徑向區(qū)域之內(nèi)。所述傳カ機(jī)構(gòu)上設(shè)有防脫落結(jié)構(gòu)，以避免沖頭和傳カ桿在拉拔力作用下從鉆頭上脫落。所述傳カ機(jī)構(gòu)上還可設(shè)有防轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以避免沖頭在工作過程中繞傳カ桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 作為優(yōu)選方式，所述固定切削結(jié)構(gòu)的切削齒采用聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的切削齒采用硬質(zhì)合金齒或用金剛石等超硬材料加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒。作為優(yōu)選方式，所述固定切削結(jié)構(gòu)的切削齒采用圓形的聚晶金剛石復(fù)合片，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的切削齒采用錐球形或楔形的硬質(zhì)合金齒或金剛石復(fù)合硬質(zhì)合金齒。作為優(yōu)選方式，當(dāng)所述刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭包含沖擊機(jī)構(gòu)時(shí)，鉆頭體采用分體式結(jié)構(gòu)，即可將沖擊機(jī)構(gòu)及其所對(duì)應(yīng)的鉆頭體部分從復(fù)合鉆頭上分離出來，構(gòu)成ー個(gè)單獨(dú)的部件。此時(shí)鉆頭體由設(shè)有沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊器本體和設(shè)有固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)的切削結(jié)構(gòu)本體連接而成，沖擊機(jī)構(gòu)安裝在沖擊器本體的中空部位，沖擊器本體用于容納、安裝沖擊機(jī)構(gòu)。此時(shí)，復(fù)合鉆頭就被分為兩個(gè)在功能上和制造上相對(duì)獨(dú)立的部分，即上部的沖擊器和下部的破巖工具。沖擊器的功能就是提供脈動(dòng)沖擊力，破巖工具的功能就是傳遞沖擊力，并與固定切削結(jié)構(gòu)一起實(shí)施對(duì)巖石的直接破碎。采用分體式結(jié)構(gòu)更有利于復(fù)合鉆頭的制造和使用，沖擊器部件和破巖工具部件可以分別制造，入井使用前再組裝在一起。
對(duì)于包含沖擊機(jī)構(gòu)的刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其工作過程為
刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭連接在鉆柱的最末端。入井以后，鉆頭逐漸接近、到達(dá)井底。開動(dòng)循環(huán)流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備(當(dāng)循環(huán)流體為鉆井液時(shí)，驅(qū)動(dòng)設(shè)備為鉆井泵；當(dāng)循環(huán)流體為氣體或主要為氣體吋，驅(qū)動(dòng)設(shè)備為氣體壓縮機(jī))，使循環(huán)流體在鉆柱內(nèi)、外循環(huán)。在鉆頭上施加鉆壓，開始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒即開始破碎井底巖石。與此同吋，由于循環(huán)流體已開始循環(huán)，在鉆柱內(nèi)部循環(huán)流體的驅(qū)動(dòng)下，沖擊機(jī)構(gòu)開始工作，連續(xù)地向砧體施加一定頻率范圍的脈動(dòng)沖擊載荷，沖擊載荷通過砧體傳遞至傳カ桿，再傳遞至沖頭，最終施加到?jīng)_擊切削齒上，從而實(shí)現(xiàn)沖擊切削結(jié)構(gòu)對(duì)井底巖石的破碎。循環(huán)流體流過沖擊機(jī)構(gòu)后，再通過內(nèi)部流道從鉆頭水眼或噴嘴流出，完成冷卻切削齒、清洗鉆頭、清洗井底和攜帯巖屑功能。固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)的破巖工作盡管是各自進(jìn)行的，破巖機(jī)理也各不相同，但彼此之間卻會(huì)發(fā)生有益的相互影響。復(fù)合式鉆頭通常以固定切削結(jié)構(gòu)為主切削結(jié)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)為輔助切削結(jié)構(gòu)。固定切削結(jié)構(gòu)中的切削齒通常為PDC齒(或以PDC齒為主)，所以復(fù)合鉆頭上的固定切削結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于ー只普通的固定切削齒PDC鉆頭，其破巖效率的關(guān)鍵在于PDC齒對(duì)井底巖石的吃入效果。要増大PDC齒的吃入深度，通常只能増加鉆壓，而鉆壓的增加是有限度的，而且增加鉆壓會(huì)加劇PDC齒的磨損，降低鉆頭的工作壽命。本發(fā)明技術(shù)方案通過在固定切削齒鉆頭上引入沖擊切削結(jié)構(gòu)，能夠有效利用沖擊破巖方式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，顯著地提升固定切削結(jié)構(gòu)的破巖效率和切削齒工作壽命。沖擊切削結(jié)構(gòu)依賴沖擊切削齒對(duì)巖石的一定頻率的脈動(dòng)沖擊載荷破碎巖石，因此對(duì)工作鉆壓的要求很低，切削齒對(duì)井底巖石的沖擊效果是在井底的相應(yīng)區(qū)域形成ー個(gè)個(gè)的破碎坑或壓入坑，這些破碎坑或壓入坑的產(chǎn)生直接促進(jìn)了固定切削結(jié)構(gòu)相應(yīng)區(qū)域PDC齒對(duì)井底巖石的吃入，同時(shí)減輕了這些PDC齒的工作負(fù)荷。換言之，當(dāng)固定切削結(jié)構(gòu)的切削齒在具有許多破碎坑的凸凹不平的井底上鉆進(jìn)時(shí)，其鉆進(jìn)速度要明顯高于在平滑井底上的鉆進(jìn)速度，而其切削齒的磨損速度明顯低于在平滑井底上鉆進(jìn)時(shí)的磨損速度。在復(fù)合鉆頭的沖擊切削結(jié)構(gòu)中，沖擊切削結(jié)構(gòu)中承受脈動(dòng)沖擊載荷的各元件(包括砧體、傳カ桿、沖頭和切削齒等)能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。這樣，在鉆頭的正常鉆進(jìn)過程中，沖擊切削結(jié)構(gòu)不承受來自鉆柱和鉆頭體的鉆壓，固定切削結(jié)構(gòu)也不承受沖擊切削結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)沖擊載荷。這ー特點(diǎn)既可避免脈動(dòng)沖擊載荷對(duì)固定切削結(jié)構(gòu)切削齒、鉆頭體乃至上部鉆柱的損傷或不利影響，也能避免沖擊切削齒因持續(xù)承受大的工作鉆壓而導(dǎo)致的快速磨損。此外，該特點(diǎn)還為實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆頭的防空打功能提供了必要的條件。在鉆頭的下入過程中，由于重力及循環(huán)流體內(nèi)外壓差的作用，沖擊切削結(jié)構(gòu)中的砧體、傳カ桿、沖頭及沖擊切削齒會(huì)一起向下滑動(dòng)一段距離，使沖擊切削齒突出于固定切削結(jié)構(gòu)切削齒包絡(luò)輪廓面之外，此時(shí)沖擊切削結(jié)構(gòu)所處的位置是防空打位置，在該位置上，沖擊機(jī)構(gòu)的防空打設(shè)計(jì)能使沖擊機(jī)構(gòu)中的沖擊錘停止對(duì)砧體的錘擊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊切削結(jié)構(gòu)的空載保護(hù)。在鉆頭逐漸接近、到達(dá)井底時(shí)，突出的沖擊切削齒首先接觸井底，然后隨著鉆頭的進(jìn)一歩就位，沖擊切削結(jié)構(gòu)中的上述元件逐漸縮回至正常工作位置。當(dāng)鉆頭在井底完全就位后，鉆頭開始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，沖擊切削結(jié)構(gòu)和固定切削結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行正常的破巖工作。當(dāng)需要上提鉆頭(如起鉆或續(xù)接鉆柱)時(shí)，隨著鉆頭位置的逐漸上升，與下鉆過程相反，鉆頭上的固定切削結(jié)構(gòu)首先離開井底，而沖擊切削齒仍保持與井底巖石接觸，同時(shí)，沖擊切削結(jié)構(gòu)中的前述其它相關(guān)元件相對(duì)鉆頭體向下滑移直至到達(dá)防空打位置，此后沖擊切削齒不再承受沖擊載荷，繼而脫離井底，隨鉆頭其它部分一起上升。對(duì)于不包含沖擊機(jī)構(gòu)的刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，產(chǎn)生脈動(dòng)沖擊載荷的工作過程 不再由復(fù)合鉆頭完成，而改由沖擊器完成。除此以外，其余工作過程與包含沖擊機(jī)構(gòu)的刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭的工作過程相同。不包含沖擊機(jī)構(gòu)的刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭并非ー個(gè)功能完整的鉆頭，必須與相應(yīng)的沖擊器配套安裝后才能下井使用。此時(shí)的復(fù)合鉆頭實(shí)際上就是分體式刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭的破巖工具部件。在具體使用吋，一般應(yīng)先將配套的沖擊器與復(fù)合鉆頭連接在一起(沖擊器連接在復(fù)合鉆頭上端)，然后再將組合好的沖擊器、復(fù)合鉆頭連接在鉆柱末端。安裝完畢后，方可下井使用。本發(fā)明的有益效果
(O當(dāng)復(fù)合鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，在固定切削齒和沖擊切削齒重疊覆蓋的井底區(qū)域，由于沖擊切削齒對(duì)巖石的不斷沖擊，井底表面形成了壓入坑或破碎坑，使井底變得凹凸不平。在切削深度(吃入深度)或切削體積(被切削破碎的巖石體積)相同的條件下，PDC齒在凹凸不平的巖石表面切削時(shí)的吃入力(即垂直于巖石表面的壓入力)、主切削力(在切削速度方向上的切削力)以及切削功明顯低于巖石表面相對(duì)平整(沒有破碎坑)條件下的切削過程，切削齒吃入巖石的難度明顯降低，破巖能耗也明顯降低。所以，與傳統(tǒng)的PDC鉆頭相比，復(fù)合鉆頭在切削齒難以吃入的地層(硬度較高的地層)鉆進(jìn)時(shí)能達(dá)到更高的破巖效率。(2)如前所述，在切削深度或切削體積相同的條件下，PDC齒在凹凸不平的巖石表面切削時(shí)的摩擦功耗明顯低于巖石表面相對(duì)平整(沒有破碎坑)條件下的切削過程，由于摩擦而產(chǎn)生的熱量也明顯減少。另ー方面，在凹凸不平的巖石表面切削時(shí)，切削齒與巖石之間的接觸區(qū)域和接觸狀態(tài)會(huì)發(fā)生頻繁變化，切削齒的冷卻效果可得到改善。所以，與傳統(tǒng)的PDC鉆頭相比，復(fù)合鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)的切削齒磨損速度更低，且不易發(fā)生熱磨損，能達(dá)到更高的工作壽命，因而在常規(guī)PDC鉆頭難以適應(yīng)的高研磨性、高硬度以及高不均質(zhì)性等難鉆地層使用吋，復(fù)合鉆頭能達(dá)到更好的鉆進(jìn)效果。(3)當(dāng)復(fù)合鉆頭固定切削齒和沖擊切削齒的重疊覆蓋區(qū)域?yàn)殂@頭的徑向外部區(qū)域(如鉆頭半徑的外三分之ニ區(qū)域，夕卜二分之一區(qū)域，或外三分之一區(qū)域)時(shí)，由于一般固定切削齒鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒，沖擊切削齒的破巖作用能夠使該區(qū)域固定切削齒的磨損速度明顯降低，所以固定切削結(jié)構(gòu)上切削齒磨損的均衡性可得到顯著改善，即鉆頭心部區(qū)域和外部區(qū)域的固定切削齒的磨損速度接近于同歩。對(duì)于以固定切削結(jié)構(gòu)(特別是主要由PDC齒構(gòu)成的切削結(jié)構(gòu))為主切削結(jié)構(gòu)的復(fù)合鉆頭而言，這種改善固定切削齒磨損均衡性的效果對(duì)于提高鉆頭的綜合性能尤為重要。(4)在脆性較強(qiáng)的地層，沖擊破巖能達(dá)到較好的破巖效果。盡管牙輪-PDC混合鉆頭中牙輪上的牙齒在壓 碎巖石的過程中也會(huì)對(duì)巖石施加一定程度的動(dòng)載荷，但復(fù)合鉆頭沖擊切削齒每次沖擊井底的時(shí)間(接觸時(shí)間)比牙輪牙齒短得多，沖擊效應(yīng)更明顯，而且可以達(dá)到較高的沖擊頻率，所以，在脆性較強(qiáng)的地層鉆進(jìn)時(shí)，復(fù)合鉆頭不僅優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭，而且可以達(dá)到比牙輪-PDC混合鉆頭更好的破巖效果。(5)復(fù)合鉆頭中的沖擊切削結(jié)構(gòu)與牙輪-PDC混合鉆頭中的牙輪都屬于運(yùn)動(dòng)切削結(jié)構(gòu)，但復(fù)合鉆頭中的傳カ機(jī)構(gòu)能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)，由此而來的有益效果是 第一，由鉆柱傳遞到鉆頭體上的鉆壓不會(huì)施加在沖擊切削齒上，從而避免了沖擊切削齒在持續(xù)大鉆壓壓持下的快速磨損；第二，沖擊切削結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)沖擊載荷不會(huì)傳遞到鉆頭體乃至鉆柱上，這樣，牙輪-PDC混合鉆頭所存在的運(yùn)動(dòng)切削結(jié)構(gòu)(牙輪)的上下振動(dòng)可能對(duì)固定切削齒、鉆頭體乃至鉆柱造成損傷，以及降低固定切削結(jié)構(gòu)(PDC齒)破巖效率的缺點(diǎn)，在復(fù)合鉆頭中得到了較好的解決；第三，有助于沖擊機(jī)構(gòu)防空打功能的實(shí)現(xiàn)。(6)固定切削齒鉆頭的中心部位通常有一個(gè)內(nèi)錐區(qū)域，復(fù)合鉆頭可在該區(qū)域設(shè)置沖擊切削結(jié)構(gòu)(如沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以內(nèi)的徑向區(qū)域之內(nèi))，隆起的錐形井底在沖擊切削齒的沖擊力作用下更容易發(fā)生體積破碎，井底中心部位的巖石破碎速度顯著加快，從而促進(jìn)鉆頭破巖效率的提高。(7)對(duì)于固定切削結(jié)構(gòu)能夠覆蓋井底全部(或接近全部)徑向區(qū)域的復(fù)合鉆頭，當(dāng)沖擊機(jī)構(gòu)或沖擊切削結(jié)構(gòu)由于各種原因?qū)е率Щ蛐实拖聲r(shí)，固定切削結(jié)構(gòu)仍能獨(dú)立エ作。復(fù)合鉆頭的該特點(diǎn)優(yōu)于常規(guī)的沖旋鉆頭。(8)與牙輪-PDC混合鉆頭相比，沖頭在鉆頭布齒區(qū)域所占據(jù)的空間相對(duì)較小，有利于鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是有利于在設(shè)計(jì)中利用更多的空間增加固定切削齒，以提高鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)的工作壽命。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合鉆頭不包含沖擊機(jī)構(gòu)，具有3個(gè)固定刀翼，3套沖擊切削単元，固定刀翼和沖頭相間布置，接頭部位采用外螺紋結(jié)構(gòu)。圖中1、鉆頭體，2、固定切削結(jié)構(gòu)，21、固定切削齒，22、固定刀翼，3、沖擊切削結(jié)構(gòu)，31、沖擊切削齒，321、沖頭，41、流道，42、噴嘴。圖2是圖I所示的復(fù)合鉆頭從切削結(jié)構(gòu)端向接頭端看時(shí)的視圖(即俯視圖)。圖3是對(duì)圖I所示的復(fù)合鉆頭做部分剖切后的沖擊切削結(jié)構(gòu)剖視示意圖。圖中32、傳カ機(jī)構(gòu)，322、傳カ桿，323、砧體，325、密封圏。圖4是對(duì)圖I所示復(fù)合鉆頭的分解示意圖(為表明安裝關(guān)系，對(duì)鉆頭體I從中部進(jìn)行了橫向剖分)。圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(做部分剖切后形成的沖擊切削結(jié)構(gòu)剖視示意圖)，復(fù)合鉆頭不包含沖擊機(jī)構(gòu)，沖擊切削単元中有2個(gè)傳カ桿，其中ー個(gè)傳カ桿與沖頭固定連接(或?yàn)橐惑w式結(jié)構(gòu))，另ー個(gè)傳カ桿與砧體通過鉸鏈相連接(形成轉(zhuǎn)動(dòng)副)，2個(gè)傳カ桿之間也通過鉸鏈相連接(形成轉(zhuǎn)動(dòng)副)；在砧體與鉆頭體之間設(shè)置了砧體扶正套。接頭部位采用內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。圖中324、扶正套，326、鉸鏈銷軸，327、連接螺釘，3221、傳カ桿(一)，3222、傳カ桿(ニ)。圖6是砧體扶正套扶正定位原理示意圖(即圖5在扶正套324位置的橫向剖面圖)。圖7是砧體無扶正套時(shí)的扶正定位原理示意圖(砧體323與鉆頭體I的內(nèi)孔孔壁相接觸，形成間隙配合，實(shí)現(xiàn)砧體的扶正定位)。圖8是本發(fā)明具有2個(gè)固定刀翼，2套沖擊切削単元，固定刀翼和沖頭相間布置時(shí)的俯視圖。圖9是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合鉆頭具有3個(gè)固定刀翼，2套沖擊切削単元。 圖10是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外區(qū)域時(shí)的復(fù)合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖11是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑二分之一以外區(qū)域時(shí)的復(fù)合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖12是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之ニ以外區(qū)域時(shí)的復(fù)合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖13是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以內(nèi)區(qū)域時(shí)的復(fù)合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖14是沖擊切削齒布置在除鉆頭中心和規(guī)徑等小部分區(qū)域以外的整個(gè)徑向范圍時(shí)的復(fù)合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖15是圖14布齒設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖中3211、心部沖頭。圖16是圖15所示復(fù)合鉆頭的俯視圖。圖17是圖I所示結(jié)構(gòu)的傳カ機(jī)構(gòu)原理示意圖，在該傳カ機(jī)構(gòu)中，沖頭與傳カ桿固定連接，傳カ桿與砧體形成滑動(dòng)聯(lián)接(滑動(dòng)副)。圖18是圖5所示結(jié)構(gòu)的傳カ機(jī)構(gòu)原理示意圖。圖19是本發(fā)明的一種傳カ機(jī)構(gòu)的原理示意圖，在該傳カ機(jī)構(gòu)中，沖頭與傳カ桿固定連接，傳カ桿與砧體通過鉸鏈連接，傳カ桿與鉆頭體之間設(shè)置有擺動(dòng)滑塊，擺動(dòng)滑塊與傳カ桿鉸接，擺動(dòng)滑塊與鉆頭體滑動(dòng)連接，即傳カ桿與鉆頭體之間通過擺動(dòng)滑塊形成了既允許相對(duì)滑動(dòng)，又允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，傳カ桿和沖頭既可以相對(duì)鉆頭體滑動(dòng)，也可以繞擺動(dòng)滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中328、擺動(dòng)滑塊。圖20是圖19所示傳カ機(jī)構(gòu)的傳カ桿與鉆頭體之間設(shè)置有擺動(dòng)滑塊，擺動(dòng)滑塊與傳カ桿鉸接，擺動(dòng)滑塊與鉆頭體滑動(dòng)連接時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖21是本發(fā)明的一種傳カ機(jī)構(gòu)的原理示意圖，在該傳カ機(jī)構(gòu)中，沖頭與傳カ桿固定連接，傳カ桿與砧體通過鉸鏈連接，傳カ桿與鉆頭體之間設(shè)置有擺動(dòng)滑塊，擺動(dòng)滑塊與傳カ桿滑動(dòng)連接，擺動(dòng)滑塊與鉆頭體鉸接，傳カ桿和沖頭既可以相對(duì)鉆頭體滑動(dòng)，也可以繞擺動(dòng)滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。圖22是本發(fā)明的ー種傳カ機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，在該傳カ機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)桿與沖頭固結(jié)，沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊方向平行于鉆頭軸線方向。圖23是本發(fā)明的沖擊切削齒采用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒時(shí)的示意圖。圖中311、硬質(zhì)合金，312、金剛石加強(qiáng)層。圖24是包含沖擊機(jī)構(gòu)，且采用一體式結(jié)構(gòu)時(shí)的復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖中33、沖擊機(jī)構(gòu)，331、沖錘。圖25是包含沖擊機(jī)構(gòu)，且采用分體式結(jié)構(gòu)的復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖中5、沖擊器部件，51、沖擊器本體，52、沖錘，6、切削結(jié)構(gòu)部件，61、切削結(jié)構(gòu)本體。圖26是為防止沖頭及傳カ桿轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳カ桿與鉆頭體之間采用花鍵連接時(shí)的結(jié)構(gòu)方案示意圖。圖27是為防止沖頭及傳カ桿等的脫落，在傳カ桿及鉆頭體上設(shè)有防脫落臺(tái)階時(shí)的結(jié)構(gòu)方案示意圖。圖中12、鉆頭體防脫落臺(tái)階，3223、傳カ桿防脫落臺(tái)階。圖28是復(fù)合鉆頭處于防空打位置時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下列非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。實(shí)施例I :
如圖I至圖4、圖10、圖17和圖23所示，ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭體1，鉆頭體I上設(shè)有固定切削結(jié)構(gòu)2、沖擊切削結(jié)構(gòu)3和由流道41及噴嘴42組成的水力結(jié)構(gòu)，固定切削結(jié)構(gòu)2包含有固定切削齒21，沖擊切削結(jié)構(gòu)3包括傳遞沖擊カ的傳カ機(jī)構(gòu)32以及沖擊切削齒31，傳カ機(jī)構(gòu)32包括沖頭321、傳カ桿322和砧體323，沖擊切削齒31固結(jié)在傳カ機(jī)構(gòu)32末端的沖頭321上，沖頭321能在沖擊カ傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體I做滑動(dòng)。復(fù)合鉆頭不包含沖擊機(jī)構(gòu)，具有3個(gè)固定刀翼22，3套沖擊切削単元，固定刀翼22和沖頭321相間布置。鉆頭體I與傳カ機(jī)構(gòu)32之間設(shè)置有密封裝置(如圖3中傳カ桿322與鉆頭體I之間的密封圈325)。固定切削齒21和沖擊切削齒31分別可以為聚晶金剛石復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削塊、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、金剛石加強(qiáng)硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒，或者包含金剛石或立方氮化硼的切削齒，以及其他類似可適用于鉆頭上的各類材料的齒。沖擊切削齒31的齒形可以是錐球齒、楔形齒、球形齒、邊楔齒以及勺形齒，也可以是具有良好沖擊破巖效果的其它形狀的牙齒。對(duì)于熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石、或孕鑲金剛石切削齒而言，在硬度高、塑性大、研磨性強(qiáng)的難鉆地層中，固定切削結(jié)構(gòu)鉆頭上往往采用高布齒密度將耐磨性好的固定切削齒(如聚晶金剛石復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石、或孕鑲金剛石切削齒)布置在鉆頭體上。由于布齒密度高，切削齒吃入地層深度有限，固定切削齒往往難以有效刮切地層破巖，而以效率極低的研磨方式破巖鉆進(jìn)，所以通常熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石、或孕鑲金剛石切削齒都不適合應(yīng)用于刀翼式的切削結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明由于將固定切削結(jié)構(gòu)與沖擊切削結(jié)構(gòu)相結(jié)合，沖擊切削齒采用良好沖擊韌性的硬質(zhì)合金齒或金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒，能明顯提高固定切削齒吃入地層的深度，由此可降低固定切削齒的布齒密度，從而使得耐磨性強(qiáng)的切削齒應(yīng)用于較稀布齒密度的固定切削結(jié)構(gòu)(如刀翼式固定切削結(jié)構(gòu))上，并以較大吃深刮切破巖。上述優(yōu)先方式能明顯拓寬耐磨性好的切削齒的使用范圍和使用方式，為難鉆地層提供更多的高效破巖手段。而此吋，良好耐磨的切削齒，配合有具有良好沖擊韌性的沖擊齒，二者的結(jié)合，又能明顯提高鉆頭在難鉆地層中的鉆進(jìn)效率和鉆頭使用壽命。如圖23所示，沖頭321上的沖擊切削齒31采用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒。將固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)相復(fù)合，即在固定切削齒鉆頭上増加沖擊切削結(jié)構(gòu)，利用沖擊切削齒對(duì)巖石的沖擊作用，在井底表面形成壓入坑或破碎坑，使井底變得凹凸不平。這能降低固定切削齒吃入巖石的難度和破巖能耗，并改善固定切削齒的冷卻效果，從而提高固定切削齒鉆頭的破巖效率和使用壽命，拓寬鉆頭在高研磨性、高硬度以及高不均質(zhì)性等難鉆地層的使用范圍。沖擊切削結(jié)構(gòu)3的沖擊切削齒31可以布置在固定切削結(jié)構(gòu)2的固定切削齒21的徑向覆蓋范圍之內(nèi)，也可獨(dú)立布置(不與固定切削結(jié)構(gòu)切削齒的徑向覆蓋范圍相重疊)，或部分獨(dú)立布置。作為優(yōu)選，沖擊切削齒31與固定切削齒21在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結(jié)構(gòu)3的切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外的徑向范圍之內(nèi)(如圖10所示)，一般，在普通地層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭心部區(qū)域破碎任務(wù)量較小且易于破碎，而心部以外區(qū)域的破碎任務(wù)量相對(duì) 較大，切削齒磨損較心部要快，因此，在心部以外區(qū)域布置沖擊切削齒有利于對(duì)應(yīng)區(qū)域巖石的破碎，并減緩固定切削齒的磨損。沖擊切削結(jié)構(gòu)3上的沖頭321與傳カ桿322相互固結(jié)為ー固定整體，傳カ桿322與砧體323滑動(dòng)聯(lián)接(機(jī)構(gòu)原理圖如圖17所示)。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例I基本相同，其區(qū)別在于某個(gè)或每個(gè)沖擊切削単元中傳カ桿有兩個(gè)，兩個(gè)傳カ桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律各不相同，彼此之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中ー個(gè)傳カ桿(一)3221與沖頭321固定連接，另ー個(gè)傳カ桿(ニ)3222與砧體323鉸接，兩個(gè)傳カ桿之間通過鉸鏈連接(如圖5和圖18所示)。當(dāng)沖頭321離鉆頭中心較遠(yuǎn)且其沖擊方向與鉆頭軸線夾角較大時(shí)，采用兩個(gè)相互鉸接的傳カ桿更易于實(shí)現(xiàn)沖擊方向的轉(zhuǎn)變和沖擊カ的傳遞。砧體323與鉆頭體I之間設(shè)置有砧體扶正套324 (如圖5和圖6所示)，或砧體323上直接加工出與鉆頭體I內(nèi)孔形成間隙配合的表面，實(shí)現(xiàn)砧體323與鉆頭體I間的相對(duì)滑動(dòng)和扶正定位(如圖7所示)。實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例I或?qū)嵤├?基本相同，其區(qū)別在于復(fù)合鉆頭具有2個(gè)固定刀翼22，2套沖擊切削単元，固定刀翼22和沖頭321相間布置(如圖8所示)。采用較少的固定刀翼和沖擊切削単元，易于鉆頭的小尺寸化，有利于復(fù)合鉆頭在小井眼中的應(yīng)用。實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例I或?qū)嵤├?基本相同，其區(qū)別在于復(fù)合鉆頭的固定刀翼22和沖頭321之間不對(duì)稱布置。如圖9所示，復(fù)合鉆頭具有3個(gè)固定刀翼22，2套沖擊切削単元，固定刀翼22和沖頭321不對(duì)稱(部分不相間)布置。實(shí)施例5
本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結(jié)構(gòu)3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑二分之一以外的徑向范圍之內(nèi)(如圖11所示)。實(shí)施例6
本實(shí)施例與實(shí)施例5基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結(jié)構(gòu)3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑三分之ニ以外的徑向范圍之內(nèi)(如圖12所示)。一般，固定切削齒鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑三分之ニ以外的區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒，沖擊切削齒的破巖作用能夠使該區(qū)域固定切削齒破巖效率提高的同時(shí)還能降低其磨損速度，使鉆頭心部區(qū)域和外部區(qū)域的固定切削齒的磨損速度接近于同歩。
實(shí)施例7
本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結(jié)構(gòu)3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑三分之一以內(nèi)的徑向范圍之內(nèi)(如圖13所示)。鉆頭的中心部位通常有ー個(gè)內(nèi)錐區(qū)域，在硬度高脆性大的地層中鉆進(jìn)時(shí)，接近鉆頭心部區(qū)域設(shè)置沖擊切削齒，在沖擊切削齒的沖擊作用下更易于心部巖石的脆性破碎(即體積破碎)，有利于提高鉆頭鉆進(jìn)效率。實(shí)施例8:
本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結(jié)構(gòu)3的沖擊切削齒31布置在除鉆頭中心和規(guī)徑等小部分區(qū)域以外的整個(gè)徑向范圍內(nèi)(如圖14所示)，如圖15、圖16所示，接近鉆頭的中心設(shè)置有心部沖頭3211。在強(qiáng)度高、塑性大的難鉆地層中，鉆頭整個(gè)徑向范圍內(nèi)均布置有沖擊切削齒，能在整個(gè)徑向區(qū)域內(nèi)増加井底巖石的凹凸不平性，提高整個(gè)徑向范圍內(nèi)固定切削齒的破巖效率和冷卻效果，進(jìn)而提高復(fù)合鉆頭在此種難鉆地層中的破巖效率和使用壽命。實(shí)施例9
本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其區(qū)別在于沖頭321與傳カ桿322固定連接，傳カ桿322與砧體323鉸鏈連接，傳カ桿322與鉆頭體I之間設(shè)置有擺動(dòng)滑塊328，擺動(dòng)滑塊328與傳カ桿322鉸接，擺動(dòng)滑塊328與鉆頭體I滑動(dòng)連接(如圖19和圖20所示)，即傳カ桿322與鉆頭體I之間通過擺動(dòng)滑328塊形成了既允許相對(duì)滑動(dòng)，又允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，傳カ桿322和沖頭321既可以相對(duì)鉆頭體I滑動(dòng)，也可以繞擺動(dòng)滑塊328的轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)沖頭321的沖擊方向與鉆頭軸向夾角較大時(shí)，擺動(dòng)滑塊328的引入能使沖擊カ的傳遞更順暢。實(shí)施例10
本實(shí)施例與實(shí)施例9基本相同，其區(qū)別在于如圖21所示，擺動(dòng)滑塊328與傳カ桿322滑動(dòng)連接，擺動(dòng)滑塊328與鉆頭體I鉸接，傳カ桿322和沖頭321既可以相對(duì)鉆頭體I滑動(dòng)，也可以繞擺動(dòng)滑塊328的轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)施例的效果與實(shí)施例9基本相同。實(shí)施例11
在本實(shí)施例中，所述沖擊切削結(jié)構(gòu)的沖擊方向平行于鉆頭軸線方向。如圖22所示，在此條件下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)32無需復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需傳動(dòng)桿322固結(jié)沖頭321即可。其他技術(shù)方案本領(lǐng)域技術(shù)人員可在可行前提下從說明書技術(shù)方案內(nèi)或其他實(shí)施例中自由組合。實(shí)施例12
本實(shí)施例與上述實(shí)施例基本相同，其區(qū)別在于復(fù)合鉆頭包含沖擊機(jī)構(gòu)33，沖擊機(jī)構(gòu)33與鉆頭體為一體式結(jié)構(gòu)(如圖24所示)。鉆頭工作時(shí)沖擊機(jī)構(gòu)33所產(chǎn)生的沖擊カ通過沖擊機(jī)構(gòu)33上的沖錘331作用在傳カ機(jī)構(gòu)32的砧體323上。一體式結(jié)構(gòu)使復(fù)合鉆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊湊、可靠性更高。實(shí)施例13
本實(shí)施例與實(shí)施例12基本相同，其區(qū)別在于鉆頭體I采用分體式結(jié)構(gòu)，由設(shè)有沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊器本體51和設(shè)有固定切削結(jié)構(gòu)2和沖擊切削結(jié)構(gòu)3的切削結(jié)構(gòu)本體61連接而成， 沖擊機(jī)構(gòu)安裝在沖擊器本體51的中空部位形成沖擊器部件5，固定切削結(jié)構(gòu)2、沖擊切削結(jié)構(gòu)3和切削結(jié)構(gòu)本體61構(gòu)成切削結(jié)構(gòu)部件6 (如圖25所示)。鉆頭工作時(shí)沖擊器部件5所產(chǎn)生的沖擊カ通過沖擊機(jī)構(gòu)的上的沖錘52作用在傳カ機(jī)構(gòu)的砧體323上。采用分體式結(jié)構(gòu)有利于復(fù)合鉆頭的制造和使用，沖擊器部件5和切削結(jié)構(gòu)部件6可以分別制造，入井使用前再組裝在一起。實(shí)施例14
本實(shí)施例中，為防止鉆頭工作時(shí)傳カ桿322和沖頭321等的轉(zhuǎn)動(dòng)，在沖頭321和鉆頭體I之間或(和)傳カ桿322和鉆頭體I之間設(shè)有防轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖26所示，傳カ桿322和鉆頭體I之間設(shè)置花鍵連接，以避免傳カ桿322和沖頭321等在工作過程中繞傳カ桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)施例15
本實(shí)施例中，為防止傳カ桿322和沖頭321等的脫落，在沖頭321和鉆頭體I之間或(和)傳カ桿322和鉆頭體I之間設(shè)有防脫落結(jié)構(gòu)。如圖27所示，在傳カ桿322和鉆頭體I上分別設(shè)置有防脫落臺(tái)階3223和12，用以避免傳カ桿322和沖頭321等在拉拔力作用下從鉆頭上脫落。 實(shí)施例16
本實(shí)施例中，為防止鉆頭下入過程中或上提鉆頭時(shí)沖錘對(duì)砧體323的錘擊，復(fù)合鉆頭上設(shè)有防空打結(jié)構(gòu)。如圖28所示，當(dāng)鉆頭未接觸井底吋，由于重力及循環(huán)流體內(nèi)外壓差的作用，沖擊切削結(jié)構(gòu)3中的砧體323、傳カ桿322、沖頭321及沖擊切削齒31會(huì)一起向下滑動(dòng)一段距離，使沖擊切削齒31突出于固定切削結(jié)構(gòu)切削齒21的包絡(luò)輪廓面之外，此時(shí)沖擊切削結(jié)構(gòu)3所處的位置為防空打位置。在該位置上，沖擊機(jī)構(gòu)的防空打設(shè)計(jì)能使沖擊機(jī)構(gòu)中的沖擊錘停止對(duì)砧體的錘擊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊切削結(jié)構(gòu)的空載保護(hù)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭體(I)和固結(jié)在鉆頭體(I)上的固定切削結(jié)構(gòu)(2)，其特征在于所述鉆頭體(I)還設(shè)置有沖擊切削結(jié)構(gòu)(3)，沖擊切削結(jié)構(gòu)(3)包括傳遞沖擊力的傳カ機(jī)構(gòu)(32)以及沖擊切削齒(31 )，沖擊切削齒(31)固結(jié)在傳カ機(jī)構(gòu)(32)末端的沖頭(321)上，所述沖頭(321)能在沖擊カ傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體(I)做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述鉆頭體(I)還設(shè)置有產(chǎn)生沖擊カ并由所述傳カ機(jī)構(gòu)(32 )傳遞沖擊カ的沖擊機(jī)構(gòu)(33 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述鉆頭體(I)采用分體式結(jié)構(gòu)，由設(shè)有所述沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊器本體(51)和設(shè)有所述固定切削結(jié)構(gòu)(2)和沖擊切削結(jié)構(gòu)(3)的切削結(jié)構(gòu)本體(61)連接而成，沖擊機(jī)構(gòu)安裝在沖擊器本體(51)的中空部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之一以外的徑向區(qū)域內(nèi)布置有所述沖擊切削齒(31)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于鉆頭半徑二分之一以外的徑向區(qū)域內(nèi)布置有所述沖擊切削齒(31)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之ニ以外的徑向區(qū)域內(nèi)布置有所述沖擊切削齒(31)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之一以內(nèi)的徑向區(qū)域內(nèi)布置有所述沖擊切削齒(31)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述傳カ機(jī)構(gòu)(32)包括依次連接的砧體(323)、傳カ桿(322)和沖頭(321)，砧體(323)與鉆頭體(I)之間形成相對(duì)滑動(dòng)，傳カ桿(322)與鉆頭體(I)之間形成相對(duì)滑動(dòng)，或通過擺動(dòng)滑塊(328)形成既允許相對(duì)滑動(dòng)，又允許相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，所述沖頭(321)連接在傳カ桿(322)的末端，或與傳カ桿(322)構(gòu)成ー個(gè)整體式元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于在同一個(gè)沖擊切削単元中，傳カ桿的數(shù)量為ー個(gè)或多于ー個(gè)，當(dāng)傳カ桿的數(shù)量多于ー個(gè)時(shí)，各傳カ桿相互串行連接，其中彼此具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相鄰傳カ桿之間通過鉸鏈連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的ー種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述固定切削結(jié)構(gòu)(2)上的固定切削齒(21)為聚晶金剛石復(fù)合片，也可以為熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石以及孕鑲金剛石切削齒，沖擊切削結(jié)構(gòu)(3)上的沖擊切削齒(31)為硬質(zhì)合金齒，或用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭，屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備用破巖工具領(lǐng)域，包括鉆頭體和固結(jié)在鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)，鉆頭體還設(shè)置有沖擊切削結(jié)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)包括傳遞沖擊力的傳力機(jī)構(gòu)以及沖擊切削齒，沖擊切削齒固結(jié)在傳力機(jī)構(gòu)末端的沖頭上，沖頭能在沖擊力傳遞方向上相對(duì)于鉆頭體做滑動(dòng)或滑動(dòng)沖擊。與傳統(tǒng)的PDC鉆頭相比，本發(fā)明既有利于鉆頭切削齒對(duì)地層的吃入，提高破巖效率，同時(shí)也有利于減緩切削齒的磨損速度，特別是在強(qiáng)度較高、研磨性較強(qiáng)的難鉆地層具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)E21B10/43GK102678055SQ20121015540
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者包澤軍, 楊迎新, 林敏 , 石擎天, 陳世彬, 陳煉 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)