[發明專利]一種復合破巖機構和一種長壽命復合鉆頭

有效

• 申請號: 201710287527.0
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN106869802B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 黃奎林;楊迎新;周堅
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/00
• 分類號: E21B10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質鉆探、隧道工程、水文及非開挖技術領域，具體涉及一種復合破巖機構和一種長壽命復合鉆頭。

背景技術

在石油天然氣鉆井工程中，通常使用鉆頭破碎巖石，鉆頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中使用的鉆頭主要有三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，三牙輪鉆頭的輪體速比（鉆頭旋轉鉆進時牙輪轉速與鉆頭轉速之比）均大于1，鉆頭旋轉鉆進時牙輪轉速快，牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破巖，能量利用率不高，破巖效率相對較低。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復合片（簡稱PDC齒）來剪切和破碎巖石，PDC鉆頭在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，因此其在油氣井的鉆進中得到廣泛使用。

美國貝克休斯公司提出的牙輪—PDC混合式鉆頭是在傳統的PDC切削結構基礎上增加牙輪切削結構而形成的。當混合鉆頭旋轉鉆進時，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖,因此混合鉆頭依靠兩種方式破碎巖石，它在某些特殊地層—如礫石地層，不均質地層能獲得較好的效果。

在現有的牙輪—PDC混合鉆頭中，牙輪體是安裝在獨立的牙掌上，其軸承為單支承結構，軸承的軸頸一端固接在鉆頭體的牙掌上，另一端為自由端，即軸頸為單端固定的懸臂梁結構，牙輪套裝在牙掌的軸頸上與鉆頭體形成轉動連接。為防止鉆頭工作時牙輪軸向竄動和脫落，在軸頸和牙輪體之間設置有軸向鎖定裝置（如滾珠鎖定裝置），軸向鎖定裝置需在軸頸和牙輪體內加工環形槽，環形槽的存在影響了軸頸和牙輪的強度和軸承耐磨能力，減短了軸承的使用壽命；其二，即使在軸承結構中設置牙輪的軸向鎖定裝置，仍然存在因軸向鎖定裝置失效而導致牙輪脫落的可能，牙輪脫落事故一旦發生，將對后續的鉆井進程產生非常不利的影響；其三為了保證牙輪切削結構的強度，其牙輪的軸承結構和牙輪體本身體積太大，占據鉆頭寶貴的布齒空間；其四為了保證牙輪軸承的強度就需要加大軸承的尺寸，就相應降低牙輪殼體的厚度，從而容易導致牙輪殼體的開裂，牙齒的固齒強度不夠等情況的發生。上述缺點的存在將嚴重制約混合鉆頭的使用；并且，目前鉆頭扭矩過大、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，鉆頭工具面不易控制，從而引發鉆頭蹩鉆、斷刀翼、振動會讓切削齒提前失效等問題。

綜上所述，目前牙輪—PDC混合鉆頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪占據的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題。

發明內容

本發明的目的在于：針對牙輪—PDC混合鉆頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪占據的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題，提供一種復合破巖機構和一種長壽命復合鉆頭。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種復合破巖機構，包括滾動破巖部件和能夠沿Z軸旋轉的固定破巖部件，所述固定破巖部件上設置有凹部，所述滾動破巖部件以能夠相對所述固定破巖部件樞轉的方式設置在所述凹部內，該樞轉軸為X，X與Z相交。

作為優選，所述復合破巖機構還包括軸件，所述軸件的兩端分別設置在所述凹部的兩側壁上，所述軸件與所述滾動破巖部件配合，使所述軸件的軸線形成所述滾動破巖部件的樞轉軸線X。

作為優選，所述復合破巖機構包括至少兩個所述滾動破巖部件，每個所述滾動破巖部件與Z軸的距離和其他滾動破巖部件與Z軸的距離均不相等。

作為優選，所述滾動破巖部件包括輪體和沿所述輪體的圓周方向布置的破巖部。

作為優選，所述輪體的厚度D與所述破巖部在所述輪體厚度方向的尺寸d之比1.1≤D/d≤2。

作為優選，兩個所述破巖部與所述輪體側面的距離不相等。

本申請還公開了一種長壽命復合鉆頭，包括本體，所述本體上設置有權利要求1-6任意一項所述的復合破巖機構。

作為優選，所述長壽命復合鉆頭包括至少兩個所述復合破巖機構，每個復合破巖機構上設置有一個所述滾動破巖部件，一個所述復合破巖機構上的所述固定破巖部件與另一個所述復合破巖機構上的所述固定破巖部件相對于Z軸的距離不相等。

作為優選，所述本體上還設置有所述固定破巖部件。

作為優選，所述本體上還設置有牙輪。