[發明專利]一種用于井下鉆具的破巖鉆頭

有效

• 申請號: 201910864077.6
• 申請日: 2019-09-12
• 公開（公告）號: CN112483005B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 玄令超;孫明光;劉曉丹;張海平;臧艷彬;王甲昌;張仁龍
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43;E21B10/36;E21B4/14;E21B4/02;F03B13/02;F03B3/12;F03B3/16
• 代理公司: 北京聿華聯合知識產權代理有限公司 11611
• 代理人: 劉華聯

本發明提出了一種用于井下鉆具的破巖鉆頭，包括：鉆頭基體，鉆頭基體內設有第一腔體和第二腔體；設置在第一腔體內的動力機構，其包括能夠在鉆井液的作用下轉動的葉輪；連接在動力機構的下端的沖擊發生機構，其能夠在葉輪的轉動作用下產生周期性的水擊脈沖壓力；以及安裝在第二腔體內的沖擊機構，其通過傳動桿與沖擊發生機構連接；其中，在沖擊發生機構與第一腔體的內壁之間設有彈性蓄能件，彈性蓄能件與周期性的水擊脈沖壓力對沖擊發生機構共同作用，能夠使沖擊發生機構產生周期性的沖擊力，并將周期性的沖擊力通過傳動桿傳遞給沖擊機構，從而使沖擊機構與刀翼共同作用以進行沖擊與切削混合破巖。

技術領域

本發明屬于油氣勘探開發用工具技術領域，具體地涉及一種用于井下鉆具的破巖鉆頭。

背景技術

PDC鉆頭由于具有鉆速高、壽命長、設計靈活等特點，而被廣泛應用于石油天然氣鉆探開發。常規的PDC鉆頭僅能在井底切削破巖而形成平滑的井底造型，無法在井底形成破碎坑等不規則井底，并且無法多維破巖提前釋放地應力，其在堅硬地層鉆頭的機械鉆速低，鉆井效率低。而牙輪鉆頭和混合鉆頭的沖擊或擠壓破巖模式雖然能夠在一定程度上提高鉆頭的機械鉆速和破巖效率，但這類鉆頭由于鉆頭內部的軸承承受較大的鉆壓載荷，導致其自身壽命短，安全性能差。

目前，旋轉沖擊鉆井技術因為具有更高的鉆井速度而得到廣泛應用。旋轉沖擊鉆井技術通過推動PDC鉆頭沖擊地層產生沖擊破碎坑使得地應力提前釋放，以此來降低后續PDC切削齒破碎巖石的難度，進而提高鉆頭綜合破巖效率和鉆井速度。現有的沖擊鉆井工具例如有液動射流式沖擊器、水力脈沖型沖擊器、扭力沖擊器、復合沖擊器等，這些工具都是在PDC鉆頭的上部連接一個沖擊工具，從而對鉆頭整體施加沖擊力來破碎地層。然而，這類沖擊工具的整體功率較大、消耗水力能量較大，且這些鉆具連接的PDC鉆頭耐沖擊性能差，在提高破巖效率的同時，也會導致PDC鉆頭的切削齒崩齒或過度磨損，在堅硬地層PDC鉆頭失效快，從而嚴重影響鉆井施工效率，增加生產成本。

發明內容

針對至少一些如上所述的技術問題，本發明提出了一種用于井下鉆具的破巖鉆頭，該破巖鉆頭能夠產生周期性的沖擊力，并且能夠作用于破巖鉆頭的單個鉆齒以使破巖鉆頭具有沖擊破巖功能，從而能夠在鉆頭切削破巖的同時進行沖擊破巖。此外，破巖鉆頭能夠使破巖齒沖擊地層形成不規則井底造型，有利于降低后續鉆頭的刀翼的切削破巖的難度。該破巖鉆頭能夠適用于深井、超深井，其適用性強，顯著提高了在堅硬地層的破巖效率和鉆進速度。

為此，根據本發明，提出了一種用于井下鉆具的破巖鉆頭，包括：鉆頭基體，在所述鉆頭基體內設有軸向延伸的第一腔體，在所述鉆頭基體上的刀翼內部設有第二腔體；設置在所述第一腔體內的動力機構，其包括能夠在鉆井液的作用下產生旋轉動力的葉輪；連接在所述動力機構的下端的沖擊發生機構，所述沖擊發生機構能夠在所述葉輪的轉動作用下產生周期性的水擊脈沖壓力；以及安裝在所述第二腔體內的沖擊機構，所述沖擊機構通過傳動桿與所述沖擊發生機構連接，并能夠在所述第二腔體內往復運動；其中，在所述沖擊發生機構與所述第一腔體的內壁之間設有彈性蓄能件，所述彈性蓄能件與所述周期性的水擊脈沖壓力對所述沖擊發生機構共同作用，能夠使所述沖擊發生機構產生周期性的沖擊力，并將所述周期性的沖擊力通過所述傳動桿傳遞給所述沖擊機構，從而使所述沖擊機構與所述刀翼共同作用進行沖擊與切削混合破巖。

在一個優選的實施例中，所述動力機構包括用于懸掛支撐所述葉輪的導輪，所述導輪設有若干在周向上均勻分布的鉆井液流道，所述鉆井液流道構造成在周向上部分延伸的弧形通孔。

在一個優選的實施例中，在所述第一腔體內設有第一臺肩，所述導輪固定安裝在所述第一臺肩上，且與所述葉輪通過軸承形成轉動連接。

在一個優選的實施例中，所述沖擊發生機構包括與所述葉輪固定連接的動節流盤和設置在所述動節流盤的下游端的靜節流盤，所述動節流盤在所述葉輪的作用下與所述靜節流盤相對轉動，使得所述沖擊發生機構的過流面積呈周期性變化而形成節流效應，以對所述靜節流盤形成周期性的水擊脈沖壓力，從而使所述靜節流盤在所述水擊脈沖壓力和所述彈性蓄能件的作用下做上下往復運動以產生周期性的沖擊力。