[發明專利]一種沖擊-刮削復合PDC鉆頭

有效

• 申請號: 202010965802.1
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN111911079B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 蔡燦;李邦潤;楊迎新;謝松;曹煜磊;任海濤
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/36
• 分類號: E21B10/36;E21B10/42
• 代理公司: 成都天匯致遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51264
• 代理人: 韓曉銀

本發明公開了一種沖擊?刮削復合PDC鉆頭，包括鉆頭體、外殼、固定切削結構、沖擊結構；沖擊結構包括上圓盤、內腔體、上活閥、沖錘、限流盤、沖頭，所述上圓盤和限流盤固定在鉆頭外殼兩端，內腔體安裝在上圓盤和限流盤之間，上活閥和沖錘可在內腔體內上下運動，沖頭安裝在鉆頭冠部中心，沖錘與沖頭螺紋連接。本發明與傳統沖擊類工具相比，不需要額外的配套沖擊器來進行外部能量輸入，能顯著提高鉆頭吃入巖石的深度，緩解粘滑效應，從而提高鉆頭的破巖效率。具有結構簡單、易操作、傳遞效率高且兼具自動換向等優點。

技術領域

本發明涉及鉆井工具技術領域，特別涉及一種鉆頭，具體是一種沖擊-刮削復合PDC鉆頭。

背景技術

近年來，隨著油氣資源勘探開發技術的進步以及世界各國對能源需求量的不斷增加，勘探領域面臨更多的深層、超深層油氣井。常規的鉆頭在面臨深井、超深井和深部難鉆巖層，例如高硬度、高塑性致密、嚴重不均質等地層，沒有良好的適應性，鉆進速率慢導致鉆井效率非常低，從而大大提高了鉆井的成本。目前在鉆井井下工具的選擇中，PDC鉆頭由于其高耐磨性且運動部件少等特點而被廣泛使用。但是，隨著鉆井深度的增加，PDC鉆頭表現出打滑以及不鉆進的現象，且切削齒齒的熱磨損加劇，導致了鉆井效率低、成本高等突出問題。

為了解決上述問題，國內外專家和學者通過給PDC鉆頭增加軸向的載荷，來增加PDC切削齒的吃入力。相關方面的改進研究有許多，比如中石化研究院設計的鉆頭與沖擊器配套使用的鉆井方法。相比同樣作業條件下的其他機械鉆井來說，鉆頭的鉆速有了顯著的提高，由此證明了給PDC鉆頭加上軸向的載荷是有效可行的。類似的實驗還有國外的Scottpowell等人所做的研究，得到的結果都是顯著提高了鉆井速度。但是仍然存在明顯的缺陷，例如在實驗過程中，即使考慮了切削齒的抗沖擊強度，依然會出現部分切削齒崩壞的現象。我國SLTIT型扭力沖擊器利用了動力學和能量轉換的原理，在鉆井液的驅動下，產生扭轉沖擊力，不但解決了鉆頭卡滑，同時對鉆頭的使用壽命也有一定的增益。然而在硬地層中應用該沖擊器時，PDC齒全部崩壞。因此，在設計沖擊裝置時，不得不考慮沖擊載對鉆頭壽命造成的影響。

而目前市面上的其他沖擊裝置，也都存在類似問題，如公開號為CN102094577A的中國專利《芯閥射吸式液壓潛孔錘》，提供了一種沖擊模式，但其結構是通過側面流道實現上下移動，其沖擊力和阻斷效率，都明顯存在瑕疵。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在的不足提出具有軸向沖擊能力的一種沖擊—刮削復合PDC鉆頭。該鉆頭的沖擊裝置具有結構簡單、易操作、傳遞效率高且兼具自動換向等優點。與傳統沖擊類工具相比，不需要額外的配套沖擊器來進行外部能量輸入，能顯著提高鉆頭吃入巖石的深度，緩解粘滑效應，從而提高鉆頭的破巖效率。

本發明的技術方案如下：

一種沖擊-刮削復合PDC鉆頭，包括鉆頭體、外殼、固定切削結構、沖擊結構、鉆頭連接段，所述外殼為中空結構的筒體，其筒體頂部為橢圓面結構，其筒體底部連接到鉆頭連接段，所述固定切削結構設置于橢圓面結構上，固定切削結構包括多個設置在鉆頭體上的刀翼，刀翼設置在外殼頂部并呈現周向陣列排布，并在外殼頂部中心處留出空白（即每一個刀翼的頂部不延伸到接觸，從而讓外殼頂部中心表面無刀翼覆蓋），所述外殼頂部中心處的空白設有連接到外殼內側的通孔，在外殼內安裝沖擊結構，沖擊結構的一部分延伸出外殼頂部的通孔。

進一步的，鉆頭連接段內徑小于外殼的筒體內徑，鉆頭連接段和外殼連接后，形成一個臺階；在外殼的筒體兩端分別設有上圓盤和限流盤，上圓盤與鉆頭連接段的臺階抵緊，在上圓盤和限流盤之間安裝有內腔體，所述內腔體為中空筒體，在內腔體內側設有多級臺階，并將整個內腔體內側分為上中下三段，上段安裝有上活閥，上活閥可沿著上段內部軸向運動，下段安裝有沖錘，沖錘可沿著下段內部軸向運動，中段為上活閥和沖錘的過渡段，上活閥和沖錘在沿著上段和下段做軸向運動時，各自的一部分會進入中段并在中段內發生接觸；上活閥和沖錘均設有貫穿的流道結構，并在相互接觸面設有一塊接觸板，使上活閥和沖錘接觸的時候封閉兩者的貫穿的流道結構。