[發明專利]自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭及鉆井提速方法

在審

• 申請號: 202110338814.6
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113107371A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 劉永旺;劉笑傲;劉嘉雄;管志川;鄒德永;廖華林;魏森;張喆;何鑫巖
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43;E21B10/16
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 韓孟霞

1.自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，包括鉆頭本體；

所述鉆頭本體的鉆井端設置外部環形破巖部，所述外部環形破巖部的頭端中部沿鉆頭軸向內凹形成呈圓形凹槽的中心破巖部；

所述外部環形破巖部沿圓周方向設置有若干刀翼和若干鑲嵌有牙輪切削齒的牙輪；

所述刀翼由中心破巖部的邊緣延伸至鉆頭本體的側壁；

所述牙輪與外部環形破巖部上的相應軸頸進行轉動連接；

所述刀翼的徑向外端面上沿母線方向設置若干外環切削齒；

所述中心破巖部的底端面設置中心切削齒；

所述鉆頭本體上設置鉆頭噴嘴，所述鉆頭噴嘴通過噴嘴流道與鉆頭本體內部的鉆頭內腔相連通。

2.如權利要求1所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述刀翼面向中心破巖部的豎直連接面呈柱面結構；

所有刀翼的豎直連接面位于同一個軸向圓柱面上，所述軸向圓柱面的中心軸線、中心破巖部的中心軸線均與鉆頭本體的中心軸線共線；

所述軸向圓柱面的直徑與中心破巖部圓形凹槽的直徑一致。

3.如權利要求2所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述豎直連接面在鉆頭軸向方向的高度與中心破巖部圓形凹槽側壁在鉆頭軸向方向的高度之和h為0.2D～2D；

所述中心破巖部圓形凹槽的直徑d為0.2D～0.8D，D為鉆頭直徑。

4.如權利要求1所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述牙輪上牙輪切削齒所形成的最外切削輪廓包絡線l₁高于刀翼上外環切削齒所形成的最外切削輪廓包絡線l₂。

5.如權利要求1所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述鉆頭噴嘴包括設置在刀翼一側外部環形破巖部上的外環噴嘴、設置在中心破巖部底端面上的中心噴嘴；

所述外部環形破巖部內設置的排屑通道與中心破巖部設置的排屑通道相貫通。

6.如權利要求1所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述外環切削齒、中心切削齒均為PDC齒。

7.如權利要求6所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述PDC齒為多刃PDC切削齒，所述多刃PDC切削齒的齒身端部呈圓柱體，所述多刃PDC切削齒的破巖端包括若干層由中心沿徑向向外設置的呈階梯狀分布的切削齒面，各層切削齒面相平行。

8.如權利要求6所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭，其特征是，所述PDC齒為古幣形PDC切削齒，所述古幣形PDC切削齒的齒身端部呈圓柱體，所述古幣形PDC切削齒的破巖端呈弧面結構，所述弧面結構的徑向外端設置若干切削面，所述切削面與弧形結構之間形成向PDC齒中心方向彎曲的弧形切削刃。

9.自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆井提速方法，其特征是，基于如權利要求1～8任一所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆頭進行鉆井，所述鉆井提速方法包括以下步驟：

1)外部環形破巖部首先接觸井底，在鉆壓扭矩的作用下鉆頭整體旋轉，牙輪隨鉆頭轉動的過程中進行自轉；牙輪的自轉導致牙輪切削齒單齒、雙齒著地交替出現，單、雙齒交替著地過程中引起鉆頭沿軸向的往復運動，進而實現鉆頭對井底的高頻軸向沖擊，在該高頻軸向沖擊下牙輪與外環切削齒共同作用加快對鉆頭外環部位巖石的破碎；

2)隨著外環切削齒、牙輪破巖的進行，在中心破巖部區域內形成巖石柱，有效釋放了井底壓力；

3)隨著破巖的進行，中心切削齒接觸巖石柱，在鉆壓扭矩的作用下中心切削齒對巖石柱進行破碎；

4)在鉆頭破巖鉆進過程中，噴嘴流道通過鉆頭噴嘴噴射鉆井液清洗鉆頭，并將巖屑通過相應的排屑通道攜帶至地面。

10.如權利要求9所述的自激軸沖與誘導卸荷耦合破巖鉆井提速方法，其特征是，在高頻軸向沖擊下牙輪與外環切削齒共同作用的過程為：

牙輪上牙輪切削齒因自轉由雙齒著地變為單齒著地時，鉆頭整體上提，刀翼上的外環切削齒離開井底，牙輪上著地的牙輪切削齒破巖；

牙輪上牙輪切削齒因自轉由單齒著地變為雙齒著地時，鉆頭整體向下沖擊，刀翼上的外環切削齒著地，沖擊剪切破碎牙輪應力釋放后的井底。