[发明专利]一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖技术领域，具体涉及一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比）均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿）来剪切和破碎岩石，PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

美国贝克休斯公司提出的牙轮—PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的。当混合钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果。

在现有的牙轮—PDC混合钻头中，牙轮体是安装在独立的牙掌上，其轴承为单支承结构，轴承的轴颈一端固接在钻头体的牙掌上，另一端为自由端，即轴颈为单端固定的悬臂梁结构，牙轮套装在牙掌的轴颈上与钻头体形成转动连接。为防止钻头工作时牙轮轴向窜动和脱落，在轴颈和牙轮体之间设置有轴向锁定装置（如滚珠锁定装置），轴向锁定装置需在轴颈和牙轮体内加工环形槽，环形槽的存在影响了轴颈和牙轮的强度和轴承耐磨能力，减短了轴承的使用寿命；其二，即使在轴承结构中设置牙轮的轴向锁定装置，仍然存在因轴向锁定装置失效而导致牙轮脱落的可能，牙轮脱落事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响；其三为了保证牙轮切削结构的强度，其牙轮的轴承结构和牙轮体本身体积太大，占据钻头宝贵的布齿空间；其四为了保证牙轮轴承的强度就需要加大轴承的尺寸，就相应降低牙轮壳体的厚度，从而容易导致牙轮壳体的开裂，牙齿的固齿强度不够等情况的发生。上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用；并且，目前钻头扭矩过大、减小钻头横向、轴向、扭转振动，钻头工具面不易控制，从而引发钻头蹩钻、断刀翼、振动会让切削齿提前失效等问题。

综上所述，目前牙轮—PDC混合钻头存在牙轮轴承寿命短、牙轮壳体容易开裂、牙轮占据的空间过大以及牙轮仍然存在掉落的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对牙轮—PDC混合钻头存在牙轮轴承寿命短、牙轮壳体容易开裂、牙轮占据的空间过大以及牙轮仍然存在掉落的问题，提供一种复合破岩机构和一种长寿命复合钻头。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合破岩机构，包括滚动破岩部件和能够沿Z轴旋转的固定破岩部件，所述固定破岩部件上设置有凹部，所述滚动破岩部件以能够相对所述固定破岩部件枢转的方式设置在所述凹部内，该枢转轴为X，X与Z相交。

作为优选，所述复合破岩机构还包括轴件，所述轴件的两端分别设置在所述凹部的两侧壁上，所述轴件与所述滚动破岩部件配合，使所述轴件的轴线形成所述滚动破岩部件的枢转轴线X。

作为优选，所述复合破岩机构包括至少两个所述滚动破岩部件，每个所述滚动破岩部件与Z轴的距离和其他滚动破岩部件与Z轴的距离均不相等。

作为优选，所述滚动破岩部件包括轮体和沿所述轮体的圆周方向布置的破岩部。

作为优选，所述轮体的厚度D与所述破岩部在所述轮体厚度方向的尺寸d之比1.1≤D/d≤2。

作为优选，两个所述破岩部与所述轮体侧面的距离不相等。

本申请还公开了一种长寿命复合钻头，包括本体，所述本体上设置有权利要求1-6任意一项所述的复合破岩机构。

作为优选，所述长寿命复合钻头包括至少两个所述复合破岩机构，每个复合破岩机构上设置有一个所述滚动破岩部件，一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件与另一个所述复合破岩机构上的所述固定破岩部件相对于Z轴的距离不相等。

作为优选，所述本体上还设置有所述固定破岩部件。

作为优选，所述本体上还设置有牙轮。