[发明专利]硬岩钻进用冲剪复合钻头

说明书

一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，可包括冲击器、内冲钎头以及外切钻头三个部分，所述冲击器的下接头与外切钻头可通过螺纹形式连接，所述内冲钎头的上部与冲击器通过花键形式连接，所述内冲钎头的下端面伸出于外切钻头的表面之上，所述内冲钎头的中心轴线与外切钻头的中心轴线平行或重合，所述内充钎头上的布齿与外切钻头的布齿组合能完全覆盖井底，并相互独立；由此，本发明将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，通过内冲钎头首先预裂孔底岩层，破坏岩层的整体构造应力，降低岩石的抗压和抗剪强度，使得PDC柱齿和PDC锥齿能够更加容易的切削/犁削岩石，大大提高超硬岩地层的破岩效率。

技术领域

本发明涉及石油天气然、煤层气等勘探开发用钻具的技术领域，尤其涉及一种硬岩钻进用冲剪复合钻头。

背景技术

PDC钻头通过切削齿对刃前岩石的压剪作用破碎岩石，充分利用岩石抗剪强度低的特性，在软至中硬地层中钻进所占比例远超过牙轮钻头，成为目前缩短钻井时间、节省钻进成本的重要方式。但是随着对石油天然气、煤层气等勘探开发需求的愈发强烈，深井、超深井越来越多，所钻遇的地层情况也越来越复杂，经常钻遇石英砂岩、砾岩、燧岩等硬度大、研磨性强、可钻性差的地层，目前采用的PDC钻头，由于工作条件恶劣，导致PDC切削齿出现崩齿、脱层、磨损严重等现象，造成钻头寿命短、施工周期长、钻进成本高等问题。

为此，针对超硬岩地层，提出采用冲击回转钻进工艺，在一般回转钻进钻具的基础上，加一个冲击器(潜孔锤)进行钻进。冲击回转钻进中，钻头在已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石，由于冲击载荷的瞬时作用和应力集中的特性，有利于岩石中裂隙的扩展而形成大体积破碎。钻进时钻头既在一定轴压力的作用下，又被钻机通过钻杆柱带动旋转，同时还要承受一定频率的冲击能量，而PDC钻头切削齿的抗冲击韧性相对有限，在循环反复冲击功的作用下切削齿容易出现崩刃的现象，因此在冲击回转钻进工艺中配套采用的潜孔锤钻头一般为硬质合金材质，而硬质合金的耐磨性相对较差，特别钻头直径较大时，外圈硬质合金齿磨损较快，导致使用寿命有限。此外，孔径较大时，采用的大直径潜孔锤都是用风作为动力，钻进效率随供风量的增加而提高，同时所需的排渣风量也大，故必须配备足够供风量的多台空压机，一次投资多、能量消耗大，直接影响冲击回转钻进技术的应用。

基于以上背景，综合利用PDC钻头剪切碎岩效率高以及潜孔锤冲击回转钻进硬岩效果好的特性，针对超硬岩地层设计一种冲剪复合钻头，通过循环变化的冲击动载对地层进行预破碎，破坏地层的整体构造强度，改变孔底造型，释放岩石应力，减小破岩载荷，便于PDC柱齿更加容易的剪切岩石；同时为了避免冲击载荷对PDC柱齿寿命的影响，设计一种带有浮动装置的PDC锥齿，PDC锥齿可根据钻进动态自适应调节出露高度，一方面可提前刻划地层，保护PDC柱齿，降低PDC柱齿的冲击及破岩载荷，减少钻头的振动、粘滑效应，另一方面能够主动保护PDC锥齿，避免PDC锥齿锥尖的过快损坏，以获得更快更平稳的钻进状态和更长的钻具使用寿命。该冲剪复合钻头将剪切碎岩以及冲击碎岩创造性地结合在一起，很好解决了硬岩地层PDC钻头破岩效果差、大直径冲击回转钻进能量消耗大、投资多以及钻头耐磨性差等缺点。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，其结构简单，使用方便，克服目前PDC钻头剪切破岩和潜孔锤冲击回转破岩存在的缺点，以达到提高硬岩地层钻进效率和钻头寿命的目的。

为解决上述问题，本发明公开了一种硬岩钻进用冲剪复合钻头，包括冲击器、内冲钎头以及外切钻头三个部分，所述冲击器与外切钻头连接，所述内冲钎头的中心轴线与外切钻头的中心轴线平行或重合，其特征在于：