[发明专利]一种用于井下钻具的破岩钻头

说明书

本发明提出了一种用于井下钻具的破岩钻头，包括：钻头基体，钻头基体内设有第一腔体和第二腔体；设置在第一腔体内的动力机构，其包括能够在钻井液的作用下转动的叶轮；连接在动力机构的下端的冲击发生机构，其能够在叶轮的转动作用下产生周期性的水击脉冲压力；以及安装在第二腔体内的冲击机构，其通过传动杆与冲击发生机构连接；其中，在冲击发生机构与第一腔体的内壁之间设有弹性蓄能件，弹性蓄能件与周期性的水击脉冲压力对冲击发生机构共同作用，能够使冲击发生机构产生周期性的冲击力，并将周期性的冲击力通过传动杆传递给冲击机构，从而使冲击机构与刀翼共同作用以进行冲击与切削混合破岩。

技术领域

本发明属于油气勘探开发用工具技术领域，具体地涉及一种用于井下钻具的破岩钻头。

背景技术

PDC钻头由于具有钻速高、寿命长、设计灵活等特点，而被广泛应用于石油天然气钻探开发。常规的PDC钻头仅能在井底切削破岩而形成平滑的井底造型，无法在井底形成破碎坑等不规则井底，并且无法多维破岩提前释放地应力，其在坚硬地层钻头的机械钻速低，钻井效率低。而牙轮钻头和混合钻头的冲击或挤压破岩模式虽然能够在一定程度上提高钻头的机械钻速和破岩效率，但这类钻头由于钻头内部的轴承承受较大的钻压载荷，导致其自身寿命短，安全性能差。

目前，旋转冲击钻井技术因为具有更高的钻井速度而得到广泛应用。旋转冲击钻井技术通过推动PDC钻头冲击地层产生冲击破碎坑使得地应力提前释放，以此来降低后续PDC切削齿破碎岩石的难度，进而提高钻头综合破岩效率和钻井速度。现有的冲击钻井工具例如有液动射流式冲击器、水力脉冲型冲击器、扭力冲击器、复合冲击器等，这些工具都是在PDC钻头的上部连接一个冲击工具，从而对钻头整体施加冲击力来破碎地层。然而，这类冲击工具的整体功率较大、消耗水力能量较大，且这些钻具连接的PDC钻头耐冲击性能差，在提高破岩效率的同时，也会导致PDC钻头的切削齿崩齿或过度磨损，在坚硬地层PDC钻头失效快，从而严重影响钻井施工效率，增加生产成本。

发明内容

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明提出了一种用于井下钻具的破岩钻头，该破岩钻头能够产生周期性的冲击力，并且能够作用于破岩钻头的单个钻齿以使破岩钻头具有冲击破岩功能，从而能够在钻头切削破岩的同时进行冲击破岩。此外，破岩钻头能够使破岩齿冲击地层形成不规则井底造型，有利于降低后续钻头的刀翼的切削破岩的难度。该破岩钻头能够适用于深井、超深井，其适用性强，显著提高了在坚硬地层的破岩效率和钻进速度。

为此，根据本发明，提出了一种用于井下钻具的破岩钻头，包括：钻头基体，在所述钻头基体内设有轴向延伸的第一腔体，在所述钻头基体上的刀翼内部设有第二腔体；设置在所述第一腔体内的动力机构，其包括能够在钻井液的作用下产生旋转动力的叶轮；连接在所述动力机构的下端的冲击发生机构，所述冲击发生机构能够在所述叶轮的转动作用下产生周期性的水击脉冲压力；以及安装在所述第二腔体内的冲击机构，所述冲击机构通过传动杆与所述冲击发生机构连接，并能够在所述第二腔体内往复运动；其中，在所述冲击发生机构与所述第一腔体的内壁之间设有弹性蓄能件，所述弹性蓄能件与所述周期性的水击脉冲压力对所述冲击发生机构共同作用，能够使所述冲击发生机构产生周期性的冲击力，并将所述周期性的冲击力通过所述传动杆传递给所述冲击机构，从而使所述冲击机构与所述刀翼共同作用进行冲击与切削混合破岩。

在一个优选的实施例中，所述动力机构包括用于悬挂支撑所述叶轮的导轮，所述导轮设有若干在周向上均匀分布的钻井液流道，所述钻井液流道构造成在周向上部分延伸的弧形通孔。

在一个优选的实施例中，在所述第一腔体内设有第一台肩，所述导轮固定安装在所述第一台肩上，且与所述叶轮通过轴承形成转动连接。

在一个优选的实施例中，所述冲击发生机构包括与所述叶轮固定连接的动节流盘和设置在所述动节流盘的下游端的静节流盘，所述动节流盘在所述叶轮的作用下与所述静节流盘相对转动，使得所述冲击发生机构的过流面积呈周期性变化而形成节流效应，以对所述静节流盘形成周期性的水击脉冲压力，从而使所述静节流盘在所述水击脉冲压力和所述弹性蓄能件的作用下做上下往复运动以产生周期性的冲击力。