[发明专利]一种复合钻头

说明书

一种复合钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌、牙轮，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，牙轮与牙掌通过轴形成转动连接，牙轮上设置有牙齿，其特征在于，在复合钻头上设置有冲击单元，冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击杆和至少一个冲击齿组成。本发明在提高破岩效率的同时，节约钻井成本，还能减少复合钻头周向振动。

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种复合钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过设置在钻头上的切削齿以切削为主要的方式进行岩石破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。

随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海、非常规油气(包括页岩气)。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是随着地层深度的增加，地层的复杂程度越来越高，如硬-塑性地层、硬-脆性地层、软硬夹层、含砾地层等，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且容易造成切削齿的快速磨损。切削齿的过度磨损后，会加重邻齿的工作负荷，进而发生切削齿的连锁失效，一旦出现较大区域的切削齿失效，钻头的切削能力即基本丧失。

为解决上述复杂地层中钻头钻速慢、寿命短的问题，研究人员早在早在十九世纪三十代初期提出了复合钻头，但受限于切削齿材料性能的不足，直到2010年才成功应用，并取得了良好的现场应用效果。随之，各国开始了一场复合钻头研究的热潮，产品在世界各地复杂难钻地层中均得到了很好的推广应用。复合钻头工作时，依靠牙轮上的牙齿侵入地层，破碎或预破碎岩石，复合片应用较小的能量即能将已经弱化的地层清除，因此复合钻头在复杂难钻地层中钻进时具有能耗低，破岩效率高的优点。

为了进一步改善难钻地层中复合钻头侵入能力、破岩效率低、寿命短等问题，不少科研单位或钻头生产企业的工作人员，尝试着将冲击器工具(如轴向冲击器、扭转冲击器)配合钻头使用。这种办法，使钻头在钻进的过程中产生小幅冲击，以达到使切削齿在与岩石作用过程中的突然加力，井底岩石应力得到较大释放，切削齿吃入能力得到提高。但，冲击器产生的冲击直接作用在了整个钻头上。通常情况下，钻头上安装的切削齿为聚晶金刚石复合片，这些切削齿的抗冲击能力相对较弱，当冲击器的冲击载荷作用到钻头上后，钻头上的切削齿与岩石产生冲击很容易造成部分切削齿的崩脱失效。此外，现有的冲击破岩技术通常为冲击器加钻头的工具串组合，需要单独增加冲击设备，钻井成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种复合钻头，复合钻头上设置有冲击单元，在实现冲击破岩或预损伤地层的同时，无需单独配备冲击器工具，增加复合钻头周向支撑点的同时，进一步降低钻头工作扭矩，提高破岩效率，节约钻井成本。

本发明是这样实现的：

一种复合钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌、牙轮，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，牙轮与牙掌通过轴形成转动连接，复合钻头上设置有冲击单元，冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击杆和至少一个冲击齿组成；滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。