[发明专利]自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头及钻井提速方法

权利要求书

1.自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，包括钻头本体；

所述钻头本体的钻井端设置外部环形破岩部，所述外部环形破岩部的头端中部沿钻头轴向内凹形成呈圆形凹槽的中心破岩部；

所述外部环形破岩部沿圆周方向设置有若干刀翼和若干镶嵌有牙轮切削齿的牙轮；

所述刀翼由中心破岩部的边缘延伸至钻头本体的侧壁；

所述牙轮与外部环形破岩部上的相应轴颈进行转动连接；

所述刀翼的径向外端面上沿母线方向设置若干外环切削齿；

所述中心破岩部的底端面设置中心切削齿；

所述钻头本体上设置钻头喷嘴，所述钻头喷嘴通过喷嘴流道与钻头本体内部的钻头内腔相连通。

2.如权利要求1所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述刀翼面向中心破岩部的竖直连接面呈柱面结构；

所有刀翼的竖直连接面位于同一个轴向圆柱面上，所述轴向圆柱面的中心轴线、中心破岩部的中心轴线均与钻头本体的中心轴线共线；

所述轴向圆柱面的直径与中心破岩部圆形凹槽的直径一致。

3.如权利要求2所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述竖直连接面在钻头轴向方向的高度与中心破岩部圆形凹槽侧壁在钻头轴向方向的高度之和h为0.2D～2D；

所述中心破岩部圆形凹槽的直径d为0.2D～0.8D，D为钻头直径。

4.如权利要求1所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述牙轮上牙轮切削齿所形成的最外切削轮廓包络线l₁高于刀翼上外环切削齿所形成的最外切削轮廓包络线l₂。

5.如权利要求1所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述钻头喷嘴包括设置在刀翼一侧外部环形破岩部上的外环喷嘴、设置在中心破岩部底端面上的中心喷嘴；

所述外部环形破岩部内设置的排屑通道与中心破岩部设置的排屑通道相贯通。

6.如权利要求1所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述外环切削齿、中心切削齿均为PDC齿。

7.如权利要求6所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述PDC齿为多刃PDC切削齿，所述多刃PDC切削齿的齿身端部呈圆柱体，所述多刃PDC切削齿的破岩端包括若干层由中心沿径向向外设置的呈阶梯状分布的切削齿面，各层切削齿面相平行。

8.如权利要求6所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头，其特征是，所述PDC齿为古币形PDC切削齿，所述古币形PDC切削齿的齿身端部呈圆柱体，所述古币形PDC切削齿的破岩端呈弧面结构，所述弧面结构的径向外端设置若干切削面，所述切削面与弧形结构之间形成向PDC齿中心方向弯曲的弧形切削刃。

9.自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻井提速方法，其特征是，基于如权利要求1～8任一所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头进行钻井，所述钻井提速方法包括以下步骤：

1)外部环形破岩部首先接触井底，在钻压扭矩的作用下钻头整体旋转，牙轮随钻头转动的过程中进行自转；牙轮的自转导致牙轮切削齿单齿、双齿着地交替出现，单、双齿交替着地过程中引起钻头沿轴向的往复运动，进而实现钻头对井底的高频轴向冲击，在该高频轴向冲击下牙轮与外环切削齿共同作用加快对钻头外环部位岩石的破碎；

2)随着外环切削齿、牙轮破岩的进行，在中心破岩部区域内形成岩石柱，有效释放了井底压力；

3)随着破岩的进行，中心切削齿接触岩石柱，在钻压扭矩的作用下中心切削齿对岩石柱进行破碎；

4)在钻头破岩钻进过程中，喷嘴流道通过钻头喷嘴喷射钻井液清洗钻头，并将岩屑通过相应的排屑通道携带至地面。

10.如权利要求9所述的自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻井提速方法，其特征是，在高频轴向冲击下牙轮与外环切削齿共同作用的过程为：

牙轮上牙轮切削齿因自转由双齿着地变为单齿着地时，钻头整体上提，刀翼上的外环切削齿离开井底，牙轮上着地的牙轮切削齿破岩；

牙轮上牙轮切削齿因自转由单齿着地变为双齿着地时，钻头整体向下冲击，刀翼上的外环切削齿着地，冲击剪切破碎牙轮应力释放后的井底。