冲击钻头

摘要

本发明公开了一种冲击钻头，属于石油天然气钻井工程技术领域。包括：外筒、钻头冠以及自上而下顺次设置在外筒内部的旋转动力总成和扭力冲击总成；扭力冲击总成包括：由外到内顺次设置的砧座体、锤体以及阀体；阀体外壁与锤体内壁之间具有环形空腔，环形空腔被分隔形成高压腔和低压腔；阀体内腔和高压腔连通；砧座体的内壁上开设有多个凹槽，多个凹槽与锤体的外壁之间形成多个工作腔，锤体的外壁上与各个凹槽对应的位置处沿锤体的径向方向分别设置有第二凸起；高压腔和一个工作腔连通，低压腔和另一个工作腔连通；旋转动力总成为阀体提供旋转动力。该冲击钻头工作时可对钻头冠产生高频扭力冲击作用，避免钻头破碎岩石时产生粘滑、间歇性卡钻现象。

权利要求

1.一种冲击钻头，其特征在于，包括：

外筒、与所述外筒的下端固定连接的钻头冠、以及自上而下顺次设置在所述外筒内部的旋转动力总成和扭力冲击总成；

所述扭力冲击总成包括：

由外到内顺次设置的与所述外筒同轴的中空圆柱体形的砧座体、中空圆柱体形的锤体以及中空圆柱形的阀体；

所述阀体的外壁与所述锤体的内壁之间具有环形空腔，所述阀体的外壁上沿所述阀体的径向方向设置有第一凸起，所述环形空腔通过所述第一凸起分隔形成高压腔和低压腔；

所述阀体上设置有连通阀体内腔和所述高压腔的阀体导流孔；所述阀体的下端与所述钻头冠连通；

所述砧座体的内壁上沿所述砧座体的圆周方向开设有多个凹槽，多个所述凹槽与所述锤体的外壁之间形成多个工作腔，所述锤体的外壁上与各个所述凹槽对应的位置处沿所述锤体的径向方向分别设置有第二凸起；所述锤体上设置有用于连通所述高压腔和一个所述工作腔的第一锤体导流孔以及用于连通所述低压腔和另一个所述工作腔的第二锤体导流孔；

所述旋转动力总成用于向所述阀体内腔内输送流体、为所述阀体提供旋转动力；

所述旋转动力总成包括：

与所述外筒同轴的中空圆柱体形的动力套筒；

位于所述动力套筒内部、且沿所述动力套筒的轴向方向排列的多个螺旋叶轮；

分别设置在每个所述螺旋叶轮上方的第一导流环；

以及设置于最下方的螺旋叶轮的下方的第二导流环；

所述第一导流环呈圆环形，所述第一导流环上设置有导流孔，并且所述导流孔的轴向方向与所述动力套筒的轴向方向之间有夹角。

2.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述砧座体的内壁上沿所述砧座体的圆周方向开设有三个凹槽，三个所述凹槽均匀分布。

3.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述扭力冲击总成还包括设置在所述砧座体的上端和下端的砧座上盖和砧座下盖；并且所述砧座下盖还与所述锤体和所述钻头冠接触。

4.根据权利要求1～3任一项所述的冲击钻头，其特征在于，所述扭力冲击总成还包括设置在所述阀体内部下端的喷嘴以及用于固定所述喷嘴的喷嘴座。

5.根据权利要求4所述的冲击钻头，其特征在于，所述喷嘴和所述阀体之间设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述第一导流环通过顶丝与所述动力套筒连接。

7.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述旋转动力总成还包括自上而下依次设置的减速中轴、制动中轴以及叶轮中轴；

所述减速中轴位于所述动力套筒上方，所述制动中轴和所述叶轮中轴位于所述动力套筒内部；

所述制动中轴和最上方的第一导流环之间、以及所述叶轮中轴和其余第一导流环之间均设置有石墨轴瓦；

所述动力套筒的上端和下端分别通过平面轴承和推力轴承扶正；

所述平面轴承的上方设置有波形弹簧，所述波形弹簧上方设置有制动短接。

8.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述钻头冠与所述外筒相连接的位置处的外壁上设置有环形凹槽，在所述外筒与所述环形凹槽对应的位置处设置有顶丝孔；

所述环形凹槽内设置有钢球，所述顶丝孔内设置有顶丝；

所述钻头冠与所述外筒之间还设置有密封圈。

9.根据权利要求1所述的冲击钻头，其特征在于，所述外筒的上端设置有螺纹公扣。

说明书

冲击钻头

技术领域

[0001] 本发明涉及石油天然气钻井工程技术领域，特别涉及一种在钻进过程中能够产生旋转扭力冲击振动的冲击钻头。

背景技术

[0002] 钻头是石油天然气钻井工程中重要的井下工具。在石油天然气钻井过程中，通过钻头的切削、破碎作用来破碎岩石。

[0003] PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金刚石复合片钻头)由于其具有高抗磨性及高强度而被广泛用于钻井作业中。

[0004] 在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的PDC钻头在工作时仅能产生轴向冲击。这就使得PDC钻头在中硬至硬地层或者研磨性地层破碎岩石时会产生粘滑效应以及间歇性卡钻现象。即“卡-滑”现。该“卡-滑”现象使钻柱内累计的扭转弹性能不能释放，造成PDC钻头的破岩过程极不稳定，会直接损坏PDC切削齿、降低钻头及下部钻具的使用寿命。

发明内容

[0005] 为了解决上述的技术问题，本发明提供一种在钻进过程中能够产生旋转扭力冲击振动的冲击钻头，以克服现有钻头在中硬至硬地层或者研磨性地层破碎岩石时产生的粘滑、间歇性卡钻现象。

[0006] 具体而言，包括以下的技术方案：

[0007] 本发明实施例提供了一种冲击钻头，包括：

[0008] 外筒、与所述外筒的下端固定连接的钻头冠、以及自上而下顺次设置在所述外筒内部的旋转动力总成和扭力冲击总成；

[0009] 所述扭力冲击总成包括：

[0010] 由外到内顺次设置的与所述外筒同轴的中空圆柱体形的砧座体、中空圆柱体形的锤体以及中空圆柱形的阀体；

[0011] 所述阀体的外壁与所述锤体的内壁之间具有环形空腔，所述阀体的外壁上沿所述阀体的径向方向设置有第一凸起，所述环形空腔通过所述第一凸起分隔形成高压腔和低压腔；所述阀体上设置有连通阀体内腔和所述高压腔的阀体导流孔；所述阀体的下端与所述钻头冠连通；

[0012] 所述砧座体的内壁上沿所述砧座体的圆周方向开设有多个凹槽，多个所述凹槽与所述锤体的外壁之间形成多个工作腔，所述锤体的外壁上与各个所述凹槽对应的位置处沿所述锤体的径向方向分别设置有第二凸起；所述锤体上设置有用于连通所述高压腔和一个所述工作腔的第一锤体导流孔以及用于连通所述低压腔和另一个所述工作腔的第二锤体导流孔；

[0013] 所述旋转动力总成用于向所述阀体内腔内输送流体、为所述阀体提供旋转动力。

[0014] 进一步地，所述砧座体的内壁上沿所述砧座体的圆周方向开设有三个凹槽，三个所述凹槽均匀分布。

[0015] 进一步地，所述扭力冲击总成还包括设置在所述砧座体的上端和下端的砧座上盖和砧座下盖；并且所述砧座下盖还与所述锤体和所述钻头冠接触。

[0016] 进一步地，所述扭力冲击总成还包括设置在所述阀体内部下端的喷嘴以及用于固定所述喷嘴的喷嘴座。

[0017] 进一步地，所述喷嘴和所述阀体之间设置有密封圈。

[0018] 进一步地，所述旋转动力总成包括：与所述外筒同轴的中空圆柱体形的动力套筒；位于所述动力套筒内部、且沿所述动力套筒的轴向方向排列的多个螺旋叶轮；分别设置在每个所述螺旋叶轮上方的第一导流环；以及设置于最下方的螺旋叶轮的下方的第二导流环。

[0019] 进一步地，所述第一导流环通过顶丝与所述动力套筒连接。

[0020] 进一步地，所述旋转动力总成还包括自上而下依次设置的减速中轴、制动中轴以及叶轮中轴；所述减速中轴位于所述动力套筒上方，所述制动中轴和所述叶轮中轴位于所述动力套筒内部；所述制动中轴和最上方的第一导流环之间、以及所述叶轮中轴和其余第一导流环之间均设置有石墨轴瓦；所述动力套筒的上端和下端分别通过平面轴承和推力轴承扶正；所述平面轴承的上方设置有波形弹簧，所述波形弹簧上方设置有制动短接。

[0021] 进一步地，所述推力轴承包括推力轴承上副和推力轴承下副以及设置在所述推力轴承上副和所述推力轴承下副之间的推力轴承上摩擦体和推力轴承下摩擦体。

[0022] 进一步地，所述钻头冠与所述外筒相连接的位置处的外壁上设置有环形凹槽，在所述外筒与所述环形凹槽对应的位置处设置有顶丝孔；

[0023] 所述环形凹槽内设置有钢球，所述顶丝孔内设置有顶丝；

[0024] 所述钻头冠与所述外筒之间还设置有密封圈。

[0025] 进一步地，所述外筒的上端设置有螺纹公扣。

[0026] 本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

[0027] 本发明实施例提供的冲击钻头中，高压流体自外筒上端进入后，经由旋转动力总成输送进入扭力冲击总成的阀体的阀体内腔使阀体旋转，在阀体旋转过程中，阀体内腔的高压流体进入高压腔，进而进入一个工作腔内，而另外的工作腔则与低压腔连通，使锤体两侧压差发生变化进而推动砧座体旋转，砧座体旋转过程中，砧座体内壁上的凹槽的内壁撞击锤体外壁上的第二凸起，产生扭力冲击。随着阀体的不断旋转，锤体两侧的压力产生周期性变化，使得锤体与砧座体相互作用产生周期性的扭力冲击，最终对钻头冠产生高频冲击，从而有效消除钻头的粘滑和间歇性卡钻现象，特别适合于中硬至硬地层或者研磨性地层岩石的破碎。

附图说明

[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0029] 图1为本发明实施例提供的冲击钻头的结构示意图；

[0030] 图2为图1中沿A-A方向的剖视图；

[0031] 图3为本发明实施例提供的冲击钻头中旋转动力总成的局部放大图。

[0032] 附图标记分别表示：

[0033] 1-制动短接；2-减速中轴；3-波形弹簧；4-平面轴承；5-第一导流环；

[0034] 6-石墨轴瓦；7-制动中轴；8-动力套筒；9-螺旋叶轮；

[0035] 10-叶轮中轴；11-第二导流环；

[0036] X-推力轴承；

[0037] 12-推力轴承上副；13-推力轴承上摩擦体；

[0038] 14-推力轴承下摩擦体；15-推力轴承下副；

[0039] 16-砧座上盖；17-砧座体；18-锤体；19-阀体；20-砧座下盖；

[0040] 21-喷嘴座；22-钻头冠；23-外筒；24-第一密封圈；25-第一顶丝；

[0041] 26-钢球；27-喷嘴；28-第二密封圈；29-螺栓组；30-第二顶丝；

[0042] 31-阀体内腔；

[0043] 321-第一锤体导流孔；322-第二锤体导流孔；

[0044] 33-阀体导流孔；34-工作腔；

[0045] 35-高压腔；36-低压腔。

具体实施方式

[0046] 为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

[0047] 本发明实施例提供了一种冲击钻头，参见图1并结合图3，该冲击钻头包括：

[0048] 外筒23、与外筒23的下端固定连接的钻头冠22、以及自上而下顺次设置在外筒23内部的旋转动力总成和扭力冲击总成。

[0049] 参见图1并结合图2，其中，扭力冲击总成包括：由外到内顺次设置的与外筒23同轴的中空圆柱体形的砧座体17、中空圆柱体形的锤体18以及中空圆柱形的阀体19。

[0050] 阀体19的外壁与锤体18的内壁之间具有环形空腔，阀体19的外壁上沿阀体19的径向方向设置有第一凸起，环形空腔通过第一凸起分隔形成高压腔35和低压腔36；阀体19上设置有连通阀体内腔31和高压腔35的阀体导流孔33；阀体19的下端与钻头冠22连通。

[0051] 砧座体17的内壁上沿砧座体17的圆周方向开设有多个凹槽，多个凹槽与锤体18的外壁之间形成多个工作腔34，锤体18的外壁上与各个凹槽对应的位置处沿锤体18的径向方向分别设置有第二凸起；锤体18上设置有用于连通高压腔35和一个工作腔34的第一锤体导流孔321以及用于连通低压腔36和另一个工作腔34的第二锤体导流孔322。

[0052] 旋转动力总成用于向阀体内腔31内输送流体、为阀体19提供旋转动力。

[0053] 本发明实施例提供的冲击钻头中，在钻头冠22的上方连接外筒23，外筒23为两端开放的中空圆柱体，外筒23内自上而下顺次设置旋转动力总成和扭力冲击总成。其中，扭力总成包括砧座体17、锤体18以及阀体19，砧座体17、锤体18以及阀体19均为中空圆柱体形且由外到内一次设置，并且均与外筒23同轴，也就是砧座体17位于外筒23内、锤体18位于砧座体17内，阀体19位于锤体18内。

[0054] 锤体18的内径大于阀体19的外径，以使锤体18和阀体19之间形成环形空腔，该环形空腔通过设置在阀体19的外壁上且沿阀体19的径向方向的第一凸起分隔形成高压腔35和低压腔36。高压腔35和低压腔36的划分取决于阀体导流孔33的设置的位置，与阀体内腔31连通的即为高压腔35，而未与阀体内腔31连通的为低压腔36。本领域技术人员能够理解的是，沿阀体19的圆周方向设置两个第一凸起才能达到将环形空腔分隔成高压腔35和低压腔36的目的。

[0055] 锤体18的外径与砧座体17的内径相同，而在砧座体17的内壁上开设有多个凹槽，凹槽和锤体18的外壁之间形成相互彼此独立的多个工作腔34，工作腔34的数量与砧座体17内壁上开设的凹槽的数量相同。设置在锤体18外壁上的第二凸起则位于工作腔34内，并且第二凸起的尺寸小于工作腔34的尺寸，以使第二凸起可以在工作腔34内运动。

[0056] 锤体18上的第一锤体导流孔321可将多个工作腔34中一个与高压腔35连通，锤体18上的第二锤体导流孔322则可将另外一个工作腔34与低压腔36连通。可以理解的是，第一锤体导流孔321和第二锤体导流孔322位于锤体18的应当间隔一定距离，一种可能的实现方式中，第一锤体导流孔321和第二锤体导流孔322位于或者大致位于锤体18同一条直径的两端。

[0057] 使用时，高压流体(例如水)自外筒23上端进入，再经由旋转动力总成输送进入扭力冲击总成的阀体19的阀体内腔31使阀体19旋转，在阀体19旋转过程中，阀体内腔31的高压流体通过阀体导流孔33进入高压腔35，再通过第一锤体导流孔321进入一个工作腔34内，而另外的一个工作腔34则通过第二锤体导流孔322与低压腔36连通，从而使锤体18两侧压差发生变化进而推动砧座体17旋转，砧座体17旋转过程中，砧座体17内壁上的凹槽的内壁撞击锤体18外壁上的第二凸起，产生扭力冲击。随着阀体19的不断旋转，锤体18两侧的压力产生周期性变化，使得锤体18与砧座体17相互作用产生周期性的扭力冲击，该扭力冲击被传递至钻头冠22，对钻头冠22产生高频冲击，从而有效消除钻头的粘滑和间歇性卡钻现象，特别适合于中硬至硬地层或者研磨性地层岩石的破碎。

[0058] 对于砧座体17来说，其外径可以与外筒23的内径相同，但是要保证砧座体17可在压力差的作用下进行旋转。

[0059] 钻头冠22的具体形式本发明实施例不作特殊限定，本领域常规技术手段均可。

[0060] 本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例提供的冲击钻头中外筒23的上端与其他钻具连接，例如钻铤。

[0061] 上述的高压流体的具体数值本发明实施例同样不作特殊限定，钻井过程中常用的流体压力值均可。

[0062] 进一步地，作为本发明实施例的一种优选的实施方式，砧座体17的内壁上沿砧座体17的圆周方向开设有三个凹槽，三个凹槽均匀分布。相应地，锤体18外壁上的第二凸起的数量也为三个，并且沿锤体18的圆周方向均匀分布。

[0063] 进一步地，本发明实施例中，扭力冲击总成还包括设置在砧座体17的上端和下端的砧座上盖16和砧座下盖20，以安装砧座体17。并且，砧座下盖20还与锤体18和钻头冠22接触，砧座体17撞击锤体18产生的扭力冲击通过砧座下盖20传递至钻头冠22，使钻头冠22带有旋转冲击力。

[0064] 进一步地，本发明实施例中，扭力冲击总成还包括设置在阀体19内部下端的喷嘴27以及用于固定喷嘴27的喷嘴座21。通过喷嘴27使阀体19的下端与钻头冠22连通，阀体19内的高压流体经喷嘴27进入钻头冠22。

[0065] 喷嘴27和阀体19之间还设置有密封圈(图中的第二密封圈28)，具体可以为O型密封圈。

[0066] 进一步地，本发明实施例一种可能的实现方式中，采用具有以下结构的旋转动力总成为扭力冲击总成的阀体19提供旋转动力，具体包括：

[0067] 与外筒23同轴的中空圆柱体形的动力套筒8；

[0068] 位于动力套筒8内部、且沿动力套筒8的轴向方向排列的多个螺旋叶轮9；

[0069] 分别设置在每个螺旋叶轮9上方的第一导流环5；

[0070] 以及设置于最下方的螺旋叶轮9的下方的第二导流环11。

[0071] 其中第一导流环5呈圆环形，其上设置有导流孔，并且导流孔的轴向方向与动力套筒8的轴向方向之间有一定的夹角，即第一导流环5上的导流孔是斜孔。第一导流环5通过顶丝(图中的第一顶丝25)与动力套筒连接。第二导流环11则用于将沿螺旋叶轮9的叶片方向流出的高压流体导入阀体9的阀体内腔31中。

[0072] 螺旋叶轮9的数量可以为三个，相应地，第一导流环5的数量也为三个。

[0073] 进一步地，旋转动力总成还包括自上而下依次设置的减速中轴2、制动中轴7以及叶轮中轴10，其中减速中轴2位于动力套筒8上方，制动中轴7和叶轮中轴10位于动力套筒8内部。

[0074] 制动中轴7和最上方的第一导流环5之间、以及叶轮中轴10和其余的第一导流环5之间均设置有石墨轴瓦6。

[0075] 动力套筒8的上端和下端分别通过平面轴承4和推力轴承X扶正，推力轴承X可以选用CC轴承。

[0076] 在平面轴承4的上方设置有波形弹簧3，波形弹簧3上方设置有制动短接1。

[0077] 高压流体自外筒23进入后，沿轴向流动，经过减速中轴2后进入最上方的第一导流环5，由最上方的第一导流环5流出后沿最上方的螺旋叶轮9的叶片方向流动并进入下一个第一导流环5，如此循环，当高压流体经过最下方的螺旋叶轮9的叶片后进入第二导流环11，经第二导流环11导流后进入阀体19的阀体内腔31中，由于高压流体对阀体内腔31的内壁的冲击作用使阀体19旋转，从而对钻头冠22产生高频扭力冲击作用

[0078] 推力轴承具体包括推力轴承上副12和推力轴承下副15以及设置在推力轴承上副12和推力轴承下副15之间的推力轴承上摩擦体13和推力轴承下摩擦体14。推力轴承下副15和动力套筒8下端通过顶丝(图中的第二顶丝30)固定，同时，推力轴承下副15和砧座上盖16之间设置有螺栓组29。

[0079] 进一步地，本发明实施例中，钻头冠22与外筒23相连接的位置处的外壁上设置有环形凹槽，在外筒与环形凹槽对应的位置处设置有顶丝孔。环形凹槽内设置有钢球26，顶丝孔内设置有顶丝(图中的第一顶丝25)。依靠上述环形凹槽、钢球26以及顶丝将钻头冠22与外筒23的下端连接。钻头冠22与外筒23之间还设置有密封圈(图中的第一密封圈24)，具体可以为O型密封圈。

[0080] 外筒23的上端设置有螺纹公扣，例如API标准螺纹，外筒23的上端通过螺纹公扣与上部其他钻具，例如钻铤连接。

[0081] 本发明实施例提供的冲击钻头的各个部件均可采用金属加工制造，也可采用其他高强度、抗冲击性能好的材料加工制造。

[0082] 综上，本发明实施例提供了一种可对钻头冠产生高频扭力冲击作用的旋转扭力冲击钻头，以克服现有钻头在中硬至硬地层或者研磨性地层破碎岩石时产生的粘滑、间歇性卡钻现象，使钻头和井底始终保持连续性，提高机械钻速、延长钻头及下部钻柱组合的寿命。同时本发明实施例提供的冲击钻头结构简单，工作性能可靠，有利于降低钻井成本。

[0083] 以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。