一种内冲击破碎式PDC复合钻头的制作方法

本发明涉及石油钻探钻具技术领域，特别涉及一种内冲击破碎式pdc复合钻头。

背景技术：

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片钻头(即pdc钻头)和冲旋钻头(也称旋冲钻头或钎头)等。

pdc钻头是一种利用聚晶金刚石复合片(即pdc齿)对岩石的刮切或剪切作用破岩的钻头。由于在切削元件性能以及破岩方式方面具备了突出的优越性，所以pdc钻头在软至中硬地层的破岩效率明显高于三牙轮钻头。现今，pdc钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大，但对于硬度、研磨性高的地层以及严重不均质的地层，pdc钻头仍难以适应。现有的pdc钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即pdc齿)按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成pdc钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。

当pdc钻头在较硬地层钻进时，pdc钻头头部难于侵入(吃入)井底岩石表面，特别是当pdc齿发生一定程度磨损后，侵入难度更高，导致钻头在井底打滑，钻速极慢。因而，现有技术中存在以下技术问题：1、靠纯剪切状态破碎岩石，钻头心部切削齿相对外围切削齿切削线速度很低，导致pdc钻头钻进速度变慢，严重制约pdc钻头的破岩效率；2、pdc齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过最大热负荷时，pdc齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象的发生。3、钻头不同径向区域上的pdc齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的切削齿，磨损后的钻头需要整体更换，成本高。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种内冲击破碎式pdc复合钻头，可有效提高钻头心部的破岩效率，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种内冲击破碎式pdc复合钻头，包括钻头体和固设在钻头体上的刀翼，所述刀翼上设有若干个钻头切削齿，所述钻头体心部套设有与钻头体可拆卸连接的破碎钻头、和驱动破碎钻头转动的动力机构，所述动力机构与所述破碎钻头固定连接；所述钻头体与所述破碎钻头间设有滚动复合轴承。

本发明基础方案的工作原理：该复合钻头具有钻头体和与钻头体可拆卸连接的破碎钻头，破碎钻头连接有动力机构，且钻头体与破碎钻头间设有滚动复合轴承，因此钻头体与破碎钻头为独立钻进的钻头；在钻头体心部设置破碎钻头，利用破碎钻头的独立旋转钻进的方式破岩，再由破碎钻头与钻头体共同钻进破岩，抛却了现有技术中仅仅靠单独钻头的剪切破岩方式而是靠不同钻速的两个钻头在岩石心部破碎后共同钻进的方式，这种破岩方式避免了靠单个钻头纯剪切状态破碎岩石，导致pdc钻头钻进速度变慢，严重制约pdc钻头的破岩效率的问题；钻头体心部的破碎钻头破岩后再通过其外围的钻头体旋转钻进，便减小pdc钻头侵入岩石表面的机械负荷，可有效提高pdc钻头的钻进速度，提高钻头心部的破岩效率，攻破了pdc钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头体外围的钻头体造成较快的磨损，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

进一步，所述动力机构包括驱动块和螺纹管，所述螺纹管穿设在所述钻头体内并与所述钻头体螺纹连接，所述驱动块设置在所述螺纹管的端部并与所述破碎钻头可拆卸连接。有益效果：螺纹管穿设在钻头体内并与钻头体螺纹连接，连接稳定，安全可靠；可通过螺纹管的旋转钻进驱动破碎钻头转动，且破碎钻头与螺纹管间设置的驱动块增大了破碎钻头与动力机构的连接面积，支撑稳定，而可拆卸的连接方式方便在破碎钻头磨损后只需更换破碎钻头而节约了破碎钻头外围钻头体的成本，节约成本。

进一步，所述破碎钻头的钻面覆盖区域占所述钻头体的钻面覆盖区域的35％-55％。有益效果：保证破碎钻头机械刚度，避免破碎钻头外围区域的钻头体区域的切削齿被可快速磨损，提高破岩钻进效率。

进一步，所述滚动复合轴承包括内回转体、外回转体以及由内回转体和外回转体形成的环形滚动槽，所述环形滚动槽内设有若干个滚动体，若干个所述滚动体沿环形滚动槽周向等角度均匀分布，相邻滚动体之间设有支撑滑块。有益效果：在滚动复合轴承的内外回转体之间的环形滚动槽中设置支撑滑块可使该滚动复合轴承承受较高的载荷和转速，适合破碎钻头和钻头体高速重载的需求。

进一步，所述支撑滑块内设有空心腔，所述空心腔内充填有低熔点金属，所述滚动复合轴承的内回转体与所述支撑滑块的材质均采用铜或铝合金材料。有益效果：复合钻头钻进前，空心腔内的低熔点金属在常温下为固体状态，便于动力机构驱动破碎钻头旋转破岩钻进，而钻进过程中，由于复合钻头不断钻进切削岩石，剧烈摩擦产生的热量可被低熔点金属吸收，降低复合钻头的温度，减小钻头热负荷，避免热磨损现象的发生；且吸收大量热量的低熔点金属由固体变为液体过程中吸热膨胀，体积变大，而滚动复合轴承的内回转体与支撑滑块的侧壁均采用铜管或铝合金管制成，在高温下具有较好的延展性，从而支撑滑块受热膨胀后可将滚动复合轴承的内回转体向内与破碎钻头抵死，使得破碎钻头和钻头体作为一体式结构高转速、强冲击的配合钻进，可有效提高复合钻头的钻进效率。

进一步，所述刀翼包括主刀翼和副刀翼，所述主刀翼和副刀翼均呈阿基米德螺线固设在钻头体上。有益效果：主刀翼和副刀翼上的切削齿对底层岩石切刮，在井底形成空间曲线刮切轨迹，而呈阿基米德螺线的主刀翼和副刀翼更有利于切削齿刮切破碎底层岩石，提高钻头的钻进效率。

进一步，所述主刀翼和副刀翼的数量均为三个，所述主刀翼沿钻头体的周向均布，所述副刀翼沿钻头体的周向均布且与所述主刀翼间隔设置。有益效果：主刀翼和副刀翼形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的钻进效率。

进一步，所述破碎钻头的切削轮廓面呈球冠面，且球冠面的弧度为π/3。有益效果：保证破碎钻头刚度，达到快速破岩的效果。

进一步，所述钻头体的切削轮廓面呈球冠面，且所述破碎钻头切削轮廓面的球心与所述钻头体切削轮廓面的球心重合。有益效果：钻头钻进的稳定性、钻进的导向性及可控性均更好。

进一步，所述破碎钻头上设有破碎钻头切削齿和减震齿，所述破碎钻头切削齿沿破碎钻头的钻面中心径向呈直线等角度分布，所述减震齿与所述切削齿相互间隔设置。有益效果：破碎钻头切削齿和减震齿的材料均采用聚晶金刚石复合材料，采用破碎钻头切削齿沿破碎钻头的钻面中心径向呈直线等角度分布可呈直线切削岩石，提高钻头心部的切削破碎能力，且减震齿与破碎钻头切削齿相互间隔设置可提高钻头钻进的稳定性

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明钻头体心部设置有内置可拆卸破碎钻头，且破碎钻头与外部钻头体间设置有滚动复合轴承，从而破碎钻头与外部钻头为相互独立的旋转破岩钻进方式，提高钻头心部的破岩效率，减小了外部钻头体破岩受到的阻力，更易于侵入岩石表面，提高破岩效率的同时，能延长复合钻头的使用寿命，并能攻破较硬地层；因此，这种破岩方式避免了现有技术中靠单个钻头的纯剪切状态破碎岩石，导致pdc钻头心部钻进速度较慢，严重制约pdc钻头的破岩效率的问题。

2、本发明中的破碎钻头可通过单独的动力机构驱动破碎钻头转动，动力机构包括驱动块和螺纹管，螺纹管穿设在钻头体内并与钻头体螺纹连接，旋转稳定，可通过螺纹管的旋转钻进驱动螺纹管端部的破碎钻头转动，且破碎钻头与螺纹管间设置的驱动块增大了破碎钻头与动力机构的连接面积，驱动支撑稳定，而可拆卸的连接方式方便在破碎钻头磨损后只需更换破碎钻头而节约了破碎钻头外围钻头体的成本，节约成本。

3、本发明的破碎钻头的钻面覆盖区域占钻头体的钻面覆盖区域的35％-55％，不同的岩层可利用覆盖面积不同的破碎钻头攻破岩石，以适应不同硬度底层或者不均质底层，并且可将内置的破碎钻头更换为牙轮钻头，因牙轮结构设计的变化空间很大，即有限的牙轮空间可充分用于布齿和破岩，保证牙轮强度的同时，提高钻头的破岩效率。

4、本发明中在滚动复合轴承的内外回转体之间的环形滚动槽中设置滚动体和支撑滑块，可使该滚动复合轴承承受较高的载荷和转速，适合破碎钻头和钻头体高速重载的需求；进一步，支撑滑块内设有空心腔，空心腔内的低熔点金属的相变可在复合钻头破岩钻进时吸收剧烈摩擦产生的热量，降低复合钻头的温度，避免热磨损现象的发生；且吸收大量热量的低熔点金属由固体变为液体过程中吸热膨胀，体积变大，可支撑破碎钻头和钻头体连接的稳定性，提高复合钻头复合钻进的刚度，实现高转速、强冲击的配合钻进，提高复合钻头的钻进效率。

5、本发明中布置在钻头体上的刀翼分为主刀翼和副刀翼，主刀翼和副刀翼均呈阿基米德螺线固设在钻头体上，有利于切削齿刮切破碎底层岩石，提高钻头的钻进效率；且破碎钻头上设有破碎钻头切削齿和减震齿，破碎钻头切削齿沿破碎钻头的钻面中心径向呈直线等角度分布，减震齿与破碎钻头切削齿相互间隔设置，可提高钻头心部的破碎能力，且减震齿与切削齿相互间隔设置可提高钻头钻进的稳定性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明一种内冲击破碎式pdc复合钻头实施例的剖视图；

图2为本发明一种内冲击破碎式pdc复合钻头实施例滚动复合轴承的示意图；

图3为本发明一种内冲击破碎式pdc复合钻头实施例钻头钻面的示意图。

附图标记：1-钻头体、2-刀翼、3-钻头切削齿、4-破碎钻头、5-嵌入槽、6-动力机构、7-滚动复合轴承、8-驱动块、9-螺纹管、10-滚动体、11-支撑滑块、12-环形滚动槽、13-内回转体、14-外回转体、16-主刀翼、17-副刀翼、18-减震齿、19-破碎钻头切削齿、20-喷液孔。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1和如3所示，本实施例提供一种内冲击破碎式pdc复合钻头，包括钻头体1和与钻头体1一体成型的刀翼2，刀翼2包括主刀翼16和副刀翼17，主刀翼16和副刀翼17均呈阿基米德螺线固设在钻头体1上，主刀翼16和副刀翼17上设有若干个钻头切削齿3，且主刀翼16和副刀翼17间设置有喷液孔20，主刀翼16和副刀翼17上的钻头切削齿3对底层岩石切刮的同时通过喷叶孔20喷射钻井液润滑钻头体1，在井底形成空间曲线刮切轨迹，呈阿基米德螺线的主刀翼16和副刀翼17更有利于钻头切削齿3刮切破碎底层岩石；主刀翼16和副刀翼17的数量均为三个，主刀翼16沿钻头体1的周向等角度均匀布置在钻头体1上，副刀翼17沿钻头体1的周向等角度均匀布置在钻头体1上，主刀翼16与副刀翼17交叉间隔分布，主刀翼16和副刀翼17形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的钻进效率。

钻头体1心部开设有用于嵌入破碎钻头4嵌入槽5，并设有与钻头体1可拆卸连接的破碎钻头4和动力机构6，嵌入槽5的尺寸与破碎钻头4的尺寸相匹配，动力机构6设置在钻头体1内并与破碎钻头4固定连接，驱动破碎钻头4在嵌入槽5内转动；因此钻头体1与破碎钻头4为独立钻进的钻头；在钻头体1心部设置破碎钻头4，抛却了现有技术中靠单个钻头的剪切破岩方式而是通过动力机构6驱动破碎钻头4先侵入岩石表面破岩，利用动力机构6提供的脉冲能量独立旋转钻进的方式破岩，这种破岩方式避免了靠单个钻头纯剪切状态破碎岩石，导致pdc钻头心部钻进速度较慢，严重制约pdc钻头的破岩效率的问题。

进一步，动力机构6包括驱动块8和螺纹管9，螺纹管9穿设在钻头体1内并与钻头体1螺纹连接，可通过螺纹管9的旋转钻进驱动破碎钻头4转动，连接稳定，安全可靠；且破碎钻头4与螺纹管9间设置的驱动块8增大了破碎钻头4与动力机构6的连接面积，支撑稳定；驱动块8设置在螺纹管9的端部并与破碎钻头4可拆卸连接，可拆卸连接的方式优选为螺纹连接，使破碎钻头4与动力机构6连接稳定，而可拆卸的连接方式方便在破碎钻头4磨损后只需更换破碎钻头4而节约了破碎钻头4外围钻头体1的成本。

此外，破碎钻头4的钻面覆盖区域占钻头体1的钻面覆盖区域的35％-55％，保证破碎钻头4机械刚度，避免破碎钻头4外围钻头体1区域的切削齿3被可快速磨损，提高破岩钻进效率。破碎钻头4的切削轮廓面呈球冠面，球冠面弧度为π/3，保证破碎钻头4刚度，达到快速破岩的效果；钻头的切削轮廓面呈球冠面，且破碎钻头4切削轮廓面的球心与钻头切削轮廓面的球心重合，使钻头钻进的稳定性、钻进的导向性及可控性均更好。破碎钻头4上设有破碎钻头切削齿19和减震齿18，破碎钻头切削齿19沿破碎钻头4的钻面中心径向呈直线等角度分布，减震齿18与破碎钻头切削齿19相互间隔设置，破碎钻头切削齿19和减震齿18的材料均采用聚晶金刚石复合材料，采用破碎钻头切削齿19沿破碎钻头4的钻面中心径向呈直线等角度分布可提高钻头心部的破碎能力，且减震齿18与破碎钻头切削齿19相互间隔设置可提高钻头钻进的稳定性。

进一步，如图2所示，钻头体1与破碎钻头4间设有滚动复合轴承7，滚动复合轴承7包括滚动体10和支撑滑块11，滚动体10优选为滚珠或滚柱，滚动体10和支撑滑块11在滚动复合轴承7的内外回转体14之间的环形滚动槽12中相互间隔安装，在滚动复合轴承7的内外回转体14之间的环形滚动槽12中设置支撑滑块11可使该滚动复合轴承7承受较高的载荷和转速，适合破碎钻头4和钻头体1高速重载的需求。

此外，支撑滑块11内设有空心腔，空心腔内充填有低熔点金属，低熔点金属为sn或含sn的合金，滚动复合轴承7的内回转体13与支撑滑块11均采用铜或铝合金制成，支撑滑块11的材质也可采用tpu材料，通过改变tpu各反应组分的配比，可以得到不同硬度的产品，从而tpu材料的支撑滑块11机械强度高承载能力、抗冲击性及减震性能突出满足破碎钻头和钻头体高速重载的需求，而且随着硬度的增加，其产品仍保持良好的弹性；且tpu材料的支撑滑块11密封性能好，可有效防止支撑滑块11空心腔内的低熔点金属相变为液体时溢出。复合钻头钻进前，空心腔内的低熔点金属在常温下为固体状态，便于动力机构6驱动破碎钻头4转动而破岩钻进，而钻进过程中，由于复合钻头不断钻进切削岩石，剧烈摩擦产生的热量可被低熔点金属吸收，降低复合钻头的温度，减小钻头热负荷，避免热磨损现象的发生；且吸收大量热量的低熔点金属由固体变为液体过程中吸热膨胀，体积变大，而滚动复合轴承7的内回转体13采用铜管或铝合金管制成以及支撑滑块11采用tpu材料制成，在高温下均具有良好的延展性，从而支撑滑块11受热膨胀后可将滚动复合轴承7的内回转体13向内与破碎钻头4抵死，使得破碎钻头4和钻头体1作为一体式结构高转速、强冲击的配合钻进，可有效提高复合钻头的钻进效率。

本例中，在攻破较硬地层的时候，该复合钻头心部位置设置的破碎钻头4可通过动力机构6驱动旋转，首先侵入岩石表面破碎岩石，由于破碎钻头4与外部钻头为相互独立的旋转破岩钻进方式，在破碎钻头4利用动力机构6提供的驱动力独立攻破岩石表面的时候，再由破碎钻头4和钻头体1共同旋转钻进相结合的方式破岩，易于攻破岩石且避免复合钻头外部区域钻头切削齿3磨损速度快于心部区域破碎钻头切削齿19的磨损速度，延长复合钻头的使用寿命，且提高了钻头钻进的破岩效率。

具体地，破碎钻头4攻破岩石表面后减小了外部钻头体1破岩受到的阻力，更易于侵入岩石表面，这种破岩方式避免了靠单个钻头纯剪切状态破碎岩石，使得钻头体1外部区域的切削齿3磨损速度明显快于心部区域的切削齿19，使得钻头体1容易磨损的同时且严重制约pdc钻头的破岩效率的问题；与此同时，滚动复合轴承7内的支撑滑块11由于低熔点金属在钻头钻进过程中吸收剧烈摩擦产生的大量热量，吸收大量热量的低熔点金属吸收大量热量后由固体变为液体体积膨胀变大，受热膨胀后的支撑滑块11可将滚动复合轴承7的内回转体13向内与破碎钻头4抵死，此时，破碎钻头4与其外围的钻头体1呈一体机构高转速、强冲击的配合钻进破岩钻进，由于岩石表面已经被攻破，从而破碎钻头4外围的钻头体1进一步钻井的过程中受的机械负荷较小，更能攻破较硬地层；可有效提高复合钻头的钻进效率，此种内冲击破碎式pdc钻头攻破了pdc钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头4外围的钻头体1造成较快的磨损，有利于提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。