一种可分离式冲击旋转钻头

本发明涉及油气田开发，特别涉及钻头，具体是一种可分离式冲击旋转钻头。

背景技术：

1、钻头是钻井设备的主要组成部分，其主要作用是破碎岩石、形成井眼，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，钻头的破岩机理一般是切削破岩和撞击破岩。pdc钻头作为钻井工程中最常用的一种钻头工具，被广泛应用于地质勘探和油气钻井等领域。

2、随着工业生产的快速发展，可供开发的浅层资源日益枯竭，钻井需向着深井、超深井的方向发展。而大部分的深井、超深井存在地质条件复杂、地层抗压强度高、可钻性差、研磨性强等一系列问题，pdc钻头在这些复杂地质条件下进行破岩钻井工作时，会造成pdc钻头机械钻速降低、钻井周期延长、钻头损伤增大，破岩钻井成本大大增高。所以在进行深井、超深井以及硬地层工作时，仅仅依靠传统pdc钻头的破岩钻井作用，很难达到理想的效果。

3、因此，市面上出现了部分冲击钻头，可以实现切削钻井和冲击钻井都通过钻头进行的效果，同步叠加破岩。目前存在的可以实现对岩石进行冲击旋转破碎的钻头装备，大都需要其它钻井装备进行驱动，例如冲击器。这样增加了运动机构的数量，对于设备的采购安装成本都有较大的增加，且容易因损坏导致保养维护停工，依然存在一定的不足。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种可分离式冲击旋转钻头，通过在pdc钻头内部设计一安装孔位，将冲击钻头安装在安装孔内让两者相结合，能同时发挥两种作用在进行钻井工作时互不干扰，无需专用的冲击器对冲击钻头进行驱动，能够节省大量成本，进行高效破岩，提高钻进效率。

2、本发明的技术方案是：

3、一种可分离式冲击旋转钻头，包括第一钻头体，第一钻头体作为pdc钻头，所述第一钻头体侧面设有多个保径，保径的上方为多个带有切削齿的刀翼，在第一钻头体的中心设有贯穿的圆形通孔作为安装孔，安装孔内安装有尺寸与安装孔相匹配的第二钻头体，且第二钻头体在pdc钻头的安装孔中能在一定范围内轴向运动，第二钻头体在第一钻头体的安装孔中能周向转动；第二钻头体的顶面设有冲击齿。

4、进一步的，所述第二钻头体的中部沿着轴线设有钻井液流道，所述钻井液流道的一端向靠近冲击齿的一面延伸，并在靠近冲击齿之前的区域设有一段分流段，从分流段分出多个支线流道并贯穿到靠近冲击齿侧的外周面，其中一部分的支线流道设置于靠近第二钻头体端面处，作为第一喷嘴，另一部分的支线流道设置于靠近第二钻头体的周面与端面交界处，作为第二喷嘴，所述第一喷嘴在到达端面后沿着端面设有一段凹槽。

5、进一步的，所述第一喷嘴朝向井底底部，并沿着喷嘴设有一段凹槽，用于清洗井底的中心区域，并辅助破岩；所述第二喷嘴朝向井底四周，用于清洁井底的外围区域。

6、进一步的，在所述钻井液流道的另一端向远离冲击齿的方向延伸，并在延伸到一定距离后停止，不贯穿整个第二钻头体，在钻井液流道的末端区域设有径向延伸的多个第二泄流孔，在第一钻头体的内侧设有多个可联通第二泄流孔的第一泄流孔，所述第一泄流孔的后端连接到设置于第一钻头体内部的环形凹槽，环形凹槽的另一端连接到第一钻头体的端部并贯穿，所述第二泄流孔的外部设有一圈高度大于第二泄流孔高度的泄流槽，当第二泄流孔随着第二钻头体转动和/或轴线运动的时候通过泄流槽增大适配范围，能在任意角度和高度活动范围内，实现第一泄流孔和第二泄流孔的联通；实现钻井液从钻头的根部送入后通过环形凹槽进入钻井液流道，并通过第一喷嘴和第二喷嘴离开钻头。

7、进一步的，在第一钻头体的侧面设有从外周面贯穿到安装孔的限位孔，在对应限位孔的第二钻头体外周面上设有一圈限位槽，限位槽的高度大于限位孔的高度，限位孔内用于安装紧固件，所述紧固件为紧固螺栓或紧固销钉。

8、进一步的，当采用紧固件为紧固螺栓的时候，所述紧固件带有外螺纹，限位孔带有内螺纹，实现匹配固定；

9、当采用紧固件为紧固销钉的时候，所述紧固件的销钉头部开有一字槽，当安装到位的时候，一字槽的位置为水平状态，并在多个紧固销钉的一字槽内用来安装固定套圈，所述固定套圈起到锁紧紧固销钉的作用，防止钻头工作时紧固销钉脱落；

10、当匹配的紧固件的末端伸入到限位槽内时，不抵紧限位槽的底面，实现对第二钻头体的轴向限位。

11、进一步的，所述第二钻头体的末端设有一段外螺纹段，该外螺纹段作为第二传动螺纹，在第一钻头体内侧的安装孔上设有对应第二钻头体的第二传动螺纹的内螺纹段，该内螺纹段作为第一传动螺纹，所述第二传动螺纹和所述第一传动螺纹的长度均小于半圈；当第二钻头体在第一钻头体内轴向运动并旋转的时候，第二传动螺纹沿着第一传动螺纹旋转并轴向运动，运动到脱扣的位置时在重力和水压作用下，向下冲击运动破岩。

12、进一步的，所述第一钻头体和第二钻头体都有多租相互匹配的型号，不同型号的第一钻头体的第一传动螺纹及第二钻头体的第二传动螺纹螺距不同，用于调节冲击高度。

13、进一步的，所述第一传动螺纹和所述第二传动螺纹的螺纹传动圈数为0.4圈。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明提供了一种可分离式冲击旋转钻头，基于现有的pdc钻头的结构进行深度改进，将一种可进行旋转刮削破岩的pdc钻头和一种可进行冲击破碎的冲击钻头，两者进行组装形成一种可分离式冲击旋转钻头，并且无需专用的冲击器对冲击钻头进行驱动，能够节省大量成本。

16、本发明的钻头不仅保留了传统pdc钻头在软到中硬地层中钻进时机械转速快、寿命长、钻进平稳等优点，还增加了冲击钻头对岩石的冲击作用，同时对岩石进行冲击破碎和旋转切削，使其在硬地层钻进时也能保持高效率运作，实现高效快速破岩钻进。

17、本发明通过对内外两部分结构的设计改进，使其能够在一定范围内自由上下运动和转动，并通过该行程提供冲击力，增加破岩的效果。

18、本发明无需在井口设置冲击机构，且无需在钻头上设置电控原件和液压元件，仅仅通过结构自身的机械力学，即可实现冲击和归位，降低了后续损坏的概率。

19、本发明的结构大部分为可拆卸设计，方便对需要更换的部分零部件进行维护修理和更换，降低整体使用成本。

技术特征：

1.一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，包括第一钻头体（1），第一钻头体（1）作为pdc钻头，所述第一钻头体（1）侧面设有多个保径（4），保径（4）的上方为多个带有切削齿（5）的刀翼（3），在第一钻头体（1）的中心设有贯穿的圆形通孔作为安装孔（11），安装孔（11）内安装有尺寸与安装孔（11）相匹配的第二钻头体（6），且第二钻头体（6）在pdc钻头的安装孔（11）中能在一定范围内轴向运动，第二钻头体（6）在第一钻头体（1）的安装孔（11）中能周向转动；第二钻头体（6）的顶面设有冲击齿（7）。

2.根据权利要求1所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，所述第二钻头体（6）的中部沿着轴线设有钻井液流道（12），所述钻井液流道（12）的一端向靠近冲击齿（7）的一面延伸，并在靠近冲击齿（7）之前的区域设有一段分流段，从分流段分出多个支线流道并贯穿到靠近冲击齿（7）侧的外周面，其中一部分的支线流道设置于靠近第二钻头体（6）端面处，作为第一喷嘴（8），另一部分的支线流道设置于靠近第二钻头体（6）的周面与端面交界处，作为第二喷嘴（9）。

3.根据权利要求2所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，所述第一喷嘴（8）朝向井底底部，并沿着喷嘴设有一段凹槽，用于清洗井底的中心区域，并辅助破岩；所述第二喷嘴（9）朝向井底四周，用于清洁井底的外围区域。

4.根据权利要求2所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，在所述钻井液流道（12）的另一端向远离冲击齿（7）的方向延伸，并在延伸到一定距离后停止，不贯穿整个第二钻头体（6），在钻井液流道（12）的末端区域设有径向延伸的多个第二泄流孔（10），在第一钻头体（1）的内侧设有多个可联通第二泄流孔（10）的第一泄流孔（17），所述第一泄流孔（17）的后端连接到设置于第一钻头体（1）内部的环形凹槽（14），环形凹槽（14）的另一端连接到第一钻头体（1）的端部并贯穿，所述第二泄流孔（10）的外部设有一圈高度大于第二泄流孔（10）高度的泄流槽（13），当第二泄流孔（10）随着第二钻头体（6）转动和/或轴线运动的时候通过泄流槽（13）增大适配范围，能在任意角度和高度活动范围内，实现第一泄流孔（17）和第二泄流孔（10）的联通；实现钻井液从钻头的根部送入后通过环形凹槽（14）进入钻井液流道（12），并通过第一喷嘴（8）和第二喷嘴（9）离开钻头。

5.根据权利要求4所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，在第一钻头体（1）的侧面设有从外周面贯穿到安装孔（11）的限位孔（18），在对应限位孔（18）的第二钻头体（6）外周面上设有一圈限位槽（19），限位槽（19）的高度大于限位孔（18）的高度，限位孔（18）内用于安装紧固件，所述紧固件（20）为紧固螺栓或紧固销钉。

6.根据权利要求5所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，当采用紧固件（20）为紧固螺栓的时候，所述紧固件（20）带有外螺纹，限位孔（18）带有内螺纹，实现匹配固定；

7.根据权利要求6所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，所述第二钻头体（6）的末端设有一段外螺纹段，该外螺纹段作为第二传动螺纹（16），在第一钻头体（1）内侧的安装孔（11）上设有对应第二钻头体（6）的第二传动螺纹（16）的内螺纹段，该内螺纹段作为第一传动螺纹（15），所述第二传动螺纹（16）和所述第一传动螺纹（15）的长度均小于半圈；当第二钻头体（6）在第一钻头体（1）内轴向运动并旋转的时候，第二传动螺纹（16）沿着第一传动螺纹（15）旋转并轴向运动，运动到脱扣的位置时在重力和水压作用下，向下冲击运动破岩。

8.根据权利要求7所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，所述第一钻头体（1）和第二钻头体（6）都有多租相互匹配的型号，不同型号的第一钻头体（1）的第一传动螺纹（15）及第二钻头体（6）的第二传动螺纹（16）螺距不同，用于调节冲击高度。

9.根据权利要求8所述的一种可分离式冲击旋转钻头，其特征在于，所述第一传动螺纹（15）和所述第二传动螺纹（16）的螺纹传动圈数为0.4圈。

技术总结
本发明公开了一种可分离式冲击旋转钻头，包括第一钻头体，第一钻头体作为PDC钻头，所述第一钻头体侧面设有多个保径，保径的上方为多个带有切削齿的刀翼，在第一钻头体的中心设有贯穿的圆形通孔作为安装孔，安装孔内安装有尺寸与安装孔相匹配的第二钻头体，且第二钻头体在PDC钻头的安装孔中能在一定范围内轴向运动，第二钻头体在第一钻头体的安装孔中能周向转动；第二钻头体的顶面设有冲击齿。本发明通过在PDC钻头内部设计一安装孔位，将冲击钻头安装在安装孔内让两者相结合，能同时发挥两种作用在进行钻井工作时互不干扰，无需专用的冲击器对冲击钻头进行驱动，能够节省大量成本，进行高效破岩，提高钻进效率。

技术研发人员：祝效华,成耀杰,刘伟吉
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1