一种冲切分离式复合PDC钻头工具

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种冲切分离式复合pdc钻头工具。

背景技术：

1、随着聚晶金刚石复合片钻头(polycrystalline diamond compact bit，简称pdc钻头)在石油钻井行业得到广泛应用，并取得了巨大的综合经济效益。但随着油气资源的开发从浅层向深层甚至超深层地层拓展，深部地层岩石的高强度、高塑性、高研磨性严重制约着pdc钻头的钻进效率和经济成本的降低。

2、利用冲击器将冲击能量作用于钻头，通过冲击辅助破岩方式将冲击能量直接作用于切削齿上，该破岩方式能够有效降低pdc钻头黏滑振动趋势，但是其缺点是一方面冲击载荷作用在切削齿上，必将造成一定的冲击损伤，降低切削齿自身的抗冲击能力；另一方面，冲击载荷通过钻头传导至井底岩石，能量利用率较低，辅助破岩效果随之减弱。

3、中国专利cn201210155406.8公开了一种刮切-冲击复合式pdc钻头，在钻头体上设置有固定切削结构和冲击切削结构，冲击切削结构能够在冲击力传递方向上相对于钻头体做滑动或滑动冲击，有利于提高破岩效率，减缓切削齿的磨损速度。中国专利cn202211066008.9公开了一种自冲击pdc钻头，在钻头本体布置有冲击总成和冲击体，其中冲击体构造成包括用于连接冲击载荷生成单元的连接轴和多个形成于连接轴的末端的冲击翼，冲击总成能够在驱动单元和冲击载荷生成单元的作用下产生周期性的冲击载荷，从而达到冲击破岩，在井底产生冲击坑的目的。

4、冲击辅助破岩方式一般复合于常规pdc钻头的切削破岩，起到预破碎的作用。在深井、超深井，以及定向井、水平井钻井条件下，钻井提速增效的目标一方面要能够提高破岩效率，另一方面要避免异常失效事故的发生。因此，冲击能量的利用率是实现辅助破岩提速的关键，一方面需要通过工具机械结构产生强大的冲击载荷，另一方面需要避免摩擦阻力对冲击能量的削弱作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种冲切分离式复合pdc钻头工具，依靠钻井液驱动，实现工具体内传动总成的周向旋转和轴向往复运动，再通过上冲轮和下冲轮的棘轮特征，实现“滑移-冲击-啮合”的传动关系，传递到冲头实现冲击辅助破岩，两套切削结构相互独立，达到提高钻进破岩效率、降低钻头异常损伤的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

3、一种冲切分离式复合pdc钻头工具，包括有外壳体和钻头体，其中钻头体上设置有固定切削结构和冲击切削结构；在所述外壳体和钻头体内设置有由扶正轮、导轮、叶轮和上冲轮组成的传动总成，还有由下冲轮、连接盘、连接杆和冲头组成的冲击总成；所述上冲轮和下冲轮均设置有棘轮特征，通过上冲轮的旋转运动实现棘轮特征之间“滑移-冲击-啮合”的传动关系。

4、上述方案中，当钻头钻进岩石时，钻井液通过扶正轮、导轮进入到叶轮中，并在钻井液的驱动下使叶轮周向旋转。在导轮和叶轮之间的转动副具有周向旋转和轴向移动两个方向的自由度，由于上冲轮和下冲轮之间棘轮特征的“滑移-冲击-啮合”的传动关系，一方面钻井液驱动叶轮旋转具有向下的运动趋势，另一方面棘轮特征的传动关系，使叶轮具有向上的运动趋势，这两种运动趋势往复作用下，就能够获得周而复始的冲击运动和冲击动载。冲击动载沿着冲击总成最终作用到井底岩石，实现冲击辅助破岩过程。

5、作为选择，所述连接盘下部设置有连接盘轴孔特征，它与钻头体中心流道相配合，构成移动副，并且在连接盘与钻头体之间设置有复位弹簧。

6、上述方案中，连接盘与中心流道之间的移动副能够对连接盘起到很好的扶正作用，即保障连接盘接收到的冲击动载沿着直线方向继续向下传递到连接杆和冲头，避免了沿程不必要的能量损耗。另外，复位弹簧的设置具有将冲头进行复位回弹的作用，还可以将在钻压扭矩的双重影响下，冲头被拉回时周向偏移的可能性减小。在冲击器非工作状态下，复位弹簧的回弹作用使冲头脱离井底，避免了非必要的磨损，有利于延长冲击切削结构的使用寿命。

7、作为选择，所述导轮下部设置有导轮连接孔，在所述叶轮上部设置有叶轮连接轴，所述导轮连接孔与所述叶轮连接轴相配合，构成转动副，并且在所述导轮连接孔与所述叶轮连接轴之间设置有储能弹簧。

8、上述方案中，在上冲轮和下冲轮之间的“滑移”过程中，上冲轮上行压缩储能弹簧，蓄积弹性势能；在“冲击”过程中弹性势能释放能够更为有效地增加上冲轮的冲击动载，使冲击能量更大，冲击辅助破岩效果更明显。

9、作为选择，所述连接杆下部与冲头固定连接，上部与连接盘固定连接，并且连接杆中心线与外壳体中心线、中心流道中心线三者相互平行。

10、上述方案中，能够保障冲击动载的作用方向与连接盘、连接杆、冲头的运动方向一致，避免引起连接杆以及与其配合的孔壁产生过大的摩擦力，能够有效降低冲击动载的沿程能量损耗，有效保障冲击动载的能量利用率。

11、作为选择，所述导轮上部设置有扶正轮，它通过定位销与外壳体连接固定，同时又与所述导轮的导轮连接螺纹连接固定。

12、上述方案中，扶正轮通过定位销与外壳体连接固定具有结构工艺简单，定位可靠，拆装方面等诸多优点。

13、作为选择，所述上冲轮下部设置有棘轮特征，上部设置有上冲轮连接螺纹，并且与叶轮相连接固定，在周向上设置有上冲轮流道。

14、上述方案中，上下冲轮所具有的棘轮特征可以确保在高强度、高频率的冲击动载更加连续，且冲击力传递的更加可靠，由于棘轮特征本身的优点，其“啮合-滑移-冲击”行为更精准，传力更稳定。

15、作为选择，所述下冲轮上部设置有棘轮特征，下部设置有下冲轮连接螺纹，并且与连接盘固定连接，在中心区域设置有下冲轮流道。

16、上述方案中，将下冲轮和连接盘通过螺纹连接固定，做成一体式结构，能够进一步减少钻头工具的整体尺寸，减少钻井液压耗，对地层和钻井工艺的适应性更强。

17、作为选择，所述连接盘外圆柱面设置有密封结构，所述连接盘轴孔特征外圆柱面与中心流道之间设置有密封结构，所述连接杆的外圆柱面设置有密封结构。

18、上述方案中，分别在连接盘、连接盘轴孔特征和连接杆外圆柱面间设置密封结构，能够避免固相磨粒进入到运动副，保障运动副间的低摩擦特性，有利于保障钻头工具的使用寿命。

19、作为选择，所述固定切削结构，包括有所述钻头体上的刀翼，以及镶固在刀翼上的固定切削齿，固定切削齿为聚晶金刚石复合片齿。

20、上述方案中，使用聚晶金刚石复合片齿（pdc齿），具有极高的耐磨性，且在钻井工程中使用广泛，有利于增强钻头工具的使用寿命。

21、作为选择，所述冲击切削结构，包括有所述冲头，以及镶固在冲头上的冲击切削齿，冲击切削齿为硬质合金齿。

22、上述方案中，使用硬质合金齿，具有较高的耐磨性和冲击韧性，且在钻井工程中使用广泛，有利于增强钻头工具的使用寿命。

23、本发明专利所能够实现的有益效果包括：

24、1、本发明专利方案能够充分利用钻井液的驱动力实现冲击动载的发生、传递和辅助破岩过程，具有冲击能量利用率高，冲击频率调节方便，辅助破岩作用效果好等诸多优点。上下冲轮具有的棘轮特征可以确保在高强度、高频率的冲击动载更加连续，且冲击力传递的更加可靠，由于棘轮特征本身的优点，其“啮合-滑移-冲击”行为更精准，传力更稳定。

25、2、连接盘轴孔特征与钻头体间通过中心流道形成的轴向滑动连接，具有较强的扶正作用，能够提高冲击能量的利用率，达到提升钻头冲击辅助破岩效果的目的。

26、3、外壳体内的导轮与叶轮间的轴孔结构设置有储能弹簧，上冲轮和下冲轮的棘轮特征在“滑移”过程中压缩储能弹簧，在“冲击”过程中储能弹簧复位能够增强上冲轮的冲击力。此储能弹簧的设置可以有效地增加带有棘轮特征的上下冲轮运动时产生的冲击力，使冲击能量更大，冲击效果更明显。

27、4、连接盘与钻头体间设置有复位弹簧。此复位弹簧的设置具有将冲头进行复位回弹的作用，还可以将在钻压扭矩的双重影响下时冲头被拉回时周向偏移的可能性减小。