本发明属于油气勘探开发用工具技术领域，具体地涉及一种用于井下钻具的破岩钻头。
背景技术：
pdc钻头由于具有钻速高、寿命长、设计灵活等特点，而被广泛应用于石油天然气钻探开发。常规的pdc钻头仅能在井底切削破岩而形成平滑的井底造型，无法在井底形成破碎坑等不规则井底，并且无法多维破岩提前释放地应力，其在坚硬地层钻头的机械钻速低，钻井效率低。而牙轮钻头和混合钻头的冲击或挤压破岩模式虽然能够在一定程度上提高钻头的机械钻速和破岩效率，但这类钻头由于钻头内部的轴承承受较大的钻压载荷，导致其自身寿命短，安全性能差。
目前，旋转冲击钻井技术因为具有更高的钻井速度而得到广泛应用。旋转冲击钻井技术通过推动pdc钻头冲击地层产生冲击破碎坑使得地应力提前释放，以此来降低后续pdc切削齿破碎岩石的难度，进而提高钻头综合破岩效率和钻井速度。现有的冲击钻井工具例如有液动射流式冲击器、水力脉冲型冲击器、扭力冲击器、复合冲击器等，这些工具都是在pdc钻头的上部连接一个冲击工具，从而对钻头整体施加冲击力来破碎地层。然而，这类冲击工具的整体功率较大、消耗水力能量较大，且这些钻具连接的pdc钻头耐冲击性能差，在提高破岩效率的同时，也会导致pdc钻头的切削齿崩齿或过度磨损，在坚硬地层pdc钻头失效快，从而严重影响钻井施工效率，增加生产成本。
技术实现要素：
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明提出了一种用于井下钻具的破岩钻头，该破岩钻头能够产生周期性的冲击力，并且能够作用于破岩钻头的单个钻齿以使破岩钻头具有冲击破岩功能，从而能够在钻头切削破岩的同时进行冲击破岩。此外，破岩钻头能够使破岩齿冲击地层形成不规则井底造型，有利于降低后续钻头的刀翼的切削破岩的难度。该破岩钻头能够适用于深井、超深井，其适用性强，显著提高了在坚硬地层的破岩效率和钻进速度。
为此，根据本发明，提出了一种用于井下钻具的破岩钻头，包括：钻头基体，在所述钻头基体内设有轴向延伸的第一腔体，在所述钻头基体上的刀翼内部设有第二腔体；设置在所述第一腔体内的动力机构，其包括能够在钻井液的作用下产生旋转动力的叶轮；连接在所述动力机构的下端的冲击发生机构，所述冲击发生机构能够在所述叶轮的转动作用下产生周期性的水击脉冲压力；以及安装在所述第二腔体内的冲击机构，所述冲击机构通过传动杆与所述冲击发生机构连接，并能够在所述第二腔体内往复运动；其中，在所述冲击发生机构与所述第一腔体的内壁之间设有弹性蓄能件，所述弹性蓄能件与所述周期性的水击脉冲压力对所述冲击发生机构共同作用，能够使所述冲击发生机构产生周期性的冲击力，并将所述周期性的冲击力通过所述传动杆传递给所述冲击机构，从而使所述冲击机构与所述刀翼共同作用进行冲击与切削混合破岩。
在一个优选的实施例中，所述动力机构包括用于悬挂支撑所述叶轮的导轮，所述导轮设有若干在周向上均匀分布的钻井液流道，所述钻井液流道构造成在周向上部分延伸的弧形通孔。
在一个优选的实施例中，在所述第一腔体内设有第一台肩，所述导轮固定安装在所述第一台肩上，且与所述叶轮通过轴承形成转动连接。
在一个优选的实施例中，所述冲击发生机构包括与所述叶轮固定连接的动节流盘和设置在所述动节流盘的下游端的静节流盘，所述动节流盘在所述叶轮的作用下与所述静节流盘相对转动，使得所述冲击发生机构的过流面积呈周期性变化而形成节流效应，以对所述静节流盘形成周期性的水击脉冲压力，从而使所述静节流盘在所述水击脉冲压力和所述弹性蓄能件的作用下做上下往复运动以产生周期性的冲击力。
在一个优选的实施例中，所述动节流盘设有第一偏心流道，所述静节流盘设有第二偏心流道，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道在所述动节流盘的转动作用下周期性地重合交错，从而使所述冲击发生机构的过流面积呈周期性变化。
在一个优选的实施例中，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道均构造成在周向上部分延伸，且周向延伸的圆弧角度大于180°。
在一个优选的实施例中，在所述静节流盘的与所述动节流盘相对的一端固定连接有冲锤，所述冲锤的自由端构造成梨形锤头且与所述传动杆接触，用于将所述周期性的冲击力传递给所述冲击机构。
在一个优选的实施例中，在所述第一腔体的内壁上设有第二台肩，所述弹性蓄能件的一端安装在所述第二台肩上，另一端与所述静节流盘的端面接触。
在一个优选的实施例中，所述冲击机构包括锥型破岩齿和连接在所述锥形破岩齿端部的圆柱形底座，所述圆柱形底座的直径设置成大于所述锥型破岩齿的直径而形成有台阶部，且所述圆柱形底座的端面与所述传动杆的端面接触。
在一个优选的实施例中，在所述第二腔体的内壁上固定安装有防掉环，所述锥型破岩齿套装在所述防掉环内，且在所述防掉环与所述台阶部之间设有复位弹簧。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于井下钻具的破岩钻头的结构。
图2显示了图1所示破岩钻头中的叶轮的结构。
图3显示了图1所示破岩钻头中的导轮的结构。
图4显示了图1所示破岩钻头中的动节流盘的结构。
图5是图1所示a区域的局部放大视图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中，需要说明的是，将根据本发明的用于井下钻具的破岩钻头下方到井筒中远离井口的一端定义为下端或相似用语，将靠近井口的一端定义为上端或相似用语。
图1显示了根据本发明的用于井下钻具的破岩钻头100的结构。如图1所示，破岩钻头100包括钻头基体10。钻头基体10的钻进端设有若干用于切削破岩的刀翼。钻头基体10的上端设有接头11，接头11用于将破岩钻头100安装连接到上部钻具(未示出)上。在一个实施例中，接头11构造成锥形连接扣，从而与上部钻具的接头适配安装，以将破岩钻头100固定连接到上部钻具上。破岩钻头100的这种接头形式能够保证其与上部钻具之间的连接的紧固性，从而保证其安全性能，且安装方便快捷。
根据本发明，在钻头基体10的内部设有用于布设零部件的第一腔体20。如图1所示，第一腔体20从钻头基体10的上端面沿轴向向内延伸。第一腔体20构造成包括上圆柱形腔体部分和下圆柱形腔体部分，下圆柱形腔体部分的直径设置成大于上圆柱形腔体部分的直径。在第一腔体20内的第一圆柱形腔体部分的内壁上设有第一台肩21，在第一腔体20内的第一圆柱形腔体部分与第二圆柱形腔体部分的连接处形成有第二台肩22。第一台肩21和第二台肩22的作用将在下文进行介绍。
在本实施例中，在钻头基体10内还设有与第一腔体20连通的第二腔体30。第二腔体30设置在破岩钻头100上的刀翼内部。根据本发明，在破岩钻头100的多个刀翼内设置第二腔体30。如图1所示，第二腔体30构造成圆柱形腔体，且第二腔体30的直径小于第一腔体20的圆柱形腔体部分的直径。第二腔体30适应刀翼的分布而设置在刀翼内部，从而使得第二腔体30的轴线与第一腔体20的轴向呈一定角度分布。第二腔体30的一端与第一腔体20连通，另一端延伸至钻头基体10的端部，从而使第一腔体20和第二腔体30共同贯穿钻头基体10。
此外，在钻头基体10内部还设有用于过流钻井液的流道12，流道12与第一腔体20的回转形腔体部分连通，且一直延伸至钻头基体10的末端。在工作过程中，来自钻具的钻井液通过钻头基体10内的第一腔体20，进而通过流道12排出。
根据本发明，破岩钻头100还包括动力机构40。如图1所示，动力机构40设置在第一腔体20内，且安装在第一腔体20的圆柱形腔体部分内。动力机构40包括叶轮41，叶轮41能够在钻井液的作用下转动。图2显示了叶轮41的结构，如图2所示，叶轮41构造成螺旋形多叶片结构。在工作工程中，钻井液能够流过叶片进而推动叶轮41快速旋转。
在本实施例中，动力机构40还包括导轮42。导轮42坐落在第一腔体20的第一台肩21上，用于悬挂支撑叶轮41。如图3所示，导轮42构造成圆柱体形。导轮42固定安装后在第一台肩21上，与钻头基体10形成固定连接。在导轮42的中部设有轴向贯穿导轮42的安装孔421。同时，在叶轮41的一端(图1中的上端)设有轴向向外的圆柱体形的第一安装接头411。第一安装接头411通过轴承适配安装到导轮42的安装孔421中，从而使叶轮41与导轮42形成转动连接。导轮42设有若干在周向上均布的钻井液流道422。在一个实施例中，钻井液流道422构造成在周向上部分延伸的弧形通孔。在作业过程中，来自上部钻具的钻井液通过导轮42中的钻井液流道422，进而推动叶轮41转动。在一个实施例中，导轮42的流道可以设置成沿轴向贯穿导轮42而形成直流道。在一个未示出的实施例中，导轮42的流道可以设置成螺旋形流道，且流道的旋向设置成与叶轮41的螺旋方向相反，从而能够通过大角度改变钻井液流向，以提高钻井液的流道速度，进而能够提高叶轮旋转速度及旋转动力。
根据本发明，破岩钻头100还包括冲击发生机构50。如图1所示，冲击发生机构50设置在动力机构50的下端。冲击发生机构50包括能够相对转动的动节流盘51和静节流盘52。动节流盘51与叶轮41的固定连接，从而能够随叶轮41同步转动。静节流盘52安装在动节流盘51的下游端，在工作过程中，静节流盘52不转动，而能够在钻井液的作用下相对于动节流盘51座上下往复运动。
在本实施例中，动节流盘51构造成圆柱体形。动节流盘51外径小于第一腔体20的圆柱形腔体部分的直径。在动节流盘51的一个端面的中部设有圆柱体形的第二安装接头511。同时，叶轮41的另一端(图1中的下端)设有轴向向内延伸的第一安装部412。动节流盘51通过第二安装接头511适配安装到叶轮41的第一安装部412中，从而使动节流盘51与叶轮41形成固定连接。动节流盘51设有轴向贯穿动节流盘51的第一偏心通道512，第一偏心通道512构造成在周向上部分延伸，且周向延伸的圆弧角度大于180°。静节流盘52也构造成圆柱体形，其外径小于第一腔体20的圆柱形腔体部分的直径，且静节流盘52能够沿第一腔体20的圆柱形腔体部分轴向上下运动。静节流盘52设有轴向贯穿静节流盘52的第二偏心通道522，第二偏心通道522构造成在周向上部分延伸，且周向延伸的圆弧角度大于180°。图4示意性地显示了动节流盘51的立体结构。
在工作过程中，初始状态时动节流盘51的下端面与静节流盘52的上端面接触。并且叶轮41在钻井液的作用下持续旋转，动节流盘51随叶轮41同步转动而与静节流盘52相对转动。第一偏心流道512和第二偏心流道522周期性地部分重合与交错，并且始终存在部分重合以保证钻井液流通。由此，使得冲击发生机构50的过流面积呈周期性变化以产生节流效应，从而使得钻井液对静节流盘52产生周期性的脉冲压力。
在本实施例中，在静节流盘52的下端还固定连接有冲锤53。静节流盘52的下端面设有轴向向内延伸的第二安装部，冲锤53的一端(图1中的上端)适配安装在第二安装部中而与静节流盘52形成固定连接。冲锤53的另一端(图1中的下端)构造成梨形锤头。工作过程中，冲锤53与静节流盘52同步运动并用于将静节流盘52产生的冲击力向下游端传递。
根据本发明，冲击发生机构50还包括弹性蓄能件54，弹性蓄能件54设置在静节流盘52与第一腔体12的内壁之间，且弹性蓄能件54的内径大于冲锤53的外径，从而使冲锤53能够穿过弹性蓄能件54而与静节流盘52固定连接。在一个实施例中，弹性蓄能件采用碟簧组。弹性蓄能件54安装在第一腔体20内的第二台肩22上，弹性蓄能件54的一端支撑在第二台肩22上，另一端与静节流盘52的连接有冲锤53的端面接触以支撑静节流盘52。弹性蓄能件54能够使静节流盘52在产生的周期性的脉冲压力的作用下往复运动，从而产生周期性的冲击力。
冲击发生机构50在实际工作过程中，叶轮41在钻井液的作用下旋转，动节流盘51随叶轮41同步转动而与静节流盘52相对转动。当动节流盘51转动到使第一偏心流道512与第二偏心流道522交错而小面积重合时，钻井液流通受阻而产生脉冲压力并施加到静节流盘52的上端面，从而推动静节流盘52下行以形成冲击力。同时，压缩弹性蓄能件54蓄能。当动节流盘51转动到使第一偏心流道512与第二偏心流道522大面积重合时，钻井液流通顺畅并泄压。同时，弹性蓄能件54复位并推动静节流盘52上行。由此，使静节流盘52实现产生周期性的往复运动进而产生周期性的冲击力。
根据本发明，破岩钻头100还包括传动杆55。如图1所示，传动杆55为圆柱直杆，其同心安装在第二腔体30内，且能够沿第二腔体30的轴向方向运动。传动杆55的一端(上端)伸出第二腔体30而处于第一腔体20的回转形腔体部分内，且与静节流盘52下端连接的冲锤53的梨形锤头接触。传动杆55用于传递冲击发生机构50产生的周期性的冲击力。
根据本发明，破岩钻头100还包括安装在第二腔体30内的冲击机构60。图5是图1中区域a的局部放大图，显示了冲击机构60的结构。如图5所示，冲击机构60包括锥型破岩齿61，在锥型破岩齿61的端部设有圆柱形底座62，圆柱形底座62的端面与传动杆55的端面接触。锥型破岩齿61用于接收传动杆55传递的周期性的冲击力以进行破岩钻进。圆柱形底座62的直径设置成大于锥型破岩齿61的直径，从而在圆柱形底座62与锥型破岩齿61的连接处形成有台阶部，且锥型破岩齿61能够在第二腔体30内轴向运动。另外，第二腔体30的靠近第一腔体20的一端部分的直径设置成小于靠近钻头刀翼的一端部分的直径，从而在第二腔体30内形成有第二台肩。安装时，锥型破岩齿61的圆柱形底座62的台阶部坐落在第三台肩上，且台阶部能够对锥型破岩齿61的轴向运动进行限位。
在本实施例中，在第二腔体30的靠近钻头刀翼的一端的内壁上固定安装有防掉环63，防掉环63套装在锥型破岩齿61上，在防掉环63与锥型破岩齿61的台阶部之间设有复位弹簧64。复位弹簧64的一端坐落在防掉环63的端面上，另一端与锥型破岩齿61的台阶部的端面接触以对破岩齿40形成支撑。防掉环63能够压缩复位弹簧64，并能够防止锥型破岩齿61脱落。锥型破岩齿61在传动杆55传递的周期性的冲击力和复位弹簧64的共同作用下往复运动，进而产生周期性的冲击力，从而进行冲击破岩。此外，锥型破岩齿61在复位弹簧64的作用下能够自动回缩，从而能够有效避免地层过度磨损锥型破岩齿61，有效防止锥型破岩齿61过早失效或脱落，延长了锥型破岩齿61的使用寿命。
根据本发明，可在若干第二腔体30中均分别安装传动杆55和冲击机构60，从而通过冲击发生机构50以及冲锤53同时冲击若干传动杆和冲击机构，以共同实现单齿破岩，同时与钻头的切削破岩混合进行破岩钻进，大大提高了破岩钻头100的破岩效率。
工作过程中，当冲击发生机构50中的静节流盘52和冲锤53下行冲击传动杆55时，传动杆55随之下行并将冲击力传递给锥型破岩齿61，锥型破岩齿61向外伸出并压缩复位弹簧64。当冲击力消失时，静节流盘52和冲锤53上移，复位弹簧64推动锥型破岩齿61回退，锥型破岩齿61推动传动杆55上移。由此，锥型破岩齿61完成一次破岩冲击。
下面简述根据本发明的用于井下钻具的破岩钻头100的工作过程。破岩钻头100在工作过程中，钻井液从上部钻具(未示出)流入钻头基体10的第一腔体20内，并且通过导轮42的钻井液流道422流向叶轮41，进而推动叶轮41高速旋转。叶轮41高速旋转并带动冲击发生机构50中的动节流盘51同步转动，而静节流盘52不转动。由此，当动节流盘51转动到使第一偏心流道512与第二偏心流道522交错而小面积重合时，钻井液的流通被部分阻断，瞬间产生较大的脉冲压力，并施加到静节流盘52的上端面，从而推动静节流盘52和冲锤53下行以形成冲击力。同时，压缩弹性蓄能件54使其处于收缩蓄力状态。冲锤53在下行过程中，撞击并推动传动杆55下行，进而推动锥型破岩齿61伸出第二腔体30并产生破岩冲击力。由此，给锥型破岩齿61提供破岩冲击力进行破岩。此时，复位弹簧64处于压缩蓄力状态。叶轮21持续旋转，当动节流盘51转动到使第一偏心流道512与第二偏心流道522大面积重合时，钻井液流通顺畅并泄压且脉冲压力消失。同时，弹性蓄能件54复位并推动静节流盘52上行。此时，传动杆55所受的下行推力消失，复位弹簧64复位推动锥型破岩齿61回退并使传动杆55上移。工作时，动节流盘51在钻井液的作用下持续不断地旋转，使得动节流盘51上的第一偏心流道512与静节流盘52上的第二偏心流道522周期性地错开与重合，从而产生周期性的脉冲压力。并且，静节流盘52在弹性蓄能件54的作用下周期性地往复运动并产生周期性的冲击力，进而通过冲锤53和传动杆55传递给锥型破岩齿61。同时，锥型破岩齿61在复位弹簧64的作用下，第二腔体30内周期性地伸缩，并不断产生破岩冲击力进行冲击破岩。由此，通过锥型破岩齿61冲击、犁削地层以形成破碎坑以提前释放地应力，实现了破岩钻头100切削冲击与单齿冲击混合冲击破岩，形成不规则井底造型，有利于后续钻具钻头的pdc刀翼切削破岩，大大提高了破岩钻头100的破岩钻进效率。
根据本发明的用于井下钻具的破岩钻头100能够产生周期性的冲击力，并且能够作用于破岩钻头的单个钻齿以使破岩钻头具有单齿冲击破岩功能，从而能够在钻头切削破岩的同时进行冲击破岩，实现了破岩钻头100切削与单齿冲击混合冲击破岩。此外，破岩钻头100通过锥形破岩齿61冲击破岩能够使井底岩石地应力提前释放，并能形成不规则井底造型，从而显著降低了后续刀翼切削破岩的难度，进一步提高了钻头在坚硬地层的破岩效率。此外，破岩钻头100的结构简单紧凑，易于安装操作，且安全性能高，使用寿命长。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
1.一种用于井下钻具的破岩钻头，包括：
钻头基体(10)，在所述钻头基体内设有轴向延伸的第一腔体(20)，在所述钻头基体上的刀翼内部设有第二腔体(30)；
设置在所述第一腔体内的动力机构(40)，其包括能够在钻井液的作用下产生旋转动力的叶轮(41)；
连接在所述动力机构的下端的冲击发生机构(50)，所述冲击发生机构能够在所述叶轮的转动作用下产生周期性的水击脉冲压力；以及
安装在所述第二腔体内的冲击机构(60)，所述冲击机构通过传动杆(55)与所述冲击发生机构连接，并能够在所述第二腔体内往复运动；
其中，在所述冲击发生机构与所述第一腔体的内壁之间设有弹性蓄能件(54)，所述弹性蓄能件与所述周期性的水击脉冲压力对所述冲击发生机构共同作用，能够使所述冲击发生机构产生周期性的冲击力，并将所述周期性的冲击力通过所述传动杆传递给所述冲击机构，从而使所述冲击机构与所述刀翼共同作用进行冲击与切削混合破岩。
2.根据权利要求1所述的破岩钻头，其特征在于，所述动力机构包括用于悬挂支撑所述叶轮的导轮(42)，所述导轮设有若干在周向上均匀分布的钻井液流道(422)，所述钻井液流道构造成在周向上部分延伸的弧形通孔。
3.根据权利要求2所述的破岩钻头，其特征在于，在所述第一腔体内设有第一台肩(21)，所述导轮固定安装在所述第一台肩上，且与所述叶轮通过轴承形成转动连接。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的破岩钻头，其特征在于，所述冲击发生机构包括与所述叶轮固定连接的动节流盘(51)和设置在所述动节流盘的下游端的静节流盘(52)，所述动节流盘在所述叶轮的作用下与所述静节流盘相对转动，使得所述冲击发生机构的过流面积呈周期性变化而形成节流效应，以对所述静节流盘形成周期性的水击脉冲压力，从而使所述静节流盘在所述水击脉冲压力和所述弹性蓄能件的作用下做上下往复运动以产生周期性的冲击力。
5.根据权利要求4所述的破岩钻头，其特征在于，所述动节流盘设有第一偏心流道(512)，所述静节流盘设有第二偏心流道(522)，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道在所述动节流盘的转动作用下周期性地重合和交错，从而使所述冲击发生机构的过流面积呈周期性变化。
6.根据权利要求5所述的破岩钻头，其特征在于，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道均构造成在周向上部分延伸，且周向延伸的圆弧角度大于180°。
7.根据权利要求4所述的破岩钻头，其特征在于，在所述静节流盘的与所述动节流盘相对的一端固定连接有冲锤(53)，所述冲锤的自由端构造成梨形锤头且与所述传动杆接触，用于将所述周期性的冲击力传递给所述冲击机构。
8.根据权利要求1所述的破岩钻头，其特征在于，在所述第一腔体的内壁上设有第二台肩(22)，所述弹性蓄能件的一端安装在所述第二台肩上，另一端与所述静节流盘的端面接触。
9.根据权利要求1所述的破岩钻头，其特征在于，所述冲击机构包括锥型破岩齿(61)和连接在所述锥形破岩齿端部的圆柱形底座(62)，所述圆柱形底座的直径设置成大于所述锥型破岩齿的直径而形成有台阶部，且所述圆柱形底座的端面与所述传动杆的端面接触，所述锥型破岩齿能够在所述传动杆的作用下伸出所述第二腔体进行冲击破岩。
10.根据权利要求9所述的破岩钻头，其特征在于，在所述第二腔体的内壁上固定安装有防掉环(63)，所述锥型破岩齿套装在所述防掉环内，且在所述防掉环与所述台阶部之间设有复位弹簧(64)，所述锥型破岩齿能够在所述复位弹簧的作用下缩回所述第二腔体。
技术总结