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自动冲击钻头。
背景技术：
随着油气田的不断开采，油气开发逐步向更深地层钻进。由于深部地层岩石的硬度高、研磨性强以及可钻性差，对钻井工具的要求也越来越高。现有技术中通常采用牙轮钻头或混合钻头通过挤压或剪切的方式进行混合破岩，从而形成不规则井底，在一定程度上能够破岩效率和钻井速度。然而，由于钻头内部的轴承承受较大的钻压载荷，导致钻头井下工作寿命短，安全性能差。常规pdc钻头仅能切削破岩，无法在井底形成破碎坑等不规则井底，且无法提前释放地应力，在硬地层其机械钻速低，钻井效率低。
目前，钻井现场的冲击钻井技术通过施加周期性冲击载荷，以推动pdc钻头冲击地层产生冲击破碎坑，从而使得地应力提前释放，提高钻头破碎地层效率，提高钻井速度。现有的冲击钻井工具例如有射流式冲击器、螺杆式冲击器、水力脉冲型冲击器、空气锤等，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。并且，由于地面机泵能力的不足，其在深井、超深井中的适用性差。此外，冲击工具推动钻头整体冲击地层，工具冲击参数与pdc钻头不匹配时会导致pdc钻头崩齿或过度磨损，从而造成钻头提前失效，影响钻井施工，且安全性差。
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自动冲击钻头，该自动冲击钻头能够产生周期性的压力脉冲以形成周期性的冲击力，且能够在钻头切削破岩的同时进行冲击破岩。该自动冲击钻头所需水力能量小，能够显著提高钻头的破岩效率和钻井速度，并能够适用于深井、超深井的钻井施工。
为此，根据本发明，提出了一种用于井下钻具的自动冲击钻头，包括：钻头基体，在所述钻头基体的内部设有轴向延伸的第一腔体和设置在所述钻头基体上的刀翼内部的第二腔体；设置在所述第一腔体内的水击脉冲发生装置，用于产生周期性的压力脉冲；以及安装在所述第二腔体内的破岩齿，所述破岩齿通过传动轴与所述水击脉冲发生装置连接，并能够在所述第二腔体内往复运动；其中，在所述静阀盘与所述第一腔体的内壁之间设有弹性件，所述弹性件和所述周期性的压力脉冲对所述水击脉冲发生装置共同作用，能够使所述水击脉冲发生装置发生往复运动，以形成周期性的冲击力，并将所述周期性的冲击力通过所述传动轴传递给所述破岩齿，从而进行冲击破岩。
在一个优选的实施例中，所述水击脉冲发生装置包括能够在钻井液的作用下转动的叶轮和阀盘机构，所述阀盘机构包括能够相对转动的动阀盘和静阀盘，所述动阀盘与所述叶轮的底座固定连接而能够随所述叶轮转动，以使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化，从而产生周期性的压力脉冲。
在一个优选的实施例中，所述动阀盘上设有第一偏心流道，所述静阀盘上设有第二偏心流道，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道的截面形状均为圆形，且在所述动阀盘的转动作用下周期性地重合交错，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化。
在一个优选的实施例中，在所述静阀盘的与所述动阀盘相对的端面上设有砧体，且所述砧体与所述第二偏心流道径向相对地设置。
在一个优选的实施例中，所述砧体的自由端设置成斜面，所述斜面用于与所述传动轴的端面接触。
在一个优选的实施例中，在所述传动轴与所述第二腔体之间设有密封件。
在一个优选的实施例中，在所述第一腔体的内壁上设有第一台肩，所述弹性件的一端安装在所述第一台肩上，另一端与所述静阀盘的设有砧体的端面接触。
在一个优选的实施例中，所述破岩齿包括圆柱形的底座和与所述底座连接的锥型齿体，且所述底座的端面与所述传动轴的端面接触。
在一个优选的实施例中，所述底座的直径设置成大于所述锥型齿体的直径，从而在所述底座与所述锥型齿体的连接处形成有台阶部。
在一个优选的实施例中，在所述第二腔体的内壁上设有第二台肩，且在所述第二台肩与所述破岩齿的所述台阶部之间设有复位碟簧。
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自动冲击钻头的结构。
图2显示了图1所示自动冲击钻头中的静阀盘的结构。
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自动冲击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自动冲击钻头100的结构。如图1所示，自动冲击钻头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用于将自动冲击钻头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，以将自动冲击钻头100固定连接到上部钻具上。自动冲击钻头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12。如图1所示，第一腔体12从钻头基体10的上端面沿轴向向内延伸。第一腔体12的上端部分构造成圆柱形腔体部分，下端部分构造成截面面积先递增后递减的回转形腔体部分。并且，在第一腔体12内的圆柱形腔体部分与回转形腔体部分的连接处形成有第一台肩13。第一台肩13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12连通的第二腔体14。第二腔体14设置在自动冲击钻头100上的刀翼内部。根据本发明，可以在自动冲击钻头100的一个或多个刀翼内设置第二腔体14。如图1所示，第二腔体14构造成圆柱形腔体，且第二腔体14的直径小于第一腔体12的圆柱形腔体部分的直径。第二腔体14适应刀翼的分布而设置在刀翼内部，从而使得第二腔体14的轴线与第一腔体12的轴向呈一定角度分布。第二腔体14的一端与第一腔体12连通，另一端延伸至钻头基体10的端部，从而使第一腔体12和第二腔体14共同贯穿钻头基体10。并且，在第二腔体14的靠近刀翼的一端(图1中的下端)部分的直径设置成小于第二腔体14的主体部分的直径，从而在第二腔体14的靠近端部的内壁上形成有第二台肩15。第二台肩15的作用将在下文进行介绍。
此外，在钻头基体10内部还设有用于过流钻井液的流道19，流道19与第一腔体12的回转形腔体部分连通，且一直延伸至钻头基体10的末端。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12，进而通过流道19排出。
根据本发明，自动冲击钻头100还包括水击脉冲发生装置20。如图1所示，水击脉冲发生装置20设置在第一腔体12内，且安装在第一腔体12的圆柱形腔体部分内。水击脉冲发生装置20包括叶轮21，叶轮21能够在钻井液的作用下转动。在一个实施例中，叶轮21构造成螺旋形多叶片结构。在工作工程中，钻井液能够推动叶轮21快速旋转。
如图1所示，水击脉冲发生装置20还包括阀盘机构。阀盘机构设置在叶轮下端，其包括能够相对转动的动阀盘22和静阀盘23。动阀盘22与叶轮21的底座固定连接，从而能够随叶轮21同步转动。静阀盘23接触安装在动阀盘22的下端，动阀盘22能够在叶轮21的作用下相对于静阀盘23转动。在动阀盘22上设有轴向贯穿动阀盘22的第一偏心流道221，在静阀盘23上设有轴向贯穿静阀盘23的第二偏心流道231。在一个实施例中，第一偏心流道221和第二偏心流道231的截面均为圆形。当动阀盘22随叶轮21同步转动时，第一偏心流道221偏心旋转，从而与静阀盘23上的第二偏心流道231周期性地部分重合交错。由此，使得阀盘机构的过流面积呈周期性变化，进而使水击脉冲发生装置20产生周期性压力脉冲。
图2显示了静阀盘23的结构。如图2所示，在静阀盘23的一个端面上设有砧体232。砧体232与第二偏心流道231径向相对地设置，且砧体232的自由端设置成斜面。安装时，静阀盘23的未设有砧体232的端面与动阀盘22接触安装。砧体232的作用将在下文进行介绍。
根据本发明，水击脉冲发生装置20还包括弹性件24，弹性件24设置在静阀盘23与第一腔体12的内壁之间。在一个实施例中，弹性件采用碟簧组。弹性件24安装在第一腔体12内的第一台肩13上，弹性件24的一端支撑在第一台肩13上，另一端与静阀盘23的设有砧体232的端面接触以支撑静阀盘23。弹性件24能够使水击脉冲发生装置20在产生的周期性的压力脉冲的作用下往复运动，从而产生周期性的冲击力。
自动冲击钻头100在实际工作过程中，叶轮21在钻井液的作用下旋转，同时带动动阀盘22持续旋转。当动阀盘22上的第一偏心流道221和静阀盘23上的第二偏心流道231错开时，阀盘机构的过流面积达到最小，钻井液流通被间歇性阻断，从而产生水击压力推动阀盘机构下行，并压缩弹性件24。当动阀盘22上的第一偏心流道221和静阀盘23上的第二偏心流道231重合时，阀盘机构的过流面积达到最大，钻井液流通完全畅通，水击压力消失，弹性件24复位并推动阀盘机构上行。由此，水击脉冲发生装置20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，自动冲击钻头100还包括传动轴30。如图1所示，传动轴30同心安装在第二腔体14内，且能够沿第二腔体14的轴向方向运动。传动轴30的一端(图1中的上端)伸出第二腔体14而处于第一腔体12的回转形腔体部分内，且与静阀盘23上的砧体232的端面的斜面接触。传动轴30用于传递水击脉冲发生装置20产生的周期性的冲击力。在一个实施例中，在传动轴30与第二腔体14之间设有密封件31，密封件31安装在第二腔体14的与第一腔体12连通的一端。密封件31能够有效保证第二腔体14的密封性，从而有效避免钻井液进入第二腔体14内。
如图1所示，自动冲击钻头100还包括破岩齿40。破岩齿40安装在第二腔体14内，且破岩齿40的一端端部与传动轴30的端部接触。破岩齿40用于接收传动轴30传递的周期性的冲击力以进行破岩钻进。破岩齿40包括圆柱形的底座41和与底座41连接的锥型齿体42，底座41的端面与传动轴30的端面接触。底座41的直径设置成大于锥型齿体42的直径，从而在底座41与锥型齿体42的连接处形成台阶部。破岩齿40的台阶部能够防止破岩齿40脱落。
在本实施例中，在第二腔体14的第二台肩15与破岩齿40的台阶部之间设有复位碟簧50。复位碟簧50套装在破岩齿40的锥形齿体42上，且复位碟簧50的一端坐落在第二腔体14的第二台肩15上而形成限位，另一端与破岩齿40台阶部的端面接触以对破岩齿40形成支撑。破岩齿40在传动轴30传递的周期性的冲击力和复位碟簧50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，破岩齿40在复位碟簧50的作用下能够自动回缩，从而能够有效避免地层过度磨损破岩齿40，有效防止破岩齿40过早失效或脱落，延长了破岩齿40的使用寿命。
工作过程中，当水击脉冲发生装置20下行冲击传动轴30时，传动轴30随之下行并将冲击力传递给破岩齿40，破岩齿40向外伸出冲击破岩，同时压缩复位碟簧50蓄能。当水击脉冲消失时，水击脉冲发生装置20上移，复位碟簧50推动破岩齿40回退，破岩齿40推动传动轴30上移。由此，破岩齿40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自动冲击钻头100的工作过程。自动冲击钻头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12，并且推动叶轮21高速旋转。叶轮21高速旋转并带动阀盘机构中的动阀盘22同步转动，而静阀盘23不转动。由此，当动阀盘22上的第一偏心流道221转动到与静阀盘23上的第二偏心流道231错开，并使得阀盘机构的过流面积达到最小时，钻井液的流通被部分阻断，瞬间产生较大的水击压力脉冲，水击压力脉冲推动叶轮21和阀盘机构下行并压弹性件24，弹性件24处于收缩蓄力状态。同时，阀盘机构在下行过程中，静阀盘23撞击并推动传动轴30下行，进而使传动轴30推动破岩齿40下行，并使锥型齿体42伸出第二腔体14而产生破岩冲击力。此时，复位碟簧50处于压缩蓄力状态。叶轮21持续旋转，当动阀盘22上的第一偏心流道221转动到与静阀盘23上的第二偏心流道231重合，并使得阀盘机构的过流面积达到最大时，钻井液流体顺畅，且水击压力脉冲消失。此时，弹性件24复位推动阀盘机构和叶轮21上行。由此，传动轴30所受的下行推力消失，复位碟簧50复位推动破岩齿40回退并使传动轴30上移。工作时，动阀盘22在钻井液的作用下持续不断地旋转，使得动阀盘22上的第一偏心流道221与静阀盘23上的第二偏心流道231周期性地错开与重合，从而产生周期性的水击压力脉冲。并且，在弹性件24的作用下，使水击脉冲发生装置20周期性地往复运动并产生周期性的冲击力，进而通过传动轴30传递给破岩齿40。同时，在复位碟簧50的作用下，使得破岩齿40在第二腔体14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，通过破岩齿40冲击、犁削地层以形成破碎坑以提前释放地应力，有利于后续钻具钻头的pdc刀翼切削破岩，大大提高了自动冲击钻头100的破岩钻进效率。
根据本发明的用于井下钻具的自动冲击钻头100通过水击脉冲发生装置20能够产生周期性的压力脉冲以形成周期性的冲击力，且能够在自动冲击钻头100切削破岩的同时进行冲击破岩。自动冲击钻头100单齿冲击，其所需水量小，且压耗低，能够在机泵条件受限的情况下实现冲击破岩，显著提高了钻头在坚硬地层的破岩效率和钻井速度。自动冲击钻头100对钻井管柱、泥浆泵以及地面管汇要求较低，其现场适用性强，能够适用于深井、超深井。此外，自动冲击钻头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自动冲击钻头，包括：
钻头基体(10)，在所述钻头基体的内部设有轴向延伸的第一腔体(12)和设置在所述钻头基体上的刀翼内部的第二腔体(14)；
设置在所述第一腔体内的水击脉冲发生装置(20)，用于产生周期性的压力脉冲；以及
安装在所述第二腔体内的破岩齿(40)，所述破岩齿通过传动轴(30)与所述水击脉冲发生装置(20)连接，并能够在所述第二腔体内往复运动；
其中，在所述静阀盘与所述第一腔体的内壁之间设有弹性件(24)，所述弹性件和所述周期性的压力脉冲对所述水击脉冲发生装置共同作用，能够使所述水击脉冲发生装置发生往复运动，以形成周期性的冲击力，并将所述周期性的冲击力通过所述传动轴传递给所述破岩齿，从而进行冲击破岩。
2.根据权利要求1所述的自动冲击钻头，其特征在于，所述水击脉冲发生装置包括能够在钻井液的作用下转动的叶轮(21)和阀盘机构，所述阀盘机构包括能够相对转动的动阀盘(22)和静阀盘(23)，所述动阀盘与所述叶轮的底座固定连接而能够随所述叶轮转动，以使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化，从而产生周期性的压力脉冲。
3.根据权利要求2所述的自动冲击钻头，其特征在于，所述动阀盘上设有第一偏心流道(221)，所述静阀盘上设有第二偏心流道(231)，所述第一偏心流道和所述第二偏心流道的截面形状均为圆形，且在所述动阀盘的转动作用下周期性地重合交错，从而使所述阀盘机构的过流面积呈周期性变化。
4.根据权利要求3所述的自动冲击钻头，其特征在于，在所述静阀盘的与所述动阀盘相对的端面上设有砧体(232)，且所述砧体与所述第二偏心流道径向相对地设置。
5.根据权利要求4所述的自动冲击钻头，其特征在于，所述砧体的自由端设置成斜面，所述斜面用于与所述传动轴的端面接触。
6.根据权利要求1或5所述的自动冲击钻头，其特征在于，在所述传动轴与所述第二腔体之间设有密封件(31)。
7.根据权利要求4或5所述的自动冲击钻头，其特征在于，在所述第一腔体的内壁上设有第一台肩(13)，所述弹性件的一端安装在所述第一台肩上，另一端与所述静阀盘的设有砧体的端面接触。
8.根据权利要求1所述的自动冲击钻头，其特征在于，所述破岩齿包括圆柱形的底座(41)和与所述底座连接的锥型齿体(42)，且所述底座的端面与所述传动轴的端面接触。
9.根据权利要求8所述的自动冲击钻头，其特征在于，所述底座的直径设置成大于所述锥型齿体的直径，从而在所述底座与所述锥型齿体的连接处形成有台阶部。
10.根据权利要求9所述的自动冲击钻头，其特征在于，在所述第二腔体的内壁上设有第二台肩(15)，且在所述第二台肩与所述破岩齿的所述台阶部之间设有复位碟簧(50)。
技术总结