專利名稱：一種盤刀復合鉆頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備用破巖工具領域。
背景技術：
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。現今鉆井工程中所使用的常規(guī)鉆頭主要有三牙輪鉆頭、聚晶金剛石復合片鉆頭(即PDC鉆頭)和沖旋鉆頭(也稱旋沖鉆頭或釬頭)等。三牙輪鉆頭主要以壓碎(牙齒壓入巖石造成巖石破碎)的形式破巖，適用的地層范圍較寬，但能量利用率不高，破巖效率相對較低。特別是在深部地層鉆進時，在高密度鉆井液作用條件下井底的巖屑壓持效應十分明顯，牙齒難以壓入地層并形成有效的破碎，鉆頭機械鉆速受到很大限制。軸承壽命低是制約三牙輪鉆頭使用壽命的主要因素之一。三牙輪鉆頭需要大鉆壓才能保證較高的破巖效率，所以軸承的載荷幅值高，同時牙輪上牙齒交替破碎巖石的工作原理必然導致鉆頭的軸向或縱向振動，以及較大幅度的軸承載荷波動。加之牙輪鉆頭軸承在井下的工作環(huán)境惡劣，軸承密封的壽命難以保障，因此三牙輪鉆頭的軸承壽命相對較短。PDC鉆頭是一種利用聚晶金剛石復合片(即PDC齒，亦簡稱齒)對巖石的刮切或剪切作用破巖的鉆頭。由于在切削元件性能以及破巖方式方面具備了突出的優(yōu)越性，所以roc鉆頭在軟至中硬地層的破巖效率明顯高于三牙輪鉆頭?，F今，PDC鉆頭在鉆井工程中使用得越來越多，比例越來越大，但對于硬度、研磨性高的地層以及嚴重不均質的地層，PDC鉆頭仍難以適應?，F有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭(鉆頭上無運動部件)。對PDC鉆頭而言，在鉆頭轉速、鉆壓相同的條件下，鉆頭的破巖效率主要取決于PDC齒吃入巖石的能力，PDC齒吃入巖石的深度越大，鉆頭破巖效率就越高。通常，在軟地層鉆進時，PDC鉆頭切削齒的吃入深度較大，鉆頭的破巖效率較高；當硬地層鉆進時，切削齒的吃入能力就變弱，吃入深度變小，鉆頭的鉆進效率就明顯降低。PDC鉆頭的主要有缺點是第一，在巖石的強度或硬度較高時，PDC齒難以吃入巖石以形成有效的刮切，特別是當PDC齒有磨損后，牙齒更加難以吃入地層，鉆頭的機械鉆速會急劇降低。第二，PDC齒連續(xù)不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產生的熱量會使齒達到相當高的溫度，當溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導致熱磨損現象(當PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現象稱為PDC齒的熱磨損現象)的發(fā)生。第三，PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒，切削齒磨損均衡性差，從而降低了鉆頭的綜合性能。沖旋鉆頭是沖旋鉆井中配合潛孔沖擊器(即潛孔錘)使用的固定齒破巖工具。沖旋鉆頭的結構與PDC鉆頭相似，鉆頭上沒有可運動部件，鉆頭體上固結了一定數量的能夠覆蓋井底待破碎區(qū)域的切削齒。不同之處主要在于PDC鉆頭的切削元件主要為PDC齒，而沖旋鉆頭的切削元件主要為與牙輪鉆頭牙齒形狀相似的硬質合金或金剛石復合牙齒。沖旋鉆頭的破巖機理與牙輪鉆頭的壓碎機理以及PDC鉆頭的切削機理均具有顯著的區(qū)別。沖旋鉆頭依靠其牙齒的瞬間沖擊力實現對井底巖石的破碎。沖旋鉆頭的上端連接著潛孔沖擊器，潛孔沖擊器在工作時，其沖錘在循環(huán)流體(鉆井液或循環(huán)氣體)的作用下往復運動，反復撞擊鉆頭或釬頭，從而為與井底巖石相接觸的鉆頭牙齒提供了脈動沖擊載荷，巖石在牙齒的瞬間沖擊力作用下發(fā)生破碎。由于鉆頭的沖擊載荷依賴于潛孔沖擊器，所以，沖旋鉆頭工作過程中不需要施加很大的鉆壓(這一特點與牙輪鉆頭有著顯著區(qū)別，牙輪鉆頭必須在大鉆壓下才能獲得較高的破巖效率)，只需用很小的鉆壓將鉆頭壓在井底即可。通常情況下，沖旋鉆頭在脆性地層特別是較硬的脆性地層鉆進時能取得較高的破巖效率。此外，在地層傾角較大的易斜地層，采用沖旋鉆頭鉆進有利于減小井斜趨勢。但由于沖旋鉆頭為固定齒鉆頭，當有少量切削齒損壞失效時，其負責破碎的井底區(qū)域將無法破碎，這將影響整個鉆頭的破巖效率和鉆進能力，少量切削齒的失效會很快引起鉆頭體的損害，進而影響鉆頭的使用壽命。 西南石油大學提出“一種以切削形式破巖的輪式鉆頭”(專利申請?zhí)?01010229375. 7)，該鉆頭的轉輪(即盤刀，又稱輪刀)具有較大的偏移角(偏移角的范圍是20° 90° )，大偏移角使鉆頭轉輪上的切削齒以切削或刮切方式緩慢交替破碎巖石。本發(fā)明輪刀偏移角較大，鉆頭旋轉鉆進時，輪體速比(轉輪轉速與鉆頭轉速之比)較小，轉輪旋轉緩慢。該鉆頭的切削齒緩慢交替工作，減少或避免了固定切削齒鉆頭因少數切削齒失效帶來的鉆頭早期失效；切削齒交替工作磨損均勻，各切削齒的工作能力可得到充分利用；切削齒冷卻效果好，不易發(fā)生熱磨損；鉆頭鉆進時所需的鉆壓小，軸承所受載荷小，載荷波動幅度低，軸承相對轉動緩慢、發(fā)熱少，鉆頭的軸承工作壽命長。該鉆頭仍主要依靠鉆壓使切削齒吃入地層，鉆壓越大PDC齒吃入巖石的深度越大，鉆頭破巖效率就越高，但鉆壓的增加是有限的，而且增加鉆壓會加劇PDC齒和軸承的磨損，降低鉆頭的工作壽命。在硬地層的鉆進中，該鉆頭由于切削齒吃入深度小，鉆頭的鉆進效率不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種盤刀復合鉆頭，在盤刀鉆頭(或稱輪式鉆頭)基礎上增加沖擊切削結構，充分利用沖擊破巖方式的優(yōu)勢，增進鉆頭切削齒對巖石的吃入，提高破巖效率，減緩切削齒的磨損速度，增加鉆頭使用壽命，提升鉆頭在強度較高等難鉆地層的工作性能。本發(fā)明目的通過下述技術方案來實現
一種盤刀復合鉆頭(簡稱復合鉆頭)，包括鉆頭體和設置在鉆頭體上的盤刀切削結構，復合鉆頭上設置有沖擊切削結構，沖擊切削結構包括傳遞沖擊力的傳力機構以及沖擊切削齒，沖擊切削齒固結在傳力機構末端的沖頭上，所述沖頭能在沖擊力傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動或滑動沖擊。具體地，盤刀復合鉆頭包括鉆頭體、盤刀切削結構、沖擊切削結構和水力結構，也可以包括產生沖擊力的沖擊機構，沖擊切削結構包括傳遞沖擊力的傳力機構以及沖擊切削齒,傳力機構包括依次連接的砧體、傳力桿和沖頭,砧體與鉆頭體之間形成相對滑動,傳力桿與鉆頭體之間形成相對滑動，或通過擺動滑塊形成既允許相對滑動，又允許相對轉動的連接，沖頭連接在傳力桿的末端，沖擊切削齒固結在沖頭上，沖頭能在沖擊力傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動或滑動沖擊。所述鉆頭體既是用以附著、支承或容納鉆頭盤刀切削結構、沖擊切削結構以及沖擊機構的基體，也是安裝噴嘴、形成鉆頭流道的基體。鉆頭體的上端(也即循環(huán)流體入口端，簡稱入口端)設置有用以連接鉆柱的螺紋。鉆頭體的上部為管狀結構，其管壁既具有傳遞鉆壓的功能，也起到將管內、管外空間相隔絕的作用，其內孔空間用于設置傳力機構中的砧體等元件，沖擊機構也可設于其中。鉆頭體的下部主要為盤刀切削結構的基體，其上開設了用以容納傳力桿的孔或槽，也開設了循環(huán)流體噴射孔。除了沖頭、沖擊切削齒以及傳力桿的露出部位以外，沖擊切削結構的其它部分均位于鉆頭體的內部空間，并按照砧體一傳力桿一沖頭的順序自上而下安裝。當復合鉆頭包含沖擊機構時，自上而下的安裝順序為沖擊機構一砧體一傳力桿一沖頭，沖擊機構產生的沖擊力作用在砧體上，再由砧體傳向傳力桿、沖頭。砧體的上端面為承受沖擊載荷的工作面，下端與傳力桿相連接，可為滑動連接，也可為鉸接(即鉸鏈連接)，或者直接連接等。當采用滑動連接時，砧體與傳力桿之間可沿接觸面相對滑動；當采用鉸接方式連接時，砧體與傳力桿之間可繞鉸接中心相對轉動。沖頭用螺紋、過盈配合、銷、焊接等方式連接在傳力桿的另一端，或與傳力桿 構成一個整體式元件。一個沖頭、固結于其上的沖擊切削齒以及相配套的傳力桿構成一個沖擊切削單元，沖擊切削單元的數量可以只有一個，也可以有若干個。在同一個沖擊切削單兀中，傳力桿的數量為一個或多于一個，當傳力桿的數量多于一個時，各傳力桿相互串行連接，其中彼此具有相對運動的相鄰傳力桿之間通過鉸鏈連接。傳力機構與鉆頭體之間以及傳力機構各元件之間的連接或安裝方式，使沖頭能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動。盤刀切削結構設置在鉆頭體下部，包含有輪掌和盤刀(也稱轉輪)，輪掌與鉆頭體固結為一體，盤刀安裝在輪掌的軸頸上，與輪掌形成轉動連接，盤刀上設置有盤刀切削齒。水力結構主要包括鉆井循環(huán)介質的內、外部流道，以及安裝在內部流道出口處的噴嘴。在鉆頭上還設置有一些輔助元件，包括為保證砧體正確工作位置而設置的定位扶正套，以及為實現砧體與傳力桿之間的連接而設置的滑塊、銷軸等元件，以及密封元件等。本發(fā)明的關鍵之一在于盤刀切削結構和沖擊切削結構相結合構成復合切削結構，沖頭上的沖擊切削齒在沖擊力作用下以一定頻率不斷沖擊井底，配合盤刀切削結構共同完成對井底巖石的破碎。關于盤刀切削結構和沖擊切削結構在鉆頭體上的布置方式和數量，本領域技術人員在本說明書教導下結合現有技術可以有眾多選擇，這些技術方案均在本發(fā)明保護范圍之內。本發(fā)明的關鍵之二在于沖頭能在沖擊力傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動或滑動沖擊。由此而來的效果是第一，由鉆柱傳遞到鉆頭體上的鉆壓不會施加在沖擊切削齒上，從而避免了沖擊切削齒在持續(xù)大鉆壓壓持下的快速磨損；第二，沖擊切削結構的脈動沖擊載荷不會傳遞到鉆頭體乃至鉆柱上，避免了脈動沖擊載荷對鉆頭體乃至鉆柱的安全性可能造成的不利影響；第三，有助于沖擊機構防空打功能的實現。關于沖擊切削結構中用以實現沖頭在沖擊方向上相對于鉆頭體滑動的結構方式，本領域技術人員在本說明書教導下結合現有技術可以有眾多選擇，這些技術方案均在本發(fā)明保護范圍之內。所述盤刀切削結構上的盤刀切削齒為聚晶金剛石復合片，也可以為熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石以及孕鑲金剛石切削齒，沖擊切削結構上的沖擊切削齒為硬質合金齒，或用金剛石做表面加強的硬質合金齒。用作沖擊切削齒的硬質合金齒的齒形可以是球形齒、錐球齒、楔形齒、邊楔齒以及勺形齒，也可以是具有良好沖擊破巖效果的其它形狀的牙齒。
在傳力機構(主要是傳力桿)與鉆頭體相配合的滑動面上設置密封裝置，避免循環(huán)流體的泄漏以及流體在泄露過程中對傳力桿、鉆頭體的沖蝕，同時，由于循環(huán)流體在鉆頭體內腔的壓力高于鉆頭體外，內外壓力差作用于傳力機構，產生將沖頭向外推的推力，該推力能使沖頭上的切削齒緊壓巖石表面，有利于提高切削齒的沖擊破巖效率。所述沖擊切削結構的沖擊切削齒可以布置在所述盤刀切削結構盤刀切削齒的徑向覆蓋范圍之內，也可獨立布置(不與盤刀切削結構盤刀切削齒的徑向覆蓋范圍相重疊)，或部分獨立布置。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結構的沖擊切削齒與所述盤刀切削結構盤刀切削齒在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結構的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外的徑向區(qū)域之內。 作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結構的沖擊切削齒與所述盤刀切削結構盤刀切削齒在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結構的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑二分之一以外的徑向區(qū)域之內。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結構的沖擊切削齒與所述盤刀切削結構盤刀切削齒在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結構的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之二以外的徑向區(qū)域之內。作為優(yōu)選方式，所述沖擊切削結構的沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以內的徑向區(qū)域之內。所述傳力機構上還可設有防轉動結構，以避免沖頭在工作過程中繞傳力桿軸轉動。所述傳力機構上還可設有防脫落結構，以避免沖頭和傳力桿在鉆井液、重力等的外推力或拉拔力作用下從鉆頭上脫落。 作為優(yōu)選方式，所述盤刀切削結構的切削齒采用PDC齒，所述沖擊切削結構的切削齒采用硬質合金牙齒或用金剛石等超硬材料加強的硬質合金牙齒。作為優(yōu)選方式，所述盤刀切削結構的切削齒采用圓形的聚晶金剛石復合片，所述沖擊切削結構的切削齒采用錐球形或楔形的硬質合金齒或金剛石復合硬質合金齒。作為優(yōu)選方式，當所述復合鉆頭包含沖擊機構時，鉆頭體采用分體式結構，即可將沖擊機構及其所對應的鉆頭體部分從復合鉆頭上分離出來，構成一個單獨的部件。此時鉆頭體由設有沖擊機構的沖擊器本體和設有盤刀切削結構和沖擊切削結構的切削結構本體連接而成，沖擊機構安裝在沖擊器本體的中空部位，沖擊器本體用于容納、安裝沖擊機構。此時，復合鉆頭就被分為兩個在功能上和制造上相對獨立的部分，即上部的沖擊器和下部的破巖工具。沖擊器的功能就是提供脈動沖擊力，破巖工具的功能就是傳遞沖擊力，并與盤刀切削結構一起實施對巖石的直接破碎。采用分體式結構更有利于復合鉆頭的制造和使用，沖擊器部件和破巖工具部件可以分別制造，入井使用前再組裝在一起。對于包含沖擊機構的盤刀復合鉆頭，其工作過程為
盤刀復合鉆頭連接在鉆柱的最末端。入井以后，鉆頭逐漸接近、到達井底。開動循環(huán)流體驅動設備(當循環(huán)流體為鉆井液時，驅動設備為鉆井泵；當循環(huán)流體為氣體或主要為氣體時，驅動設備為氣體壓縮機)，使循環(huán)流體在鉆柱內、外循環(huán)。在鉆頭上施加鉆壓，開始旋轉鉆進，鉆頭盤刀切削結構上的切削齒即開始破碎井底巖石。與此同時，由于循環(huán)流體已開始循環(huán)，在鉆柱內部循環(huán)流體的驅動下，沖擊機構開始工作，連續(xù)地向砧體施加一定頻率范圍的脈動沖擊載荷，沖擊載荷通過砧體傳遞至傳力桿，再傳遞至沖頭，最終施加到沖擊切削齒上，從而實現沖擊切削結構對井底巖石的破碎。循環(huán)流體流過沖擊機構后，再通過內部流道從鉆頭水眼或噴嘴流出，完成冷卻切削齒、清洗鉆頭、清洗井底和攜帶巖屑功能。盤刀切削結構和沖擊切削結構的破巖工作盡管是各自進行的，破巖機理也各不相同，但彼此之間卻會發(fā)生有益的相互影響。復合式鉆頭通常以盤刀切削結構為主切削結構，沖擊切削結構為輔助切削結構。盤刀切削結構中的切削齒通常為PDC齒(或以PDC齒為主)，所以復合鉆頭上的盤刀切削結構就相當于一只普通的盤刀切削齒鉆頭(即輪式鉆頭，或稱盤刀鉆頭、輪刀鉆頭)，其破巖效率的關鍵在于PDC齒對井底巖石的吃入效果。要增大PDC齒的吃入深度，通常只能增加鉆壓，而鉆壓的·增加是有限度的，而且增加鉆壓會加劇PDC齒和軸承的磨損，降低鉆頭的工作壽命。本發(fā)明技術方案的實質就是在盤刀切削齒鉆頭上引入沖擊切削結構，該技術方案能夠有效利用沖擊破巖方式的特點和優(yōu)勢，顯著地提升盤刀切削結構的破巖效率和切削齒工作壽命。沖擊切削結構依賴沖擊切削齒對巖石的一定頻率的脈動沖擊載荷破碎巖石，因此對工作鉆壓的要求很低，切削齒對井底巖石的沖擊效果是在井底的相應區(qū)域形成一個個的破碎坑或壓入坑，這些破碎坑或壓入坑的產生直接促進了盤刀切削結構相應區(qū)域PDC齒對井底巖石的吃入，同時減輕了這些PDC齒的工作負荷。換言之，當盤刀切削結構的切削齒在具有許多破碎坑的凸凹不平的井底上鉆進時，其鉆進速度要明顯高于在無破碎坑井底上的鉆進速度，而其切削齒的磨損速度明顯低于在無破碎坑井底上鉆進時的磨損速度。在復合鉆頭的沖擊切削結構中，沖擊切削結構中承受脈動沖擊載荷的各元件(包括砧體、傳力桿、沖頭和切削齒等)能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動或滑動沖擊。這樣，在鉆頭的正常鉆進過程中，沖擊切削結構不承受來自鉆柱和鉆頭體的鉆壓，盤刀切削結構也不承受沖擊切削結構的脈動沖擊載荷。這一特點既可避免脈動沖擊載荷對盤刀切削結構切削齒、軸承、鉆頭體乃至上部鉆柱的損傷或不利影響，也能避免沖擊切削齒因持續(xù)承受大的工作鉆壓而導致的快速磨損。此外，該特點還為實現復合鉆頭的防空打功能提供了必要的條件。在鉆頭的下入過程中，由于重力及循環(huán)流體內外壓差的作用，沖擊切削結構中的砧體、傳力桿、沖頭及沖擊切削齒會一起向下滑動一段距離，使沖擊切削齒突出于盤刀切削結構切削齒包絡輪廓面之外，此時沖擊切削結構所處的位置是防空打位置，在該位置上，沖擊機構的防空打設計能使沖擊機構中的沖擊錘體停止對砧體的錘擊，以實現對沖擊切削結構的空載保護。在鉆頭逐漸接近、到達井底時，突出的沖擊切削齒首先接觸井底，然后隨著鉆頭的進一步就位，沖擊切削結構中的上述元件逐漸縮回至正常工作位置。當鉆頭在井底完全就位后，鉆頭開始旋轉鉆進，沖擊切削結構和盤刀切削結構開始進行正常的破巖工作。當需要上提鉆頭(如起鉆或續(xù)接鉆柱)時，隨著鉆頭位置的逐漸上升，與下鉆過程相反，鉆頭上的盤刀切削結構首先離開井底，而沖擊切削齒仍保持與井底巖石接觸，同時，沖擊切削結構中的前述其它相關元件相對鉆頭體向下滑移直至到達防空打位置，此后沖擊切削齒不再承受沖擊載荷，繼而脫離井底，隨鉆頭其它部分一起上升。對于不包含沖擊機構的盤刀復合鉆頭，產生脈動沖擊載荷的工作過程不再由復合鉆頭完成，而改由沖擊器完成。除此以外，其余工作過程與包含沖擊機構的盤刀復合鉆頭的工作過程相同。不包含沖擊機構的盤刀復合鉆頭并非一個功能完整的鉆頭，必須與相應的沖擊器配套安裝后才能下井使用。此時的復合鉆頭實際上就是分體式盤刀復合鉆頭的破巖工具部件。在具體使用時，一般應先將配套的沖擊器與復合鉆頭連接在一起(沖擊器連接在復合鉆頭上端)，然后再將組合好的沖擊器、復合鉆頭連接在鉆柱末端。安裝完畢后，方可下井使用。本發(fā)明的有益效果
(I)當復合鉆頭在井底旋轉鉆進時，在盤刀切削齒和沖擊切削齒重疊覆蓋的井底區(qū)域，由于沖擊切削齒對巖石的不斷沖擊，井底表面形成了壓入坑或破碎坑。在切削深度(吃入深度)或切削體積(被切削破碎的巖石體積)相同的條件下，PDC齒在已形成了壓入坑或破碎坑的巖石表面切削時的吃入力(即垂直于巖石表面的壓入力)、主切削力(在切削速度方向上的切削力)以及切削功明顯低于巖石表面相對平整(沒有破碎坑)條件下的切削過程，切削齒吃入巖石的難度明顯降低，破巖能耗也明顯降低。所以，與輪式鉆頭相比，復合鉆頭在切削齒難以吃入的地層(硬度較高的地層)鉆進時能達到更高的破巖效率。(2)如前所述，在切削深度或切削體積相同的條件下，PDC齒在有破碎坑的巖石表面切削時的摩擦功耗明顯低于巖石表面相對平整(沒有破碎坑)條件下的切削過程，由于摩擦而產生的熱量也明顯減少。另一方面，在有破碎坑的巖石表面切削時，切削齒與巖石之間的接觸區(qū)域和接觸狀態(tài)會發(fā)生頻繁變化，切削齒的冷卻效果可得到改善。所以，與輪式鉆頭相比，復合鉆頭盤刀切削結構的切削齒磨損速度更低，能達到更高的工作壽命，因而在輪式鉆頭難以適應的高研磨性、高硬度以及高不均質性等難鉆地層使用時，復合鉆頭能達到更好的鉆進效果。(3)復合鉆頭中的傳力機構能夠在沖擊載荷傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動，由此而來的有益效果是第一，由鉆柱傳遞到鉆頭體上的鉆壓不會施加在沖擊切削齒上，從而避免了沖擊切削齒在持續(xù)大鉆壓壓持下的快速磨損；第二，沖擊切削結構的脈動沖擊載荷不會傳遞到鉆頭體乃至鉆柱上，盤刀切削結構不承受沖擊切削結構的脈動沖擊載荷，這可避免脈動沖擊載荷對盤刀切削結構切削齒、軸承、鉆頭體乃至上部鉆柱的損傷或不利影響；第三，有助于沖擊機構防空打功能的實現。(4)盤刀切削齒鉆頭的中心部位通常有一個內錐區(qū)域，復合鉆頭可在該區(qū)域設置沖擊切削結構，隆起的錐形井底在沖擊切削齒的沖擊力作用下更容易發(fā)生體積破碎，井底中心部位的巖石破碎速度顯著加快，從而促進鉆頭破巖效率的提高。(5)對于盤刀切削結構能夠覆蓋井底全部(或接近全部)徑向區(qū)域的復合鉆頭，當 沖擊機構或沖擊切削結構由于各種原因導致失效或效率低下時，盤刀切削結構仍能獨立工作。復合鉆頭的該特點優(yōu)于常規(guī)的沖旋鉆頭。


圖I是本發(fā)明的結構示意圖，圖中復合鉆頭不包含沖擊機構，具有2個轉輪，2套沖擊切削單元，轉輪和沖頭相間布置。圖2是圖I所示的復合鉆頭從切削結構端向接頭端看時的視圖(即俯視圖)。圖3是對圖I所示的復合鉆頭做部分剖切后的沖擊切削結構剖視示意圖。圖4是對圖I所示復合鉆頭的分解示意圖(為表明安裝關系，對鉆頭體I從中部進行了橫向剖分)。
圖5是本發(fā)明的砧體與鉆頭體之間設置了砧體扶正套的結構原理示意圖，扶正套對砧體起扶正定位的作用。圖6是本發(fā)明砧體無扶正套時的扶正定位原理示意圖(砧體323與鉆頭體I的內孔孔壁相接觸，形成間隙配合，實現砧體的扶正定位)。圖7是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外區(qū)域時的復合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖8是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑二分之一以外區(qū)域時的復合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖9是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之二以外區(qū)域時的復合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。 圖10是沖擊切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以內區(qū)域時的復合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖11是沖擊切削齒布置在除鉆頭中心和規(guī)徑等小部分區(qū)域以外的整個徑向范圍時的復合鉆頭徑向覆蓋布齒圖。圖12是本發(fā)明復合鉆頭具有3個輪盤和I套沖擊切削單元，且沖擊切削單元布置在鉆頭心部時的俯視圖。圖13是圖I所示結構的傳力機構原理示意圖，在該傳力機構中，沖頭與傳力桿固定連接，傳力桿與砧體形成滑動聯接(滑動副)。圖14是本發(fā)明的一種傳力機構的原理示意圖，在該傳力機構中，沖擊切削單元中有2個傳力桿，其中一個傳力桿(一)與沖頭固定連接(或為一體式結構)，另一個傳力桿(二)與砧體通過鉸鏈相連接(形成轉動副)，2個傳力桿之間也通過鉸鏈相連接(形成轉動副)。圖15是本發(fā)明的一種傳力機構的原理示意圖，在該傳力機構中，沖頭與傳力桿固定連接，傳力桿與砧體通過鉸鏈連接，傳力桿與鉆頭體之間設置有擺動滑塊，擺動滑塊與傳力桿鉸接，擺動滑塊與鉆頭體滑動連接，即傳力桿與鉆頭體之間通過擺動滑塊形成了既允許相對滑動，又允許相對轉動的連接，傳力桿和沖頭既可以相對鉆頭體滑動，也可以繞擺動滑塊的轉動中心轉動。圖16是圖15所示傳力機構的傳力桿與鉆頭體之間設置有擺動滑塊，擺動滑塊與傳力桿鉸接，擺動滑塊與鉆頭體滑動連接時的結構示意圖。圖17是本發(fā)明的一種傳力機構的原理示意圖，在該傳力機構中，沖頭與傳力桿固定連接，傳力桿與砧體通過鉸鏈連接，傳力桿與鉆頭體之間設置有擺動滑塊，擺動滑塊與傳力桿滑動連接，擺動滑塊與鉆頭體鉸接，傳力桿和沖頭既可以相對鉆頭體滑動，也可以繞擺動滑塊的轉動中心轉動。圖18是本發(fā)明的一種傳力機構的結構示意圖，在該傳力機構中，傳動桿與沖頭固結，沖擊切削結構的沖擊方向平行于鉆頭軸線方向。圖19是本發(fā)明的沖擊切削齒采用金剛石做表面加強的硬質合金齒時的示意圖。圖20是包含沖擊機構，且采用一體式結構時的復合鉆頭結構示意圖。圖21是包含沖擊機構，且采用分體式結構的復合鉆頭結構示意圖。圖22是為防止沖頭及傳力桿轉動，在傳力桿與鉆頭體之間采用花鍵連接時的結構方案示意圖。
圖23是為防止沖頭及傳力桿等的脫落，在傳力桿及鉆頭體上設有防脫落臺階時的結構方案示意圖。圖24是復合鉆頭處于防空打位置時的結構示意圖。其中1、鉆頭體，12、鉆頭體防脫落臺階，2、盤刀切削結構，21、盤刀切削齒，22、轉輪，3、沖擊切削結構，31、沖擊切削齒，311、硬質合金，312、金剛石加強層，32、傳力機構，321、沖頭，322、傳力桿，323、砧體，324、扶正套，325、密封圈，328、擺動滑塊，3221、傳力桿(一)，3222、傳力桿(二)，3223、傳力桿防脫落臺階，33、沖擊機構，331、沖錘，41、流道，42、噴嘴,5、沖擊器部件,51、沖擊器本體,52、沖擊器沖錘,6、切削結構部件,61、切削結構本體。
具體實施例方式下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明。 實施例I :
如圖I至圖4、圖7、圖13和圖19所示，一種盤刀復合鉆頭，包括鉆頭體1，鉆頭體I上設有盤刀切削結構2、沖擊切削結構3和由流道41及噴嘴42組成的水力結構，盤刀切削結構2包含有盤刀切削齒21，沖擊切削結構3包括傳遞沖擊力的傳力機構32以及沖擊切削齒31，傳力機構32包括沖頭321、傳力桿322和砧體323，沖擊切削齒31固結在傳力機構32末端的沖頭321上，沖頭321能在沖擊力傳遞方向上相對于鉆頭體I做滑動。復合鉆頭不包含沖擊機構，具有2個轉輪，2套沖擊切削單元，轉輪22和沖頭321相間布置。鉆頭體I與傳力機構32之間設置有密封裝置(如圖3中傳力桿322與鉆頭體I之間的密封圈325)。盤刀切削齒21可以為聚晶金剛石復合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石齒、天然金剛石齒、孕鑲金剛石齒。沖擊切削結構3上的沖擊切削齒31為硬質合金齒，或用金剛石做表面加強的硬質合金齒。聚晶金剛石復合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石齒、天然金剛石齒和孕鑲金剛石齒均有極好耐磨性，通常應用在固定切削結構鉆頭上，其中對于熱穩(wěn)定聚晶金剛石齒、天然金剛石齒和孕鑲金剛石齒而言，由于本身材料結構的特點及限制，其應用條件通常是采用高布齒密度布置在固定切削結構鉆頭體上。由于布齒密度高，切削齒吃入地層深度有限，固定切削齒往往難以有效刮切地層破巖，甚至以效率極低的研磨方式破巖鉆進，因此通常情況下這三種齒應用于輪式鉆頭的效果并不理想。而本發(fā)明將盤刀切削結構2與沖擊切削結構3相結合，在沖擊切削齒31的沖擊作用下，使井底形成凹凸不平的破碎坑，能夠有助于盤刀切削齒21的吃入，同時盤刀切削結構2上的切削齒同一時刻接觸井底巖石的數量一般不多，即同時參與破巖的切削齒密度并不高，單顆齒分擔的鉆壓較大，切削齒對地層的壓入力較大，易于吃入地層，因此，本發(fā)明中這三種齒也能取得良好的效果；同時，將上述耐磨性好的切削齒應用于復合鉆頭的盤刀切削結構2上，既能取得較好的破巖效果和鉆頭使用壽命，又能拓寬鉆頭在高研磨性、高硬度以及高不均質性等難鉆地層的使用范圍。如圖19所示，沖頭321上的沖擊切削齒31采用金剛石做表面加強的硬質合金齒，硬質合金齒的表面做金剛石加強能明顯提高切削齒的耐磨性。沖擊切削齒31的齒形可以是錐球齒、楔形齒、球形齒、邊楔齒以及勺形齒，也可以是具有良好沖擊破巖效果的其它形狀的牙齒。沖擊切削結構3的沖擊切削齒31可以布置在盤刀切削結構2的盤刀切削齒21的徑向覆蓋范圍之內，也可獨立布置(不與盤刀切削結構切削齒的徑向覆蓋范圍相重疊)，或部分獨立布置。作為優(yōu)選，沖擊切削齒31與盤刀切削齒21在徑向重疊覆蓋布置，沖擊切削結構3的切削齒布置在鉆頭半徑三分之一以外的徑向范圍之內(如圖7所示)。一般，鉆頭心部區(qū)域破碎任務量較小且易于破碎，而心部以外區(qū)域的破碎任務量相對較大，切削齒磨損較心部要快，因此，在心部以外區(qū)域布置沖擊切削齒有利于對應區(qū)域巖石的破碎，并減緩盤刀切削齒的磨損。沖擊切削結構3上的沖頭321與傳力桿322相互固結為一固定整體，傳力桿322與砧體323滑動聯接(機構原理圖如圖13所示)。實施例2
本實施例與實施例I基本相同，其區(qū)別在于砧體323與鉆頭體I之間設置有砧體扶正套324 (圖5所示)，或砧體323上直接加工出與鉆頭體I內孔形成間隙配合的表面，實現砧體與鉆頭體間的相對滑動和扶正定位(如圖6所示)。實施例3
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于某個或每個沖擊切削單元中傳力桿有兩個，兩個傳力桿的運動規(guī)律各不相同，彼此之間具有相對運動，其中一個傳力桿(一)3221與沖頭321固定連接，另一個傳力桿(二)3222與砧體323鉸接，兩個傳力桿之間通過鉸鏈連接(如圖14所示)。當沖頭321離鉆頭中心較遠且其沖擊方向與鉆頭軸線夾角較大時，采用兩個相互鉸接的傳力桿更易于實現沖擊方向的轉變和沖擊力的傳遞。實施例4:
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結構3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑二分之一以外的徑向范圍之內(如圖8所示)。實施例5
本實施例與實施例4基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結構3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑三分之二以外的徑向范圍之內(如圖9所示)。一般，鉆頭半徑區(qū)域上越往外(特別是鉆頭半徑三分之二以外的區(qū)域)切削齒的工作負荷(指切削齒的平均承擔的破巖量)越大，切削齒的磨損或損壞速度越快于心部區(qū)域的齒，在此區(qū)域上布置沖擊切削齒，能使該區(qū)域盤刀切削齒破巖效率提高的同時還能降低其損壞速度，從而延長鉆頭切削齒的使用壽命。實施例6
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結構3的沖擊切削齒31布置在鉆頭半徑三分之一以內的徑向范圍之內(如圖10和圖12所示)。鉆頭的中心部位通常有一個內錐區(qū)域，在硬度高脆性大的地層中鉆進時，接近鉆頭心部區(qū)域設置沖擊切削齒，在沖擊切削齒的沖擊作用下更易于心部巖石的脆性破碎(即體積破碎)，有利于提高鉆頭鉆進效率。實施例I
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于沖擊切削結構3的沖擊切削齒31布置在除鉆頭中心和規(guī)徑等小部分區(qū)域以外的整個徑向范圍內(如圖11所示)。在強度高、塑性大的難鉆地層中，鉆頭整個徑向范圍內均布置有沖擊切削齒，能在整個徑向區(qū)域內加強鉆頭的破巖能力，提高復合鉆頭在此種難鉆地層中的破巖效率。實施例8
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于沖頭321與傳力桿322固定連接，傳力桿322與砧體323鉸鏈連接，傳力桿322與鉆頭體I之間設置有擺動滑塊328，擺動滑塊328與傳力桿322鉸接，擺動滑塊328與鉆頭體I滑動連接(如圖15和圖16所示)，即傳力桿322與鉆頭體I之間通過擺動滑328塊形成了既允許相對滑動，又允許相對轉動的連接，傳力桿322和沖頭321既可以相對鉆頭體I滑動，也可以繞擺動滑塊328的轉動中心轉動。當沖頭321的沖擊方向與鉆頭軸向夾角較大時，擺動滑塊328的引入能使沖擊力的傳遞更順暢。實施例9
本實施例與實施例8基本相同，其區(qū)別在于如圖17所示，擺動滑塊328與傳力桿322滑動連接，擺動滑塊328與鉆頭體I鉸接，傳力桿322和沖頭321既可以相對鉆頭體I滑動，也可以繞擺動滑塊328的轉動中心轉動。本實施例的效果與實施例8基本相同。實施例10
在本實施例中，所述沖擊切削結構的沖擊方向平行于鉆頭軸線方向。如圖18所示，在 此條件下，傳動機構32無需復雜結構，只需傳力桿322固結沖頭321即可。其他技術方案本領域技術人員可在可行前提下從說明書技術方案內或其他實施例中自由組合。實施例11
本實施例與上述實施例基本相同，其區(qū)別在于復合鉆頭包含沖擊機構33，沖擊機構33與鉆頭體為一體式結構(如圖20所示)。鉆頭工作時沖擊機構33所產生的沖擊力通過沖擊機構33上的沖錘331作用在傳力機構32的砧體323上。一體式結構使復合鉆頭內部結構更緊湊、可靠性更高。實施例12
本實施例與實施例11基本相同，其區(qū)別在于鉆頭體I采用分體式結構，由設有沖擊機構的沖擊器本體51和設有盤刀切削結構2和沖擊切削結構3的切削結構本體61連接而成，沖擊機構安裝在沖擊器本體51的中空部位形成沖擊器部件5，盤刀結構2、沖擊切削結構3和切削結構本體61構成切削結構部件6 (如圖21所示)。鉆頭工作時沖擊器部件5所產生的沖擊力通過沖擊機構的上的沖錘52作用在傳力機構的砧體323上。采用分體式結構有利于復合鉆頭的制造和使用，沖擊器部件和破巖工具部件可以分別制造，入井使用前再組裝在一起。實施例13
本實施例中，為防止鉆頭工作時傳力桿322和沖頭321等的轉動，在沖頭321和鉆頭體I之間或(和)傳力桿322和鉆頭體I之間設有防轉動結構。如圖22所示，傳力桿322和鉆頭體I之間設置花鍵連接，以避免傳力桿322和沖頭321等在工作過程中繞傳力桿軸轉動。實施例14:
本實施例中，為防止傳力桿322和沖頭321等的脫落，在沖頭321和鉆頭體I之間或(和)傳力桿322和鉆頭體I之間設有防脫落結構。如圖23所示，在傳力桿322和鉆頭體I上分別設置有防脫落臺階3223和12，用以避免傳力桿322和沖頭321等在拉拔力作用下從鉆頭上脫落。實施例15
本實施例中，為防止鉆頭下入過程中或上提鉆頭時沖錘對砧體323的錘擊，復合鉆頭上設有防空打結構。如圖24所示，當鉆頭未接觸井底時，由于重力及循環(huán)流體內外壓差的作用，沖擊切削結構3中的砧體323、傳力桿322、沖頭321及沖擊切削齒31會一起向下滑動一段距離，使沖擊切削齒31突出于盤刀切削結構切削齒21的包絡輪廓面之外，此時沖擊切削結構3所處的位置為防空打位置。在該位置上，沖擊機構的防空打設計能使沖擊機構中的沖擊錘停止對砧體的錘擊，以實現對沖擊切削結構的空載保護。。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種盤刀復合鉆頭，包括鉆頭體(I)和設置在鉆頭體(I)上的盤刀切削結構(2)，其特征在于所述鉆頭體(I)還設置有沖擊切削結構(3)，沖擊切削結構(3)包括傳遞沖擊カ的傳カ機構(32)以及沖擊切削齒(31 )，沖擊切削齒(31)固結在傳カ機構(32)末端的沖頭(321)上，所述沖頭(321)能在沖擊カ傳遞方向上相對于鉆頭體(I)做滑動或滑動沖擊。
2.根據權利要求I所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于所述鉆頭體(I)還設置有產生沖擊カ并由所述傳カ機構(32 )傳遞沖擊カ的沖擊機構(33 )。
3.根據權利要求2所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于所述鉆頭體(I)采用分體式結構，由設有所述沖擊機構的沖擊器本體(51)和設有所述盤刀切削結構(2)和沖擊切削結構(3)的切削結構本體(61)連接而成，沖擊機構安裝在沖擊器本體(51)的中空部位。
4.根據權利要求I和2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之一以外的徑向區(qū)域內布置有所述沖擊切削齒(31)。
5.根據權利要求I和2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于鉆頭半徑二分之一以外的徑向區(qū)域內布置有所述沖擊切削齒(31)。
6.根據權利要求I和2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之ニ以外的徑向區(qū)域內布置有所述沖擊切削齒(31)。
7.根據權利要求I和2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于鉆頭半徑三分之一以內的徑向區(qū)域內布置有所述沖擊切削齒(31)。
8.根據權利要求I和2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于所述傳カ機構(32)包括依次連接的砧體(323)、傳カ桿(322)和沖頭(321)，砧體(323)與鉆頭體(I)之間形成相對滑動，傳カ桿(322)與鉆頭體(I)之間形成相對滑動，或通過擺動滑塊(328)形成既允許相對滑動，又允許相對轉動的連接，所述沖頭(321)連接在傳カ桿(322)的末端，或與傳カ桿(322)構成ー個整體式元件。
9.根據權利要求8所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于在同一個沖擊切削単元中，傳カ桿的數量為ー個或多于ー個，當傳カ桿的數量多于ー個時，各傳カ桿相互串行連接，其中彼此具有相對運動的相鄰傳カ桿之間通過鉸鏈連接。
10.根據權利要求I或2或3所述的ー種盤刀復合鉆頭，其特征在于所述盤刀切削結構(2)上的盤刀切削齒(21)為聚晶金剛石復合片，也可以為熱穩(wěn)定聚晶金剛石、天然金剛石以及孕鑲金剛石切削齒，沖擊切削結構(3)上的沖擊切削齒(31)為硬質合金齒，或用金剛石做表面加強的硬質合金齒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種盤刀復合鉆頭，屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備用破巖工具領域，包括鉆頭體和設置在鉆頭體上的盤刀切削結構，鉆頭體還設置有沖擊切削結構，沖擊切削結構包括傳遞沖擊力的傳力機構以及沖擊切削齒，沖擊切削齒固結在傳力機構末端的沖頭上，沖頭能在沖擊力傳遞方向上相對于鉆頭體做滑動或滑動沖擊。與盤刀切削結構鉆頭(又稱輪式鉆頭)相比，本發(fā)明既有利于鉆頭切削齒對地層的吃入，提高破巖效率，同時也有利于減緩切削齒的磨損速度，特別是在強度較高、研磨性較強的難鉆地層具有明顯的技術優(yōu)勢。
文檔編號E21B10/43GK102678052SQ20121015558
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權日2012年5月18日
發(fā)明者包澤軍, 張春亮, 楊迎新, 林敏 , 石擎天, 陳煉 申請人:西南石油大學