一種混合破巖機構和一種長壽命混合鑽頭的製作方法

2023-05-28 18:24:01 1

本發明涉及石油天然氣鑽探工程、礦山工程、建築基礎工程施工、地質鑽探、隧道工程、水文及非開挖技術領域，具體涉及一種混合破巖機構和一種長壽命混合鑽頭。

背景技術：

在石油天然氣鑽井工程中，通常使用鑽頭破碎巖石，鑽頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鑽井工程中使用的鑽頭主要有三牙輪鑽頭和pdc鑽頭，三牙輪鑽頭主要以衝擊壓碎的形式破巖，三牙輪鑽頭的輪體速比（鑽頭旋轉鑽進時牙輪轉速與鑽頭轉速之比）均大於1，鑽頭旋轉鑽進時牙輪轉速快，牙輪上的牙齒對井底巖石形成衝擊壓碎作用破巖，能量利用率不高，破巖效率相對較低。pdc鑽頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石複合片（簡稱pdc齒）來剪切和破碎巖石，pdc鑽頭在軟到中硬地層中機械鑽速高、壽命長，鑽進成本低，因此其在油氣井的鑽進中得到廣泛使用。

美國貝克休斯公司提出的牙輪—pdc混合式鑽頭是在傳統的pdc切削結構基礎上增加牙輪切削結構而形成的。當混合鑽頭旋轉鑽進時，固定刀翼上的pdc齒以刮切方式破巖，牙輪上的牙齒主要以衝擊壓碎的方式破巖,因此混合鑽頭依靠兩種方式破碎巖石，它在某些特殊地層—如礫石地層，不均質地層能獲得較好的效果。

在現有的牙輪—pdc混合鑽頭中，牙輪體是安裝在獨立的牙掌上，其軸承為單支承結構，軸承的軸頸一端固接在鑽頭體的牙掌上，另一端為自由端，即軸頸為單端固定的懸臂梁結構，牙輪套裝在牙掌的軸頸上與鑽頭體形成轉動連接。為防止鑽頭工作時牙輪軸向竄動和脫落，在軸頸和牙輪體之間設置有軸向鎖定裝置（如滾珠鎖定裝置），軸向鎖定裝置需在軸頸和牙輪體內加工環形槽，環形槽的存在影響了軸頸和牙輪的強度和軸承耐磨能力，減短了軸承的使用壽命；其二，即使在軸承結構中設置牙輪的軸向鎖定裝置，仍然存在因軸向鎖定裝置失效而導致牙輪脫落的可能，牙輪脫落事故一旦發生，將對後續的鑽井進程產生非常不利的影響；其三為了保證牙輪切削結構的強度，其牙輪的軸承結構和牙輪體本身體積太大，佔據鑽頭寶貴的布齒空間；其四為了保證牙輪軸承的強度就需要加大軸承的尺寸，就相應降低牙輪殼體的厚度，從而容易導致牙輪殼體的開裂，牙齒的固齒強度不夠等情況的發生。上述缺點的存在將嚴重製約混合鑽頭的使用；並且，目前鑽頭扭矩過大、減小鑽頭橫向、軸向、扭轉振動，鑽頭工具面不易控制，從而引發鑽頭蹩鑽、斷刀翼、振動會讓切削齒提前失效等問題。

綜上所述，目前牙輪—pdc混合鑽頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪佔據的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對牙輪—pdc混合鑽頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪佔據的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題，提供一種複合破巖機構和一種長壽命複合鑽頭。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種混合破巖機構，包括滾動破巖部件和固定破巖部件，所述固定破巖部件上設置有凹部，所述滾動破巖部件以能夠相對所述固定破巖部件樞轉的方式設置在所述凹部內，所述滾動破巖部件包括輪體和沿所述輪體的圓周方向布置的破巖部，所述輪體的厚度d與所述破巖部在所述輪體厚度方向的尺寸d之比1.1≤d/d≤4。

作為優選，所述破巖部為pdc切削齒或牙齒，所述輪體上設置有兩圈所述破巖部，破巖效率更高，穩定性更好，壽命更長。

作為優選，所述混合破巖機構還包括軸件，所述軸件設置在所述凹部的側壁上，所述軸件與所述輪體固定連接，磨損速率更低，壽命更長，穩定性更好。

作為優選，所述混合破巖機構還包括軸件，所述輪體上設置有軸孔，所述軸件與所述軸孔配合，所述軸件固定設置在凹部側壁上，質量更輕，穩定性更好。

作為優選，所述軸件內設置有潤滑通道，所述潤滑通道包括沿所述軸件直徑方向布置的徑向孔、沿所述軸件軸線布置的軸向孔和沿所述軸件圓周方向設置的環槽，所述徑向孔與所述軸向孔相通，所述徑向孔與所述環槽相通，從而滾動破巖部件的壽命更長。

本申請還公開了一種長壽命混合鑽頭，包括本體，所述本體上設置有所述破巖機構。

作為優選，所述長壽命混合鑽頭包括至少兩個所述混合破巖機構，每個複合破巖機構上設置有一個所述滾動破巖部件，一個所述混合破巖機構上的所述固定破巖部件與另一個所述混合破巖機構上的所述固定破巖部件相對於z軸的距離不相等。

作為優選，所述本體上還設置有所述固定破巖部件。

作為優選，所述本體上還設置有牙輪。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本申請的有益效果是：滾動破巖部件相比於常規牙輪而言更小，因而殼體厚度將大大增加，有效減少現有牙輪鑽頭因牙輪殼體開裂或破損等引起牙輪脫落掉入井底而產生井下事故；滾動破巖部件布置在固定破巖部件的凹部內，兩側面均與凹部的內壁接觸，從而沒有軸向鎖定裝置，軸承系統的承載能力將大大增加，延長軸承系統壽命，軸承在受力均勻的情況下能明顯提升軸承的密封能力，從而提高延長鑽頭的使用壽命；並且，依靠凹部的內壁能對滾動破巖部件體起到軸向止推和限位的作用，這樣能顯著減小滾動破巖部件掉落的風險，從而降低井下事故發生的概率；由於滾動破巖部件可以設置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鑽頭的扭矩、減小鑽頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鑽頭工具面更加容易控制；將滾動破巖部件設置在固定破巖部件上的凹部內，就不需要在設置獨立的滾動破巖結構，例如再獨立的設置牙輪，從而節約鑽頭上寶貴的布齒空間。

附圖說明

圖1為本申請混合破巖機構的結構示意圖；

圖2為本申請長壽命混合鑽頭的結構示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為本申請長壽命混合鑽頭的布齒包絡結構圖；

圖5為區別於圖1的本申請混合破巖機構的另一種結構示意圖；

圖6為圖3中的a-a截面的局部視圖；

圖7為圖3中的a-a截面的局部視圖，區別於圖6的另一種結構；

圖8為圖3中的a-a截面的局部視圖，區別於圖7的另一種結構；

圖中標記：1-本體、21-固定破巖結構、22-pdc齒、23-刀翼輪廓線、3-滾動破巖結構、31-輪體、32-破巖部、33-軸件、4-噴嘴或水眼、5-密封圈、6-凹部、7-巖石、8-潤滑通道、81-徑向孔，82-軸向孔，83-環槽，9-鍵、11-銅圈、12-堵頭或者擋板。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖1-8所示，一種混合破巖機構，包括滾動破巖部件和固定破巖部件，固定破巖部件也就是與鑽杆固定連接的用於破碎巖石的部件，如pdc刀翼、金剛石鑽頭或空氣錘鑽頭等，滾動破巖部件即是能夠相對固定破巖部件旋轉並在固定破巖部件帶動下相對巖石滾動，進行滾動破巖，滾動破巖部件可以牙輪，也可以是把牙輪上的牙齒更換為pdc切削齒的新型部件，也可以是輪上設置有金剛石顆粒的新型部件，所述固定破巖部件上設置有凹部，所述滾動破巖部件以能夠相對所述固定破巖部件樞轉的方式設置在所述凹部內，所述滾動破巖部件包括輪體和沿所述輪體的圓周方向布置的破巖部，所述輪體的厚度d與所述破巖部在所述輪體厚度方向的尺寸d之比1.1≤d/d≤4，如此，滾動破巖部件相比於常規牙輪而言更小，因而殼體厚度將大大增加，有效減少現有牙輪鑽頭因牙輪殼體開裂或破損等引起牙輪脫落掉入井底而產生井下事故；滾動破巖部件布置在固定破巖部件的凹部內，兩側面均與凹部的內壁接觸，從而沒有軸向鎖定裝置，軸承系統的承載能力將大大增加，延長軸承系統壽命，軸承在受力均勻的情況下能明顯提升軸承的密封能力，從而提高延長鑽頭的使用壽命；並且，依靠凹部的內壁能對滾動破巖部件體起到軸向止推和限位的作用，這樣能顯著減小滾動破巖部件掉落的風險，從而降低井下事故發生的概率；由於滾動破巖部件可以設置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鑽頭的扭矩、減小鑽頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鑽頭工具面更加容易控制；將滾動破巖部件設置在固定破巖部件上的凹部內，就不需要在設置獨立的滾動破巖結構，例如再獨立的設置牙輪，從而節約鑽頭上寶貴的布齒空間。

進一步的，所述破巖部為包括pdc切削齒和/或牙齒，所述輪體上設置有兩圈所述破巖部，如此，破巖效率更高，穩定性更好，壽命更長。

如圖,6，混合破巖機構還包括軸件，所述軸件設置在所述凹部的側壁上，所述軸件與所述輪體通過鍵、花鍵或過盈配合而固定連接，輪體不相對軸件轉動，而是與軸件一起相對固定破巖部件轉動，由此，磨損速率更低，壽命更長，穩定性更好。

或者，區別於上述軸件與輪體固定連接形成的輪體與軸件一起相對固定破巖部件轉動，也可以採用其他形式，如混合破巖機構還包括軸件，如圖4、7和8所示，所述輪體上設置有軸孔，所述軸件與所述軸孔配合，所述軸件固定設置在凹部側壁上，從而輪體能夠相對所述軸件轉動，參與滾動的零部件更少，質量更輕，穩定性更好。

進一步的，如圖6-8所示，所述軸件內設置有潤滑通道，所述潤滑通道包括沿所述軸件直徑方向布置的徑向孔、沿所述軸件軸線布置的軸向孔和沿所述軸件圓周方向設置的環槽，所述徑向孔與所述軸向孔相通，所述徑向孔與所述環槽相通，如此，可以在潤滑通道內通入潤滑油，降低磨損速率，該潤滑通道結構簡單，潤滑性能好，更加充分，從而滾動破巖部件的壽命更長，具體的，如圖所示，在固定破巖部件上設置有與一個徑向孔相通的油孔，以讓潤滑油通過油孔進入潤滑通道。

本專利申請還公開了一種長壽命混合鑽頭，如圖2和3，包括本體，所述本體上設置有上述混合破巖機構，從而長壽命混合鑽頭具有混合破巖機構的所有技術效果。

進一步的，如圖2和3，長壽命混合鑽頭包括至少兩個所述混合破巖機構，每個複合破巖機構上設置有一個所述滾動破巖部件，一個所述混合破巖機構上的所述固定破巖部件與另一個所述混合破巖機構上的所述固定破巖部件相對於z軸的距離不相等，能夠形成兩個破巖坑環，進一步降低鑽頭的扭矩、減小鑽頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鑽頭工具面更加容易控制；同時，也能夠提高破巖效率。

所述本體上還設置有所述固定破巖部件，如圖所示，該固定破巖部件為pdc刀翼，如此，破巖效率更高，壽命更長，且能夠進一步降低鑽頭的扭矩、減小鑽頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鑽頭工具面更加容易控制。

所述本體上還設置有牙輪，具體的，在常規pdc-牙輪複合鑽頭上的pdc刀翼更換為上述複合破巖機構，如此，破巖效率更高，壽命更長。

凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。