本發(fā)明涉及石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文及非開挖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)和一種長壽命復(fù)合鉆頭。

背景技術(shù)：

在石油天然氣鉆井工程中，通常使用鉆頭破碎巖石，鉆頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中使用的鉆頭主要有三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，三牙輪鉆頭的輪體速比（鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比）均大于1，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速快，牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破巖，能量利用率不高，破巖效率相對較低。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復(fù)合片（簡稱PDC齒）來剪切和破碎巖石，PDC鉆頭在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長，鉆進(jìn)成本低，因此其在油氣井的鉆進(jìn)中得到廣泛使用。

美國貝克休斯公司提出的牙輪—PDC混合式鉆頭是在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加牙輪切削結(jié)構(gòu)而形成的。當(dāng)混合鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖,因此混合鉆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(zhì)地層能獲得較好的效果。

在現(xiàn)有的牙輪—PDC混合鉆頭中，牙輪體是安裝在獨(dú)立的牙掌上，其軸承為單支承結(jié)構(gòu)，軸承的軸頸一端固接在鉆頭體的牙掌上，另一端為自由端，即軸頸為單端固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)，牙輪套裝在牙掌的軸頸上與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。為防止鉆頭工作時(shí)牙輪軸向竄動(dòng)和脫落，在軸頸和牙輪體之間設(shè)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(nèi)加工環(huán)形槽，環(huán)形槽的存在影響了軸頸和牙輪的強(qiáng)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(jié)構(gòu)中設(shè)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(dǎo)致牙輪脫落的可能，牙輪脫落事故一旦發(fā)生，將對后續(xù)的鉆井進(jìn)程產(chǎn)生非常不利的影響；其三為了保證牙輪切削結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其牙輪的軸承結(jié)構(gòu)和牙輪體本身體積太大，占據(jù)鉆頭寶貴的布齒空間；其四為了保證牙輪軸承的強(qiáng)度就需要加大軸承的尺寸，就相應(yīng)降低牙輪殼體的厚度，從而容易導(dǎo)致牙輪殼體的開裂，牙齒的固齒強(qiáng)度不夠等情況的發(fā)生。上述缺點(diǎn)的存在將嚴(yán)重制約混合鉆頭的使用；并且，目前鉆頭扭矩過大、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，鉆頭工具面不易控制，從而引發(fā)鉆頭蹩鉆、斷刀翼、振動(dòng)會(huì)讓切削齒提前失效等問題。

綜上所述，目前牙輪—PDC混合鉆頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪占據(jù)的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對牙輪—PDC混合鉆頭存在牙輪軸承壽命短、牙輪殼體容易開裂、牙輪占據(jù)的空間過大以及牙輪仍然存在掉落的問題，提供一種復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)和一種長壽命復(fù)合鉆頭。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，包括滾動(dòng)破巖部件和能夠沿Z軸旋轉(zhuǎn)的固定破巖部件，所述固定破巖部件上設(shè)置有凹部，所述滾動(dòng)破巖部件以能夠相對所述固定破巖部件樞轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在所述凹部內(nèi)，該樞轉(zhuǎn)軸為X，X與Z相交。

作為優(yōu)選，所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)還包括軸件，所述軸件的兩端分別設(shè)置在所述凹部的兩側(cè)壁上，所述軸件與所述滾動(dòng)破巖部件配合，使所述軸件的軸線形成所述滾動(dòng)破巖部件的樞轉(zhuǎn)軸線X。

作為優(yōu)選，所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)包括至少兩個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件，每個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件與Z軸的距離和其他滾動(dòng)破巖部件與Z軸的距離均不相等。

作為優(yōu)選，所述滾動(dòng)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。

作為優(yōu)選，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≤2。

作為優(yōu)選，兩個(gè)所述破巖部與所述輪體側(cè)面的距離不相等。

本申請還公開了一種長壽命復(fù)合鉆頭，包括本體，所述本體上設(shè)置有權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述長壽命復(fù)合鉆頭包括至少兩個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，每個(gè)復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上設(shè)置有一個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件，一個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上的所述固定破巖部件與另一個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上的所述固定破巖部件相對于Z軸的距離不相等。

作為優(yōu)選，所述本體上還設(shè)置有所述固定破巖部件。

作為優(yōu)選，所述本體上還設(shè)置有牙輪。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本申請的有益效果是：由于滾動(dòng)破巖部件布置在固定破巖部件上，因此滾動(dòng)破巖部件的尺寸相比于常規(guī)牙輪要小許多，因而殼體厚度將大大增加，有效減少現(xiàn)有牙輪鉆頭因牙輪殼體開裂或破損等引起牙輪脫落掉入井底而產(chǎn)生井下事故；滾動(dòng)破巖部件布置在固定破巖部件的凹部內(nèi)，兩側(cè)面均與凹部的內(nèi)壁接觸，從而沒有軸向鎖定裝置，軸承系統(tǒng)的承載能力將大大增加，延長軸承系統(tǒng)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，從而提高延長鉆頭的使用壽命；并且，依靠凹部的內(nèi)壁能對滾動(dòng)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(dòng)破巖部件掉落的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低井下事故發(fā)生的概率；由于滾動(dòng)破巖部件可以設(shè)置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制；將滾動(dòng)破巖部件設(shè)置在固定破巖部件上的凹部內(nèi)，就不需要在設(shè)置獨(dú)立的滾動(dòng)破巖結(jié)構(gòu)，例如再獨(dú)立的設(shè)置牙輪，從而節(jié)約鉆頭上寶貴的布齒空間。

附圖說明

圖1為本申請復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本申請長壽命復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為本申請長壽命復(fù)合鉆頭的布齒包絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；

圖5為區(qū)別于圖1的本申請復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)記：1-本體、21-固定破巖結(jié)構(gòu)、22-PDC齒、23-刀翼輪廓線、3-滾動(dòng)破巖結(jié)構(gòu)、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。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，包括滾動(dòng)破巖部件和能夠沿Z軸旋轉(zhuǎn)的固定破巖部件，固定破巖部件也就是與鉆桿固定連接的用于破碎巖石的部件，如PDC刀翼、金剛石鉆頭或空氣錘鉆頭等，滾動(dòng)破巖部件即是能夠相對固定破巖部件旋轉(zhuǎn)并在固定破巖部件帶動(dòng)下相對巖石滾動(dòng)，進(jìn)行滾動(dòng)破巖，滾動(dòng)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(shè)置有金剛石顆粒的新型部件，所述固定破巖部件上設(shè)置有凹部，所述滾動(dòng)破巖部件以能夠相對所述固定破巖部件樞轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在所述凹部內(nèi)，該樞轉(zhuǎn)軸為X，X與Z相交O點(diǎn)，如圖1所示，如此，當(dāng)固定破巖部件沿Z軸旋轉(zhuǎn)破巖時(shí)，滾動(dòng)破巖部件在固定破巖部件與巖石的作用下旋轉(zhuǎn)并相對巖石滾動(dòng)進(jìn)而形成純滾動(dòng)破巖，滾動(dòng)部件不會(huì)出現(xiàn)理論上的滑移破巖的情況下，受力情況更好，并且由于滾動(dòng)破巖部件布置在固定破巖部件上，因此滾動(dòng)破巖部件的尺寸相比于常規(guī)牙輪要小許多，因而殼體厚度將大大增加，有效減少現(xiàn)有牙輪鉆頭因牙輪殼體開裂或破損等引起牙輪脫落掉入井底而產(chǎn)生井下事故；滾動(dòng)破巖部件布置在固定破巖部件的凹部內(nèi)，兩側(cè)面均與凹部的內(nèi)壁接觸，從而沒有軸向鎖定裝置，軸承系統(tǒng)的承載能力將大大增加，延長軸承系統(tǒng)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，從而提高延長鉆頭的使用壽命；并且，依靠凹部的內(nèi)壁能對滾動(dòng)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(dòng)破巖部件掉落的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低井下事故發(fā)生的概率；由于滾動(dòng)破巖部件可以設(shè)置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制；將滾動(dòng)破巖部件設(shè)置在固定破巖部件上的凹部內(nèi)，就不需要在設(shè)置獨(dú)立的滾動(dòng)破巖結(jié)構(gòu)，例如再獨(dú)立的設(shè)置牙輪，從而節(jié)約鉆頭上寶貴的布齒空間。

復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)還包括軸件，如圖4所示，所述軸件的兩端分別設(shè)置在所述凹部的兩側(cè)壁上，所述軸件與所述滾動(dòng)破巖部件配合，使所述軸件的軸線形成所述滾動(dòng)破巖部件的樞轉(zhuǎn)軸線X，從而摩擦面積更大，壽命更長。

復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)包括至少兩個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件，如圖5所示，每個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件與Z軸的距離和其他滾動(dòng)破巖部件與Z軸的距離均不相等，因此一個(gè)固定破巖部件上設(shè)置有至少兩個(gè)滾動(dòng)破巖部件，并且與鉆頭軸線Z軸的距離不相等，從而能夠形成多個(gè)破巖坑環(huán)，同時(shí)能夠進(jìn)一步能夠降低鉆頭的扭矩，進(jìn)一步減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制。

如圖1-5所示，所述滾動(dòng)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，破巖部固定設(shè)置在輪體上，可以采用脹接的方式將破巖部布置在輪體上，也可以采用焊接的方式，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。具體的，破巖部可以是常規(guī)牙輪鉆頭上的牙齒，也可以是PDC齒，也可以是細(xì)小的金剛石顆粒組成的層，金剛石顆粒粒徑0.1mm-3mm；圖1-5中的破巖部均是牙齒。

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≤2，如圖4所示，如此，輪體比較小，整體的質(zhì)量小，因而殼體厚度將大大增加，有效減少現(xiàn)有牙輪鉆頭因牙輪殼體開裂或破損等引起牙輪脫落掉入井底而產(chǎn)生井下事故；由于滾動(dòng)破巖部件可以設(shè)置的較小，不再以破巖為目的，而能夠降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制。

如圖3，兩個(gè)所述破巖部與所述輪體側(cè)面的距離不相等，也就是輪體上布置有兩圈破巖部，能夠形成兩個(gè)破巖坑環(huán)，進(jìn)一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制；同時(shí)，也能夠提高破巖效率。

實(shí)施例2

如圖2和3所示，一種長壽命復(fù)合鉆頭，包括本體，所述本體上設(shè)置有上述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，因此，具有復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)的上述效果。

進(jìn)一步的，長壽命復(fù)合鉆頭包括至少兩個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，如圖2和3所示，每個(gè)復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上設(shè)置有一個(gè)所述滾動(dòng)破巖部件，一個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上的所述固定破巖部件與另一個(gè)所述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)上的所述固定破巖部件相對于Z軸的距離不相等，能夠形成兩個(gè)破巖坑環(huán)，進(jìn)一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制；同時(shí)，也能夠提高破巖效率。

進(jìn)一步的，所述本體上還設(shè)置有所述固定破巖部件，如圖2和3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(jìn)一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得鉆頭工具面更加容易控制。

進(jìn)一步的，所述本體上還設(shè)置有牙輪，具體的，在常規(guī)PDC-牙輪復(fù)合鉆頭上的PDC刀翼更換為上述復(fù)合破巖機(jī)構(gòu)，如此，破巖效率更高，壽命更長。

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