本發(fā)明屬于石油煤層氣鉆進(jìn)領(lǐng)域，涉及pdc鉆頭，具體是一種具有軸向沖擊能力的pdc鉆頭。
背景技術(shù)：
1、pdc鉆頭憑借其高效的切削性能在軟至中硬地層的鉆孔施工中被廣泛應(yīng)用。但是，隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和地層復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)pdc鉆頭在面對(duì)復(fù)雜、堅(jiān)硬地層時(shí)，其局限性逐漸顯現(xiàn)。受限于單一的旋轉(zhuǎn)切削機(jī)制，傳統(tǒng)pdc鉆頭在遭遇高強(qiáng)度巖石或硬質(zhì)地層時(shí)，往往面臨進(jìn)尺速率緩慢、磨損速度加快、卡鉆和跳鉆現(xiàn)象頻發(fā)等挑戰(zhàn)，從而對(duì)鉆孔施工的效率和成本控制構(gòu)成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，如何提高pdc鉆頭在堅(jiān)硬復(fù)雜地層中的鉆進(jìn)性能，保證其在復(fù)雜堅(jiān)硬地層中的高效率長(zhǎng)壽命鉆進(jìn)，成為當(dāng)前鉆井技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
2、專(zhuān)利號(hào)為cn?114439373?b的發(fā)明專(zhuān)利提出一種用于硬地層的沖擊剪切復(fù)合鉆頭，利用鉆井液過(guò)流面積的變化來(lái)產(chǎn)生沖擊載荷作用于沖擊齒上，根據(jù)流體力學(xué)原理，鉆井液流經(jīng)變截面通道時(shí)，會(huì)發(fā)生能量損失，尤其是在過(guò)流面積變化較大時(shí)，易產(chǎn)生旋渦或紊流，從而導(dǎo)致壓力能轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量而損耗掉，沖擊效果大大降低。專(zhuān)利號(hào)cn113931576?b的發(fā)明專(zhuān)利提出一種沖、切復(fù)合鉆具，依靠水力馬達(dá)產(chǎn)生沖擊載荷，通過(guò)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將沖擊載荷傳遞給沖擊機(jī)構(gòu)，從而使沖擊鉆頭沖擊碎巖，該技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，凸輪和滾輪在高壓、高頻沖擊下長(zhǎng)期滾動(dòng)摩擦，容易造成凸輪和滾輪的磨損加劇，導(dǎo)致它們的輪廓形狀發(fā)生改變，從而影響滾輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致彈簧的蓄力和釋力過(guò)程不再穩(wěn)定，沖擊鉆頭的沖擊運(yùn)動(dòng)也變得不規(guī)則，沖擊效果大打折扣。專(zhuān)利號(hào)cn
3、112593848b的發(fā)明專(zhuān)利提出一種pdc鉆頭復(fù)合沖擊裝置，通過(guò)沖錘機(jī)構(gòu)和換向閥機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性的水力脈沖，該技術(shù)對(duì)鉆井液性能也存在一定的依賴(lài)性，鉆井液的粘度、剪切力等特性可能會(huì)影響水力脈沖的形成和傳遞效率，并且換向閥的控制精度和響應(yīng)速度不夠高也可能導(dǎo)致脈沖的產(chǎn)生不夠精確，進(jìn)而影響沖擊功的穩(wěn)定性。
4、因此，亟需提出一種具有軸向沖擊功能的pdc鉆頭，利用高壓水推動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)移動(dòng)，從而產(chǎn)生沖擊載荷作用于pdc鉆頭上進(jìn)行沖擊碎巖。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有軸向沖擊能力的pdc鉆頭，以解決現(xiàn)有技術(shù)中pdc鉆頭在堅(jiān)硬復(fù)雜地層中鉆進(jìn)效率低的技術(shù)問(wèn)題。
2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、一種具有軸向沖擊功能的pdc鉆頭，包括依次相連的鉆頭體、連接套筒和沖擊機(jī)構(gòu)；
4、所述鉆頭體包括沿軸向向后直徑依次減小的前導(dǎo)段、中間段和尾部段；
5、所述連接套筒包括沿軸向向后直徑減小的第一圓筒段和第二圓筒段，所述第一圓筒段與所述中間段配合連接；
6、所述沖擊機(jī)構(gòu)包括軸向前端與所述連接套筒連接的外管，所述外管中設(shè)置有上齒條機(jī)構(gòu)和下齒條機(jī)構(gòu)，所述外管的軸向前端設(shè)置所述鉆頭體的尾部段；所述外管中還設(shè)置有固定桿，所述固定桿上可轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置有齒輪，所述齒輪分別與所述上齒條機(jī)構(gòu)和下齒條機(jī)構(gòu)嚙合；所述上齒條機(jī)構(gòu)和下齒條機(jī)構(gòu)之間設(shè)置有壓縮彈簧。
7、本發(fā)明還包括以下技術(shù)特征：
8、所述鉆頭體內(nèi)部設(shè)置有沿軸向分布的中心盲孔；所述前導(dǎo)段的軸向前端面上沿圓周均勻設(shè)置有多個(gè)刀翼，相鄰所述刀翼之間形成流道，每一個(gè)流道上設(shè)置有連通所述中心盲孔與鉆頭體外部的水眼；刀翼上設(shè)置有pdc切削齒；所述鉆頭體的尾部段的側(cè)壁上沿周向均勻開(kāi)設(shè)有多個(gè)側(cè)壁通孔。
9、所述外管的內(nèi)壁上對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)有一對(duì)矩形槽；所述外管的內(nèi)壁上沿軸向向前分別開(kāi)設(shè)有多個(gè)沿周向均勻分布的第一內(nèi)側(cè)壁盲孔、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的第二內(nèi)側(cè)壁盲孔和多個(gè)沿周向均勻分布的第三內(nèi)側(cè)壁盲孔；外管上沿圓周均勻設(shè)置有多個(gè)軸向盲孔，每個(gè)所述軸向盲孔連通一個(gè)第一內(nèi)側(cè)壁盲孔和一個(gè)第三內(nèi)側(cè)壁盲孔。
10、所述上齒條機(jī)構(gòu)包括分別可移動(dòng)設(shè)置在所述外管的一對(duì)矩形槽的軸向后段中的第一上橫桿和第一下橫桿，所述第一上橫桿的橫向后端和第一下橫桿的橫向后端之間設(shè)置有圓臺(tái)，所述圓臺(tái)的外徑與所述外管的內(nèi)壁直徑相同；所述第一上橫桿的橫向前端設(shè)置有第一豎桿；所述第一上橫桿、圓臺(tái)和第一下橫桿形成“口”型結(jié)構(gòu)；所述第一上橫桿的底部?jī)?nèi)壁上設(shè)置有上齒條；所述第一下橫桿為中空“u”形結(jié)構(gòu)；
11、所述第一豎桿上設(shè)置有沿軸向分布的第一通孔和與其垂直且連通的第二通孔；
12、所述下齒條機(jī)構(gòu)包括可移動(dòng)設(shè)置在所述外管的一對(duì)矩形槽的軸向前段中的第二上橫桿和第二下橫桿，所述第二下橫桿的軸向后段伸入所述第一下橫桿中且其頂部?jī)?nèi)壁上設(shè)置有下齒條；所述第二上橫桿軸向前端和第二下橫桿的軸向前端之間設(shè)置有第二豎桿；所述第二上橫桿、第二豎桿和第二下橫桿形成“u”型結(jié)構(gòu)；
13、所述第二豎桿上設(shè)置有沿軸向分布的第三通孔和與其垂直且連通的第四通孔。
14、所述外管的兩個(gè)第二內(nèi)側(cè)壁盲孔中共同設(shè)置固定桿，所述固定桿上可轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置齒輪，所述齒輪的頂部和底部分別與所述上齒條和下齒條嚙合。
15、所述第一通孔和第三通孔中均設(shè)置有導(dǎo)桿；兩個(gè)所述導(dǎo)桿之間設(shè)置壓縮彈簧。
16、所述鉆頭體的中間段沿外圓周面均勻開(kāi)設(shè)有多個(gè)鍵槽；所述第一圓筒段的內(nèi)壁上沿周向均勻設(shè)置有多個(gè)內(nèi)花鍵，多個(gè)所述鍵槽與多個(gè)內(nèi)花鍵一一對(duì)應(yīng)連接。
17、所述連接套筒的第二圓筒段的外壁上開(kāi)設(shè)有公螺紋，所述外管的軸向前端上開(kāi)設(shè)有母螺紋，所述母螺紋與所述公螺紋配合連接。
18、所述第二通孔和第四通孔中均設(shè)置有緊固螺栓。
19、位于所述鉆頭體的尾部段的軸向后端的外管中設(shè)置有限位環(huán)。
20、所述pdc切削齒的外壁為波浪形。
21、所述pdc切削齒的材料為氟化處理后的微米級(jí)金剛石微粉和納米級(jí)金剛石微粉的混合粉。
22、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益的技術(shù)效果是：
23、(1)本發(fā)明中的沖擊機(jī)構(gòu)將高壓水的液壓能轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，沖擊行程、頻率和能量可通過(guò)齒輪模數(shù)、齒條長(zhǎng)度和水壓精確調(diào)控，避免傳統(tǒng)液動(dòng)沖擊器的隨機(jī)波動(dòng)。同時(shí)，齒輪與齒條的配合具有良好的運(yùn)動(dòng)確定性，傳動(dòng)穩(wěn)定，相比于其他依靠復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)或不穩(wěn)定流體動(dòng)力的沖擊方式，這種方式能夠保證每次沖擊能量和力度相對(duì)穩(wěn)定，從而減少因沖擊能量波動(dòng)導(dǎo)致的破巖不徹底或者鉆頭過(guò)度磨損等問(wèn)題，也解決了現(xiàn)有技術(shù)中pdc鉆頭在堅(jiān)硬復(fù)雜地層中鉆進(jìn)效率低的技術(shù)問(wèn)題。
24、(2)本發(fā)明的沖擊機(jī)構(gòu)的可調(diào)性強(qiáng)，通過(guò)調(diào)整高壓水的壓力和流量，能夠較為方便地調(diào)節(jié)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和沖擊力大小，從而適應(yīng)不同硬度和地質(zhì)條件的巖石。
25、(3)本發(fā)明的沖擊機(jī)構(gòu)無(wú)“水錘效應(yīng)”，沖擊均勻。傳統(tǒng)液動(dòng)沖擊依賴(lài)鉆井液突然截流(如閥的快速啟閉)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，易受鉆桿內(nèi)壓力變化影響，導(dǎo)致沖擊功周期衰減；本發(fā)明中的齒輪與齒條的配合，通過(guò)勻速推進(jìn)+瞬間釋放的方式?jīng)_擊，避免了壓力波動(dòng)，保證了沖擊能量的穩(wěn)定性。
26、(3)本發(fā)明的沖擊機(jī)構(gòu)對(duì)鉆井液的性能依賴(lài)較低，傳統(tǒng)的液動(dòng)沖擊依賴(lài)鉆井液的粘度、密度和清潔度來(lái)傳遞能量，而本發(fā)明中鉆井液主要起到傳遞高壓水的作用，而不直接參與沖擊過(guò)程，對(duì)鉆井液的固相含量、流變性等要求極低，即使在鉆井液性能發(fā)生一定變化(如粘度降低、密度增加等)的情況下，鉆頭的沖擊功能仍然能夠正常發(fā)揮，從而保證鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。
27、(4)通過(guò)沖擊機(jī)構(gòu)使得pdc鉆頭產(chǎn)生反復(fù)的軸向沖擊動(dòng)載，一方面，沖擊動(dòng)載使得鉆頭對(duì)巖石的作用力瞬間增大，能夠增強(qiáng)鉆頭的碎巖效果，顯著提升鉆進(jìn)速度，特別是在硬質(zhì)地層或研磨性較強(qiáng)的地層中效果更佳。另一方面，pdc鉆頭的反復(fù)沖擊動(dòng)載能夠在巖石內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，促使巖石內(nèi)部形成裂紋并快速擴(kuò)展，從而降低巖石的整體強(qiáng)度，并為后續(xù)的切削破碎提供有利條件，從而提高機(jī)械鉆速。再者，沖擊動(dòng)載可有效降低鉆頭在硬質(zhì)和不均勻地層中的扭矩波動(dòng)，避免因地層突變引起的卡鉆和跳鉆問(wèn)題，從而提高鉆頭碎巖的穩(wěn)定性。
28、(5)基于玉米葉子邊緣鋸齒形的結(jié)構(gòu)特征在增強(qiáng)剛性和鋒利性方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)pdc切削齒進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。通過(guò)將pdc切削齒的外圓周面設(shè)計(jì)成波浪形結(jié)構(gòu)，使得其切削刃呈現(xiàn)波浪形特征，一方面，能夠?qū)⑶邢鬟^(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力分散到更大的表面區(qū)域，避免局部應(yīng)力集中，從而減少pdc切削齒在高沖擊力下發(fā)生斷裂或崩裂的可能性，顯著提高其抗沖擊性能。另一方面，波浪形狀的切削刃能夠與巖石之間形成更多的接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)在切削過(guò)程中能夠更有效地分散切削力，使切削過(guò)程更加平穩(wěn)。再者，波浪形切削刃結(jié)構(gòu)能夠在巖石上產(chǎn)生一系列交錯(cuò)的切削痕跡，形成多個(gè)小型巖脊，從而有助于巖石的體積破碎。
29、(6)在pdc切削齒原材料制備中，采用微米級(jí)金剛石微粉和納米級(jí)金剛石微粉混合并氟化處理。一方面，納米級(jí)金剛石顆粒具有更高的表面積，能夠增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，提高顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，而微米級(jí)金剛石顆粒則提供了結(jié)構(gòu)支撐，使材料在強(qiáng)度和韌性之間取得平衡，這種多級(jí)尺度的結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)pdc切削齒的抗壓性能。另一方面，納米級(jí)金剛石顆粒能夠分散應(yīng)力集中區(qū)域，阻止裂紋的形成和擴(kuò)展，pdc切削齒在受到外部沖擊或高壓時(shí)更不容易發(fā)生斷裂，從而提高其抗沖擊性能。再者，氟化涂層有利于增強(qiáng)顆粒表面的化學(xué)穩(wěn)定性，有效抵御高溫下的氧化和化學(xué)侵蝕，從而提高pdc切削齒的熱穩(wěn)定性。