本發(fā)明涉及石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質鉆探、隧道工程、水文及非開挖技術領域，具體涉及一種復合破巖機構和一種長壽命復合鉆頭。

背景技術：

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（鉆頭旋轉鉆進時牙輪轉速與鉆頭轉速之比）均大于1，鉆頭旋轉鉆進時牙輪轉速快，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械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，因此其在油氣井的鉆進中得到廣泛使用。

美國貝克休斯公司提出的牙輪—PDC混合式鉆頭是在傳統(tǒng)的PDC切削結構基礎上增加牙輪切削結構而形成的。當混合鉆頭旋轉鉆進時，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，牙輪體是安裝在獨立的牙掌上，其軸承為單支承結構，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構，牙輪套裝在牙掌的軸頸上與鉆頭體形成轉動連接。為防止鉆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(huán)形槽，環(huán)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(fā)生，將對后續(xù)的鉆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，占據(jù)鉆頭寶貴的布齒空間；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(fā)生。上述缺點的存在將嚴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、扭轉振動，鉆頭工具面不易控制，從而引發(fā)鉆頭蹩鉆、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。

技術實現(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，提供一種復合破巖機構和一種長壽命復合鉆頭。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種復合破巖機構，包括滾動破巖部件和能夠沿Z軸旋轉的固定破巖部件，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，該樞轉軸為X，X與Z相交。

作為優(yōu)選，所述復合破巖機構還包括軸件，所述軸件的兩端分別設置在所述凹部的兩側壁上，所述軸件與所述滾動破巖部件配合，使所述軸件的軸線形成所述滾動破巖部件的樞轉軸線X。

作為優(yōu)選，所述復合破巖機構包括至少兩個所述滾動破巖部件，每個所述滾動破巖部件與Z軸的距離和其他滾動破巖部件與Z軸的距離均不相等。

作為優(yōu)選，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。

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，兩個所述破巖部與所述輪體側面的距離不相等。

本申請還公開了一種長壽命復合鉆頭，包括本體，所述本體上設置有權利要求1-6任意一項所述的復合破巖機構。

作為優(yōu)選，所述長壽命復合鉆頭包括至少兩個所述復合破巖機構，每個復合破巖機構上設置有一個所述滾動破巖部件，一個所述復合破巖機構上的所述固定破巖部件與另一個所述復合破巖機構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，所述本體上還設置有所述固定破巖部件。

作為優(yōu)選，所述本體上還設置有牙輪。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本申請的有益效果是：由于滾動破巖部件布置在固定破巖部件上，因此滾動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(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(fā)生的概率；由于滾動破巖部件可以設置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆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(jié)約鉆頭上寶貴的布齒空間。

附圖說明

圖1為本申請復合破巖機構的結構示意圖；

圖2為本申請長壽命復合鉆頭的結構示意圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為本申請長壽命復合鉆頭的布齒包絡結構圖；

圖5為區(qū)別于圖1的本申請復合破巖機構的另一種結構示意圖；

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。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)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(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1

如圖1所示，一種復合破巖機構，包括滾動破巖部件和能夠沿Z軸旋轉的固定破巖部件，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，滾動破巖部件即是能夠相對固定破巖部件旋轉并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，該樞轉軸為X，X與Z相交O點，如圖1所示，如此，當固定破巖部件沿Z軸旋轉破巖時，滾動破巖部件在固定破巖部件與巖石的作用下旋轉并相對巖石滾動進而形成純滾動破巖，滾動部件不會出現(xiàn)理論上的滑移破巖的情況下，受力情況更好，并且由于滾動破巖部件布置在固定破巖部件上，因此滾動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(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(fā)生的概率；由于滾動破巖部件可以設置的很小，不再以破巖為目的，而能夠降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆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(jié)約鉆頭上寶貴的布齒空間。

復合破巖機構還包括軸件，如圖4所示，所述軸件的兩端分別設置在所述凹部的兩側壁上，所述軸件與所述滾動破巖部件配合，使所述軸件的軸線形成所述滾動破巖部件的樞轉軸線X，從而摩擦面積更大，壽命更長。

復合破巖機構包括至少兩個所述滾動破巖部件，如圖5所示，每個所述滾動破巖部件與Z軸的距離和其他滾動破巖部件與Z軸的距離均不相等，因此一個固定破巖部件上設置有至少兩個滾動破巖部件，并且與鉆頭軸線Z軸的距離不相等，從而能夠形成多個破巖坑環(huán)，同時能夠進一步能夠降低鉆頭的扭矩，進一步減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆頭工具面更加容易控制。

如圖1-5所示，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，破巖部固定設置在輪體上，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，結構簡單，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生井下事故；由于滾動破巖部件可以設置的較小，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、扭轉振動，使得鉆頭工具面更加容易控制。

如圖3，兩個所述破巖部與所述輪體側面的距離不相等，也就是輪體上布置有兩圈破巖部，能夠形成兩個破巖坑環(huán)，進一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆頭工具面更加容易控制；同時，也能夠提高破巖效率。

實施例2

如圖2和3所示，一種長壽命復合鉆頭，包括本體，所述本體上設置有上述復合破巖機構，因此，具有復合破巖機構的上述效果。

進一步的，長壽命復合鉆頭包括至少兩個所述復合破巖機構，如圖2和3所示，每個復合破巖機構上設置有一個所述滾動破巖部件，一個所述復合破巖機構上的所述固定破巖部件與另一個所述復合破巖機構上的所述固定破巖部件相對于Z軸的距離不相等，能夠形成兩個破巖坑環(huán)，進一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆頭工具面更加容易控制；同時，也能夠提高破巖效率。

進一步的，所述本體上還設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，且能夠進一步降低鉆頭的扭矩、減小鉆頭橫向、軸向、扭轉振動，使得鉆頭工具面更加容易控制。

進一步的，所述本體上還設置有牙輪，具體的，在常規(guī)PDC-牙輪復合鉆頭上的PDC刀翼更換為上述復合破巖機構，如此，破巖效率更高，壽命更長。

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