CN103089154A - 一种混合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体、至少一个牙轮和至少一个盘刀，牙轮和盘刀分别通过轴承结构与钻头体形成转动连接，盘刀的偏移角的范围为[20°，90°]或[-90°，-20°]，盘刀上设置有盘刀切削齿，牙轮上设有横镶齿，且横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°。本发明的钻头提出一种新的牙轮结构形式，并与大偏移角的盘刀切削结构相结合，形成新型混合结构钻头。该混合钻头具有更高的破岩效率；牙轮工作平稳，钻头工作稳定性好，还具有更长的钻头牙齿和轴承的寿命，从而具有更长的钻头使用寿命。

Description

一种混合钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种混合钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。钢齿钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层；镶齿钻头在牙轮体预留的齿孔内镶固硬质合金牙齿（以下简称硬质合金齿或牙齿），硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。在结构形式上，为了满足镶齿牙轮钻头冲压破碎破岩工作方式的需要，现有钻头采用了以下三个技术手段：其一，现有镶齿牙轮钻头上的牙齿的下部镶固部分均为圆柱型，上部出露部分由下部圆柱向牙齿轴线逐渐收缩过渡，多为楔形或锥形，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，以形成较尖锐的冲击头部。由于牙齿受的动载大，且牙齿尺寸相对较小，所以容易发生牙齿的整体或局部断裂。其二，现有大多数镶齿三牙轮钻头牙轮上牙齿的齿顶无偏转（即齿顶偏转角为0°），也有少量钻头的部分齿圈的牙齿（切削齿）齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。牙齿的偏转是为了迎合牙齿冲击压入岩石后的滑移刮切方向，以增加牙齿对岩石的滑移刮切效果（量）。其三，多数三牙轮钻头的牙轮存在偏移，其目的在于，偏移使牙轮在井底岩石上滚动破岩时无法发生纯滚动，使牙轮上的牙齿破岩时滑移增大，偏移值越大牙轮上的牙齿滑移刮切越明显。

一种以切削方式破岩的轮式钻头（中国专利号：ZL 201010229375.7）提供一种大偏移角转轮（盘刀）削结构的刮切型钻头，钻头工作时盘刀上的切削齿轮流交替刮切破岩。一种以切削方式破岩的复合式钻头（中国专利号：ZL 201010229371.9）提供一种刮切型的复合式钻头，钻头由大偏移角盘刀和固定切削结构复合而成，在盘刀切削齿和固定切削齿的共同作用下，钻头在井底形成网状的交叉刮切，交叉刮切能提高钻头的破岩效率。上述两种钻头均为刮切（切削）型钻头，钻头破岩钻进的前提仍是切削齿能有效地吃入地层岩石。当岩石很硬切削齿难以吃入岩石，或切削齿有磨损后难以吃入岩石时，此两种钻头破的岩效率将降低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种混合钻头，该钻头提出一种新的牙轮结构形式，并与大偏移角的盘刀切削结构相结合，形成新型混合结构钻头。该混合钻头具有更高的破岩效率；牙轮工作平稳，钻头工作稳定性好，还具有更长的钻头牙齿和轴承的寿命，从而具有更长的钻头使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种混合钻头，包括钻头体、至少一个牙轮和至少一个盘刀，所述牙轮和盘刀分别通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接，所述盘刀的偏移角的范围为[20°，90°]或[-90°，-20°]，所述盘刀上设置有盘刀切削齿，所述牙轮上设有横镶齿，且横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°。

牙齿的结构是影响牙轮钻头钻进效率的关键因素之一。镶齿牙轮钻头的牙齿与牙轮上的齿孔通常采用过盈配合（或镶焊等）方式镶固在牙轮上。牙齿的下部与牙轮齿孔形成过盈配合（该部分称为牙齿的镶固部分），牙齿与齿孔形成过盈配合的表面一般为圆柱面；牙齿的上部位于牙轮壳体的表面之外，用于直接接触、破碎岩石（该部分称为牙齿的工作部分，也称为牙齿的冠部或头部），通常情况下，牙齿冠部的径向（垂直于牙齿轴线方向，平行牙齿下部圆柱的直径方向）尺寸小于镶固部分的圆柱直径。牙齿镶固部分的尺寸（直径和高度）和过盈量是决定固齿强度的关键，而牙齿冠部的形状和尺寸则是决定牙齿工作性能的关键。通常所谓的“齿型”或“齿形”就是指依据牙齿冠部形状和尺寸的特征而对牙齿作的分类。常见的牙齿齿型（或齿形）包括球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿、边楔齿等。依据牙齿冠部几何形体主要特征的不同，可以将牙齿分为回转体类牙齿和非回转体类牙齿两大类。回转体类牙齿的冠部表面为与牙齿中心线同轴的回转曲面，如球形齿和锥形齿。若牙齿的冠部表面为非回转曲面，或虽为回转曲面但其回转中心与牙齿中心不同轴，这样的牙齿均为非回转体类牙齿，如楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿和边楔齿等。

表征牙齿冠部形状和尺寸的主要参数为牙齿的出露高度h、牙齿的齿顶宽度W和牙齿的齿顶厚度T（见图38）。出露高度h是指牙齿出露于牙轮壳体表面之外的高度，简称出露高度或齿高；牙齿的齿顶宽度W是指牙齿的齿顶区域在垂直于牙齿轴线的平面内的最大横向尺寸，简称齿顶宽度；牙齿的厚度T是指牙齿齿顶区域在垂直于牙齿宽度方向的最大横向尺寸，简称齿顶厚度。齿顶宽度和齿顶厚度代表了牙齿顶部的横向尺寸，横向尺寸越小，牙齿越尖锐、越容易侵入岩石，但同时也越容易发生强度失效。就对牙齿破岩效率的影响而言，牙齿的宽度具有比较特殊的意义，原因在于：尽管牙轮钻头主要以压碎作用破碎岩石，但钻头牙齿在与岩石接触时的相对滑移运动可使牙齿产生刮切破岩的效果，此时，牙齿的宽度越大，刮切时扫过的面积就越大，刮切破岩的效果也就越明显。镶齿牙轮钻头的牙齿一般多按照齿顶宽方向与牙轮母线平行的方向镶固（如图39中的齿5）。也可先分析预测牙齿刮切运动的方向，然后按照齿顶宽与刮切运动方向相垂直或接近垂直的方向镶固牙齿（如图39中的齿6）。

然而，由于牙齿冠部形状的特殊性，牙齿“齿顶区域”的概念具有一定的模糊性，因而需要加以具体的约定，以达到对各种形状的牙齿都能按照统一的方法度量齿顶宽度和齿顶厚度的目的。为此，特作约定如下：N为一自然数，在纵向距牙齿冠部最高点h/N的位置做一个垂直于牙齿轴线的平面P（见图38），牙齿上由该平面至牙齿冠部最高点之间的区域为牙齿的N分齿顶区域。在牙齿的N分齿顶区域内，垂直于牙齿轴线的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶宽度（也即：牙齿的N分齿顶区域在平面P上投影的最大宽度）；最大横向尺寸在P平面上所对应的方向为齿顶齿宽方向；该齿顶区域在垂直于齿顶宽度方向上的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶厚度。在图38中，标明了楔形齿的4分齿顶区域（P平面至牙齿顶部最高点之间的区域）、4分齿顶宽度W、齿顶宽度方向以及4分齿顶厚度T。通常情况下，牙齿冠部的形状都是由根部到顶部越来越尖锐，所以在平面P上的牙齿横截面宽度/厚度，就等于牙齿的N分齿顶宽度/厚度。由定义可知，齿顶宽度和齿顶厚度的区别只对非回转体类牙齿才有意义。

牙齿的横向长度，是指牙齿垂直于牙齿轴线的最大横向尺寸，也即，牙齿在垂直于牙齿轴线平面上投影的最大长度；牙齿的横向宽度，是指垂直于牙齿轴线且垂直于牙齿横向长度方向的最大横向尺寸。如图15、18所示，横镶齿在垂直于横镶齿轴线平面上的投影的最大长度L1即为横镶齿的横向长度，与最大长度L1方向垂直的最大横向尺寸W1即为横镶齿的横向宽度。

现有镶齿牙轮钻头上的牙齿的上部出露部分，均为从下部齿柱开始逐渐向上收缩的尖头部，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部齿柱的直径。

齿顶偏转角是指齿顶线（平行于牙齿的齿顶宽度方向，通过齿顶最高点或最高区域的中心，且与牙齿轴线相垂直的直线段）与牙齿所在牙轮的轮锥母线（轮锥面上与牙齿轴线相交的母线）的夹角（如图3、图38所示的角α），一般指齿顶线与轮锥母线所成的锐角或直角。本说明书中规定：从齿顶沿牙齿轴线方向向牙轮体看，齿顶线相对牙轮的轮锥母线逆时针偏转时为正偏转，反之则为负偏转。现有大多数牙轮钻头牙轮上的切削齿的齿顶无偏转（即齿顶偏转角为0°），或有少量钻头的部分齿圈的牙齿齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。本发明中的牙齿具有较大的齿顶偏转角，且牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°，本说明书中规定，将此种齿顶偏转角范围的牙齿称为横镶齿。

牙轮的偏移是指：牙轮的极轴面（过牙轮轴线且平行于钻头轴线的平面）相对钻头中心线的偏移距离。如图40所示，为沿钻头钻进方向（沿钻头轴线从钻头螺纹端向牙轮端）看时，钻头牙轮在垂直于钻头轴线的平面上的投影示意图，图中牙轮的轴线投影与钻头中心之间的距离S即为钻头偏移值。多数三牙轮钻头的牙轮存在偏移，其目的在于，偏移使牙轮在井底岩石上滚动破岩时无法发生纯滚动，使牙轮上的牙齿破岩时滑移增大，偏移值越大牙轮上的牙齿滑移刮切越明显。

混合钻头上的牙轮的破岩方式与普通牙轮钻头有明显区别。混合钻头的牙轮上采用横镶齿，横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围在70°～90°或-90°～-70°之间。该技术特征使同齿圈上的相邻横镶齿间的空当间隔大大减小，减小了齿圈的不连续性，具有大齿顶偏转角的横镶齿形成一个个接近完整圆形的齿盘，大大增强了牙轮牙齿交替破岩过程的平稳性，使牙轮工作时滚动平稳，纵向振动小。这样，每个横镶齿接触井底岩石的时间显著增加，冲击效应显著降低，实现牙轮上的横镶齿以接近静压的方式压碾、劈裂破碎岩石（暂将此种牙轮称为静压式牙轮）。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）混合钻头能明显提高钻头在较硬地层中的破岩效率。首先，静压式牙轮有利于盘刀破岩效率的提高。轮式（盘刀）钻头在较硬岩层钻进时遇到的难题之一是切削齿（一般是PDC齿）吃入岩石的难度高，特别是当PDC齿发生磨损时，吃入岩石更加困难，因而钻头钻速很低。混合钻头能很好地解决这一问题。混合钻头由静压式牙轮和刮切破岩型盘刀混合而成。静压式牙轮以近似静压的方式压碾、劈裂破岩，其上的齿圈在井底岩石上碾压出一圈圈的破碎坑、槽，使固井底刮切面变得凸凹不平，这样，盘刀上的切削齿就不必完全依靠钻压强力吃入井底岩石，而是能够自然而然地吃入岩石、刮切破岩。而牙轮以近似静压的方式压碾、劈裂破岩，不仅会形成破碎坑、槽，还会在破碎槽的底部及周边未破碎的岩石上碾压出破损裂纹和扩展裂纹。已形成的碾压破碎坑、槽和裂纹，使盘刀上的盘刀切削齿更易于吃入井底岩石和刮切破岩。其次，盘刀也有利于牙轮破岩效率的提高。盘刀切削结构在井底刮切出一条条螺旋形的刮痕，刮痕与刮痕之间形成凸起的螺旋形岩脊，凸起的岩脊极有利于牙轮的碾压、劈裂破碎。如图4所示，盘刀的螺旋刮切破岩与牙轮同心圆形的碾压、劈裂破岩相结合，两种破碎痕迹相交叉（图4中的7为盘刀的螺旋刮痕，图4中的6为牙轮的碾压、劈裂破碎痕），极有利于岩石的破碎，两种破岩方式相互配合相互促进，优势互补，既有利于盘刀破岩效率的提高，又有利于牙轮破岩效率的提高。因此，混合钻头两种破岩方式的有机结合能明显提高钻头的破岩效率，特别是有利于钻头在较硬地层中钻进效率的提高。

（2）混合钻头能延长盘刀切削齿、牙轮牙齿及轴承的使用寿命，从而延长钻头使用寿命。常规镶齿牙轮钻头的牙轮均以冲击压碎方式破岩，牙轮上的牙齿头部尖而窄，牙轮工作过程中牙齿接触井底岩石的时间很短，牙轮在牙齿交替工作过程中会产生较强的上下振动（纵向振动），牙齿、牙轮及轴承所受的冲击载荷及载荷波动均很大，牙轮上的牙齿断裂、掉落及牙轮轴承的损坏是钻头失效的主要常见形式。牙齿、轴承的工作寿命对牙轮钻头的整体寿命形成了明显的制约。混合钻头牙轮上的横镶齿的齿顶偏转角较大，牙轮上的牙齿交替破岩平稳，牙轮工作平稳，纵向振动小，能明显改善牙轮牙齿及轴承的工况，延长牙齿及轴承使用寿命。同时，本发明牙轮上的牙齿在井底碾压、劈裂出破碎槽、坑和裂纹，盘刀上的切削齿以螺旋状轨迹刮切破岩，螺旋状刮切轨迹与同心圆形的碾压、劈裂破碎痕交叉，将盘刀上的盘刀切削齿连续的刮切过程变为断续的切岩过程，有利于盘刀切削齿的冷却和减少盘刀切削齿的温升，提高盘刀切削齿的使用寿命。因此，混合钻头能延长盘刀切削齿、牙轮牙齿及轴承的使用寿命，从而延长钻头使用寿命。

（3）本发明牙轮上的横镶齿的牙齿齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线，从而能在实现碾压、劈裂破碎岩石的同时，显著降低牙齿相对于井底岩石的滑移。本发明牙齿与岩石的互作用方式及破岩机理与常规牙轮钻头相比发生了明显的改变，其全新的布齿方式和破岩方式，减小了牙轮上的牙齿对岩石的冲击和滑移刮切，能明显改善牙齿的受力情况和磨损，提高牙齿的寿命，特别适宜于在研磨性强的硬地层钻进。

作为优选，所述横镶齿的4分齿顶宽度不小于横镶齿的横向长度的80%。

上述方案中，横镶齿的齿顶宽度越长，齿圈的连续性越好，横镶齿的4分齿顶宽度不小于其横向长度的80%，使同齿圈上的相邻镶齿间的空当间隔大大减小，减小了齿圈的不连续性，实现齿圈牙齿良好地以滚动碾压、劈裂的方式破碎岩石，上述有益效果更好。

作为优选，所述横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围是80°≤|α|≤90°。

横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围是80°≤|α|≤90°，能使齿圈上相邻齿间的空当间隔更小，减小齿圈的不连续性，齿圈的齿顶轮廓更接近于圆形，上述有益效果更好。

更优选，所述横镶齿的齿顶偏转角α=90°。

在钻头其他几何参数不变，牙齿尺寸也不变时，齿顶偏转角α=90°能使齿间空当最小，齿圈的连续性最好，齿圈的齿顶轮廓最接近于圆形，上述有益效果最好。

作为优选，所述横镶齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。

横镶齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形，下部镶固部分可沿齿顶宽度方向加长，以适应齿顶宽度的增加，改善齿顶宽度增加后下部镶固部分的受力，可提高牙齿与牙轮齿孔之间的镶固可靠度，便于齿顶宽度的增加，有利于前述以接近静压的方式压碾、劈裂破岩目的的实现。

作为优选，所述横镶齿的镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的齿状直纹条（简称条齿），且横镶齿通过镶固部分柱面上的条齿嵌入牙轮齿孔壁的方式，或条齿与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮的齿孔内。

如图26，横镶齿的下部镶固部分的柱面上设置有多个平行于牙齿轴线的条齿，分布在镶固部分柱面上的条齿呈锯齿状，与直齿轮的轮齿相似。当牙齿镶固部分的柱面上设置有条齿时，镶固部分的横断面轮廓是指由各条齿的顶点所形成的包络线的轮廓。牙齿镶固部分的横断面轮廓的形状与牙轮齿孔形状相似，但径向尺寸大于牙轮齿孔的径向尺寸。当两者径向尺寸的偏差较大时（特别是当条齿顶部较尖锐时），在牙齿压入牙轮齿孔的过程中，条齿会嵌入或侵入齿孔的孔壁，从而实现牙齿的镶固；当两者径向尺寸的偏差较小时（特别是当条齿顶部较钝时），在牙齿压入牙轮齿孔的过程中，各条齿的顶部与齿孔的孔壁形成多点接触式的过盈配合，这样也可实现牙齿的镶固。现有镶齿牙轮钻头牙轮上的牙齿下部镶固部分均为圆柱形，牙齿通过面接触过盈配合方式镶固于牙轮上，牙齿与牙轮齿孔间的过盈配合量要求非常高，过盈量决定牙齿镶固的强度和可靠性。过盈量太大将引起牙轮齿孔变形过大，易引起牙轮齿孔开裂，影响固齿强度、固齿可靠性和牙轮壳体强度；过盈量太小，固齿强度不够，牙齿镶固不牢，可靠性低。因此，这种镶固方式对齿孔与牙齿柱面的尺寸精度、公差要求和表面粗糙度等加工质量要求均较高，为便于加工及保证镶固质量，一般过盈配合均采用圆柱形，牙齿均需进行精磨加工。为便于增加齿顶宽度，本发明的横镶齿的下部镶固部分的横断面轮廓为非圆形，为保证镶嵌可靠度和镶嵌质量，牙齿的镶固部分的柱面上设有条齿，采用嵌入或多点接触过盈配合的方式镶固于牙轮的齿孔内。采用这种方式固齿，对牙齿与齿孔的径向尺寸差（过盈量）、形位精度以及表面质量的宽容度明显增大，可大大降低牙齿及齿孔的加工尺寸（精度、公差）要求、表面粗糙度等加工质量要求，易于实现牙齿非圆形柱状制造成型，同时也能保证牙齿的镶嵌可靠度和镶嵌质量。

作为优选，所述横镶齿的4分齿顶宽度等于横镶齿的横向长度。

根据前述的定义，牙齿的横向长度是指牙齿垂直于牙齿轴线的最大横向尺寸。横镶齿的4分齿顶宽度W等于横镶齿的横向长度L1，即横镶齿的4分齿顶宽度W就为横镶齿的最大横向尺寸L1。这分两种情况，一是横镶齿的4分齿顶宽度W与4分齿顶区域以下部分的横向最大尺寸相等，二是横镶齿的4分齿顶宽度W大于4分齿顶区域以下部分的横向最大尺寸。当齿顶宽度W等于横向长度L1时，便于牙齿外表面的精加工，生产制造时易于对牙齿与牙轮齿孔之间过盈量的控制；便于控制牙齿的加工尺寸和牙齿的镶固质量。当横镶齿的齿顶宽度W大于4分齿顶区域以下部分的横向最大尺寸时，进一步突破现有技术牙齿尖锐形式的惯性思维，形成一上大下小的类似蘑菇状。较大的齿顶宽度能明显减小齿圈相邻齿的空当间隔和齿圈的不连续性，齿圈的齿顶轮廓更接近于圆形，更便于牙轮上的牙齿以滚动碾压、劈裂方式作用于岩石，易于达到以静压方式压碾、劈裂破岩的效果。该结构的横镶齿可在不增加镶固部分尺寸、牙轮齿孔尺寸，及不减小牙轮齿孔间的间距的前提下达到增大齿顶宽度的目的，其在保证了牙齿镶固可靠度的同时还保证了牙轮壳体的强度。该结构的横镶齿有众多的结构形式，其中有较佳的结构：本发明该结构横镶齿的一种，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡。这种下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡过渡的横镶齿，其台阶面可坐压在牙轮齿孔的孔口面上，使牙齿工作时的轴向压力通过齿孔孔口面来承担，不再由齿孔低的牙轮壳体来承担。这样，牙齿工作时作用于牙轮壳体的载荷将大大改善，能明显提高牙轮体的载荷分布均匀度和壳体的可靠性及安全性；或，可减小牙轮齿孔孔底与牙轮内轴承孔之间的厚度，从而增大牙轮内轴承孔的尺寸，即增大牙轮内轴承的尺寸，提高牙轮轴承的强度和使用寿命，进而延长钻头使用寿命。

作为优选，所述横镶齿的4分齿顶厚度不大于横镶齿的横向宽度的25%。

横镶齿的4分齿顶厚度不大于横镶齿的横向宽度W1的25%，即横镶齿的齿顶厚度较小，在该临界值下，更有利于牙齿滚动碾压时对岩石的挤压劈裂作用，提高钻头牙轮的破岩效率，特别是对高硬度难钻地层，破岩效果更好，从而提高混合钻头的破岩效率。

作为优选，所述钻头上的每个牙轮的偏移值不大于钻头直径的1.5%。

牙轮的偏移值越大，牙轮越不易发生纯滚动，牙轮上的牙齿破岩时滑移刮切越明显，牙齿磨损越大。牙轮的偏移值不大于钻头直径的1.5%，该临界值下的牙轮的偏移值，使齿圈及牙轮以纯滚动或更接近纯滚动的形式滚动工作，更有利于齿圈及牙轮以滚动碾压、劈裂的方式破碎岩石；同时，还能减少牙轮上牙齿的滑移刮切，减少牙齿的磨损，延长牙齿使用寿命。

牙轮上的横镶齿的齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线，同时牙轮的偏移值很小，在实现碾压、劈裂破碎岩石的同时，还能显著降低牙齿相对于井底岩石的滑移。

作为进一步优选，所述横镶齿的齿顶偏转角α的取值范围是85°≤|α|≤90°，且钻头上牙轮的偏移值不大于钻头直径的0.5%。

理论上来说，钻头牙轮上横镶齿的齿顶偏转角越接近90°、牙轮的偏移值越小，齿圈的连续性越好、齿圈的齿顶轮廓越接近于圆形。在该方案的各参数的组合临界值之上，最有利于牙轮的平稳工作，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动；同时最有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，破岩效率最高，并显著提高轴承和牙齿的寿命，混合钻头破岩效率高。

更优选，所述横镶齿的齿顶偏转角α=90°，且钻头上牙轮不偏移（偏移值为0）。

齿顶偏转角α=90°、牙轮不偏移，是实现齿圈及牙轮以纯滚动（或接近纯滚动）碾压、劈裂破碎岩石的极优参数，钻头破岩效率高。

作为优选，所述钻头体上设置有包含固定切削齿的固定切削结构。

上述方案中，混合钻头由镶有横镶齿的静压式牙轮、设置有盘刀切削齿的盘刀、以及固定切削结构复合而成。增设的固定切削结构以刮切形式破岩，在井底形成圆环形刮切痕迹，其配合盘刀的螺旋刮痕和静压式牙轮的圆环形破碎槽，三种破岩轨迹相互交叉促进更有益于钻头破岩效率的提高。此外，增加的固定切削结构的还能明显提高钻头切削齿的布齿数量和密度，从而增强钻头的持久钻进能力和抗磨损能力，特别有利于钻头在硬地层及研磨性硬地层的应用。

作为优选，所述横镶齿的下部镶固部分的横截面的轮廓由两边圆弧中间直线段连接而成，即为键形。

作为优选，所述横镶齿的下部镶固部分的横截面的轮廓为两端圆弧中间由圆弧段连接而成。

上述两方案中，这两种轮廓的柱面较其他非圆形轮廓的柱面加工难度要低，加工时易于操作和实现，工艺性好。它们所对应的齿孔也易于铣削加工，加工工艺性好。

作为优选，所述横镶齿的齿顶为沿齿的轴线方向向上凸起的弧形。

横镶齿的齿顶采用弧形时，同一齿圈上的横镶齿的齿顶所组成的齿圈（轮廓）更接近圆形，有利于牙轮的平稳滚动，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和齿面的寿命。

作为优选，所述牙轮上不同齿圈的横镶齿全部或部分交错布置。

牙轮为旋转锥形体，牙轮在井底滚动破岩时，各齿圈上的切削齿从一颗滚动轮换到另一颗，相邻齿圈的横镶齿交错布置，相邻齿圈上的齿能相互弥补齿圈因同齿圈镶齿间间隔空当引起的齿圈不圆度，使牙轮滚动更平稳，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和齿面的寿命。

作为优选，所述横镶齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形。

由于牙轮齿圈上的牙齿轴线往往与牙轮轴线不垂直，特别是靠近牙轮尖部的齿圈牙齿的轴线与牙轮轴线夹角较小，当齿圈周长较小，齿圈上齿数较少时，齿圈圆度较差。将横镶齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影设计为圆弧形，能改善齿圈的圆度，使齿圈（轮廓）更接近于圆形，有利于牙轮的平稳滚动，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和齿面的寿命。

作为优选，所示横镶齿的齿顶两端（沿齿顶宽的两端）设有倒圆角或倒角。

上述方案中，横镶齿的齿顶两端如不设倒圆角或倒角过渡过渡，齿顶两端将为尖角，牙齿与岩石作用破岩时，尖角处易形成应力集中，易使齿顶端部疲劳损坏或局部断裂。齿顶两端设倒圆角或倒角，能有效改善齿顶端部的应力分配降低应力集中，延长牙齿使用寿命。

作为优选，所述横镶齿沿齿顶厚方向上的两个侧面为内凹曲面。

牙轮牙齿沿齿顶厚方向上的两个侧面为内凹曲面，在纵向（沿牙齿轴线方向）上牙齿齿顶厚度较小，从齿顶往下齿厚的增加缓慢，其有利于牙齿碾压、压入岩石，并有利于牙齿压入后对岩石的挤压劈裂作用；且其有利于牙齿在磨损时减缓牙齿齿顶厚度的增大，使牙轮牙齿持续保持较小的齿顶厚，延长牙轮牙齿对岩石的压入、挤压、劈裂破碎效果。

作为优选，所述横镶齿可以为硬质合金齿、金刚石做表面加强的硬质合金齿、孕镶金刚石齿、或热稳定聚晶金刚石齿等。

附图说明

图1为本发明混合钻头的结构示意图。

图2为本发明图1所示结构沿钻头轴线俯视（逆钻头钻进方向看）时的视图，即俯视图。

图3为本发明混合钻头的牙轮上横镶齿的齿顶线与牙轮的轮锥母线夹角（齿顶偏转角）α的示意图。

图4为本发明混合钻头的牙轮上的横镶齿与盘刀切削齿共同作用时在井底形成的交叉破碎痕示意图。

图5为本发明混合钻头上增设固定切削结构（固定翼）时的结构示意图。

图6为图5所示结构沿钻头的俯视图。

图7为本发明图5所示结构钻头的牙轮沿牙轮轴线从牙轮尖部向牙轮底看时的示意图。

图8为本发明混合钻头上设置三固定翼固定切削结构和一牙轮、两盘刀时的钻头俯视图。

图9为本发明的横镶齿下部镶固部分为圆柱形，横镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿下部镶固部分的横截面剖切时的局部剖视图。

图10为本发明的横镶齿下部镶固部分的横截面的轮廓为键形，横镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿下部镶固部分的横截面剖切时的局部剖视图。

图11为本发明的横镶齿下部镶固部分的横截面的轮廓为两端圆弧中间由圆弧段连接而成，横镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿下部镶固部分的横截面剖切时的局部剖视图。

图12为本发明的横镶齿4分齿顶宽度等于横镶齿横向长度（下部镶固部分的圆柱直径）时横镶齿的结构示意图。

图13为图12 所示横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图14为本发明的横镶齿4分齿顶宽度等于横镶齿横向长度（横镶齿镶固部分的横截面的轮廓为非圆形）时的横镶齿结构示意图。

图15为图14 所示横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图16为图12或图14所示横镶齿镶固于牙齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图17为本发明蘑菇状横镶齿的一种，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为圆形时的横镶齿示意图。

图18为图17所示横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图19为本发明蘑菇状横镶齿的一种，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为键形时的横镶齿示意图。

图20为图19所示横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图21为本发明蘑菇状横镶齿的一种，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为键形，下部镶固部分横截面轮廓为键形时的横镶齿示意图。

图22为图21所示异型横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图23为本发明蘑菇状横镶齿的一种，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为圆形，下部镶固部分横截面轮廓为键形时的异型横镶齿示意图。

图24为图23所示横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图25为图17、图19、图21或图23所示蘑菇状横镶齿镶固于牙齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图26为本发明横镶齿的下部镶固部分的柱面上设置有平行于横镶齿的轴线的齿状直条（简称条齿），镶固部分横断面及横断面轮廓（条齿凸顶轮廓）的示意图。

图27为本发明横镶齿的下部镶固部分的柱面上设置有平行于横镶齿的轴线的条齿，横镶齿镶固于牙轮齿孔后，垂直牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图28为本发明横镶齿的下部镶固部分的柱面上设置有平行于横镶齿的轴线的条齿，横镶齿齿顶长度等于齿的下部镶固部分长度时的横镶齿结构示意图。

图29为图28所示横镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图30为本发明蘑菇状横镶齿的一种，下部镶固部分的柱面上设置有平行于横镶齿的轴线的条齿，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为键形时的横镶齿示意图。

图31为本发明蘑菇状横镶齿的一种，下部镶固部分的柱面上设置有平行于横镶齿的轴线的条齿，横镶齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为圆形时的横镶齿示意图。

图32为图30或图31所示横镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图33为横镶齿以条齿嵌入牙轮齿孔壁的方式镶固于牙轮齿孔内的示意图。

图34为横镶齿以条齿与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮齿孔内的示意图。

图35为本发明牙轮上采用横镶齿上部出露部分的轮廓为键形时的牙轮示意图。

图36为本发明横镶齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形，横镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图37为本发明的横镶齿沿齿顶厚方向上的两个侧面为内凹曲面，沿牙齿齿顶宽度方向看时的牙齿示意图。

图38为牙齿4分齿顶宽度W及厚度T（以楔形齿为例）示意图。

图39为现有普通牙轮钻头上的镶齿的齿顶无偏转镶固或齿顶有较小偏转角（|α|＜50°）镶固时的示意图。

图40为钻头上的牙轮偏移时的示意图。

具体实施方式

如图1至图40所示，下列非限制性实施例用于说明本发明。

本发明方案的每一横镶齿均可实现其作用，为了便于示例，每一牙轮的各齿圈均为横镶齿，其并不代表与基本例以及其他优选例的冲突，仅为直观示例，本领域技术人员不存在理解障碍。

实施例1：如图1至4所示，一种混合钻头，包括钻头体1、至少一个牙轮2和至少一个盘刀5，牙轮2和盘刀5分别通过轴承结构与钻头体1形成转动连接，盘刀5的偏移角的范围为[20°，90°]或[-90°，-20°]，盘刀5上设置有盘刀切削齿51，牙轮2上设有横镶齿3，且横镶齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°。作为优选，横镶齿3可以为硬质合金齿、金刚石做表面加强的硬质合金齿、孕镶金刚石齿、或热稳定聚晶金刚石齿等。如图1、2所示，图中，混合钻头上设置一牙轮和两盘刀。

实施例2：如图5至8所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：钻头体1上还设置有包含固定切削齿41的固定切削结构4。如图5至7所示，图中，混合钻头上设置两固定翼固定切削结构和一牙轮、一盘刀，两固定翼与牙轮、盘刀相间布置。如图8所示，混合钻头上设置三固定翼固定切削结构和一牙轮、两盘刀，三固定翼和牙轮、盘刀相间布置。

实施例3：本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的4分齿顶宽度不小于横镶齿3的横向长度L1的80%。更优选，横镶齿3的4分齿顶宽度等于横镶齿3的横向长度，如图14至25所示。即，横镶齿的4分齿顶宽度W与4分齿顶区域以下部分的横向最大尺寸相等，或，横镶齿的4分齿顶宽度W大于4分齿顶区域以下部分的横向最大尺寸，此时形成一上大下小的类似蘑菇状。图17、18、23、24所示为本发明蘑菇状横镶齿3的一种，横镶齿3的下部镶固部分31与上部出露部分经台阶过度，台阶面边缘轮廓为圆形。图19至22所示为本发明蘑菇状横镶齿3的一种，横镶齿3的下部镶固部分31与上部出露部分经台阶过度，台阶面边缘轮廓为键形。

实施例4：本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的4分齿顶厚度不大于横镶齿3的横向宽度的25%。

实施例5：如图40所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：钻头体1上的每个牙轮2的偏移值不大于钻头直径的1.5%。

实施例6：本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：牙轮2上不同齿圈的横镶齿3全部或部分交错布置。如图7所示，内外齿圈横镶齿全部交错布置。

实施例7：本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的镶固部分31的横断面轮廓为非圆形。作为优选，横镶齿3的下部镶固部分31的横截面的轮廓由两边圆弧中间直线段连接而成，即为键形，如图10所示。或者，横镶齿3的下部镶固部分31的横截面的轮廓为两端圆弧中间由圆弧段连接而成，如图11所示。

实施例8：如图26至32所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的镶固部分31的柱面上设置有平行于牙齿的轴线的齿状直条（简称条齿）（如图29、30、31），且横镶齿3通过镶固部分31柱面上的条齿嵌入牙轮齿孔壁的方式（如图27、33），或条齿与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合的方式镶固于牙轮2的齿孔内（如图,34）。此时，镶固部分的长度或宽度按照其横截面的条齿凸顶轮廓进行计算，如图26所示，镶固部分的长度或宽度为条齿凸顶轮廓311（所围成区域）的长度或宽度。

实施例9：如图16、17、19、21、25、29、30、32、35所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的齿顶为沿齿的轴线方向向上凸起的弧形。

实施例10：如图36所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形。

实施例11：如图16、25、29、32所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3的齿顶两端（沿齿顶宽的两端）设有倒圆角或倒角。

实施例12：如图37所示，本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：横镶齿3沿齿顶厚方向上的两个侧面为内凹曲面。

需要特别声明的是，以上各实施例既为本发明的若干实施例，同时也是各种可选实施手段，本领域技术人员可知，上述各种可选实施手段可以进行各种可行的自由组合，由此可以产生更多的实施例，其均应在本发明的保护范围内，并用以支持权利要求的保护：比如，实施例1与实施例2至12之间的一个或多个的任意组合，乃至实施例2至12之间的任意组合即可成为若干实施例。在此不作更多的穷尽举例，本领域技术人员可知其他的更多组合方式。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、组合、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合钻头，包括钻头体（1）、至少一个牙轮（2）和至少一个盘刀（5），所述牙轮（2）和盘刀（5）分别通过轴承结构与所述钻头体（1）形成转动连接，所述盘刀（5）的偏移角的范围为[20°，90°]或[-90°，-20°]，所述盘刀（5）上设置有盘刀切削齿（51），其特征在于：所述牙轮（2）上设有横镶齿（3），且横镶齿（3）的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°。

2.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿（3）的4分齿顶宽度不小于横镶齿（3）的横向长度的80%。

3.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿（3）的4分齿顶宽度等于横镶齿（3）的横向长度。

4.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿（3）的4分齿顶厚度不大于横镶齿（3）的横向宽度的25%。

5.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述钻头体（1）上的每个牙轮（2）的偏移值不大于钻头直径的1.5%。

6.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述牙轮（2）上不同齿圈的横镶齿全部或部分交错布置。

7.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形。

8.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿（3）的镶固部分（31）的横断面轮廓为非圆形。

9.如权利要求1所述的混合钻头，其特征在于：所述横镶齿（3）的镶固部分（31）的柱面上设置有平行于牙齿轴线的齿状直条，且横镶齿（3）通过镶固部分(31)柱面上的齿状直条嵌入牙轮（2）齿孔壁的方式，或齿状直条与牙轮（2）齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮（2）的齿孔内。

10.如权利要求1至9中任一权利要求中所述的混合钻头，其特征在于：所述钻头体（1）上设置有包含固定切削齿（41）的固定切削结构（4）。

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