CN108868623A - 一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有固定切削元件，钻头上还同时设置有至少一个牙轮体与牙齿组成的牙轮，和至少一个由盘刀体与盘刀切削元件组成的盘刀，牙轮、盘刀分别通过牙轮支座、盘刀支座与钻头体形成转动连接。本发明金刚石钻头，结合了牙轮‑PDC复合钻头和交叉切削PDC钻头的优势，提高了钻头在复杂难钻条件下的工作性能，进一步拓宽了钻头对地层的适用范围。

Description

一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。

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。钻井用钻头主要包括三牙轮钻头和金刚石钻头两大类。金刚石钻头又可根据切削元件的不同，分为PDC（聚晶金刚石复合片）钻头、TSP（热稳定聚晶金刚石）钻头、天然金刚石钻头和孕镶金刚石钻头（简称孕镶钻头），当前使用较多的是PDC钻头和孕镶钻头。

难钻地层主要是指地层的可钻性差，具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化，且一般都具有较大的不可预知性，特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在复杂难钻地层中钻进的寿命短、钻速慢，是制约钻井工程降本增效的最大技术瓶颈之一。

三牙轮钻头工作时牙轮在井底岩石上滚动，主要依靠牙轮牙齿的冲击压碎的方式或滚压方式破岩。现有三牙轮钻头的牙轮偏移距大多不超过10mm，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮自转转速与钻头转速之比）均大于1，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。三牙轮钻头以冲击压碎的方式破岩，由于岩石的抗压强度显著高于其抗剪强度和抗拉强度，所以这种破碎方式的能量利用率不高，破岩效率相对较低。为了提高牙轮钻头对地层的适应性，牙轮上的牙齿可以具有各种不同形状。对镶齿钻头而言，钻头的牙齿有回转齿和非回转齿两大类，以牙齿冠部（简称齿冠）曲面是否围绕牙齿镶固柱面轴线回转曲面来区分。典型的回转齿包括锥形齿、锥球齿、球形齿等。典型的非回转齿包括楔形齿（包括弧顶楔形齿）、勺形齿等。非回转齿的齿顶部位大多是一个宽度和厚度不相等的齿刃，其宽度方向为齿宽方向，齿顶的宽度为齿宽，齿顶的厚度为齿厚。姑且将齿宽与齿厚不相等的齿称为宽顶齿。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，滑移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度方向与牙轮母线平行的方向镶固。然而，由于牙齿冠部形状的特殊性（边角有过渡曲面），宽顶齿“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：在牙齿齿冠高度h的3/4处的宽度为四分齿宽。在图39中，标明了楔形齿的4分齿顶区域（测量位置平面即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。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。

如图40所示，齿顶偏转角δ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，一般指齿顶线与牙轮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。

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片作为切削元件剪切破碎岩石，在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，所以在钻井工程中得到广泛使用。但钻遇复杂难钻地层时，PDC钻头的鼻部和肩部上的PDC齿不仅磨损速度快，而且易发生金刚石层的冲击崩损，钻进比压减小，切削齿难以有效吃入地层，机械钻速、钻头寿命大幅降低。特别地，当钻头外部区域的某颗齿失效后，加重井底环带相邻齿的工作负荷，发生相邻齿的连锁失效，从而因局部区域的切削齿失效而造成钻头整体的早期失效。

孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，这种钻头以孕含在胎体式刀翼体或切削齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃构成切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其粘结材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块（简称孕镶体或孕镶块），孕含在切削齿中所形成的切削元件则称为孕镶切削齿（简称孕镶齿）。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，均可形成钻头的孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。在难钻甚至极难钻地层条件下，其它各种类的钻头都存在牙齿寿命短的问题，而孕镶钻头切削元件的耐磨性极强，能达到相对较长的工作寿命。但，为了追求更高的机械钻速，孕镶钻头通常需要更高的转动速度。尽管如此，其机械钻速，仍不尽如意。

2009年美国贝壳休斯公司PDC—牙轮复合钻头技术的开发成功，相继提出了多件专利技术。在钻进难钻地层时，相对于常规PDC钻头，PDC-牙轮复合钻头的工作性能在一定程度上得到了提高。但是PDC切削结构上的切削齿依然是在持续刮切模式下工作，当地层硬度和研磨性很高、不均质性很强时，PDC齿仍会快速磨损，进而造成钻头的失效。这一技术弱点阻碍了复合钻头在复杂难钻地层钻进性能的进一步提高。

中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”（专利号：201010229371.9）中，将PDC齿以主切削元件安装在具有大偏移角的转轮（该申请中偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，转轮即本申请所述盘刀）上，同时也设置了装有PDC齿的固定切削结构。大偏移角盘刀上的PDC齿实现了交替工作，并在井底形成螺旋线的刮痕，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉刮切的网状井底模式。网状的切痕利于切削齿的吃入，提高破岩效率。盘刀上PDC齿的交替工作，虽然降低了固定切削结构上PDC齿的破岩难度，但钻头扭矩的减小很有限，而在导向钻井中，小的扭矩对于工具面的调整和控制十分重要。

冠部轮廓（亦称切削轮廓）是钻头重要的结构特征之一。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部（冠顶区域）、外锥、肩部和保径五部分。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓指在井底覆盖图中，所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。同样，牙轮钻头也具有独立的切削轮廓。钻头切削轮廓反映钻头上各个切削元件在井底破碎岩石的工作位置和状态，是一个对钻头的地层适应性、钻进性能有重要影响的结构特征。为达到特定的设计目的，通常需要对钻头进行个性化设计，而切削轮廓的设计就是个性化设计的重要内容之一。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种钻井用金刚石钻头，结合牙轮-PDC复合钻头和交叉切削PDC钻头的优势，提高钻头在复杂难钻条件下的工作性能，进一步拓宽钻头对地层的适用范围。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有固定切削元件，钻头上还同时设置有至少一个牙轮体与牙齿组成的牙轮，和至少一个由盘刀体与盘刀切削元件组成的盘刀，牙轮、盘刀分别通过牙轮支座、盘刀支座与钻头体形成转动连接。

牙轮支座、盘刀支座既可以是独立支座，也可以是刀翼。当牙轮/盘刀设置在刀翼上或以某刀翼（或某些刀翼）为支承体时，该刀翼（或这些刀翼）同时也成为牙轮/盘刀的支座。牙掌是独立牙轮支座的一种典型结构，与牙轮钻头中的牙掌结构原理相仿，其上具有轴颈，牙轮通过轴颈安装在牙掌上。与牙掌相配合的有轴承孔的牙轮结构也是复合式钻头中牙轮的一种典型结构，但并不是唯一结构。复合式钻头中的牙轮包括各种能实现滚压或冲击压碎原理的牙轮结构。复合式钻头在旋转钻进时，牙轮在井底岩石上滚动，其牙齿主要以滚压或冲击压碎作用破岩，盘刀也随钻头旋转而自转，其切削元件或切削齿以螺旋刮切（同时具有周向和径向刮切运动）方式破岩，而固定刀翼上的切削元件或切削齿则以同心圆轨迹刮切破岩。这三种方式彼此配合，能使钻头达到更好的钻岩效果。

对于本发明所涉及的钻头本体、牙掌、牙轮、刀翼、水眼、喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1、2、6、7及图14-28，为本发明钻头的结构示意图，其中，1为钻头本体、8为牙轮体、7为牙轮独立支座（通常称之为牙掌）、81为牙齿、3为刀翼、2为盘刀体、6为盘刀独立支座、5为水眼或喷嘴。

切削元件:通常也称切削齿，主要包括“刮切型元件”、“纵压型元件”、和“孕镶型元件”三大类。第一类“刮切型元件”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，简称刮切齿，主要包括PDC齿（聚晶金刚石复合片）、TSP齿（热稳定金刚石聚晶片）。第二类“纵压型元件”是指以纵向压碎和/或冲击作用破碎岩石的切削元件，简称纵压型牙齿或纵压齿，牙轮钻头和潜孔冲击钻钻头采用的就是这种牙齿。这种牙齿的主要齿形特征是牙齿的工作端具有外凸的曲面齿冠，牙齿具有较高的耐压、耐冲击强度。纵压型牙齿的材质一般采用硬质合金，为增强其耐磨性，有时也用金刚石对牙齿的齿冠做表面强化。第三类“孕镶元件”是一种将金刚石颗粒分布在切削元件体内的磨削型切削元件，包括孕镶体（也叫孕镶块）和孕镶齿两类。孕镶体通常是与钻头刀翼基体合为一体的整体式切削元件，而孕镶齿则一般是具有一定外形规格的个体化牙齿，形状以圆柱体居多，可以采用竖立、横卧等方式固结在刀翼体等基体上。

作为优选，盘刀的偏移角范围为20°≤|α|≤90°，牙轮的偏移角范围为0°≤|α|≤10°。

以盘刀上的切削元件为圆形PDC切削齿为例，阐述偏移角和其他结构参数。上述结构中，所述盘刀的偏移角arctan(s/c)，其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图3所示，AB为钻头中心轴线，CD为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面A₁，A₂是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面A₁的平面，A₃是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面A₁的平面。盘刀上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，同一盘刀上布置于同一圈切削齿的集合称为一个盘刀切削齿圈。盘刀切削齿圈上各切削齿定位点所在的平面A₄为盘刀基准平面，盘刀基准平面A₄与盘刀轴线CD的交点E为盘刀基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。盘刀基准距c即为盘刀基准点E到平面A₂的距离，盘刀移轴距s即为钻头轴线AB与盘刀极轴面A₁之间的距离。沿钻头轴线从盘刀向钻头接头螺纹方向看（即逆钻头钻进方向看）时，盘刀的偏移角α为直线EF与平面A₃之间的夹角，即有偏移角α=arctan(s/c)，α的取值为0～90°之间（含0°和90°）。根据盘刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是负值。盘刀偏移角正负号的规定为：沿与钻头钻进相反的方向看，并使E点位于平面A₃的下方，若E点处于A₂平面的左侧，则偏移角为正（如图3所示），反之为负。若E点在A₃平面上，偏移角等于0°；若E点在A2平面上，则偏移角等于90°（或-90°）。当偏移角的绝对值等于90°时，正偏移和负偏移的效果相同。另一方面，盘刀的轴倾角β即为盘刀轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。牙轮偏移角ψ的定义与盘刀偏移角的定义类似，不同的是牙轮的基准点（图5中为E_R）选择为牙轮端面的中心点，如图5所示。

实际上，盘刀偏移角α的定义可以更直接地进行描述。如图4所示，在俯视图中，盘刀E点与钻头中心线的连线与盘刀轴线的夹角即为偏移角。偏移角的正负可通过右手定则确定：使右手拇指指向钻头钻进方向，其余四指握住E点，若ET沿四指方向旋转α后与盘刀轴线的投影线重合，则偏移角α为正，反之则为负。同样地，牙轮的偏移角ψ也能类似的定义，如图5所示。

作为优选，盘刀的偏移角范围是65°≤|α|≤90°，所述牙轮的偏移角范围是5°≤|ψ|≤10°。

盘刀大的偏移角使盘刀上的切削元件在井底与岩石接触的时间长，滑移距离长，交叉效果更佳。对于牙轮而言，在一定范围内增大偏移角，能保证牙齿对井底岩石冲压的作用下，增强滑移破岩能力。如图10、11所示，牙轮偏移角的增加，也延长了牙齿的滑移长度，这个滑移轨迹与刀翼上的切削元件或盘刀上的切削元件所形成的轨迹也能形成交叉，使得井底岩石凸凹程度增加，利于破岩效率的增加。图9为牙轮-PDC复合钻头（牙轮在没有偏移的情况下），形成的井底模式，牙齿在井底形成一个个破碎坑（件号8101），牙齿不产生滑移。图8为现有固定齿PDC钻头所形成的同心圆状的井底模式，切削齿持续不断的工作，一旦某颗切削齿失效后，环带附近相邻齿的工作负荷加重，造成钻头的早期失效。

作为优选，盘刀设置在独立的盘刀支座上，且与所述盘刀支座转动连接。

本方案中，独立的支座类似于牙掌，相对刀翼体独立设置在钻头体上，如图1或2所示。

作为优选，至少有一个盘刀设置在刀翼体上，且与所述刀翼体形成转动连接。

盘刀直接设置在了刀翼体上的结构方式，相对于独立支座而言，能够节省空间。独立支座，一般是通过焊接的方式固定在钻头体上，因焊接质量、工艺等原因，在实际应用过程中可能会出现焊缝开裂、甚至掉支座的危险等。刀翼体一般是与钻头体一体加工而成，或直接与本体一体式烧结，将盘刀设置在刀翼上，上述问题会得到极大缓解。

本方案中，盘刀与刀翼体的转动连接有两种较佳的方式 。一是，盘刀轴与刀翼固定联接或成为一体，盘刀套装在轴颈上。二是，盘刀轴与盘刀固定联接或成为一体，盘刀轴安装在刀翼的轴孔内。采用以上两种连接方式时，盘刀的止推面（止推轴承工作面）可以设置在刀翼上，有利于保障轴承的性能。

进一步，盘刀布置在刀翼前侧面和/或后侧面。

上述方案中，刀翼上的固定切削元件一般分布于刀翼前侧面与刀翼布齿面的交汇区域，或者整个刀翼体均为切削结构（如技术背景中所述的孕镶体本身为刀翼的一部分），由它们切削岩石所产生的岩屑能直接进入刀翼之间的水槽，更易于随钻井液等循环流体及时上返，这对钻头的性能起着至关重要的作用。盘刀不管布置在刀翼的前侧还是后侧，盘刀上的切削元件在结构形式上并不替代刀翼上的切削元件。盘刀上的切削元件不影响刀翼上固定切削元件所占据的空间，固定切削结构的工作能力可得到保障。

进一步，固定刀翼体上开设有盘刀槽，盘刀设置在所述固定刀翼体的盘刀槽中。

盘刀设置在盘刀槽内时，在结构形式上表现为盘刀设置在了刀翼体的中间，能够形成双侧支承。钻进过程中，盘刀轴所受部分载荷能够直接传递给刀翼，轴承承载能力更强，盘刀轴的受力更均衡，轴的强度更高，轴承的寿命更长。

本方案中，盘刀与刀翼的转动连接方式更多。例如，盘刀与盘刀轴固定连接，或与盘刀轴为一体，盘刀轴与刀翼形成转动连接；盘刀与盘刀轴形成转动连接，盘刀轴与固定刀翼形成固定连接；盘刀与盘刀轴形成转动连接，盘刀轴与固定刀翼也形成转动连接。

作为优选，至少有一个刀翼的前侧面设有与刀翼布齿面贯通的凹槽，盘刀设置在凹槽内，且与刀翼转动连接。

本方案与以上所述的盘刀布置在刀翼前侧面的方案有较大不同，本方案中由刀翼的前侧面向刀翼体内延伸出一个凹陷，它与刀翼的布齿面相贯通，形成凹槽。当盘刀设置在这个凹槽中，盘刀切削元件取代刀翼上部分固定切削元件。

作为优选，盘刀设置在两个刀翼之间。

本方案中，盘刀设置在两个刀翼之间，和设置在盘刀槽内能够达到类似的效果，即形成双侧支承。两个刀翼之间可以是相互独立的，也可以部分相连，如图25所示，两个刀翼体是相互独立的，而图27在靠近钻头中心的区域相连。同样地，盘刀与两个刀翼之间的转动连接方式，与盘刀设置在刀翼的盘刀槽内的方案相同。

作为优选，钻头体上还间隔布置有扶正块。

在牙掌和支座不参与保径的情况下，保径能力相对较弱，而且钻进过程中，多边形效应很强。采用本方案，能够明显减轻多边形效应，增强保径能力。

作为优选， 钻头的至少一个牙轮上设置有宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是70°≤|δ|≤90°，且牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤10°。

进一步，牙轮上所设置的宽顶齿的四分齿宽不小于固齿圆柱直径的0.7倍。这种方案可使牙轮牙齿在刀翼切削齿与盘刀切削齿所形成的网状井底区域达到更好的滑移效果，提高破岩效率。

作为优选，钻头的至少一个牙轮上设置有宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是0°≤|δ|≤30°，且牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤5°。

进一步，牙轮上所设置的宽顶齿的四分齿宽不小于固齿圆柱直径的0.7倍。这种方案可使牙轮牙齿以齿宽方向同时与刀翼切削齿与盘刀切削齿的切削轨迹线接近垂直的方式施加冲击压碎作用，能对研磨性较强的硬脆性地层达到更好的破碎效果，提高破岩效率。

作为优选，至少有一个牙轮安装在刀翼上，且与所述刀翼形成转动连接。

作为优选，刀翼上的固定切削元件，以及/或盘刀切削元件是PDC齿。

作为优选，所述牙轮可直接或通过牙掌等支撑结构设置在钻头体上，且牙轮小端朝向钻头外侧，大端朝向钻头内侧，形成反装牙轮的结构形式。

作为优选，刀翼上设置的固定切削元件是孕镶切削元件。

本专利应用的金刚石钻头，其刀翼上设置的固定切削元件可以是PDC切削元件，也可以为孕镶切削元件，优选孕镶切削元件，这样的钻头能在高研磨性、高硬度地层中钻进，拓宽钻头使用范围。

作为优选，盘刀切削元件是孕镶切削元件。

作为优选，固定切削元件和盘刀切削元件为切削齿。

进一步，切削齿可以为PDC复合片切削齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

进一步，切削齿的形状可以为圆形齿、椭圆齿、锥形齿、楔形齿、球形齿等或者多种齿形的组合。

本发明的有益效果

1、本发明中，钻头上同时有固定刀翼、盘刀和牙轮，相当于在PDC-牙轮复合钻头引入了盘刀切削结构，在保持PDC-牙轮复合钻头性能优势的同时，还具备以下有益效果：盘刀上切削元件的交替工作，能够对同区域的刀翼切削元件进行加强。即使固定刀翼上某个或某部分切削元件失效，盘刀上的切削元件在一定程度上能够弥补；显著地减缓钻头在难钻地层钻进时刀翼切削元件的磨损速度；盘刀切削元件能起到缓冲作用，且由于交替工作的原因，盘刀切削元件的磨损速度慢，缓冲作用能长期维持，从而对刀翼、盘刀上的PDC齿起到较好的保护作用，减少在难钻地层钻进时PDC齿的崩损或冲击失效；盘刀切削元件可以作为刀翼的后备切削结构，当刀翼切削元件发生一定磨损后再进入工作，能显著延长钻头切削结构的工作寿命。

2、本发明也相当于在固定齿-盘刀复合钻头（交叉刮切复合钻头）中引入了牙轮切削结构，在保持交叉刮切复合钻头性能优势的同时，还具备以下有益效果：牙轮上的牙齿在已经形成凸凹不平的网状井底上进行再破碎，井底岩石的破碎（特别是体积性破碎）更加容易，从而减轻了牙轮牙齿的工作负荷，降低了牙齿的磨损速度；牙轮破碎井底岩石的同时，能有效起到缓冲作用，有效保护刀翼和盘刀上的切削元件特别是PDC齿，避免其冲击损坏，因此能使钻头对地层的适用范围进一步拓宽；因牙轮的存在，进一步减小了钻头的扭矩，钻头的工具面更加容易控制和调整，钻头的定向性能得到显著提升；牙轮可作为后备切削结构，当刀翼、盘刀切削元件发生一定磨损后再投入工作，在先软后硬的地层条件下能达到更好的破岩效果。

2、 双侧支承的方案中，轴承的受力均衡，轴的强度更高，轴承的寿命更长，且盘刀不易发生脱落，安全性好。

3、 当牙轮牙齿采用宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是70°≤|δ|≤90°，且牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤10°时，牙轮牙齿在刀翼切削齿与盘刀切削齿所形成的网状井底区域工作，能达到三种滑移轨迹相叠合的更好的复合刮切效果，提高均质硬地层的破岩效率。

4、当牙轮牙齿采用宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是0°≤|δ|≤30°，且牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤5°时，牙轮牙齿以其齿宽方向同时与刀翼切削齿与盘刀切削齿的切削轨迹线接近垂直的方式施加冲击压碎作用，能对研磨性较强的地层、硬脆性地层和不均质地层达到更好的复合破碎效果，提高破岩效率。

5、刀翼、盘刀上采用孕镶切削元件，能使微交叉刮切原理与牙轮的冲击压碎破岩原理相复合，达到对极硬地层和强不均质地层的更好的破岩效果。

6、在具有扶正块的方案中，能够有效的抑制多边形效应，增强保径能力。

附图说明

图1为本发明复合式金刚石钻头的结构示意图，盘刀设置在独立的支座上。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明中盘刀的移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β等几何位置参数的示意图。

图4为本发明中盘刀为正移轴、正偏移时的几何位置及其参数s、c、α在钻头坐标系中沿钻头轴线钻进反方向的俯视图。

图5为本发明中牙轮为正偏移、正偏移时的几何位置及其参数s、c、ψ在钻头坐标系中沿钻头轴线钻进反方向的俯视图，牙轮的基准点在牙轮的后端面。

图6为本发明复合式金刚石钻头的结构示意图，盘刀设置在刀翼的前侧面，且盘刀切削元件与固定刀翼上的切削元件均为PDC切削齿。

图7为图6的俯视图。

图8为固定齿PDC钻头所形成的井底模式的示意图。

图9为牙轮-PDC复合钻头所形成的井底模式的示意图。

图10为本发明复合式金刚石钻头所形成的井底模式的示意图，其中牙轮和盘刀具有正偏移，盘刀偏移角为80°，牙轮偏移角为10°。

图11为本发明复合式金刚石钻头所形成的井底模式的示意图，其中牙轮具有正偏移，盘刀具有负偏移，盘刀偏移角为-80°，牙轮偏移角为10°。

图12为本发明盘刀与盘刀轴固结，盘刀轴与固定刀翼转动连接，且盘刀设置于固定刀翼前侧区域的示意图。

图13为本发明中盘刀轴与固定刀翼固定连接，盘刀套装在盘刀轴上形成转动连接，且盘刀设置于固定刀翼前侧区域的示意图。

图14为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，盘刀设置在刀翼的后侧面，且盘刀上切削元件与固定刀翼上的切削元件均为PDC齿。

图15为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，盘刀同时设置在刀翼的前侧面和后侧面，且盘刀的切削元件与固定刀翼上的切削元件。

图16为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，其中在钻头的心部设置有盘刀。

图17为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，刀翼的前侧面上设置有与刀翼布齿面贯通的凹槽，盘刀切削元件（本方案中仍为PDC切削齿）替代固定刀翼上部分切削元件。

图18为图17的俯视图。

图19与图18基本相同，区别是盘刀上的切削齿为PDC齿和锥球齿相间布置。

图20与图18基本相同，区别是盘刀上的切削齿为锥球齿。

图21与图17基本相同，区别是具有三个牙轮和三个固定刀翼。

图22为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，刀翼上开设有盘刀槽，盘刀设置在盘刀槽内。

图23为图22的俯视图。

图24为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，盘刀设置在两个相互独立的刀翼之间形成双侧支承。

图25为24的俯视图。

图26与图24基本相同，区别是两个刀翼在靠近心部的区域相连接。

图27为图26的俯视图。

图28为本发明复合式金刚石钻头结构示意图，在钻头体上还设置有扶正块。

图29为本发明复合式孕镶金刚石钻头结构示意图，切削元件为刀翼孕镶体。

图30为图29中某一刀翼的剖切示意图。

图31为本发明复合式孕镶金刚石钻头结构示意图，切削元件为孕镶立齿。

图32盘刀切削元件为孕镶体，为盘刀的一部分。

图33盘刀切削元件为孕镶体，盘刀的轮廓形状为波浪形。

图34盘刀切削元件为孕镶卧齿。

图35盘刀切削元件为孕镶立齿。

图36为旋转切削齿的结构示意图。

图37为盘刀上的切削元件为旋转切削齿。

图38为本发明的复合式金刚石钻头的结构示意图，其中牙轮上横装有长齿顶宽顶齿。

图39为宽顶齿结构示意图。

图40为宽顶齿齿顶偏转角δ的结构示意图。

图41为本发明的复合式金刚石钻头的结构示意图，牙轮设置了刀翼上。

图42为本发明的复合式金刚石钻头的结构示意图，牙轮以反装的形式设置在牙轮支承上。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于更好的说明本发明。

实施例1：

如图1、2、3、4、5所示，一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体1或固定在钻头体上的刀翼3、水眼或喷嘴5，所述固定刀翼3上设置有固定切削元件31，钻头上还同时设置有至少一个牙轮体8与牙齿81组成的牙轮，和至少一个由盘刀体2与盘刀切削元件21组成的盘刀，牙轮、盘刀分别通过牙轮支座、盘刀支座与钻头体形成转动连接。其中，牙轮支座为牙轮独立支座7，盘刀支座为盘刀独立支座6，盘刀切削元件21和刀翼上的固定切削元件31均为圆形的PDC齿。

大偏角盘刀上的切削齿在井底形成长距离的螺旋轨迹210，而固定刀翼3上的切削齿同现有固定齿钻头一样，形成同心圆轨迹310（如图8所示），牙轮8上牙齿81在没有偏移的时候则形成一个个离散的破碎坑8101，而在校偏移的条件下，形成短的牙齿滑移轨迹810。本方案中，三种切削结构共同作用于井底，形成更为复杂的井底模式。图9为PDC-牙轮复合钻头在牙轮无偏移情况下，所形成井底模式。图10为盘刀2偏移角为80°，牙轮8偏移为10°条件下，本方案钻头所形成的井底模式。图11为盘刀2偏移角为-80°，牙轮8偏移为10°条件下，本方案钻头所形成的井底模式。牙轮在小偏移的条件下，即保证了牙齿81对井底岩石的冲压作用，又具有一定的滑移，能够与其他两种切削结构形成更好的交叉刮切效果。

实施例2：

如图6、7、14、15、16所示，一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体1或固定在钻头体上的刀翼3、水眼或喷嘴5，所述固定刀翼3上设置有固定切削元件31，钻头上还同时设置有至少一个牙轮体8与牙齿81组成的牙轮，和至少一个由盘刀体2与盘刀切削元件21组成的盘刀，牙轮、盘刀分别与刀翼3形成转动连接。本例中，盘刀切削元件21和刀翼3上的固定切削元件31均为圆形的PDC齿。

盘刀上的盘刀齿与固定刀翼3上的切削齿相互独立，即盘刀上的切削齿在结构形式上并不替代刀翼3上的切削齿，不会直接影响固定切削单元的布齿设计。由本实施例方案，可以延伸出几种较优的方案：如图6、7所示，盘刀布置刀翼体3的前侧面33；如图14所示，盘刀可以设置在刀翼体3的后侧面34；如图15所示，盘刀同时在刀翼3的前侧面33和后侧面34安装。

盘刀与刀翼3的转动连接也有两种较优的方案。例如，盘刀安装在刀翼3的前侧面33时，盘刀与盘刀轴成为一体或形成固定连接，另一端与刀翼3上的轴承孔形成转动连接，如图12；盘刀轴与刀翼3成为一体或形成转动连接，盘刀套装在轴颈上形成转动连接，如图13。正如本领域研究人员所熟知的，盘刀与独立支座6的转动连接方式，同样可以具有以上两种方案。

一般来讲，在钻头设计中，心部切削齿相对外部区域较为稀疏，特别是复合钻头中，外部的切削齿均得到了加强，而心部切削齿依然沿用常规的设计方法。在特殊钻进条件下，受到不平衡力的作用，心部切削齿发生非正常失效，造成心部其他切削齿的工作负荷，心部切削齿磨损严重，最终导致掏心情况。图16中，其中一个盘刀设置了钻头的心部区域，其目的在与加强心部切削齿，防止钻头的“掏心”。

实施例3；

如图17、18所示，一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体1或固定在钻头体上的刀翼3、水眼或喷嘴5，所述固定刀翼3上设置有固定切削元件31，钻头上还同时设置有至少一个牙轮体8与牙齿81组成的牙轮，和至少一个由盘刀体2与盘刀切削元件21组成的盘刀，在刀翼3的前侧面33设置有与布齿面11相贯通的凹槽20，盘刀设置凹槽20内。本例中，盘刀切削元件21和刀翼3上的固定切削元件31均为圆形的PDC齿。

本发明方案中，盘刀上的切削齿在结构形式上取代刀翼3上的固定齿，真正意义上实现了该区域内切削齿的交替工作。图19为本发明的一种延伸方案，盘刀上的切削齿是PDC齿和锥球齿相间布置。图20为本发明的另一种延伸方案，盘刀上的切削齿均为锥球齿，其具有较PDC齿更强的抗冲击能力，这样能够对在其后方的PDC切削齿形成一个很好的保护。

实施例4：

如图21本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，钻头包含三个牙轮和三个盘刀，且相间布置。

实施例5：

如图22、23所示，刀翼3上开设有盘刀槽10，盘刀设置在盘刀槽10内，形成双侧支承。

实施例6：

如图24、25、26、27所示，盘刀设置在两个刀翼3之间形成双侧支承。图24、25中两个刀翼3相对独立，而图26、27中两个刀翼3在靠近钻头心部的区域相连接。

实施例5：

如图28本实施例与实施例2、3、4、5、6基本相同，不同之处在于，钻头体1上还包括扶正块9。扶正块9的设计，能够明显减少钻头的多边形效应。

实施例6：

如图29、30所示，刀翼上固定切削元件为孕镶体311。正如以上所说，孕镶体311是和刀翼3烧结在了一起，实际上构成了刀翼3的一部分，如图31所示，金刚石颗粒10孕含在了刀翼体内。

实施例7；

如图31所示，刀翼上的固定切削元件31安装有孕镶竖齿，盘刀切削元件21可以为PDC齿，也可以为孕镶体311。同样的，盘刀上的切削元件还可为孕镶卧齿，如图34所示；盘刀上的切削元件还可以为孕镶竖齿，如图35所示；盘刀的截面形状可以为波浪形，如图33所示。

实施例8：

如图36所示，固定切削元件31和盘刀切削元件21为旋转切削齿。旋转齿主要由齿座41和切削部件410组成，切削部件410上包含有金刚石层411，切削部件410相对于齿座41可以作旋转运动。 图37为盘刀上的盘刀切削元件21为旋转齿，同样的，刀翼3上的切削元件31也可以为旋转齿。

实施例9：

如图38、39、40所示，本实施例与实施例二基本相同，不同之处在其中一个牙轮体8上的牙齿81为长齿顶宽顶齿。对于宽顶齿的偏转角、齿宽以及牙轮的偏移角具有两种更优的安装方式。

一是，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是70°≤|δ|≤90°，牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤10°，且牙轮上所设置的宽顶齿的四分齿宽不小于固齿圆柱直径的0.7倍。这种方案可使牙轮牙齿在刀翼切削齿与盘刀切削齿所形成的网状井底区域达到更好的滑移效果，提高破岩效率。

一是，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是0°≤|δ|≤30°，牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤5°，且牙轮上所设置的宽顶齿的四分齿宽不小于固齿圆柱直径的0.7倍。这种方案可使牙轮牙齿以齿宽方向同时与刀翼切削齿与盘刀切削齿的切削轨迹线接近垂直的方式施加冲击压碎作用，能对研磨性较强的硬脆性地层达到更好的破碎效果，提高破岩效率。

实施例10：

如图41所示，与实施例1-9基本相同，不同之处在于：牙轮设置在刀翼3上。

实施例11：

如图42所示，与实施例1-10基本相同，其区别在于：钻头上所设置的牙轮小端朝向钻头外侧（即朝向井壁100），大端朝向钻头内侧（即朝向钻头心部），亦即牙轮以反装形式通过牙轮支承71设置在钻头本体1上。

Claims (10)

1.一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有固定切削元件，其特征在于：钻头上还同时设置有至少一个牙轮体与牙齿组成的牙轮，和至少一个由盘刀体与盘刀切削元件组成的盘刀，所述牙轮、盘刀分别通过牙轮支座、盘刀支座与钻头体形成转动连接。

2.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述盘刀的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，所述牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤10°。

3.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述盘刀设置在独立的盘刀支座上，且与所述盘刀支座转动连接。

4.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：至少有一个盘刀设置在刀翼体上，且与所述刀翼体形成转动连接。

5.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：至少有一个刀翼的前侧面设有与刀翼布齿面贯通的凹槽，盘刀设置在凹槽内，且与所述刀翼转动连接。

6.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述盘刀设置在两个刀翼之间。

7.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述刀翼上的固定切削元件至少部分是孕镶切削元件，以及/或盘刀切削元件至少部分是孕镶切削元件。

8.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述至少一个牙轮上设置有宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是70°≤|δ|≤90°，且牙轮的偏移范围是0°≤|ψ|≤10°。

9.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述至少一个牙轮上设置有宽顶齿，宽顶齿的齿顶偏转角δ的取值范围是0°≤|δ|≤30°，且牙轮的偏移角范围是0°≤|ψ|≤5°。

10.如权利要求1所述的一种针对复杂难钻条件的复合式金刚石钻头，其特征在于：至少有一个牙轮安装在刀翼上，且与所述刀翼形成转动连接。