CN110359852A - 具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，属于钻探领域。钻头主要包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿。对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座，缓冲座上设置有固定缓冲元件。本发明钻头能够显著减轻钻头在导向钻井过程中的冲击振动，减少刮切齿的冲击失效，提高钻头的可持续钻进能力。

Description

具有固定缓冲结构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，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。以PDC钻头为代表的固定刮切齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件（对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。牙轮钻头以冲击压碎的方式破岩，在井底形成一个个离散的破碎齿坑。在难钻地层中，两种钻头的表现均不能令人满意。

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。

孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，它以孕含在刀翼体或刮切齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃作为切削元件，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），孕含在刮切齿中所形成的切削元件则称为孕镶刮切齿（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。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。尽管孕镶钻头在难钻地层拥有较长的工作寿命，但机械钻速仍不尽如意。

自2009年美国贝壳休斯公司推出牙轮—PDC复合钻头（简称复合钻头）产品以来，这种新钻头已在油气开发领域得到了成功应用。在难钻地层中，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。PDC-牙轮复合钻头一般由若干个PDC刀翼和两个或两个以上牙轮复合而成，PDC刀翼为钻头的主切削结构，而牙轮则为辅助切削结构。通常，相邻两个牙轮之间具有至少一个PDC刀翼。

在复合钻头上，牙轮设置在钻头上PDC齿磨损速度更快的径向外部区域（通常在钻头半径二分之一以外的区域），在该区域，牙轮牙齿和刀翼上的PDC齿共同作用于井底岩石，牙轮牙齿不仅能起到对井底岩石的预破碎、预损伤作用，而且由于其承压能力强，故能产生一定的缓冲效果从而实现对刀翼PDC齿的保护。复合钻头的工作扭矩相对较低，有利于维持工具面的稳定，所以也适于在定向钻井条件下工作。在未设置牙轮的心部区域，刀翼布齿仍沿用了常规PDC钻头的设计方法，密度相对较稀。在定向钻进过程中，特别是在其中的复合钻进条件下，钻头心部区域的切削条件复杂，PDC齿易承受反向载荷和冲击载荷，故容易出现心部区域PDC齿快速失效的现象。当某颗齿失效后，加重井底环带相邻齿的工作负荷，发生相邻齿的连锁失效，从而造成钻头心部区域性的PDC齿早期失效（此即所谓“掏心”现象），直接导致钻头寿命终止。在定向钻井中，在井下动力钻具（通常是有弯角的螺杆钻具，简称弯螺杆）以及钻杆（转盘或顶驱）双重驱动下，PDC钻头在井底既有公转又有自转，故钻头与井底岩石的互作用规律比钻直井复杂得多，在钻直井时，钻头的各刀翼同时工作，且切削状态相对比较稳定；但在定向钻井中，钻头的切削过程已明显与稳定的“钻削”不同，而是更接近于“铣削”——各刀翼的工作存在一定程度的交替性（各刀翼的切削负荷前后相续地周期性变化），使PDC齿的切削力具有一定程度的周期变化特性。复合钻头同样具有类似的特性，牙轮和刀翼一样，其工作状态会在重负荷与轻负荷状态之间循环变化——牙轮运动到井底最低位置附近时为重负荷状态，随着钻头的旋转，牙轮在井底的位置开始升高，负荷开始减轻，其后的刀翼开始逐渐接近最低位置，从较轻的负荷状态进入重负荷状态。复合钻头在复合钻进条件下的破岩过程就是这种牙轮、刀翼负荷状态前后相续交替变化过程的不断延续。由于复合钻头结构的特殊性，牙轮占据了较大的钻头空间，为保障在有效清洗和冷却PDC刀翼的同时，尽可能减少钻井液对牙轮的冲蚀，通常设计时在牙轮与其后的刀翼之间设置的空间较大，从而在牙轮与其后刀翼之间形成较大的周向跨度。这样，一方面容易因钻头与井壁间的多边形效应而引起钻头强烈的横向振动，另一方面，当重负荷状态的牙轮向其后的刀翼过渡时，较大的周向跨度会导致刀翼PDC齿（特别是外部PDC齿——径向外1/3区域的PDC齿）的负荷状态发生急剧变化，从小负荷甚至零负荷下急剧升高，当地层岩石较硬时，这种冲击很容易导致刀翼外部PDC齿的冲击崩损甚至脆断。

冠部轮廓（亦称切削轮廓）是钻头重要的结构特征之一，它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。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，刮切齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为刮切齿的轴面轮廓线。将所有刮切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，复合钻头的切削轮廓定义也适用上述方法。

发明内容

本发明的目的在于：提出具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，能够显著减轻钻头在导向钻井过程中的冲击振动，减少刮切齿的冲击失效，提高钻头的可持续钻进能力。

本发明目的通过下述技术方案来实现：具有固定缓冲结构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若干个刀翼和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，牙轮安装在牙掌上，与牙掌转动连接，刀翼上设置有PDC复合片和/或TSP等刮切齿，对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的周向区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体和固定在钻头体上的缓冲座。

对于本发明所涉及的钻头本体、牙掌、牙轮、牙齿、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、14、17~24，为本发明钻头的结构示意图，其中，1为钻头本体、3为牙掌、4为牙轮体、41为牙齿、2为刀翼、21为刮切齿、5为水眼或喷嘴。

上述方案中，当钻头上只有两个牙轮时，则每个牙轮既可为前牙轮，也可为后牙轮，当指定一个牙轮为前牙轮时，另一个牙轮就为后牙轮，反之亦然。请参阅图1,假如在钻进方向上（标号100），指定标号为3的牙掌上的牙轮为前牙轮，旋转跟随的另一牙轮即为后牙轮，反之，亦可。实际上，上述方案中所述的缓冲座是独立的设置在钻头体上，不与刀翼或牙掌相连接。

凡是以刮切原理（刮削、剪切原理）破碎岩石的切削元件，称为刮切齿。如，PDC聚晶金刚石复合片、TSP热稳定聚晶金刚石齿是典型的刮切齿，牙轮上用以破岩的较“尖”的牙齿也可称为刮切齿。

本发明钻头缓冲座的减震缓冲原理如下：常规钻进中，钻头在绕钻头轴线旋转时，因钻头并非完整圆柱体而产生多边形效应，同时会在旋转方向上产生振动（或称为扭振），本发明中用玄高来评价。请参阅图4，钻头上相邻两结构在钻头圆周方向上相距最远，且距井壁最近的两点（或两个小的区域）之间的玄高值越大，钻头的多边形效应或周向振动就越严重，反之越小。本发明实施例中，在径向方向上，缓冲座至少部分在由原玄线和所截小圆弧组成的面域内，这样将原来的玄高L₀变为了现有的玄高L₁，玄高的降低，多变形效应得到了缓解，振动冲击减弱。

特别地，在导向钻井中（请参阅图5），因螺杆自带弯角，钻头旋转轴线和钻柱轴线存在一定夹角，钻头12的自转（螺杆马达提供）和公转（转盘提供）回转中心不再重合（图6中Og和Oz分别为公转和自转的中心），两则运动速度的矢量和，不再是直接叠加，钻头的运动情况更为复杂。导向钻井的复合钻进过程中，因钻头自转轴线和钻柱（或井壁）轴线出现偏差，使得实际井筒直接大于钻头直径。在此情况下，在径向范围内，钻头只有部分的切削结构在实际与未破除岩石接触。实际上，在动态的破岩过程中，钻头的工作使其切削结构依次轮流与岩石接触。显然，两种切削结构在切换过程中，存在着对井壁的冲击或撞击。现有牙轮-PDC复合钻头两种切削结构之间的跨度（图6中的Sy）或玄高比较大，当某一切削结构向另一切削结构切换时，钻头对井底岩石的已经不再是小幅值冲击，而变为大幅值撞击，加之，钻头外部刮切齿，工作速度更大，容易产生脆断。复合钻进过程中，减小切削结构之间的跨度（Sh）或玄高，能够减缓撞击，是增强钻头钻进能力的有效手段。本发明钻头技术中，在牙轮和PDC两种切削结构中间设置缓冲座，能够大幅降低牙轮和PDC两种切削结构之间的玄高或跨度，在两种切削结构切换过程中，起到过渡的作用，减小撞击对刮切齿的损害程度。此外，缓冲座的设置，钻头圆度变的更好，多边形效应也得到缓解。

在轴向方向上，无论是常规钻井，还是导向钻井，在某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，将会使钻头产生冲击，刮切齿上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的损坏。本发明技术的缓冲座，在这种情况下，能够限制刮切齿吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小振幅，对刮切齿形成一个很好的保护。

作为优选，缓冲座的工作面覆盖到钻头的径向外1/3区域。

一般而言，钻头分为心部、内锥、鼻部、肩部和保径部。这几个区域对应于在覆盖图中用钻头的切削轮廓线表达。请参阅图3，钻头的切削轮廓线大致分为心部（标号41）、内锥（标号42）、鼻部（标号43）、肩部（标号44）和保径段（标号45）。钻头工作过程中，钻头外三分之一区域内刮切齿，线速度较大，受到的冲击较内部齿通常要大。缓冲座设置在钻头外三分之一区域，即鼻部、外肩部、甚至保径部，以达到对防止外部齿受冲击破坏，延长钻头整体工作寿命的目的。

进一步的，缓冲座工作面的轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离范围为-5mm≤S≤0.1Drmm。

上述方案中，Dr为钻头半径。缓冲座的工作面的轮廓线同钻头的切削轮廓线的定义方法相同，在此不在赘述。在井底覆盖图中，缓冲座的工作面轮廓线与钻头的切削轮廓线的高差在-5~0.1Drmm内。请参阅图7，高差的定义为，在钻进方向上，缓冲座的工作面轮廓线低于钻头切削轮廓线为负，高于钻头轮廓线为正值。容易想到的是，缓冲座工作面的轮廓线的设计与钻头工作轮廓线可以不等距，甚至可以相互交叉，请参阅图8和图9。更优范围0≤S≤0.5d。d为覆盖区域内的刀翼刮切齿直径。

作为优选，缓冲座上具有缓冲耐磨层。

本方案中，缓冲耐磨层的设置，能够明显增强缓冲座的耐磨和抗冲击能力，进而增加钻头的工作寿命。缓冲耐磨层可以为覆焊层、金刚石颗粒孕镶在缓冲座工作部位内，缓冲耐磨材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

进一步的，缓冲座上具有缓冲耐磨层，且缓冲耐磨层占据工作面至少50%的周向范围。

请参阅图11，缓冲耐磨层所占据的缓冲座工作面周向范围至少50%，是指在俯视图中，以钻头中心为原点，过缓冲座工作面上任意一点，且被耐磨层所截圆弧长度与缓冲座工作面所截圆弧之比，即h/H。

作为优选，缓冲座上设置有缓冲元件，所述缓冲元件通过过盈配合、焊接、螺纹连接等方式与缓冲座固定连接，或与缓冲座为一体式结构。

缓冲元件通过焊接、过盈配合、或通过机加工方式与缓冲座基体加工为一体的办法固定在缓冲座上的元器件，相对于缓冲座基体的自由度数量为零。

凡是通过纵向承载、分压，增加与岩石的纵向接触面积，以限制刮切齿吃入深度，并通过缓冲效果减少刮切齿冲击失效的辅助切削元件，称为缓冲元件或缓冲齿。缓冲元件的工作端要求具有较高的耐压、抗冲击强度，比如用在牙轮钻头上较“钝”的锥球牙齿、楔形牙齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可作为缓冲元件，如孕镶块、孕镶齿。缓冲元件的工作端的曲面可以为平的、外凸的、凹的、以及它们之间的组合。缓冲元件的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

需要特殊说明的是：刮切齿也可以起到缓冲作用，如PDC齿、TSP齿平镶在缓冲座上，此时刮切齿并非以刮切原理工作，而主要是起到分担钻压，限制钻头上其他刮切齿吃深的作用。

进一步，缓冲元件占据工作面至少50%的周向范围。

缓冲元件所占据工作面的周向范围定义同缓冲耐磨层基本相同，不同之处在于：缓冲元件是一颗一颗的形式布置在缓冲座的工作面上，要求缓冲元件（或一颗，或多颗）最大周向占比超过50%即可。

作为优选，缓冲元件的形状包括圆形、椭圆形、腰鼓形、菱形、环形、多边形、以及它们之间的组合。

缓冲元件的形体结构可以为回转体，亦可为非回转体，亦或两则的组合。对于回转体而言，加工方便，而非回转体，设计更加灵活。当缓冲元件通过过盈配合等方式安装在缓冲座上时，缓冲座上设置有容置槽（请参阅图15），用于容纳并固定缓冲元件。为与缓冲元件适配，容置槽的截面形状也可为多种，如圆形、椭圆形、半圆形、菱形、多边形，或它们之间的组合。

作为优选，缓冲座上设置的缓冲元件为孕镶金刚石元件。

孕镶金刚石元件包含孕镶齿、孕镶块。当孕镶金刚石元件为孕镶齿时，其具有多种安装方式，如立式、卧式或它们之间的组合形式。

作为优选，缓冲座上设置的缓冲元件为金刚石复合片。

金刚石复合片具有很高的耐磨性和具备一定的抗冲击能力，按照上文缓冲元件的描述，金刚石复合片（或PDC齿）同样可作为缓冲元件。当复合片平装在缓冲座上时，不具备切削功能，只做缓冲减震作用。当金刚石复合片像其他刀翼上的刮切齿一样的装法时，也具有了一定的切削功能。值得强调的是，当缓冲座上的金刚石复合片在具备有切削功能时，其对其旋转跟随的刀翼上刮切齿的不仅有保护作用还具有加强作用。就这一点而言，缓冲座上的复合片的作用很明显的区别于其他刀翼上刮切齿仅具有的切削功能。更优的方案是，同时在缓冲座上具有较“钝”工作端的缓冲元件和金刚石复合片，请参阅图24。

作为优选，牙轮与其后旋转跟随的第一个刀翼之间设置有至少两个缓冲座。

进一步，缓冲座还可以设置在两个刀翼之间。

尽管本发明中，已阐述独立的缓冲座设置在两种切削结构（刀翼和牙轮）之间，但是本领域人员应该容易想到，在此基础上，在两个刀翼之间也可以设置独立的缓冲座，请参阅图19。

作为优选，缓冲座上设置有缓冲模块，缓冲模块包括模块体和设置在模块体上的多个缓冲元件或缓冲齿，模块体通过过盈配合、焊接或螺纹连接等方式固定在缓冲座上。

本方案中，缓冲模块与其他缓冲元件不同之处在于：缓冲模块包含模块体和缓冲元件或缓冲齿，缓冲元件或缓冲齿通过焊接、螺纹连接、过盈配合或通过机加工与模块体加工为一体的方式固定在模块体上。缓冲模块的工作端部可以有多个不同形状或不同材料的较小的缓冲元件，类似于模块齿，请参阅图28。

作为优选，缓冲座的外侧面与刀翼的保径面为相同回转面，共同参与保径。

作为优选，缓冲座沿钻头回转中心线方向延伸自钻头本体，或固定在钻头本体上。

作为优选，缓冲座沿钻头切削轮廓线的法线方向延伸自钻头本体，或固定在钻头本体上。

本发明的有益效果：

1、本发明方案中缓冲结构的设置，能够在钻进方向上和径向方向上提供更多的支撑点或区域，减弱钻头钻进过程中的轴向振动以及扭转振动现象。

2、定向钻井中，本发明结构能够减小切削结构之间的跨度或玄高，减缓撞击，大幅度降低外部刮切齿的冲击载荷，是增强钻头工作寿命的有效手段。钻头钻进过程中的稳定，使心部刮切齿所受冲击较小，避免了心部齿的早期失效，有效减小了“掏心”现象的发生。

3、缓冲座上增加主动保径齿的方案中，在增加钻头圆度的同时，增强了钻头的保径能力，井筒质量更高。

4、定向钻井中，本发明技术能够减小钻头钻进过程中的扭矩波动，减少工具面的调整时间。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的第一种钻头在第一视角下的结构示意图。

图2是本发明实施方式提供的第一种钻头在第二视角下的结构示意图。

图3是复合钻头切削轮廓的不同区域。

图4是本发明中玄高的定义示意图。

图5、6是本发明钻头在导向钻井中工作原理示意图。

图7是本发明钻头缓冲座工作面与钻头切削轮廓线的位置关系示意图。

图8是本发明实施方式中缓冲结构的轮廓线与钻头轮廓线法向不等距离的示意图。

图9是本发明实施方式中缓冲结构的轮廓线与钻头轮廓线相交叉的示意图。

图10是本发明实施方式中缓冲结构的工作端宽于基座的结构示意图。

图11是本发明钻头缓冲座上缓冲耐磨层所占周向宽度示意图。

图12是本发明钻头缓冲座的工作面为非光滑曲面示意图。

图13是本发明缓冲座工作面作金刚石孕镶的结构示意图。

图14是本发明实施方式提供的第二种钻头在第一视角下的结构示意图。

图15是本发明实施方式中缓冲座上容置槽的结构示意图。

图16是本发明实施方式中缓冲座上不同截面形状容置槽的结构示意图。

图17是本发明实施方式提供的第三种钻头在第一视角下的结构示意图。

图18是本发明实施方式提供的第四种钻头在第二视角下的结构示意图。

图19是本发明实施方式提供的第五种钻头在第二视角下的结构示意图。

图20是本发明实施方式提供的第六种钻头在第二视角下的结构示意图。

图21是本发明实施方式提供的第七种钻头在第二视角下的结构示意图。

图22是本发明实施方式提供的第八种钻头在第一视角下的结构示意图。

图23是本发明实施方式提供的第九种钻头在第一视角下的结构示意图。

图24是本发明实施方式提供的第十种钻头在第二视角下的结构示意图。

图25是缓冲结构的基座沿钻头切削轮廓线法线延伸，且工作端不参与保径。

图26是缓冲结构的基座沿钻头切削轮廓线法线延伸，工作端参与保径。

图27是本发明实施方式提供的第十一种钻头在第一视角下的结构示意图。

图28是本发明实施方式提供的缓冲模块的结构示意图。

图29是本发明实施方式提供的平面金刚石齿示意图。

图30是本发明实施方式提供的平面和凸面组合金刚石齿示意图。

图31是本发明实施方式提供的表面作金刚石加强的缓冲元件示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1

本发明实施例提供了一种具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头。请参阅图1与图2，该钻头包括钻头体1、刀翼2、由2个牙轮体4和牙齿41组成的牙轮、牙掌3、水眼或喷嘴5、以及缓冲座6。刀翼2延伸自钻头体1或固定在钻头体1上，刀翼2上设置有刮切齿21。在前牙轮和后牙轮之间设置有刀翼2，缓冲座6独立的设置在前牙轮和旋转跟随的刀翼2之间。

请参阅图1，该实施方案钻头上只有两个牙轮，每个牙轮既可为前牙轮，也可为后牙轮，当一个牙轮为前牙轮时，另一个牙轮就为后牙轮，反之亦然。更具体的是，假如在钻进方向上（件号100），指定标号为3的牙掌上的牙轮为前牙轮，旋转跟随的另一牙轮即为后牙轮，反之也可指定另一个牙轮为前牙轮，标号3牙掌上的牙轮则为后牙轮。这样，两个相邻牙轮之间的均设置有缓冲座6。

缓冲座6的工作面在钻头径向范围内，覆盖外三分之一区域，具体为鼻部、外肩部、甚至能够覆盖到保径部。

图7中显示了缓冲座工作面轮廓线701高于钻头轮廓线101，图8、9显示了两轮廓线不等距，其中图9显示了两轮廓线相交的情况。容易想到的是缓冲座6的工作面较缓冲座6根部更宽（请参阅图10），亦可更窄。

钻头还包括钻头轴线，在破岩过程中，钻头可绕钻头轴线转动，使刀翼2上的刮切齿21与岩石之间发生相对运动，从而刮切岩石。已破除的岩石，通过排削槽10由钻井液携带入环空。

牙轮通过轴颈与牙掌3转动连接，当钻头绕钻头轴线发生公转时，牙轮齿41与井底岩石接触，产生力矩，绕自身轴线发生自转，依靠牙齿41对岩石的冲压破岩。

钻头钻进过程中，在钻压的作用下，刀翼2上的刮切齿21吃入地层一定深度，在扭矩的作用下，绕钻头中心线发生旋转，破除岩石。当钻压或某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，产生冲击，刮切齿21上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的损坏。本发明实施例中的缓冲结构，在这种情况下，能够限制刮切齿21的吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小轴向振幅，对刮切齿21形成一个很好的保护。

另一方面，钻头在绕钻头轴线旋转时，因钻头并非完整圆柱体而产生多边形效应，同时会在旋转方向上产生振动（称为周向振动）。本发明实施例中，在径向方向上支撑点也得到了增加，钻进过程中的稳定性增强。

特别在导向钻井中，能够明显减小两个切削结构之间的跨度，减小两切削结构切换过程中的所受撞击。

特别地，本发明技术，还有另一种优势。对于常规复合钻头而言，钻头产生的振动，使刀翼2上的刮切齿21，受到较大的冲击。在外部区域因牙轮与刀翼2上的刮切齿21共同承担，刀翼2上的刮切齿21受到的冲击载荷能够得到一定的缓解。但，复合钻头心部的刮切齿21，受到的冲击只能自己承担，工况十分恶劣，一旦某颗齿失效，井底环带相邻齿的工作复合加重，进而快速失效，导致钻头的异常失效“掏心”。而本发明，缓冲结构的设置，能够显著减低幅值（包括轴向和周向），即起到对钻头的缓冲减振效果，钻头的异常失效得到抑制。特别是导向钻井中，本发明的优势更加明显。

进一步的，对缓冲座工作面进行加强能够提高缓冲座的工作寿命，如设置覆焊层，作金刚石颗粒孕镶（请参阅图13），甚至作金刚石层加强等。缓冲座6工作面加强的材料还可以为硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

实施例2

本发明实施例提供了一种适于在硬地层定向钻进复合钻头。请参阅图14~17，该钻头包括钻头体1、刀翼2、由两个牙轮体4和牙齿41组成的牙轮、牙掌3、水眼或喷嘴5、以及缓冲座6。刀翼2延伸自钻头体1或固定在钻头体1上，刀翼2上设置有刮切齿21。在前牙轮和后牙轮之间设置有刀翼2。缓冲座6独立的设置在前牙轮与其旋转跟随的第一个刀翼之间。缓冲座6工作面设置有容置槽61和缓冲元件7，缓冲元件7通过容置槽61与缓冲座6固定连接。其中，图17方案中，前牙轮和后牙轮之间设置有两个刀翼。

容置槽61以及缓冲元件7上与容置槽61适配的部分的截面形状可以为圆形、椭圆形、腰鼓形、菱形、环形、多边形、以及它们之间的组合，图16显示了缓冲座上不同截面形状的容置槽。缓冲元件7的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

缓冲元件7可以通过焊接、过盈配合等方式固定连接在缓冲座6上。

进一步，在前牙轮与其旋转跟随的第一个刀翼2之间设置有两个缓冲座6，请参阅图18。

在前牙轮和后牙轮之间还可以设置两个刀翼2，两个刀翼可以是相互独立，亦可以相连。如图19所示，在前牙轮和后牙轮之间设置有两个刀翼2，两个刀翼2通过刀翼体相连形成“X”刀翼2，缓冲座6放置在两个刀翼之间。

需要说明的是：

在本发明实施例中，缓冲元件7以常规的钝的锥球齿为例对缓冲结构的工作原理进行了说明，在本发明的其他的实施方式中，固定缓冲元件不仅可以为由回转形成的锥球齿，还可以为以回转形式或非回转形式形成的其他类型的元件。比如，工作端为外凸面的金刚石刮切齿，工作端为平面的金刚石刮切齿（参阅图29），平面和外凸面组合的金刚石刮切齿（参阅图30），外凸面和内凹面组合的金刚石刮切齿，以及表面做加强的牙齿。当固定缓冲元件7为金刚石表面加强的刮切齿时，金刚石层20可以等厚，亦可以不等厚（请参阅图31）。

缓冲座上的缓冲元件为通过机加工的方式与缓冲座加工为一体，类似与洗齿牙轮钻头，请参阅图12。

缓冲元件7为孕镶齿，安装方式可以为立式、卧式以或它们之间的组合，请参阅图20,21。

缓冲座6上设置仅有一个具有外凸曲面的大尺寸缓冲元件，请参阅图22。

缓冲座6上还可以设置被动保径齿202，和主动保径刮切齿201，请参阅图23。

缓冲座6的外侧面611与刀翼的保径面211为相同回转面，共同参与钻头保径，缓冲座外侧面可设置耐磨材料、耐磨元件，请参阅图22、23。

缓冲座上还可以设置刮切齿，缓冲齿设置在固定齿后，形成缓冲排，前排刮切齿形成切削排，请参阅图24。本方案中，缓冲座上的缓冲齿对旋转跟随第一个刀翼上的刮切齿起保护作用，而缓冲座上的PDC刮切齿，形成对其后刀翼上刮切齿的加强和缓冲两种作用。

缓冲座6的设置沿着钻头切削轮廓线的法线方向（或理解为，与井壁具有一定的夹角），其上的缓冲元件可以不参与保径亦可以参与保径，请分别参阅图25、26所示。

缓冲座上安装有缓冲模块8，缓冲模块包括模块体81和缓冲元件7，请参阅图27、28。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有固定缓冲结构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若干个刀翼和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿，其特征在于：对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座。

2.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：缓冲座的工作面覆盖到钻头的径向外1/3区域。

3.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：缓冲座上具有缓冲耐磨层。

4.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：缓冲座上设置有缓冲元件，所述缓冲元件通过过盈配合、焊接、螺纹连接等方式与缓冲座固定连接，或与缓冲座为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：缓冲元件占据缓冲座工作面至少50%的周向范围。

6.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座上设置的缓冲元件为孕镶金刚石元件。

7.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座上设置的缓冲元件为金刚石复合片。

8.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座上缓冲元件的形状包括圆形、椭圆形、半圆形、菱形、多边形，或它们之间的组合。

9.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座上设置有缓冲模块，缓冲模块包括模块体和设置在模块体上的多个缓冲元件或缓冲齿，模块体通过过盈配合、焊接或螺纹连接等方式固定在缓冲座上。

10.根据权利要求1所述的具有固定缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲座的外侧面与刀翼的保径面为相同回转面，共同参与钻头保径。