CN101892810A - 一种以切削方式破岩的复合式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以切削方式破岩的复合式钻头，包括钻头本体(1)、转轮(2)，所述钻头本体(1)上具有轮掌(3)，所述转轮(2)安装在所述轮掌(3)的轴颈(6)上，与轮掌(3)形成转动连接，在所述转轮(2)上布置有外排切削齿圈(4)，所述转轮(2)的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，在所述钻头本体(1)上设置有包含固定切削齿(8a)的固定切削结构(8)。本发明中转轮上的切削齿以交替刮切的形式破岩，并配合固定切削结构上的切削齿，在井底岩石上形成网状破碎区域，破岩效率高，磨损均匀，冷却效果好，齿的寿命长，轴承工作寿命高，钻头使用寿命长。

Description

一种以切削方式破岩的复合式钻头

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，具体的讲涉及一种以切削方式破岩的复合式钻头。

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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头(包括三牙轮钻头和单牙轮钻头)和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。

三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用。岩石的抗压强度较抗剪强度和抗拉强度均要高得多，三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时，在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效应十分明显，牙齿难以压入地层并形成有效的破碎。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。由于三牙轮钻头是以冲击压碎的形式破岩，轴承受到的冲击大，载荷幅值高，加之轴承转速相对较快，因此三牙轮钻头的轴承寿命较短。现有牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比高，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，牙齿在井底岩石上冲压出一个个凹坑11，如图21所示，凹坑11沿圆周方向和半径方向的长度均很短。

单牙轮钻头轴承尺寸较大，牙轮转速低，寿命优于三牙轮钻头。但单牙轮钻头也有一个无法避免的弱点，那就是牙齿耐磨性严重不足，齿一旦磨钝，钻速就会急剧降低。

现今，无运动部件、耐磨且寿命长的PDC(聚晶金刚石复合片)钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿，亦简称齿)按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。喷射孔又称喷嘴，可以是直接设置在钻头本体上的固定式喷嘴，也可以是安装在钻头上的可替换式喷嘴。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元，称为刀翼(齿座为刀翼体)。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的外流道。这种钻头为刀翼式PDC钻头。刀翼式PDC钻头是PDC钻头的主要结构类型。

在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有三方面的缺点：

第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象)的发生。

第二，钻头上个别齿的失效(齿的脱落、断裂或过度磨损等)会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。

第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。

发明内容

本发明的目的是提供一种以切削方式破岩的复合式钻头，钻头由大偏移角转轮切削单元和固定切削结构复合而成，大偏移角转轮切削单元使转轮上的切削齿以刮切方式交替破碎岩石，固定切削结构上的切削齿与转轮上的切削齿共同作用，形成网状的井底形貌，能够在增加钻头使用寿命的同时，提高破岩效率。

本发明的技术方案如下：

一种以切削方式破岩的复合式钻头，包括钻头本体、转轮，所述钻头本体上具有轮掌，所述转轮安装在所述轮掌的轴颈上，与轮掌形成转动连接，在所述转轮上布置有外排切削齿圈，所述转轮的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，在所述钻头本体上设置有包含固定切削齿的固定切削结构。

上述结构中，所述转轮的偏移角

其中s为转轮的移轴距，c为转轮的基准距。如图3、图4、图5所示，AB为钻头中心轴线，CD为转轮中心轴线，经过转轮轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为转轮极轴面A₁，A₂是经过钻头轴线AB且垂直于转轮极轴面A₁的平面，A₃是经过钻头轴线AB且平行于转轮极轴面A₁的平面。转轮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。转轮外排齿圈上各切削齿定位点所在的平面A₄为转轮基准平面，转轮基准平面A₄与转轮轴线CD的交点E为转轮基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。转轮基准距c即为转轮基准点E到平面A₂的距离；转轮移轴距s即为钻头轴线AB与转轮极轴面A₁之间的距离，并规定，沿钻头轴线从转轮向钻头体看，极轴面A₁在平面A₃左侧时为正移轴，反之，则为负移轴；转轮的偏移角α即为直线EF与平面A₃之间的夹角，即有偏移角

正移轴时偏移角α为正，负移轴时偏移角α为负；转轮的轴倾角β即为转轮轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。

当钻头在钻压、扭矩的驱动下旋转钻进时，转轮在随钻头本体绕钻头轴线做旋转运动和沿轴线做轴向进给运动外，还会相对于钻头本体发生旋转运动，即会绕轮掌的轴颈做转动。如果转轮的偏移角等于零，转轮的轴线与钻头轴线相交，转轮会以纯滚动或接近于纯滚动的方式在井底岩石上滚动，其平均转速等于或近似等于由钻头转速和转轮滚动轨迹圆半径所确定的纯滚动速度。此时，转轮将以与井底岩石相作用的切削齿为瞬时转动中心发生相对转动，切削齿与岩石之间不存在相对滑移。如果转轮的偏移角不等于零，则转轮的轴线与钻头轴线不再相交，而是空间交错，转轮的纯滚动条件不再满足。此时，转轮仍会在岩石上滚动，但其滚动速度不再等于纯滚动速度，而是低于纯滚动速度。转轮上的切削齿在滚过岩石的过程中会与岩石发生相对滑移，从而形成切削齿对岩石的刮切或切削作用。

当偏移角不为零时，转轮上的切削齿在井底岩石上的相对滑移(刮切)包含两个部分：第一，径向滑移。转轮上的切削齿从开始切削岩石(切入)到脱离切削岩石(切出)的过程中，岩石上的切入点与切出点的径向(钻头径向)位置不同，表明切削齿在与岩石接触的过程中发生了径向滑移，切入点与切出点之间的径向距离，代表了切削齿的径向滑移量。偏移角越大，切削齿切入、切出点之间的径向距离越大，径向滑移量也就越大。第二，周向滑移。当钻头转速确定时，轮体速比决定了切削齿的切削工作时间(即从切入岩石到切出岩石的一次切削过程所经历的时间)。由于偏移角不为零时的轮体速比低于纯滚动条件下的轮体速比，转轮的转速变慢，所以切削齿的切削工作时间变长，因而使切削齿产生沿周向(钻头圆周方向)的滑移量。轮体速比越小，切削齿的切削工作时间越长，周向滑移量也就越大。切削齿在井底岩石上的总的滑移速度是径向滑移速度与周向滑移速度的矢量合成。根据钻头体与转轮的运动特征，切削齿在井底岩石上的滑移(刮切)轨迹是沿着钻头旋转方向的从外到内(偏移角为正时)或从内到外(偏移角为负时)的类似螺旋线形状。

转轮的移轴距s增大或基准距c减小，均导致转轮偏移角α增大，故都会增大切削齿在井底的径向滑移和周向滑移，即增大切削齿在井底的总的滑移量。

上述转轮的偏移角

使20°≤|α|≤90°从而更好地实现切削齿以刮切的方式破岩。具体的讲，当钻头外径一定，转轮直径保持不变时，增大转轮的移轴距s，转轮的基准距c就会相应地减小。

在本发明中，采用了固定切削结构与转轮相结合的破岩方式：转轮和固定切削结构均为以切削方式破碎井底岩石的切削结构，固定切削结构上的切削齿在井底岩石上刮切出同心圆状的切削轨迹，而转轮上的切削齿在井底岩石上刮切出从外向内或由内向外的螺旋形切削轨迹。两套切削轨迹的共同作用效果是形成网状井底形貌，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，所以能有效提高钻头的破岩效率。

对固定切削齿钻头而言，切削齿持续不断地切削井底岩石，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异十分明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)切削齿的磨损速度明显快于心部区域的齿。本发明中的转轮上的切削齿能对固定切削齿钻头的切削齿易磨损和失效区域起到特殊的加强作用。转轮上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩，每个切削齿的实际参与切削工作的总时间明显少于钻头的运转时间，因此切削齿的磨损速度显著降低。转轮上切削齿磨损速度的降低会对固定切削结构上的切削齿造成直接影响，减缓其磨损速度。所以，本发明的复合式钻头一方面更易于实现切削齿的均衡磨损，另一方面能显著提高钻头的工作寿命。

转轮上的切削齿的交替切削工作方式有利于切削齿(特别是PDC齿)的冷却，避免或减少了由于温度过高而导致磨损加剧的热磨损现象的发生。

对常规固定齿钻头而言，增加布齿密度可以减缓切削齿的磨损速度，增加钻头的工作寿命，但同时也会降低钻头的钻进速度。在本发明中，转轮上能布置更多的切削齿，增加了切削齿数量，且转轮上的切削齿能轮流工作。由于转轮上同时参与切削岩石的只有部分切削齿，所以，钻头的有效工作齿数明显小于钻头的总切削齿数。换言之，转轮切削结构可以在增加总切削齿数(增加布齿密度)的同时，保持同时工作的齿数不变或基本不变。其效果是在保持钻头钻进速度的同时使钻头的工作寿命得以延长。这样，在钻头设计中延长钻头寿命与提高钻速之间的矛盾可得到明显的缓解。

由于转轮上的切削齿以切削方式(剪切方式)破碎岩石，转轮所需的轴向钻压相对较小，钻压波动幅度也较小，且复合型钻头的轮体速比低于三牙轮钻头，因而复合型钻头可以达到比三牙轮钻头更高的轴承寿命。

本发明的思路是：通过增大转轮的移轴距s、减小转轮的基准距c的方式增大转轮偏移角α，并使其在20°≤|α|≤90°范围内，达到增大转轮上的切削齿在井底的径向滑移量，并同时降低轮体速比，增大切削齿在井底的刮切时间和周向滑移量，从而增加切削齿在井底岩石上总的滑移量(刮切量)。这样，当钻头在井底工作时，转轮上的切削齿以缓慢的速度切入岩石，并在钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较长距离后再缓慢切出，从而实现转轮上的切削齿以缓慢交替的形式在井底轮流刮切或切削破岩的目的。同时配以具有固定切削齿的固定切削结构，两套切削轨迹的共同作用效果是在井底形成网状破碎区域，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，所以能有效提高钻头的破岩效率。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)本发明将转轮与固定切削结构相结合，在井底岩石上形成了两套切削轨迹，其效果是在井底形成网状破碎区域，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，能显著提高钻头的破岩效率。

(2)转轮上的切削齿交替工作，减少或避免了固定切削齿钻头因少数切削齿失效带来的钻头早期失效，延长了钻头使用寿命。

(3)转轮上的切削齿交替工作，切削齿磨损均匀，各切削齿的工作能力可得到充分利用。

(4)转轮上的切削齿交替工作，冷却效果好，不易发生热磨损。

(5)以切削方式破岩的复合式钻头可以利用PDC复合片等金刚石复合元件作为切削齿，齿的工作寿命和切削效率均优于单牙轮钻头。

(6)以切削方式破岩的复合式钻头钻进时所需的钻压小，轴承所受载荷小，且载荷波动幅度低；钻头的轮体速比低，故轴承相对转动缓慢、发热少。所以，以切削方式破岩的轮式钻头的轴承工作寿命长于同等条件的三牙轮钻头。

在所述转轮上设置有内侧切削齿圈。

内侧切削齿圈是指布置于转轮上，较外排切削齿圈更靠里的切削齿圈，其数量可为1到多个。

所述外排切削齿圈、内侧切削齿圈及固定切削结构中的切削齿为聚晶金刚石复合片、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。

所述钻头本体上具有1-6组由所述转轮及轮掌所构成的转轮切削单元；所述钻头本体上具有1-6组固结了所述固定切削齿的固定切削结构。

所述转轮切削单元和所述固定切削结构(8)均为2组并相间布置。

所述转轮切削单元和所述固定切削结构(8)均为3组。

所述转轮的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

所述转轮的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

所述外排切削齿圈、内侧切削齿圈以及固定切削结构中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

所述转轮的偏移角α为60°。

有益效果：本发明中转轮上的切削齿以交替刮切的形式破岩，并配合固定切削结构上的切削齿，在井底岩石上形成网状破碎区域，破岩效率高，磨损均匀，冷却效果好，齿的寿命长，轴承工作寿命高，钻头使用寿命长。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的结构示意图，其转轮切削单元与固定切削结构为2组，两者相间布置。图中：1、钻头本体，2、转轮，3、轮掌，4、外排切削齿圈，7、喷嘴，8、固定切削结构，8a、固定切削齿；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的转轮几何位置参数移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β的示意图；

图4为本发明的一组切削单元的转轮沿转轮极轴面的剖视图。图中：6、轴颈；

图5为本发明沿钻头轴线俯视时转轮在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图；

图6为本发明转轮切削单元和固定切削结构均为3组，3组切削单元相间布置的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为本发明钻头中心为固定切削结构，外围为转轮切削单元的结构示意图。图中：5、内侧切削齿圈；

图9为图8的俯视图；

图10为本发明的转轮的偏移角α为负值时的结构示意图；

图11为图10的俯视图；

图12为本发明的转轮的偏移角α＝20°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。图中：9、固定切削结构上的固定切削齿刮切出的同心圆状刮痕，10、转轮切削单元上的切削齿刮切出的累似螺旋线形刮痕；

图13为本发明的转轮的偏移角α＝30°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图14为本发明的转轮的偏移角α＝40°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图15为本发明的转轮的偏移角α＝50°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图16为本发明的转轮的偏移角α＝60°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图17为本发明的转轮的偏移角α＝70°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图18为本发明的转轮的偏移角α＝80°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图19为本发明的转轮的偏移角α＝85°或接近90°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图20为本发明的转轮的偏移角α＝-60°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图21为普通三牙轮钻头在井底岩石上造出的齿坑示意图；图中：11、齿坑。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11所示：一种以切削方式破岩的复合式钻头，包括钻头本体1、转轮2，所述钻头本体1上具有轮掌3，所述转轮2安装在所述轮掌3的轴颈6上，与轮掌3形成转动连接，在所述转轮2上布置有外排切削齿圈4，其特征在于：所述转轮2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，在钻头本体1上设置有固定切削结构8，固定切削结构8上固结有固定切削齿8a。

实施例1：

当转轮2的偏移角α＝±20°时，以外径D＝8.5英寸(215.9mm)的钻头为例(以转轮上到钻头轴线最远点为钻头规径点)。取转轮2外排切削齿圈4的半径r为65mm，转轮2的轴倾角β＝0°，由于

s＝c·tan|α|                            (1)

${\left(\frac{D}{2}\right)}^2={(r+s)}^2+c^2---\left(2\right)$

由式(1)和(2)可得，基准距c＝62.75mm，转轮2的移轴距s＝22.84mm。

在上述参数下，转轮2外排切削齿圈4上的切削齿从切入到切出井底岩石的过程中，其径向滑移量为41.17mm。经理论计算和已做的实际实验都可得出此时的轮体速比在0.96以下，钻头旋转钻进时转轮2自转缓慢，即可实现转轮2上的切削齿以缓慢的速度压入岩石，并在钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较长距离后再缓慢切出。如图12所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝20°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图，图中转轮切削单元上的切削齿刮切出从外到内的类似螺旋线形的刮痕10，固定切削结构上的固定切削齿刮切出同心圆形刮痕9。从图中可看出，转轮切削齿在井底的滑移量(刮切量)较长，明显体现了转轮上的切削齿轮换交替并以刮切的形式破岩的特点。

在上述D和r取值不变，且保证α≥20°时，若增大轴倾角β，此时基准距c减小，移轴距s增大。这样虽会减小切削齿在井底的径向滑移量，但同时会明显减小轮体速比，增大切削齿的周向滑移量，切削齿的周向滑移增大量比其径向滑移减小量要大。即，其它参数不变时，轴倾角β的增大将会使切削齿在井底的滑移量(刮切量)进一步加长。因此，上述计算过程中取β＝0°是上述参数下实现切削齿在井底的滑移量最小的情形。

以下实施计算过程中，均取β＝0°。

实施例2：

当转轮2的偏移角α＝±30°时，仍以外径D＝215.9mm的钻头为例。取转轮外排切削齿圈4的半径r为65mm。

仍由式(1)和(2)可得，基准距c＝51.62mm，转轮2的移轴距s＝29.81mm。

在上述参数下，切削齿径向滑移量为48.34mm。经理论计算和已做的实际实验都可得出此时的轮体速比在0.79以下，即可实现转轮2上的切削齿以缓慢交替的运动形式在井底轮流刮切或切削破岩。如图13所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝30°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±20°时要长多，体现了转轮上的切削齿以刮切形式破岩的特点。

实施例3：

当转轮2的偏移角α＝±40°时，D、r取值同上，代入式(1)和(2)可得，c＝41.37mm，s＝34.71mm。

在上述参数下，切削齿径向滑移量为53.95mm，轮体速比在0.64以下。如图14所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝40°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮上的切削齿在井底的滑移量比α＝±30°时要长。

实施例4：

当转轮2的偏移角α＝±50°时，D、r取值同上，可得，c＝31.97mm，s＝38.11mm。

此时，切削齿径向滑移量为58.21mm，轮体速比在0.49以下。如图15所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝50°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮上的切削齿在井底的滑移量比α＝±40°时进一步加长。

实施例5：

当转轮2的偏移角α＝±60°时，D、r取值同上，可得，c＝23.32mm，s＝40.40mm。

此时，切削齿径向滑移量为61.30mm，轮体速比在0.36以下。如图16和图20所示，分别为本发明的转轮2的偏移角α＝60°和α＝-60°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮上的切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±50°时要长。

实施例6：

当转轮2的偏移角α＝±70°时，D、r取值同上，可得，c＝15.24mm，s＝41.87mm。

此时，切削齿径向滑移量为63.39mm，轮体速比在0.23以下。如图17所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝70°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮上的切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±60°时要长。

实施例7：

当转轮2的偏移角α＝±80°时，D、r取值同上，可得，c＝7.53mm，s＝42.69mm。

此时，切削齿径向滑移量为64.60mm，轮体速比在0.12左右。如图18所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝80°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。从图中可看出，转轮上的切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±70°时要长。

实施例8：

当转轮2的偏移角|α|等于85°或接近90°时，此时转轮2的基准距c非常小，而转轮2的移轴距s较基准距c要大得多。因此，轮体速比将会更加小，钻头钻进时转轮自转速度将更加缓慢。切削齿在井底的滑移量(刮切量)会更长，切削齿以刮切的形式破岩的特征将更明显。如图19所示，为当转轮2的偏移角α等于85°或接近90°时，在转轮切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。

综合对比分析上述各实施例，可知，转轮2的偏移角α增大时，轮体速比减小，切削齿在井底的滑移量(刮切量)将曾大。转轮2的偏移角α越大，切削齿在井底的刮切效果越明显。转轮2的偏移角α的范围在20°≤|α|≤90°时，均能实现钻头钻进时转轮2上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩。转轮切削单元和固定切削结构配合均能实现网状刮痕的效果。

在所述转轮2上设置有内侧切削齿圈5。

所述外排切削齿圈4、内侧切削齿圈5及固定切削结构8中的切削齿为聚晶金刚石复合片、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。

所述钻头本体1上具有1-6组由所述转轮2及轮掌3所构成的转轮切削单元；所述钻头本体1上具有1-6组固结了所述固定切削齿8a的固定切削结构8。

所述转轮切削单元和所述固定切削结构8均为2组并相间布置。

所述转轮切削单元和所述固定切削结构8均为3组。

所述转轮2的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

所述转轮2的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

所述外排切削齿圈4、内侧切削齿圈5以及固定切削结构8中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

所述转轮2的偏移角α为60°。

Claims (10)

1.一种以切削方式破岩的复合式钻头，包括钻头本体(1)、转轮(2)，所述钻头本体(1)上具有轮掌(3)，所述转轮(2)安装在所述轮掌(3)的轴颈(6)上，与轮掌(3)形成转动连接，在所述转轮(2)上布置有外排切削齿圈(4)，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，在所述钻头本体(1)上设置有包含固定切削齿(8a)的固定切削结构(8)。

2.根据权利要求2所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：在所述转轮(2)上设置有内侧切削齿圈(5)。

3.根据权利要求1或2所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述外排切削齿圈(4)、内侧切削齿圈(5)及固定切削结构(8)中的切削齿为聚晶金刚石复合片、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。

4.根据权利要求1所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述钻头本体(1)上具有1-6组由所述转轮(2)及轮掌(3)所构成的转轮切削单元；所述钻头本体(1)上具有1-6组固结了所述固定切削齿(8a)的固定切削结构(8)。

5.根据权利要求4所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述转轮切削单元和所述固定切削结构(8)均为2组并相间布置。

6.根据权利要求4所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述转轮切削单元和所述固定切削结构(8)均为3组。

7.根据权利要求1所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

8.根据权利要求7所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

9.根据权利要求3所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述外排切削齿圈(4)、内侧切削齿圈(5)以及固定切削结构(8)中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

10.根据权利要求8所述的一种以切削方式破岩的复合式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α为60°。

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