CN106320989B - 一种金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石钻头，属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽。本发明可以降低钻头的切削能耗，提升破岩效率，同时能抑制钻头横向振动，有效减少钻头切削齿的冲击失效，增强钻头在定向钻井中的抗漂移能力，并能产生大尺寸岩屑，改善地质录井质量，提高实钻条件下对井下地层信息分析和判断的准确性。

Description

一种金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种金刚石钻头。

背景技术

金刚石钻头是钻井工程中其中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，根据其切削元件的不同，主要包括PDC钻头和孕镶金刚石钻头。

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层(软硬交错夹层、含砾岩层等)钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是复合片金刚石层的冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。钻头上局部径向区域内切削齿的过度磨损后会在刀翼本体上产生环槽，环槽一旦出现，钻头的切削能力即基本丧失。

除了PDC钻头以外，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”、脱落以及其支撑材料的不断磨蚀，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。由于孕镶钻头的工作转速往往很高，所以，保持钻头在工作过程中的运动稳定性，尽量减小钻头的振动(特别是横向振动)，对于保障钻头的工作寿命十分重要。

冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶(鼻部)、外锥、肩部和保径五部分。当外部载荷使钻头有发生水平平移的趋势时，钻头中心区域的内锥或外锥的岩壁对钻头施加以与其水平移动方向相反的作用力，以抑制钻头的横向移动,有益于提高钻头稳定性。

在导向钻进中，常常会出现钻进轨迹发生“漂移”的现象，其本质是由于钻头横向位移方向与钻头所受到的横向力方向不一致所导致的力学效应。PDC钻头通常容易有向左漂移的趋势，原因在于当钻头在偏离井眼中心条件下工作时，钻头上切削齿的受力是很不均衡的，在偏离方向一侧，钻头冠顶以外的切削齿更贴近井底以及井壁的岩石，故其切削力更大；而在背离偏离方向一侧，冠顶以外的切削齿与井底以及井壁岩石的距离变远，故其切削力将会显著减小甚至脱离接触。对钻头冠顶以内的切削齿而言，其接触状态规律与冠顶以外的切削齿刚好相反，切削力增大的是在背离偏离方向一侧的内锥切削齿，而在偏离方向一侧，内锥上牙齿的切削力是减小的，甚至可能脱离与岩石的接触。图28、29是钻头的这种牙齿切削力规律的示意图，图中F₁、F₂、F₃、F₄、F₅为钻头产生的致漂力，所有左漂力合成F_fg1，所有右漂力合成F_fg2，F_n为导向力。从图中可以看到，钻头外锥切削齿的横向合力方向与内锥切削齿的横向合力方向相反，而且外锥横向力大于内锥横向力。这两个力的差值就产生了使钻进轨迹发生漂移的钻头漂移力。显然，要减小漂移趋势，就要减小漂移力，也就是要减小两个相反方向横向力的差值。

由其破岩原理所决定，各类金刚石钻头都有一个共同的弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，其中孕镶金刚石钻头的岩屑更是极细，基本呈粉末状。这个弱点在一定程度上限制了金刚石钻头的应用。因为地下岩层复杂多变，钻井过程中常常需要通过井下上返的岩屑来分析、判断地层的岩性信息，过于细小的岩屑将使这种分析和判断的准确性受到严重影响。

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，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。

在孕镶金刚石钻头中，如果切削元件全为刀翼孕镶体(西瓜皮式孕镶钻头)，将刀翼孕镶体轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有刀翼孕镶体的轴面轮廓线包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，这样孕镶钻头的切削轮廓线与钻头本体轮廓线基本一致，为同一曲线；如果切削单元包括刀翼孕镶体、孕镶块(孕镶齿)，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，将刀翼孕镶体、孕镶齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体、孕镶齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有孕镶齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，做一条所有刀翼孕镶体的包络曲线，被称为孕镶钻头的本体轮廓线。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种金刚石钻头，以降低钻头的切削能耗，提升钻头破岩效率，同时抑制钻头横向振动，有效减少钻头切削齿的冲击失效，提升钻头在定向钻井中的抗漂移能力，并产生较大尺寸的岩屑，改善地质录井质量，提高实钻条件下对井下地层信息分析和判断的准确性。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

现有技术的金刚石钻头，通常包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，本专利的金刚石钻头的区别在于，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的各刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽(以下将这种环形空白带位置的刀翼凹槽简称为“凹槽”)。本专利的钻头上的环形空白带在井底工作中将在井底形成对应的凸起的环形岩脊，钻头上的环形空白带与井底凸起的岩脊相互匹配，并以井底岩脊的尺寸作为环形空白带尺寸的定义基础：凸起岩脊的宽度为环形空白带的宽度W，凸起岩脊最高点到岩脊根部的平均距离为环形空白带的高度H，如图4所示，由于刀翼上位于环形空白带附近的切削元件的存在，钻头本体刀翼的凹槽略宽于环形空白带。

本专利中，钻头在井底工作时，在空白带的凹槽区域形成环形岩脊，岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度显著下降，相当于孤立的“墙体”,无论是采用压碎、刮切(剪切)还是冲击破碎方式，其所需的破碎能耗都将大幅度降低，而且其破碎方式更趋向于体积性的破碎。节省出的能量可用于增强钻头上其它切削齿的破岩效果，从而提高钻头的破岩效率。另一方面，钻头本体刀翼上的凹槽能抑制钻头的横向移动，从而减小钻头的横向振动，提高钻头的稳定性。此外，钻头刀翼凹槽(特别是端口及侧壁上的切削齿)能起到减小钻头漂移力的作用，钻头在导向钻井中的漂移趋势可以得到更好的抑制。

作为选择，刀翼上设置的切削元件为孕镶切削元件。本专利应用的金刚石钻头，其刀翼上设置的切削元件可以是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。

作为选择，在环形空白带区域设置有第二切削元件。现有技术的刀翼上设置切削元件外，本专利还可以进一步在环形空白带区域设置切削元件，并将设置在环形空白带区域的切削元件称之为第二切削元件。或者也可以将现有技术设置在刀翼上的切削元件称之为“主切削元件”，如背景技术中所述，其可以为独立切削齿亦可以为钻头本体刀翼的部分，而将设置在环形空白带区域的切削元件对应称之为“副切削元件”或“第二切削元件”。由于环形空白带贯穿了刀翼以及刀翼之间的区域，因而第二切削元件可以设置在刀翼上的凹槽区域，也可以设置在刀翼之间的排屑槽区域，如设置独立牙掌结构、本体上凸起的小刀翼等等。该方案中，环形空白带的存在将形成环形凸起的岩脊，在环形空白带区域设置有第二切削元件，能够显著提升钻头的破岩效率。

作为进一步选择，第二切削元件设置在刀翼凹槽的侧壁和/或顶部。该方案中，在环形空白带位置的钻头刀翼体内凹，形成周向贯通的凹槽，刀翼凹槽由凹槽侧壁与凹槽顶部组成，如图4所示。第二切削元件设置在刀翼凹槽的侧壁和/或顶部(凹槽顶部即对凹槽本身而言的槽底)，对凸起的岩脊进行破碎，同时对刀翼上布置于钻头凹槽区域的切削元件进行加强，避免局部区域失效而导致整只钻头不能有效的钻进岩石。

作为另一进一步选择，第二切削元件为固定切削齿，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。该方案中，若第二切削元件为固定切削齿，这样钻头没有活动元件，减小掉齿事故发生，有利于减小钻井周期；若第二切削元件既包含固定切削元件又包含运动切削元件，钻头以动静复合的方式破碎岩石，提高钻头破岩效率。

作为进一步选择，运动切削元件为能与钻头本体发生相对滑动的切削元件。该方案中，在第二切削元件的上方设置或连接有压力或冲击力发生装置，所产生的冲击力(如由冲锤的惯性产生的冲击力)作用于第二切削元件，使得第二切削元件能与钻头本体发生相对滑动，第二切削元件将冲击力传递到空白带的岩脊上，使岩脊在不分担钻压的条件下得以高效破碎(低能耗体积破碎)。

作为另一进一步选择，运动切削元件为能与钻头本体发生相对转动的牙轮，牙轮上设置有由若干个切削齿构成的齿圈。该方案中，优选至少一个牙轮上部分或全部齿圈位置一一对应各环形空白带，牙轮切削齿以交替作用的方式破碎凸起环形岩脊，有益于切削齿的冷却，提高切削齿的寿命，同时以滚动代替滑动，降低钻头扭矩，提高钻头钻进稳定性，特别是在定向井中钻头的降扭效果更为明显。

作为另一进一步选择，第二切削元件的固定切削齿为圆形齿、椭圆齿、锥形齿、楔形齿、球形齿等或者多种齿形的组合。该方案中，不同形状的切削齿与不同的地层相互匹配，从而拓宽钻头适用范围。

作为另一进一步选择，第二切削元件的固定切削齿为PDC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。

作为选择，所述钻头上设置有两个或两个以上的环形空白带。该方案中，钻头本体钻头上设置有两个或两个以上的环形空白带，这样钻头主切削元件的破碎体积减少，比压增加，破碎效率提高。

作为选择，钻头上设置有一个或若干个牙轮，其中至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含井底环形空白带，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分井底环形空白带以外的区域。该方案中，刀翼-牙轮复合钻头中，1个牙轮的牙齿覆盖区域包含井底的环形空白带，至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分井底环形空白带以外的区域，充分利用钻头上布齿空间，在提高复合钻头的切削效率的同时延长钻头寿命。

作为选择，钻头上设置有至少一个牙轮，该牙轮上的切削齿均布置于环形空白带以外的井底区域。该方案中，刀翼-牙轮复合钻头的固定刀翼上设置环形空白带，且空白带不在牙轮覆盖区域内，这样提高复合钻头在固定刀翼区域的钻进效率且能提高复合钻头的稳定性。

作为选择，钻头上的环形空白带位于钻头四分之一半径径向以外区域。环形空白带的中线在钻头径向覆盖区域的径向位置为L，钻头的半径为R，如图4所示。该方案中，即L≥1/4R，针对不同岩石地层情况和钻井方式，将环形空白带设置于钻头四分之一半径以外的径向区域，可以扩大钻头的使用范围。特别地，可将环形空白带设置在更容易造成钻头切削齿磨损的冠顶和/或冠顶以外的径向区域，以增加该区域内低能耗体积破碎的岩石体积，更大程度地提升钻头工作效果。

作为选择，钻头上的环形空白带宽度W取值范围为R/3≥W≥3mm，R为钻头半径。该方案中，限定环形空白带的宽度W范围能够提高钻头的破岩效率，若环形空白带的宽度过小，由于岩石的脆性特征可能不能形成环形岩脊，若环形空白带的宽度过大，钻头破岩效率降低。

作为选择，钻头上的环形空白带在井底形成的岩脊的高宽比不小于0.5。该方案中，即H/W≥0.5，针对不同岩石性质，限定环形空白带岩脊高宽比，从而提高钻头破岩效率。

作为选择，凹槽侧壁至少有1侧轮廓线与钻头轴线不平行。该方案中，凹槽侧壁的轮廓线与钻头轴线不平行，有益于在凹槽侧壁上设置更多的副切削元件，保证凹槽的切削寿命，从而延长钻头的整体寿命。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

1、钻头在井底工作时，在空白带的凹槽区域形成环形岩脊，岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度显著下降，其所需的破碎能耗都将大幅度降低，节省的能量可用于增强钻头上其它切削齿的破岩效果，从而有利于提高钻头破岩效率。

2、在钻头环形空白区域能实现岩石低功效的体积破碎，形成较大的岩石碎屑，相对于常规金刚石钻头形成较小、较细的岩屑，更能有利于通过岩屑分析获取地层岩性信息，判断地质层位。

3、当外载使钻头有发生横向运动的趋势时，井底上凸起的岩脊能对钻头施加以与其横向运动趋势方向相反的约束或作用力，以抑制钻头的横向移动，从而减小钻头的横向振动，提高钻头的稳定性，有效减少钻头切削齿的冲击和偏磨失效。

4、钻头在钻井中形成多个环形岩脊，与井底的侧向接触面更多，使得钻头的抗漂移控制参数增加，有利于增强钻头抗漂移能力。

附图说明

图1为本发明专利的钻头工作示意图；

图2为本发明专利的钻头结构示意图；

图3为图2俯视图；

图4为凹槽上设置有副切削元件的钻头的工作示意图；

图5凹槽位置在内锥部示意图；

图6凹槽位置在外锥部示意图；

图7为有2个凹槽且具有挤压齿微取心结构的钻头示意图；

图8为有2个凹槽且具有中心锥齿微取心结构的钻头示意图；

图9有2个尺寸不同的凹槽且主切削元件为孕镶刀翼的钻头示意图；

图10为图9钻头的俯视图；

图11为主切削元件为孕镶体的孕镶钻头示意图；

图12为主切削元件为孕镶体、孕镶竖齿孕镶钻头示意图；

图13为主切削元件为孕镶体、孕镶竖齿、孕镶卧齿的孕镶钻头示意图；

图14为具有冲击副切削元件的孕镶钻头示意图；

图15为具有冲击副切削元件钻头示意图；

图16为具有冲击副切削元件且副切削元件不在刀翼上的钻头示意图；

图17为运动副切削元件为牙掌牙轮切削结构的复合钻头示意图；

图18为图17径向覆盖示意图；

图19为运动副切削元件为牙掌牙轮切削结构且其中一个牙轮只覆盖破碎凹槽区域钻头示意图；

图20为19径向覆盖示意图；

图21为牙轮设置刀翼凹槽的钻头示意图

图22为牙轮设置刀翼凹槽的钻头覆盖图

图23为刀翼凹槽在复合钻头靠近内锥的复合钻头示意图

图24为凹槽1侧轮廓线与钻头轴线不平行

图25为刀翼中设置有内镶齿的钻头示意图

图26为刀翼中设置有内置表镶齿的钻头示意图

图27为刀翼中设置有内置表镶齿的单个刀翼示意图

图28为常规金刚石钻头横向运动时与井壁和井底岩石相作用的示意图

图29为本发明钻头横向运动时与井壁和井底岩石相作用的示意图

其中1-钻头本体、2-固定刀翼、21-孕镶刀翼、22-孕镶卧齿、23-孕镶竖齿、24-金刚石颗粒、3-主切削元件、31-固定副切削元件、32-运动副切削元件、33-牙轮切削齿、41-内镶齿、42-内置表镶齿、5钻头本体轮廓线、6-钻头布齿曲面、7-凹槽、8-喷嘴，9-岩石、10-凸起岩脊、11-牙掌、12-牙轮。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

如图1、2、3所示，一种金刚石钻头，包括钻头本体1，以及延伸自钻头本体1的若干个刀翼2，在刀翼2上设置有切削元件3，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带(图1中为5个环形空白带，图2、3中为1个环形空白带，优选至少2个环形空白带，如图7-10中为2个环形空白带)，在环形空白带位置的刀翼2向内凹，形成周向贯通的凹槽7，凹槽7由侧壁和顶部构成。钻头上的多个环形空白带在刀翼2上形成多个凹槽7，优选至少2个凹槽，且其中1个凹槽位于钻头中心，如图7、8所示。作为优选，凹槽7侧壁至少有1侧轮廓线与钻头轴线不平行，如图24所示。

参考图4所示，环形空白带的中线在钻头径向覆盖区域的径向位置为L，钻头的半径为R，环形空白带的高度为H，环形空白带宽度为W。作为优选，钻头上的环形空白带位于钻头四分之一半径径向以外区域，即L≥1/4R。钻头上的环形空白带宽度W取值范围为R/3≥W≥3mm。钻头上的环形空白带岩脊的高(H)宽(W)比不小于0.5，即H/W≥0.5。

刀翼上设置的切削元件可以是PDC切削元件，如图1-8所示，也可以为孕镶切削元件，如图9-14所示。刀翼2上设置的切削元件3可以是如现有技术通常一般，布置于刀翼2前侧的普通PDC齿，例如图1-3，还可以进一步地：刀翼2上设有内镶齿41(相对于刀翼本体轮廓线出露高度小于等于零的切削齿，切削齿除了切削工作平面以外的其它表面(主要是侧面和底部端面)与刀翼体全面接触，并依靠这种接触关系实现切削齿的固结)，作为后备切削齿，如图25所示，与常规钻头相比，轴向可磨损体积增加，能显著增加钻头的使用寿命；或者，刀翼2上设内置表镶齿42(固定于刀翼体上设置的空槽内，并且其齿刃出露于其所在空槽表面的切削齿，空槽设置于刀翼体内，可以为贯通槽，也可为非贯通的盲槽)，作为后备切削齿，如图26、27所示，在增加钻头轴向可磨损体积的同时，使后备齿在切削地层时获得高比压，吃入能力增强；还可以普通PDC齿、内镶齿41和内置表镶齿42的各种组合。

由于环形空白带贯穿了刀翼2以及刀翼2之间的区域，因而第二切削元件(副切削元件)可以位于刀翼2上的凹槽7区域，如图2-4所示，也可以位置刀翼2之间的排屑槽内，如图16、17所示。第二切削元件(副切削元件)位于刀翼2上的凹槽7区域时，如图2-13所示，第二切削元件(副切削元件)优选设置在刀翼凹槽7的侧壁和/或顶部。

第二切削元件可以为固定切削齿(称之为固定副切削元件31)，和/或能与钻头本体1发生相对运动的运动切削元件(称之为运动副切削元件32)，运动副切削元件32上具有一个或多个切削齿,如图9、10所示。

其中固定副切削元件31的切削齿可以为圆形齿、椭圆齿、锥形齿、楔形齿、球形齿等或者多种齿形的组合，如图2、3、5、6、8、9、10所示。固定副切削元件可以是PDC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、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿，或者前述齿的组合。

其中运动副切削元件32可以为能与钻头本体1发生相对滑动的切削元件，如图14、15、16所示，例如，在该运动副切削元件32的上方设置或连接有压力或冲击力发生装置，所产生的冲击力(如由冲锤的惯性产生的冲击力)作用于运动副切削元件32，使得运动副切削元件32能与钻头本体1发生相对滑动。

运动副切削元件32还可以为能与钻头本体1发生相对转动的牙轮12，牙轮12上设置有由若干个牙轮切削齿33构成的齿圈，如图17-23所示。优选牙轮12设置在独立的牙掌11上，如图17-20所示，或优选牙轮12设置在钻头刀翼21上，如图21、22所示。优选至少一个牙轮12上部分或全部齿圈位置一一对应各环形空白带，图19-20中，双齿圈的牙轮12上各齿圈分别与2个环形空白带对应，而三齿圈的牙轮12则与2个环形空白带错开。作为优选，钻头上设置有一个或若干个牙轮12，其中至少1个牙轮12的牙齿覆盖区域包含井底的环形空白带，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分井底环形空白带以外的区域，如图17、18所示。或者，钻头上设置有至少一个牙轮12，该牙轮上的牙轮切削齿33均布置于环形空白带以外的井底区域，如图23所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种金刚石钻头，包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，其特征在于：钻头本体上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的各刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽；钻头本体刀翼的凹槽略宽于环形空白带。

2.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：在环形空白带区域设置有第二切削元件。

3.如权利要求2所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件设置在刀翼凹槽的侧壁和/或顶部。

4.如权利要求2所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件为固定切削齿，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。

5.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：运动切削元件为能与钻头本体发生相对滑动的切削元件。

6.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：运动切削元件为能与钻头本体发生相对转动的牙轮，牙轮上设置有由若干个切削齿构成的齿圈。

7.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有一个或若干个牙轮，其中至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含井底环形空白带，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分井底环形空白带以外的区域。

8.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有至少一个牙轮，该牙轮上的切削齿均布置于环形空白带以外的井底区域。

9.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上的环形空白带位于钻头四分之一半径径向以外区域。

10.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上的环形空白带宽度W取值范围为R/3≥W≥3mm，R为钻头半径。

11.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上的环形空白带在井底形成的岩脊的高宽比不小于0.5。

12.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：刀翼上设置的切削元件为孕镶切削元件。

13.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件的固定切削齿为圆形齿、椭圆齿、锥形齿、楔形齿、球形齿等或者多种齿形的组合。

14.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件的固定切削齿为PDC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。

15.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：凹槽侧壁至少有1侧轮廓线与钻头轴线不平行。