CN108049820A - 一种具有平动刀翼的长寿命pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，涉及一种用于钻井或地下钻孔的钻头，包括钻头体、平动刀翼和平动刀翼支承体，所述平动刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述平动刀翼上设置有切削元件构成平动切削结构，所述平动刀翼具有初始位，以及相对初始位更远离钻头体的预设工作位，所述平动刀翼能够通过远程控制相对所述平动刀翼支承体由初始位经一次平移而运动至预设工作位并锁定。本发明的目的在于在原有切削齿(例如固定刀翼上的切削齿)被磨损后，能够在地面通过远程控制使具有崭新切削齿的平动刀翼切削结构代替已磨损切削结构继续钻进，从而使钻头在井下就能完成切削结构的单次甚至多次更新，实现“不起钻更新钻头”的效果。

Description

一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种用于钻井或地下钻孔的钻头，用于石油天然气、地热、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。

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PDC钻头和牙轮钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，故在钻井工程中得到广泛使用。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。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，称为刀翼或固定刀翼(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。虽然PDC钻头现在已经广泛应用于钻探开发中，PDC钻头的非正常失效如崩齿、聚晶金刚石层脱落、掉片、齿柱冲蚀等造成的钻头先期失效或当钻遇硬地层时，PDC钻头的鼻部、肩部上及外三分之一半径上的切削齿磨损加剧，从而大大缩短了钻头的寿命，增加起下钻的次数。在深井、超深井中，频繁起下钻将会耗费大量的时间，增加钻井成本。

现有技术中的长寿命PDC钻头，大多是在常规PDC钻头切削齿的基础上增加多排齿(内镶齿等方式)，当第一排切削齿的出露高度被磨损殆尽后，第二排切削齿才陆续出露参与切削岩石的工作。显然，当第一排切削齿出露高度为零后，不论新齿是否出露，刀翼本体始终都将会同PDC齿一同参与切削，这将大大减小钻头上局部区域的切削齿比压，削弱了钻头对岩石的吃入能力。现有技术中对延长PDC钻头寿命的手段虽然在一定程度上使钻头更耐用，但同时也使其钻进效率受到了严重影响，并未实现寿命与效率兼顾的效果。

此外，在PDC钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面(亦简称为轴面)，钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿(或若干指定刀翼上的所有主切削齿)的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图(或若干指定刀翼的轴面布齿图)。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的径向覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线(也即钻头的冠部轮廓线)。另外，若仅将某个指定刀翼上的切削齿表示出来，而将其它刀翼上的切削齿隐去，就形成了该刀翼的轴面布齿图。在刀翼的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼的切削轮廓线。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，即为刀翼轮廓线。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的(临近规径面的区域除外)，所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异，因此通常情况下，若要使不同刀翼的切削轮廓线相互匹配、适应，则需要将不同的刀翼轮廓线设计为完全或基本相同的形状，再加上出露高度是相同或相近的布齿方式即可实现。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，在原有切削齿(例如固定刀翼上的切削齿)被磨损后，能够在地面通过远程控制使具有崭新切削齿的平动刀翼切削结构代替已磨损切削结构继续钻进，从而使钻头在井下就能完成切削结构的单次甚至多次更新，实现“不起钻更新钻头”的效果，在显著提升钻头使用寿命的同时，保持钻头上的切削元件以更新后的高比压状态切削岩石，从而在保证钻进效率的情况下减少起下钻次数，大幅缩短钻井周期、节约钻井成本，特别是在深井、超深井作业中，其带来的经济效益将更加显著。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，包括钻头体、平动刀翼和平动刀翼支承体，所述平动刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述平动刀翼上设置有切削元件构成平动切削结构，所述平动刀翼具有初始位，以及相对初始位更远离钻头体(即更靠近井底切削工作面)的预设工作位，所述平动刀翼能够通过远程控制相对所述平动刀翼支承体由初始位经一次平移而运动至预设工作位并锁定。

在工作原理上，本发明中具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，与常规固定刀翼钻头的不同之处在于：常规固定刀翼钻头在井下工作一段时间后，刀翼上的切削齿会不可避免发生磨损。此时，钻头钻速发生明显下降，即使继续增大钻压，钻速也不会发生明显变化。这个时候，需要进行起钻操作，对钻头进行更换，而对于深井和超深井来说，一次起下钻耗费时间和经济成本很高。而本发明中，平动刀翼在钻头的初始工作阶段可不参与破岩，在固定刀翼上的切削齿磨损达到一定程度后，通过地面远程控制，使具有崭新切削齿的平动刀翼切削结构伸展出崭新、完整的切削结构继续破岩，实现在不起钻的情况下，在井下直接将钻头上已经发生磨损的切削齿更换为新的切削齿。整个过程只需花少量时间来完成刀翼的替换，而不需重新更换钻头，节约了大量时间，利于提高整体效率。

本发明中，所述平动刀翼初始位的定义为：钻头在下井之前(或者开始切削钻井作业之前)平动刀翼所处的位置。钻头进入井下进行切削钻井作业以后，平动刀翼在初始位时不一定参与切削钻井作业，且通常在有固定切削结构或其他复合切削结构时都不参与切削钻井作业。所述平动刀翼预设工作位(以下简称“工作位”)的定义为：当平动刀翼相对刀翼支承体平移至某一位置时，若其上所设置的全部切削元件在该位置完全符合钻头设计阶段对该部分切削元件正常工作的要求(如切削元件出露高度、切削轮廓匹配性等)，则称此位置为该平动刀翼的工作位。在新钻头下井之前由设计和工程技术人员预先调试好的平动刀翼目标工作位称为“预设工作位”。在井下需要将钻头上已经发生磨损的切削元件更换为平动刀翼上新的切削齿的时候，本发明的平动刀翼由初始位一次平移至预设工作位并锁定，此时已处于预设工作位的平动刀翼的切削元件开始进行切削钻井作业。

本发明中，所述切削元件为安装在钻头与井底岩石相接触或相作用的部位并以刮切、犁削、压碎、冲击、磨削的形式直接破碎岩石的基本元件，通常称为切削齿或牙齿，包括聚晶金刚石复合片、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以及包含硬质合金和其他超硬材料的切削齿；所述刀翼为延伸自/固结于/安装在钻头体且其上布置有切削元件使其能够以刮切、犁削的形式破碎岩石的钻头结构，相邻刀翼之间的沟槽为钻头的外流道。本发明中的刀翼结构包括固定刀翼和平动刀翼两种，其中，固定刀翼即为延伸自/固结于钻头体上的刀翼；所述的平动刀翼即为通过特定方式安装在钻头体上的刀翼，该平动刀翼并不直接延伸自或固结于钻头体，而是在工作过程中平移至其工作位时才通过限位、锁定机构固定，使其上切削元件相对于钻头体固定并承担破碎岩石的任务，平动刀翼在固定后的作用与固定刀翼相同。

作为选择，所述平动刀翼支承体和平动刀翼上设置有相互匹配的移动副，所述平动刀翼通过移动副安装在平动刀翼支承体上。

作为进一步选择，所述移动副由平动刀翼上的燕尾轨道和刀翼支承体上相匹配的燕尾槽构成。其中平动刀翼和刀翼支承体上可以只设置一组移动副，也可以设置多组移动副。

上述方案中，将移动副设计为燕尾槽和对应燕尾轨道的匹配结构，不仅能通过简单的结构实现刀翼的平移运动，也能利用燕尾槽对平动刀翼可能存在的(沿钻头)周向的活动进行限制，避免平动刀翼因松动而导致其上切削元件受到额外的冲击而导致损坏。

作为选择，所述钻头体和/或平动刀翼支承体内部设置有必须的触发装置和可选的传动装置，所述触发装置受外部作用触发后直接驱动所述平动刀翼平移至预设工作位；或者触发装置启动所述传动装置，所述传动装置驱动所述平动刀翼平移至预设工作位。

上述方案中，由于触发装置和传动装置结构的多样性，平动刀翼的驱动可以直接受触发装置驱动，也可经由传动装置驱动，从而使本发明在实际实施过程中具有更多选择性。

作为进一步选择，还包括限位和锁定机构，所述限位和锁定机构设于传动装置、平动刀翼支承体和平动刀翼中的一个或多个上，所述平动刀翼平移到预设工作位后，在所述限位和锁定机构的作用下停止继续运动并约束固定。

上述方案中，通过设置限位机构，可使触发或传动装置在指定位置停止行动，避免平动刀翼错过预设工作位；另一方面，由于井底工况通常较为恶劣，刀翼本身需要承受大扭矩、大钻压，仅有限位机构并不足以使平动刀翼在工作过程中固定不动，因此通过设置锁定机构可进一步为平动刀翼提供足够的支撑强度，使其能够在大扭矩、大钻压的情况下正常工作。

本发明中，可以通过在钻头体和/或平动刀翼支承体(以下简称刀翼支承体)内部设置触发装置和传动装置，可在地面通过远程控制使具有崭新切削齿的平动刀翼切削结构(平动刀翼及其上切削齿)移动到其预设工作位，并通过限位和锁定机构使新的切削结构固定在新的工作位，代替已失效或低效的固定刀翼切削齿参与切削岩石，从而使钻头在井下完成切削结构的单次甚至多次更新。

上述触发装置即产生使其后的装置(传动装置或直接是平动刀翼)受到力和/或运动的一种机构；上述传动装置即将触发装置所产生的力和/或运动通过一定方式传递给平动刀翼并使平动刀翼发生平移的一种机构；限位和锁定机构可以分别由独立的限位机构和锁定机构来实现，也可以由一个机构同时实现限位机构和锁定机构的作用，其中限位机构是当平动刀翼转至某一工作位后，对触发、传动装置或平动刀翼进行位置限定而不继续运动的机构；锁定机构是在限位机构对平动刀翼进行位置限定的同时或之后，锁定平动刀翼并为其提供足够的紧固力的机构，该紧固力用于避免平动刀翼因岩层反作用力而发生退让、松动的趋势。对于触发装置—传动装置—平动刀翼这个系统而言，限位机构与锁定机构同样都是为了限制运动，但二者之间存在实质性的区别，其区别在于：限位机构主要用于抵抗触发机构产生的力和/或运动，通常对机构本身强度要求不高，能起到限定位置的作用即可；而锁定机构则用于抵抗钻头因大扭矩、大钻压而产生的使平动刀翼脱离工作位趋势的力，通常对机构强度要求很高。限位机构通常与锁定机构匹配使用，但若限位机构的强度能达到锁定平动刀翼的要求，则可将限位机构和锁定机构合而为同一机构，这种情况下，该机构可称为限位机构，也可称为锁定机构，视实际情况而定。

所述触发装置包括机械触发、电动触发、气动或液动触发，所述传动装置包括齿轮、齿轮齿条、链条链轮、皮带带轮、连杆机构、液力传动。

作为另一进一步选择，所述触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于传动装置和钻头体之间的剪断销钉。

上述方案中，憋压球的作用在于堵住钻井液，利用短时间的液体高压提供触发力；剪断销钉则需要针对所提供的液体压力设计尺寸，从而使触发装置仅在确实受到憋压作用时才能启动，避免意外出现的液体压力升高触发平动刀翼移动。

作为另一进一步选择，所述传动装置为推杆机构，推杆机构包括由触发装置驱动在钻头体内向下滑动的滑套，以及连接滑套并带动平动刀翼运动的推杆，滑套上设有卸压孔；或者，所述传动装置为推杆-液力传动机构，其中推杆机构包括由触发装置驱动在钻头体内向下滑动的滑套，以及连接滑套和液压机构的推杆，液压机构包括液压管线和液压缸，液压管线连通推杆和液压缸，并由液压缸推动平动刀翼运动。

上述方案中，传动装置为推杆和液压缸的组合使用，这样的结构优势在于结构本身机械零件少，能直接有效地将力和运动传输至平动刀翼。

作为进一步选择，所述限位和锁定机构包括活动块、锁定块、推力面、锁定面、导向销和弹簧，刀翼支承体上设有安装槽，活动块通过导向销嵌于安装槽内，并能相对安装槽伸出或回缩，平动刀翼上对应活动块设有一平台结构，且在活动块伸出至安装槽外时被活动块限位而不能继续运动；导向销上设有弹性机构，弹性机构对活动块持续施加使其伸出的推力，活动块上具有一朝安装槽外的锁定块，对应在平动刀翼上具有与锁定块匹配的锁定槽，锁定块上设有用以平动刀翼相对锁定块平移并对其施加回缩推力的推力面，以及用以锁定平动刀翼使其不能回退的锁定面。

作为选择，还包括固定刀翼，所述固定刀翼延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述固定刀翼上设置有切削元件构成固定切削结构，所述固定刀翼相对平动刀翼支承体独立或合二为一。

上述方案中，平动刀翼支承体可以是独立的支承体(支承体上可进一步布置切削元件形成切削结构)，也可以是现有技术中的固定刀翼，从而在有限的钻头空间内形成更丰富的切削结构，不仅加强了本专利技术与现有钻头技术的结合，也在有限的空间内实现了不同切削结构的有机结合。

作为选择，所述平动刀翼在其预设工作位上的切削轮廓与钻头上固定切削结构的切削轮廓形状一致。

本发明中，与常规固定刀翼切削轮廓线和本体轮廓线的定义类似，若仅将某个平动刀翼上的切削齿表示出来，就形成了该平动刀翼的轴面布齿图。在平动刀翼的轴面布齿图中，作一条与各切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该平动刀翼的切削轮廓线(切削轮廓)；若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一平动刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为平动刀翼的本体轮廓线，即平动刀翼轮廓线。与常规固定刀翼不同的是：平动刀翼轮廓线和平动刀翼切削轮廓线在其初始位和工作位上时位置是不同的：在平动刀翼的初始位，其(本体)轮廓线和切削轮廓线均低于(沿钻头钻进方向)同一钻头上的常规固定刀翼，而在平动刀翼的工作位上时，其轮廓线和切削轮廓线则会随着平动刀翼本身的平移而移动至于常规固定刀翼相匹配、适应的位置。

上述方案中，将平动刀翼与固定刀翼在共同工作区域的切削轮廓线相匹配，可使平动刀翼能在现有钻头技术的基础上对固定刀翼进行补充，以更新后的切削元件分担破岩负荷，避免固定刀翼因部分切削元件失效而进一步产生环切、掏心等现象。

作为选择，所述钻头体上设置至少一个所述平动刀翼，且至少有一个所述平动刀翼在其预设工作位上能覆盖钻头的外2/3半径区域。

作为选择，所述钻头体上设置有至少两个所述平动刀翼，至少两个所述平动刀翼位于不同平动刀翼支承体，且位于不同平动刀翼支承体的两个平动刀翼同时工作时可覆盖钻头的全部或大部区域(即至少覆盖钻头的外2/3半径区域)。

上述两个方案中，将平动刀翼的覆盖区域扩大至钻头的外2/3半径区域甚至整个钻头半径区域可使钻头在整个半径区域的切削元件均能得到更新，而不会出现局部区域因切削元件失效导致的钻头环切、掏心等进一步的损坏，从而全方位延长钻头的使用周期。

作为选择，所述平动刀翼上的切削元件具有前倾角以及侧转角。

上述两方案中，根据不同的钻头结构设计切削元件的前倾角、侧转角，可通过角度控制优化切削结构，从而最大化提升钻头性能。

作为选择，所述同一平动刀翼支承体上设置有至少两个平动刀翼，且同一平动刀翼支承体上的不同平动刀翼不同时平移至各自预设工作位。

上述方案中，通过在同一支承体上设置多个平动刀翼，可使钻头在不同阶段多次自主更新切削结构(刀翼及其上的切削元件)，从而大幅甚至成倍地延长钻头寿命。

作为选择，具有平动刀翼的钻头上还设置有在钻岩过程中可相对于钻头体转动或滑动的运动破岩结构，所述运动切削结构包括可相对于钻头体转动的盘刀或牙轮，以及可相对于钻头体滑移运动的冲头，盘刀、牙轮及冲头上均设置有切削元件。

上述方案中，通过将本发明中的平动刀翼与现有钻头技术中已有的牙轮、盘刀、冲头等可相对于钻头体运动的破岩结构进行综合，在合理的设计基础上，不仅能够利用牙轮、盘刀和冲头的破岩特点对平动刀翼进行补充，提升钻头破岩效率，也能利用平动自主更新切削元件的特点分担上述运动破岩结构的工作载荷，延长各破岩结构的寿命。

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：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明中长寿命PDC钻头的平动刀翼可在当前切削齿失效的情况下，通过地面远程控制使平动刀翼主动平动，让新工作位上的切削齿替换掉已失效的切削齿继续破岩，即在井底实现钻头的自更新，成倍地延长钻头寿命，从而减少起下钻更换钻头的次数，进而显著提升钻井效率。

(2)平动刀翼通过自身平移使钻头实现切削齿自更新，因此在部分切削齿磨损而钻进效率显著降低时，通过用“新齿”替换“旧齿”，使钻头相应部位的切削齿重新实现以高比压状态破岩的效果，从而在大幅延长钻头寿命的前提下，保证了钻头的破岩效率。

(3)本发明中平动刀翼在工作状态时相对钻头本体处于固定的状态，虽然有活动部件，但每个平动刀翼仅限一次平移即达到预定工作位进行固定，因此仅对移动副及相关锁定机构有强度方面的要求(承受钻压、扭矩)，而对密封性能等无过高要求，不易失效，可靠性高。

附图说明

图1为本发明中钻头的结构示意图；

图2为图1所示钻头的俯视图；

图3为本发明实施例3中钻头的工作过程示意图；

图4为图3中所示钻头的A-A剖视图，同时也是本发明实施例9的结构示意图；

图5为本发明实施例9中刀翼支承体的结构示意图；

图6为本发明实施例9中平动刀翼的结构示意图；

图7为图3中所示钻头的A-A剖视图，同时也是本发明实施例10的结构示意图；

图8为本发明实施例10中刀翼支承体的结构示意图；

图9为本发明实施例10中平动刀翼的结构示意图；

图10为本发明实施例6中的推杆机构示意图；

图11为本发明实施例8中的锁定机构示意图；

图12为本发明实施例8中的锁定机构工作过程示意图；

图13为本发明实施例7中钻头的工作过程示意图；

图14为本发明实施例7中的推杆机构示意图；

图15本发明实施例7中的平动刀翼A-A剖视图；

图16本发明实施例7中的平动刀翼B-B剖视图；

图17为本发明实施例7中的锁定机构工作过程示意图；

图18为本发明实施例2中钻头的井底覆盖图；

图19为本发明实施例4中平动刀翼的工作过程示意图。

图20为本发明实施例11中同时设置有固定刀翼、平动刀翼和牙轮的钻头井底覆盖图。

图21为本发明实施例11中同时设置有固定刀翼、平动刀翼和冲头的钻头井底覆盖图。

图22为本发明实施例11中同时设置有固定刀翼、平动刀翼和盘刀的钻头井底覆盖图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

基本实施例1

如图1、图2所示，一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，包括钻头体1、平动刀翼3和平动刀翼支承体2，所述平动刀翼支承体2延伸自钻头体1或固定在钻头体1上，所述平动刀翼3上设置有切削元件31构成平动切削结构。钻头体1上可以仅设置平动刀翼3和平动刀翼支承体2，还可以进一步包括固定刀翼4，当设置固定刀翼4时，所述固定刀翼4延伸自钻头体1或固定在钻头体1上，所述固定刀翼4上设置有固定刀翼切削元件41构成固定切削结构，所述固定刀翼4既可以相对平动刀翼支承体2独立，也可以两者合二为一。例如本实施例所示，钻头包括钻头体1、平动刀翼3、平动刀翼支承体2、固定刀翼4，所述平动刀翼支承体2为固定在钻头体1上的固定刀翼4，所述平动刀翼3上设置有切削元件31构成平动切削结构，所述平动刀翼3具有初始位，以及相对初始位更远离钻头体1(即更靠近井底切削工作面)的预设工作位，所述平动刀翼3能够通过远程控制相对所述平动刀翼支承体2由初始位经一次平移而运动至预设工作位并锁定。

作为优选，参考图4-9所示，所述平动刀翼支承体2和平动刀翼3上设置有相互匹配的移动副，所述平动刀翼3通过移动副安装在平动刀翼支承体2上。例如，平动刀翼3上设置有燕尾轨道32，所述平动刀翼支承体2上设置有与燕尾轨道32相匹配的滑槽22，燕尾轨道32和滑槽22共同构成平动刀翼移动副。

作为优选，参考图3、13所示，地面远程控制平动刀翼3相对所述平动刀翼支承体2平移可以通过在钻头体1和/或平动刀翼支承体2内部设置触发装置和传动装置来实现，通过该方式可在地面远程控制平动刀翼3，使平动刀翼3沿滑槽22平移到预设工作位，并通过限位和锁定机构使新的切削结构(平动刀翼3)固定在工作位上参与破岩工作。图中标号41的为固定刀翼切削齿。

优选实施例2

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图18所示，所述钻头体1上同时具有常规固定刀翼4和平动刀翼3，且平动刀翼3在其工作位上的切削轮廓与钻头体1上固定刀翼4的固定切削结构的切削轮廓形状一致。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图，标号41a的为固定刀翼切削齿41在钻头轴面内的投影，标号31a的为平动刀翼切削齿31在钻头轴面内的投影。

优选实施例3

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图3所示，所述钻头上同时具有常规固定刀翼4和平动刀翼3，且平动刀翼3的平移方向平行于钻头轴线。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图。

优选实施例4

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图19所示，所述钻头上同时具有常规固定刀翼4和平动刀翼3，每个平动刀翼支承体2上均设置有两个平动刀翼3，且同一平动刀翼支承体2上的不同平动刀翼3分两个阶段先后平移至各自预设工作位，当固定刀翼4上的切削齿磨损至一定程度时，通过地面操作触发驱动固定刀翼4后的第一个平动刀翼3平移至其工作位，当第一个平动刀翼3上的切削齿又磨损至一定程度时，继续通过地面操作触发驱动固定刀翼4后的第二个平动刀翼3平移至其工作位，达到在井下对钻头进行多次更新的效果。图19所示为同一支承体上两个平动刀翼分阶段先后平移至工作位上的过程示意图，其中，图19(a)为固定刀翼切削齿尚未严重磨损时，第一、第二平动刀翼处于待平移状态；图19(b)为固定刀翼切削齿严重磨损后，第一平动刀翼受触发平移至工作位的状态；图19(b)为第一平动刀翼切削齿也严重磨损后，第二平动刀翼受触发平移至工作位的状态。

优选实施例5

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述触发装置由地面投入的憋压球8和剪断销钉61构成。如图3、13所示，为本发明具体实施方式中的工作过程示意图。推杆5上部和钻头本体内部分别开设销钉孔用于放置剪断销钉61，当投入的憋压球8堵住钻井液通道之后，液体压力将逐渐增大至销钉抗剪极限，使销钉剪断并推动推杆5向钻头前端移动，并最终将运动传递给平动刀翼3。

优选实施例6

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述传动装置为推杆机构。如图3、图10、图12所示，推杆机构5包括推杆51、滑套52、卸压孔53和连接销钉孔512。其中，推杆滑套52与钻头体1内设的圆柱孔相匹配，滑套52上部用于匹配落入的憋压球8，滑套52下部与推杆51固连，推杆下端开设有用于放置连接销钉62(如图3)的销钉孔512，连接销钉62与平动刀翼3相连接。当运动经触发装置触发后，推杆机构5受压力向钻头前端运动，并通过推杆51和其上的连接销钉62(如图12)将力和运动转导至平动刀翼，当平动刀翼移动至指定位置后，高压钻井液通过卸压孔53流出，并通过钻头体内的水力结构流动至钻头喷嘴。

优选实施例7

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述传动装置为推杆-液力传动机构。如图13至图17所示，推杆机构5包括滑套52和推杆51，液压机构13包括液压管线132和液压缸131。其中，推杆滑套52与钻头体1内设的圆柱孔相匹配，滑套52上部用于匹配落入的小球，滑套52下部与推杆51固连，推杆下端与液压管线132匹配，用于推动液压油。当运动经触发装置触发后，推杆机构5受压力向钻头前端运动，并通过推杆51和液压机构13将机械运动转化为液力传输至液压缸131，从而将平动刀翼3向前推动。

优选实施例8

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述限位和锁定机构作用于平动刀翼进行锁定，限位和锁定机构为单向机械式锁定(同时也是限位机构)。如图11、图12所示，所述限位和锁定机构7包括活动块70、锁定块71、推力面72、锁定面75、导向销73和弹簧74，刀翼支承体2上设有安装槽76，活动块70通过导向销73嵌于安装槽76内，并能相对安装槽76伸出或回缩，平动刀翼3上对应活动块70设有一平台结构77，且在活动块70伸出至安装槽76外时被活动块70限位而不能继续运动；导向销73上设有弹簧74，弹簧74对活动块70持续施加使其伸出的推力，活动块70上具有一朝安装槽76外的锁定块71，对应在平动刀翼3上具有与锁定块71匹配的锁定槽78，锁定块71上设有用以平动刀翼3相对锁定块71平移并对其施加回缩推力的推力面72，以及用以锁定平动刀翼3使其不能回退的锁定面75。其中，限位和锁定机构7整体通过导向销73嵌于刀翼支承体2内，如图12。当平动刀翼3向钻头前端移动时，推力面72受力使锁定块71向刀翼支承体2内缩进，直至平动刀翼3移动到预设工作位后，锁定块71受弹簧74推力作用推入平动刀翼3内匹配的锁定槽78内，使平动刀翼3得到锁定，并使其能够承受钻压作用。图11(a)、图11(b)分别为本方案中锁定机构的主视图和俯视图。

优选实施例9

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图4至图6所示，所述移动副由平动刀翼上的燕尾轨道32和刀翼支承体上相匹配的燕尾槽的滑槽22构成。其中平动刀翼3和刀翼支承体2上只设置一组移动副。

优选实施例10

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图7至图9所示，所述移动副由平动刀翼上的燕尾轨道32和刀翼支承体上相匹配的燕尾槽的滑槽22构成。其中平动刀翼3和刀翼支承体2上设置多组移动副。

优选实施例11：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述具有平动刀翼的钻头上还设置有在钻岩过程中可相对于钻头体转动的牙轮和/或盘刀和/或冲头。如图20所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、平动刀翼和牙轮情况下的钻头俯视图，其中标号91的部件为牙轮，标号911的部件为牙轮齿；如图21所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、平动刀翼和冲头情况下的钻头俯视图，其中标号92的部件为牙轮，标号921的部件为冲齿；如图22所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、平动刀翼和盘刀情况下的钻头俯视图，其中标号93的部件为盘刀，标号931的部件为盘刀齿。

上述方案中，通过将本发明中的平动刀翼与现有钻头技术中已有的牙轮、盘刀、冲头等可相对于钻头体运动的破岩结构进行综合，在合理的设计基础上，不仅能够利用牙轮、盘刀和冲头的破岩特点对平动刀翼进行补充，提升钻头破岩效率，也能利用平动刀翼自主更新的切削元件分担上述运动破岩结构的工作载荷，延长各破岩结构的寿命。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。比如，实施例9或10与其他实施例的任意组合；比如实施例5、6和8的组合，以及进一步与其他实施例的自由组合；比如实施例5、7和8的组合，以及进一步与其他实施例的自由组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

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 (12)

1.一种具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：包括钻头体、平动刀翼和平动刀翼支承体，所述平动刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述平动刀翼上设置有切削元件构成平动切削结构，所述平动刀翼具有初始位，以及相对初始位更远离钻头体的预设工作位，所述平动刀翼能够通过远程控制相对所述平动刀翼支承体由初始位经一次平移而运动至预设工作位并锁定。

2.如权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述平动刀翼支承体和平动刀翼上设置有相互匹配的移动副，所述平动刀翼通过移动副安装在平动刀翼支承体上。

3.如权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头体和/或平动刀翼支承体内部设置有必须的触发装置和可选的传动装置，所述触发装置受外部作用触发后直接驱动所述平动刀翼平移至预设工作位；或者触发装置启动所述传动装置，所述传动装置驱动所述平动刀翼平移至预设工作位。

4.如权利要求3所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：还包括限位和锁定机构，所述限位和锁定机构设于传动装置、平动刀翼支承体和平动刀翼中的一个或多个上，所述平动刀翼平移到预设工作位后，在所述限位和锁定机构的作用下停止继续运动并约束固定。

5.如权利要求3所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于传动装置和钻头体之间的剪断销钉。

6.如权利要求3所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述传动装置为推杆机构，推杆机构包括由触发装置驱动在钻头体内向下滑动的滑套，以及连接滑套并带动平动刀翼运动的推杆，滑套上设有卸压孔；或者，所述传动装置为推杆-液力传动机构，其中推杆机构包括由触发装置驱动在钻头体内向下滑动的滑套，以及连接滑套和液压机构的推杆，液压机构包括液压管线和液压缸，液压管线连通推杆和液压缸，并由液压缸推动平动刀翼运动。

7.如权利要求4所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述限位和锁定机构包括活动块、锁定块、推力面、锁定面、导向销和弹簧，刀翼支承体上设有安装槽，活动块通过导向销嵌于安装槽内，并能相对安装槽伸出或回缩，平动刀翼上对应活动块设有一平台结构，且在活动块伸出至安装槽外时被活动块限位而不能继续运动；导向销上设有弹性机构，弹性机构对活动块持续施加使其伸出的推力，活动块上具有一朝安装槽外的锁定块，对应在平动刀翼上具有与锁定块匹配的锁定槽，锁定块上设有用以平动刀翼相对锁定块平移并对其施加回缩推力的推力面，以及用以锁定平动刀翼使其不能回退的锁定面。

8.如权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：还包括固定刀翼，所述固定刀翼延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述固定刀翼上设置有切削元件构成固定切削结构，所述固定刀翼相对平动刀翼支承体独立或合二为一。

9.根据权利要求8所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述平动刀翼在其预设工作位上的切削轮廓与钻头上固定切削结构的切削轮廓形状一致。

10.根据权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头体上设置至少一个所述平动刀翼，且至少有一个所述平动刀翼在其预设工作位上能覆盖钻头的外2/3半径区域。

11.根据权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头体上设置有至少两个所述平动刀翼，至少两个所述平动刀翼位于不同平动刀翼支承体，且位于不同平动刀翼支承体的两个平动刀翼同时工作时可覆盖钻头的全部或大部径向区域。

12.根据权利要求1所述的具有平动刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述同一平动刀翼支承体上设置有至少两个平动刀翼，且同一平动刀翼支承体上的不同平动刀翼不同时平移至各自预设工作位。