CN108086916B - 一种具有转位刀翼的长寿命pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，涉及一种用于钻井或地下钻孔的钻头，包括钻头体、转位刀翼和转位刀翼支承体，所述转位刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述转位刀翼上设置有切削元件构成转位切削结构，所述转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。本发明在初始切削齿被磨损后能够在地面通过远程控制使新的切削齿代替已磨损切削齿继续钻进，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

一种具有转位刀翼的长寿命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。

中国专利“一种以切削方式破岩的轮式钻头”（专利号：CN101886522A）公开了一种以切削方式破岩的轮式钻头，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了转轮上（即本申请所称的盘刀），轮式钻头的切削齿交替工作，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。中国专利“一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头”（专利号：CN201310047803.8）中将盘刀与固定翼结合，提出了一种刀翼上具有可旋转盘刀结构的钻头，能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。

在包括上述专利技术的现有技术中，盘刀在工作时均为随钻头的旋转被动地旋转，盘刀上的切削齿可交替地参与切削，由此会出现两个问题：首先，盘刀的旋转需要设置轴承结构，而轴承工作过程中必然需要润滑，相应地就需要密封和储油给油系统，但井下工作环境十分恶劣，轴承系统极易失效，因此对轴承的润滑、密封要求非常高；第二，由于盘刀旋转，盘刀上即将参与切削的PDC齿会从侧面与岩石发生冲击，而冲击对PDC复合片的工作寿命是极为不利的。另一方面，对于现有技术中的长寿命钻头，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，钻进效率受到严重影响。

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：提出一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，在初始切削齿被磨损后能够在地面通过远程控制使新的切削齿代替已磨损切削齿继续钻进，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：

一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，包括钻头体、转位刀翼和转位刀翼支承体，所述转位刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述转位刀翼上设置有切削元件构成转位切削结构，所述刀翼支承体或转位刀翼上设置有转位轴，所述转位刀翼通过转位轴安装在所述钻头体和/或所述转位刀翼支承体上，所述转位刀翼具有初始工作位，以及相对初始工作位绕转位轴中心自转一定角度后的至少一个预设工作位，所述转位刀翼能够通过远程控制相对所述平动刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。

在工作原理上，本发明中具有转位刀翼的长寿命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，具有转位刀翼的钻头可以实现在不起钻的情况下，通过转位刀翼的转动，在井下直接将钻头上已经发生磨损的切削齿转动到非工作位置，而使新的切削齿进入工作位置，从而完成钻头在井下的更新。整个过程只需花一段时间来完成转位刀翼旋转，而不需起钻更换钻头，节约了大量时间，利于提高钻井效率。

此外，设置有转位刀翼的长寿命PDC钻头，与常规轮式钻头或者轮式复合钻头的不同之处在于：轮式钻头的旋转刀翼有活动件轴承，易发生轴承失效而引起钻头失效。转位刀翼工作时有一定的冲击振动，可能造成PDC齿的崩裂。而本发明中，转位刀翼工作时是固定状态即没有活动轴承，能有效避免因活动轴承失效而造成的钻头整体破坏。

本发明中，上述转位刀翼工作位（以下简称“工作位”）的定义为：当转位刀翼绕转位轴（设置在刀翼支承体或转位刀翼上）转动至某一角度时，若其上所设置的部分切削元件在该位置完全符合钻头设计阶段对该部分切削齿正常工作的要求（如切削齿出露高度、切削轮廓匹配性等），则称此旋转角度为该转位刀翼的一个工作位。在新钻头下井之前由设计和工程技术人员预先调试好的转位刀翼工作位称为“初始工作位”，并将转位刀翼初始工作位时工作的切削齿称为“转位刀翼初始切削齿”（以下或称“初始切削齿”）。当转位刀翼上的部分初始切削齿因磨损、脆崩等而失效，进而导致钻头整体钻进效率低下时，通过人为在地面进行干预、控制，触发井底钻头内部设置的传动机构，进而驱动转位刀翼旋转一定角度，使失效的切削齿退出切削区域，同时使新的一组切削齿转动到相同位置以替换失效的切削齿。在该过程中，转位刀翼所转动的角度称为该转位刀翼的预设工作位（默认初始工作位为0°）。若同一转位刀翼上设置有多组切削齿可供替换（包含初始工作位切削齿在内），则依次将对应转动角度称为第一（初始）、第二（预设）工作位等，相应的切削齿则依次称为第一（初始）、第二组切削齿等。以下发明内容中，若未作明确区分，则所述工作位包括初始工作位和预设工作位。

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；所述刀翼的为延伸自/固结于/安装在钻头体且其上按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。本发明中的刀翼包括固定刀翼和转位刀翼两种，其中，固定刀翼与常规刀翼式金刚石钻头相同或相似，即为延伸自/固结于钻头体上的刀翼；所述的转位刀翼即为通过特定方式安装在钻头体上的刀翼，该转位刀翼并不直接延伸自或固结于钻头体，而是在工作过程中转动至其工作位时才通过限位、锁定机构固定，使位于相应工作位的切削元件相对于钻头体固定并承担破碎岩石的任务，转位刀翼在其工作位固定后其作用与固定刀翼相同。

作为选择，所述钻头体和/或转位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转位刀翼自转至预设工作位；或者触发装置启动所述传动装置，所述传动装置驱动所述转位刀翼自转至预设工作位。

上述方案中，由于触发装置和传动装置结构的多样性，转位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、转位刀翼支承体和转位刀翼中的一个或多个上，所述转位刀翼自转到预设工作位后，在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定，直至触发装置的再次触发而自转至下一预设工作位并重新在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定。

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，避免转位刀翼的转动错过预设工作位；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转位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转位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/或转位刀翼支承体内部设置触发装置和传动装置，可在地面远程控制转位刀翼的转位轴，使转位刀翼上的部分切削齿磨损后转动到新的转位刀翼工作位，并通过限位和锁定机构使新的切削齿固定在新的工作位，代替已失效或低效的初始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（传动装置或直接是转位刀翼）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转位刀翼并使转位刀翼发生转动的一种机构；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，其中限位机构是当转位刀翼转至某一工作位后，对触发、传动装置或转位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转位刀翼进行位置限定的同时或之后，锁定转位刀翼并为其提供足够的紧固力的机构，该紧固力用于避免转位刀翼因岩层反作用力而发生转动的趋势。对于触发装置—传动装置—转位刀翼这个系统而言，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、大钻压而产生的使转位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转位刀翼的要求，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，触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于钻头体和传动装置或转位刀翼之间的单级或多级单向式触发机构，单级单向式触发机构仅具有一层内、外滑套，多级单向式触发机构包括设于钻头体内钻井液流道内的至少两层内外嵌套的内、外滑套；内、外滑套顶面用以承接憋压球，最内层的內滑套用以驱动传动装置或转位刀翼；各层內滑套能够在其外层外滑套内腔上下滑动，最外层外滑套能够在钻井液流道内腔上下滑动，各层内、外滑套之间，以及最外层外滑套与钻井液流道内壁之间均设有剪断销钉；各层内、外滑套腰部均设有连通内腔内外的通孔，且各层內滑套在通孔上方设有限位孔，其外层外滑套在通孔下方对应设有限位销钉，限位销钉由弹性机构持续施加用以将其推入限位孔内的外推力。

作为另一进一步选择，触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于钻头体和传动装置或转位刀翼之间的往复式触发机构，往复式触发机构包括滑套、弹性机构和卡块，滑套设于钻头体内钻井液流道内并能在钻井液流道内腔限制区域内上下滑动，滑套在上下滑动中由弹性机构持续施加上滑推力；滑套腰部同一高度线上有沿周向设有若干个活动的卡块，卡块能相对滑套沿径向来回移动，卡块顶面用以承接憋压球；相对滑套上滑至最顶部位置时，钻井液流道内腔在卡块下方的具有一段内径扩大区域，当卡块随同滑套下滑至该区域时将在憋压球作用下外退至该区域内并释放憋压球；卡块顶面具有倾斜的推力面，该推力面用以在弹性机构对滑套施加上滑推力时，卡块随同滑套上滑的同时回缩至初始状态。

作为另一进一步选择，所述传动装置是包含齿轮齿条的齿轮传动机构，或者是齿轮齿条机构与链传动机构和/或带传动机构结合而成的复合传动机构，齿轮传动机构包括齿条和齿轮组，齿轮组包括一个或多个齿轮，所述传动装置中的齿条由触发装置推动向下运动，齿条与一个齿轮啮合并驱动齿轮组中的其它齿轮，或驱动链传动机构和/或带传动机构，最终带动转位刀翼转动。

作为进一步选择，所述限位和锁定机构作用于传动装置，限位和锁定机构包括齿条齿轮限位销和弹性机构，齿条齿轮限位销设于齿条与齿轮组某一齿轮之间，齿条齿轮限位销能够相对齿条与齿轮组往复运动，并由弹性机构持续施加将齿条齿轮限位销推向齿条与齿轮组的推力，且对应齿条位置在齿条齿轮限位销上设有齿条限位销，齿条上沿向下运动方向设有若干供齿条限位销由弹性机构推动插入的齿条限位槽，对应齿轮位置在齿条齿轮限位销上设有齿轮限位销，齿轮上沿其转动方向设有若干供齿轮限位销由弹性机构推动时插入的齿轮限位槽，且各齿条限位槽之间的间距与各齿轮限位槽之间的角度匹配，齿条限位销插入齿条限位槽时齿轮限位销插入对应齿轮限位槽，且齿条继续向下运动时，齿条推动齿条限位销退出齿条限位槽，同时齿轮限位销退出对应齿轮限位槽。

作为另一进一步选择，所述传动装置是棘爪棘轮传动机构，棘爪棘轮传动机构包括推杆、转动体、棘爪和棘轮，推杆由触发装置驱动在钻头体内上下运动，推杆与转动体连接带动转动体自转，转动体具有内腔，内腔内设有棘爪和棘轮，棘爪和转动体弹性连接，棘轮外缘设有若干卡齿，推杆上移带动转动体及其棘爪转动时，棘爪自由越过卡齿，而推杆下移带动转动体及其棘爪反向转动时，棘爪与某一卡齿咬合带动棘轮自转，棘轮带动转位刀翼转动。

作为进一步选择，所述限位和锁定机构作用于转位刀翼，限位和锁定机构包括定位销和弹性机构，定位销设于推杆和转位刀翼之间，定位销能够相对推杆和转位刀翼往复运动，并由弹性机构持续施加将定位销推向推杆和转位刀翼的推力，且推杆上沿运动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干推杆定位槽，转位刀翼上沿转动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干刀翼定位槽，且各推杆定位槽之间的间距与各刀翼定位槽之间的角度匹配，定位销同时插入推杆定位槽和对应刀翼定位槽，且推杆继续向下运动时，推杆推动定位销同时退出推杆定位槽和对应刀翼定位槽。

作为选择，所述转位刀翼具有至少两个工作位（即初始工作位和至少一个预设工作位），转位刀翼轮廓为圆形，或者由多段线段构成的非圆形，且每段线段对应一个工作位。作为进一步选择，转位刀翼具有一个初始工作位和一个预设工作位，转位刀翼轮廓为由两个直线段和两个弧线段相间构成的封闭曲线，或者，所述转位刀翼具有一个初始工作位和两个预设工作位，转位刀翼轮廓为由三个直线段和三个弧线段相间构成的封闭曲线。

上述方案中，转位刀翼轮廓线中的直线段也可为较平坦的或曲率较小的弧线段或曲线段。此外，将转位刀翼轮廓设计为圆形可使转位刀翼的结构设计更为简单，降低实施难度；将转位刀翼轮廓设计为非圆形，可使其适应各种不同的钻头切削轮廓形状的要求，以及钻头上不同径向部位切削轮廓形状的要求，也使其适应现有钻头的冠部轮廓形状，更容易与现有钻头技术结合使用。

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，若仅将某个转位刀翼上的切削齿表示出来，就形成了该转位刀翼的轴面布齿图。在转位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转位刀翼的切削轮廓线；若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一转位刀翼体而言，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转位刀翼的本体轮廓线，即转位刀翼轮廓线（转位刀翼轮廓）。与常规固定刀翼不同的是：转位刀翼的切削轮廓线和本体轮廓线（以下简称轮廓线）均由不同工作位上的多条切削轮廓线相互连接闭合而成，是一条封闭曲线。由于刀翼（常规固定刀翼或本发明中的转位刀翼）的切削轮廓线受到刀翼轮廓线和刀翼上切削齿的出露高度共同决定，因此通常情况下，若要使转位刀翼与常规固定刀翼的切削轮廓线相匹配，则需将转位刀翼轮廓线和常规固定刀翼轮廓线进行匹配设计。

作为进一步选择，所述转位切削结构的切削轮廓与钻头上固定切削结构的切削轮廓相匹配。

上述方案中，同一钻头上同时设置有固定刀翼和转位刀翼，且转位刀翼与固定刀翼切削轮廓匹配，使转位刀翼不仅能够以多次轮换切削元件的方式更新钻头，也能在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。

作为另一进一步选择，转位刀翼为圆形，转位刀翼上设置有至少两个工作位，固定刀翼在与转位刀翼共同工作区域的切削轮廓线与圆形转位刀翼切削轮廓线相匹配。

上述方案中，将转位刀翼轮廓设计为圆形，并使固定刀翼在与转位刀翼共同工作区域的切削轮廓线与圆形转位刀翼切削轮廓线相匹配，一方面使转位刀翼的结构设计更为简单，降低实施难度，另一方面也使转位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，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，所述固定刀翼相对转位刀翼支承体独立或合二为一。

上述方案中，转位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，所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的全部或大部径向区域（即至少覆盖钻头的外2/3半径区域）。

作为选择，所述钻头上设置至少两个所述转位刀翼，且至少有两个所述转位刀翼在至少一个相同工作位上的切削元件同时工作时可覆盖钻头的全部或大部径向区域（即至少覆盖钻头的外2/3半径区域）。

上述方案中，将转位刀翼的覆盖区域扩大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，所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的外1/3径向区域 。

作为选择，所述转位刀翼具有轴倾角以及偏移角。

作为选择，所述转位刀翼上的切削元件具有前倾角以及侧转角。

上述两方案中，转位刀翼的轴倾角、偏移角与现有钻头技术中牙轮或轮式钻头转轮的轴倾角、偏移角相同，转位刀翼上切削元件的前倾角、侧转角则与现有技术中固定刀翼上切削元件前倾角、侧转角的定义相同。一方面，为转位刀翼设置轴倾角和偏移角可使转位刀翼的在钻头上的布置更为自由，更具可实施性；另一方面，可根据不同的钻头结构设计不同的轴倾角、偏移角以及切削元件的前倾角、侧转角，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，具有转位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，通过将本发明中的转位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转位刀翼进行补充，提升钻头破岩效率，也能利用转位刀翼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：

（1）本发明中长寿命PDC钻头的转位刀翼可在当前切削齿失效的情况下，通过地面远程控制使转位刀翼主动转位，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，更容易实现“一趟钻”钻井，大幅减少非钻进辅助钻井时间，对缩短降低深层、深水、非常规油气钻井以及地热钻井的建井周期，降低钻井成本十分有利。

（2）由于转位刀翼可通过自身转位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，从而提升钻头的破岩效率。

（3）本发明中转位刀翼在工作状态时处于相对钻头体固定的状态，而转位轴仅需支持转位刀翼的若干次旋转，因此对轴承结构仅有强度方面的要求（承受钻压），而基本不存在轴承磨损的问题，相对于现有技术中具有旋转的钻头（对轴承要求高）而言，能避免因轴承磨损而造成的钻头失效，钻头的工作可靠性和工作寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一中钻头的结构示意图；

图2为本发明双级单向式投球触发装置的工作原理图；

图3为本发明实施例二中钻头的井底覆盖图；

图4为本发明实施例三中钻头的井底覆盖图；

图5为本发明实施例四中钻头的井底覆盖图；

图6为本发明实施例五中钻头的井底覆盖图；

图7为本发明实施例六中钻头的结构示意图和对应的井底覆盖图；

图8为本发明实施例七中触发装置的结构示意图；

图9为本发明实施例八中触发装置的结构示意图；

图10为本发明实施例八中触发装置的工作原理图；

图11为本发明实施例九中传动装置和实施例十中限位机构的结构示意图；

图12为本发明实施例十一中传动装置和实施例十二中锁定机构的结构示意图；

图13为本发明实施例十三中同时设置有固定刀翼、转位刀翼和牙轮的钻头井底覆盖图。

图14为本发明实施例十三中同时设置有固定刀翼、转位刀翼和冲头的钻头井底覆盖图。

图15为本发明实施例十三中同时设置有固定刀翼、转位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所示，一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，包括钻头体1、转位刀翼33和转位刀翼支承体2，所述转位刀翼支承体2延伸自钻头体1或固定在钻头体1上，所述转位刀翼33上设置有切削元件332构成转位切削结构。钻头体1上可以仅设置转位刀翼33和转位刀翼支承体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既可以相对转位刀翼支承体2独立，也可以两者合二为一。所述刀翼支承体或转位刀翼上设置有转位轴331，所述转位刀翼33通过转位轴331安装在所述钻头体1和/或所述转位刀翼支承体2上，所述转位刀翼33具有初始工作位，以及相对初始工作位自转一定角度后的至少一个预设工作位，所述转位刀翼33能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体2由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。

作为优选，所述转位刀翼33具有至少两个工作位，转位刀翼轮廓可以为圆形，也可以是由多段线段构成的非圆形，且每段线段对应一个工作位。

作为优选，远程控制转位刀翼33相对转位刀翼支承体2由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定可以通过在钻头体1和/或转位刀翼支承体2内部设置触发装置31和传动装置32来实现，通过该方式可在地面远程控制转位刀翼33（例如控制转位轴331），使转位刀翼33上的部分切削齿332磨损后转动到新的转位刀翼33工作位，并通过限位机构和锁定机构使新的切削齿固定在新的工作位。

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3所示，所述钻头上同时具有常规固定刀翼4和转位刀翼33，且转位刀翼33为圆形，转位刀翼上设置有三个工作位，常规固定刀翼4在与转位刀翼33共同工作区域的切削轮廓线与圆形转位刀翼33切削轮廓线相匹配。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图，标号4的为常规固定刀翼，41为固定刀翼切削齿，由图中可知，转位刀翼轮廓是由三段120°圆弧线段构成的圆形，每段120°圆弧线段对应一个工作位。

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4所示，所述钻头上同时具有常规固定刀翼4和转位刀翼33，且转位刀翼33上设置有三个工作位，每一个工作位上的切削轮廓均与常规固定刀翼内锥区域切削轮廓匹配，如图4（a）所示；或每一个工作位上的切削轮廓均与常规固定刀翼外锥及肩部区域切削轮廓匹配，如图4（b）所示。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图。图中标号4的为常规固定刀翼，41为固定刀翼切削齿，由图中可知，转位刀翼33轮廓是由三段线段及其过渡区域的圆弧构成的近三角形，三角形每一边对应一个工作位。

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5所示，所述钻头上同时具有常规固定刀翼4和至少两个转位刀翼33，转位刀翼33布置于不同的转位刀翼支承体2上。其中至少一个转位刀翼33布置于钻头内侧（由图中可知，转位刀翼33轮廓是由三段线段及其过渡区域的圆弧构成的近三角形，三角形每一边对应一个工作位），且其切削轮廓与常规固定刀翼4内锥区域切削轮廓匹配；其余转位刀翼33布置于钻头外侧且为圆形，固定刀翼4在该区域切削轮廓与此圆形转位刀翼33的切削轮廓相匹配。两个转位刀翼33的切削轮廓可覆盖整个钻头半径区域。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图，标号4的为常规固定刀翼，41为固定刀翼切削齿。

优选实施例5：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图6所示，所述钻头上设置有至少一个转位刀翼，每个转位刀翼均具有两个工作位，且至少一个转位刀翼在其每一个工作位上的切削元件均能基本（80%以上）覆盖钻头的半径区域。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图，标号4的为常规固定刀翼，41为固定刀翼切削齿，由图中可知，转位刀翼轮廓是由两段线段构成的半圆端头的矩形，每段线段均为一直线段和半圆线段构成，并对应一个工作位。

优选实施例6：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图7所示，所述钻头上设置有多个转位刀翼33，且至少两个转位刀翼33为一组，同一组转位刀翼33在相同工作位上的切削元件可完全覆盖钻头的半径区域。图中所示为本实施例钻头的井底覆盖图，标号4的为常规固定刀翼，41为固定刀翼切削齿，图中3个转位刀翼33形成一组。

优选实施例7：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图8所示，所述触发装置为多级单向式触发机构，本实施例中作为示例采用双级单向式触发，双级单向式触发是由内滑套311、外滑套312等组成，如图8所示，滑套向钻头方向运动后不再返回，滑套与传动装置（例如齿条）固连。图中所示为双级单向式触发装置，其工作原理图如图2所示。内滑套311的上端是与外滑套312相同角度的锥面，用于投入的憋压小球坐封憋压；内滑套311和外滑套312间由剪切销钉a 313连接，第一级单向式触发时，憋压后剪断剪切销钉a 313，此时内滑套311就沿外滑套312内壁向下运动。内外滑套311、312腰部都设有圆形通孔315a和315b，内滑套311下滑，钻井液经外滑套312的圆通孔315b流入钻头体内环空，再从内滑套圆通孔315a流回中央水道，最后由喷嘴喷出，完成循环；外滑套312和钻头体钻井液流道内腔间由剪切销钉b314连接，而第二级单向式触发时，憋压后剪断剪切销钉b 314，此时外滑套312下滑，钻井液先从侧边进入钻头体内环空，再从内滑套311圆通孔315a流入中央水道。内滑套311外壁上设限位孔318，外滑套312内壁下端设有压缩弹簧316和限位销钉317，在内滑套312运动规定行程，外滑套312的限位销钉317被压入内滑套的限位孔318，止住内滑套311运动，而外滑套312则直接滑至钻头体1内凸台上，内滑套311下端通过推杆或直接与传动装置中的齿条等固连，使触发动作传递至传动装置，进而驱动转位刀翼动作。而采用更多级的单向式触发机构，其原理和结构与本实施例的双级单向式触发类似，可以据此类推，在此不再赘述。

优选实施例8：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述触发装置为往复式触发装置，往复式触发装置如图 9所示，包括滑套311′、弹簧312′、卡簧313′和卡块314′，卡簧313′用于卡住滑套311′防止其上行；滑套311′上部有外凸环形台阶，与钻头体内壁的外凸环形台阶形成环形空间，用于安装弹簧312′；滑套311′腰部同一高度线上有沿周向均布的四个同尺寸的方孔，用于装卡块314′，方孔竖直孔边平坦光滑，水平孔边内面有一小台阶，用于限制卡块314′向内掉，钻头体1内壁在卡块314′下方有一段内凹环（内径扩大区域），如图10（a）所示，当憋压小球（图中虚线圆）投入至卡块314′上时，在憋压作用下弹簧312′受压力回缩，滑套311′推动卡块314′下移，如图10（b）所示，当滑套311′推动卡块314′滑进钻头体内壁的内凹区域内后，卡块314′在憋压小球作用下外退进凹沉区，让憋压小球通过卡块314′；滑套311′下端通过推杆或直接与传动装置中的齿条等固连，使触发动作传递至传动装置，进而驱动转位刀翼动作。如图10（c）所示，憋压小球被释放以后，由于弹簧312′的回缩力，滑套311′带动卡块314′上滑，卡块314′顶面具有一锥面的推力面，该锥面与内凹环（内径扩大区域）顶部的外凸环形台阶接触时，产生一向内的收缩力，使得卡块314′收缩并上升回复至初始状态，如图10（d）所示。

优选实施例9：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述传动传动装置是齿轮齿条传动机构，优选与实施例7配合使用。如图11所示，由齿条321′，以及大齿轮322′、小齿轮323′组成的齿轮组等组成，齿条321′与触发装置中的内滑套接触或固连，大齿轮322′与齿条321′和小齿轮323′同时啮合，大齿轮轴3221′一端固定于钻头体，另一端与大齿轮322′通过键连接，小齿轮323′与转位刀翼固连于同一转轴；触发装置的内滑套在投入憋压小球憋压剪断销钉后可做出向下的直线运动，经齿条321′传给大齿轮322′，变为旋转运动后传给小齿轮323′，小齿轮323′即与转位刀翼（固连与同一转轴）一起转动。

优选实施例10：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述限位机构作用于传动装置进行限位，并优选与实施例9配合使用。如图11所示，包括齿条齿轮限位销（简称为齿轮销324′）和弹簧，大齿轮322′上设置有定位孔3222′（定位孔个数由工作位切换次数决定）作为齿轮限位槽，对应齿条上沿运动方向设有一列齿条斜槽3211′作为齿条限位槽。齿轮销324′为一长条结构，安装于钻头体的凹槽内，槽内设置有弹簧，齿轮销324′的一伸出端为与大齿轮322′定位孔同直径的圆柱端，该圆柱端做为齿轮限位销，另一伸出端为楔形端，楔形端做为齿条限位销，该楔形端刚好插入齿条斜槽3211′（齿条限位槽）内且两斜面贴合。齿条321′下行时，齿条斜槽3211′对齿轮销324′的楔形端产生一个向外的推力，促使齿轮销324′楔形端退出齿条斜槽3211′，齿轮销324′背面压缩弹簧移动使圆柱端退出大齿轮定位孔3222′，解除锁定，此时齿条321′开始与大齿轮322′啮合并推动大齿轮旋转；当齿条的下一个斜槽3211′位置运动到与齿轮销324′楔形端刚开始接触时，齿条321′与大齿轮322′恰好退出啮合状态，齿条321′继续下行，楔形端逐渐滑入齿条斜槽3211′内，齿轮销324′在弹簧的弹力作用下逐步退出钻头体的凹槽，与此同时，齿轮销圆柱端也被压入大齿轮定位孔3222′，完成限位动作。

优选实施例11：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：如图12所示，所述传动装置是棘爪棘轮传动机构，优选与实施例8配合使用。棘爪棘轮传动机构包括推杆321、转动体322、棘爪3223、棘轮3222和弹簧，推杆321向下运动时，通过销钉324带动转动体322逆时针转动。销钉324一端为圆形端，插入推杆321下部的半圆通槽内，另一端为方形端，插入转动体322盲方槽3225内。推杆321向下运动时，销钉324圆形端滑过推杆321下部的半圆通槽，推杆321继续向下运动，销钉324方形端在转动体322盲方槽3225内滑动，开始推动转动体322绕棘轮3222中心逆时针转动，棘轮3222外缘周向设有若干卡齿，转动体腔室3221内的棘爪3223推着棘轮3222外缘卡齿一起转动，与棘轮3222同轴固结的转位刀翼也随之转动；当推杆321反向运动时，转动体322也随之反向转动，棘爪3223与棘轮3222的卡齿背向，棘爪3223在弹簧3224力作用下沿圆弧边返回，并滑过棘轮3222卡齿，直到推杆321回到初始位置。

优选实施例12：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述锁定机构作用于转位刀翼进行锁定，优选与实施例11配合使用。如图12所示，锁定机构包括定位销323和弹簧，推杆上设有楔形槽3211作为推杆定位槽，定位销323框套内设有与之匹配的楔形端3231，定位销323外部平整的一端沉入钻头体的凹槽内，凹槽内设置有弹簧，定位销外部的另一端为圆柱端，转位刀翼上沿转动方向设有若干定位孔作为刀翼定位槽，圆柱端插在定位孔内；推杆321向下运动时，楔形槽3211与定位销323楔形端3231作用，产生一个横向推力使定位销323压缩钻头体的弹簧向凹槽内移动，而定位销323的圆柱端也退出转位刀翼定位孔，即解除转位刀翼锁定；当推杆321反向运动时，定位销323在弹簧的弹力作用下重新键入推杆定位楔形槽3211和转位刀翼定位孔，由此完成一次转位刀翼的锁定释放与重新锁定。

优选实施例13：

本实施例与实施例1基本一致，其特点在于：所述具有转位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13所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、转位刀翼和牙轮情况下的井底覆盖图，其中标号5的部件为牙轮，标号51的部件为牙轮齿；如图14所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、转位刀翼和冲头情况下的井底覆盖图，其中标号6的部件为牙轮，标号61的部件为冲齿；如图15所示，为钻头上同时设置有固定刀翼、转位刀翼和盘刀情况下的井底覆盖图，其中标号7的部件为盘刀，标号71的部件为盘刀齿，需要注意的是：由于难以从井底覆盖图上直接区分旋转盘刀和圆形转位刀翼，使得本实施例中的盘刀7与实施例2中的圆形转位刀翼在井底覆盖图中的表示方式容易混淆，但需明确实施例2中的圆形转位刀翼是本发明中转位刀翼的特例，其工作方式与本实施例中提到的盘刀切削结构由本质上的差异。

上述方案中，通过将本发明中的转位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转位刀翼进行补充，提升钻头破岩效率，也能利用转位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7与9，以及进一步与实施例10组合，此时可以通过多级单向式触发机构的多次触发，通过齿轮齿条传动机构带动转位刀翼多次转动动作，实现多个工作位的设置；此时触发装置的级数以及各级之间的动作间距，与齿条321上齿条斜槽3211数量以及各齿条斜槽3211之间的间距，以及大齿轮322上定位孔3222的数量以及各定位孔3222之间的角度相匹配。

此外，实施例7也可以与实施例11，以及进一步与实施例12组合，此时可以通过多级单向式触发机构的多次触发，通过棘爪棘轮传动机构带动转位刀翼多次转动动作，实现多个工作位的设置；此时触发装置的级数以及各级之间的动作间距，与推杆上楔形槽3211数量以及各楔形槽3211之间的间距，以及转位刀翼上定位孔的数量以及各定位孔之间的角度，以及棘轮3222上卡齿的数量以及各卡齿之间的角度相匹配。

比如，实施例8与11，以及进一步与实施例12组合，此时可以通过往复式触发装置的往复触发，通过棘爪棘轮传动机构带动转位刀翼多次转动动作，实现多个工作位的设置；复式触发装置的往复触发一次，通过棘爪棘轮传动机构带动转位刀翼转动动作一次，此时往复式触发装置的往复触发的单向行程间距，转位刀翼上各定位孔之间的角度，以及棘轮3222各卡齿之间的角度相匹配，转位刀翼上定位孔的数量与棘轮3222上卡齿的数量一致，而推杆上楔形槽3211只需一个即可。

此外，实施例8也可以与实施例9，以及进一步与实施例10组合，此时可以通过往复式触发装置的往复触发，通过齿轮齿条传动机构带动转位刀翼转动动作，且往复式触发装置的滑套311与齿条321只接触传递动作，但不连接，此时往复式触发装置的往复动作只能通过齿轮齿条传动机构带动转位刀翼转动动作一次，只能实现一个工作位的设置。等等众多组合，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 (24)

1.一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：包括钻头体、转位刀翼和转位刀翼支承体，所述转位刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述转位刀翼上设置有切削元件构成转位切削结构，所述刀翼支承体或转位刀翼上设置有转位轴，所述转位刀翼通过转位轴安装在所述钻头体和/或所述转位刀翼支承体上，所述转位刀翼具有初始工作位，以及相对初始工作位绕转位轴中心自转一定角度后的至少一个预设工作位，所述转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定；

所述钻头体和/或转位刀翼支承体内部设置有触发装置和传动装置，所述触发装置启动所述传动装置，所述传动装置驱动所述转位刀翼自转至预设工作位；

触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于钻头体和传动装置或转位刀翼之间的单级或多级单向式触发机构，单级单向式触发机构仅具有一层内、外滑套，多级单向式触发机构包括设于钻头体内钻井液流道内的至少两层内外嵌套的内、外滑套；内、外滑套顶面用以承接憋压球，位于最内层的滑套用以驱动传动装置或转位刀翼；各层滑套能够在其外层滑套内腔上下滑动，最外层滑套能够在钻井液流道内腔上下滑动，各层内、外滑套之间，以及最外层滑套与钻井液流道内壁之间均设有剪断销钉；各层内、外滑套腰部均设有连通内腔内外的通孔，且各层滑套在通孔上方设有限位孔，其外层外滑套在通孔下方对应设有限位销钉，限位销钉由弹性机构持续施加用以将其推入限位孔内的外推力；

所述转位刀翼具有轴倾角以及偏移角。

2.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命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、转位刀翼支承体和转位刀翼中的一个或多个上，所述转位刀翼自转到预设工作位后，在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定，直至触发装置的再次触发而自转至下一预设工作位并重新在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定。

3.如权利要求1或2所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述传动装置是包含齿轮齿条的齿轮传动机构，或者是齿轮齿条机构与链传动机构和/或带传动机构 结合而成的复合传动机构，齿轮传动机构包括齿条和齿轮组，齿轮组包括一个或多个齿轮，所述传动装置中的齿条由触发装置推动向下运动，齿条与一个齿轮啮合并驱动齿轮组中的其它齿轮，或驱动链传动机构和/或带传动机构，最终带动转位刀翼转动。

4.如权利要求3所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述限位和锁定机构作用于传动装置，限位和锁定机构包括齿条齿轮限位销和弹性机构，齿条齿轮限位销设于齿条与齿轮组某一齿轮之间，齿条齿轮限位销能够相对齿条与齿轮组往复运动，并由弹性机构持续施加将齿条齿轮限位销推向齿条与齿轮组的推力，且对应齿条位置在齿条齿轮限位销上设有齿条限位销，齿条上沿向下运动方向设有若干供齿条限位销由弹性机构推动插入的齿条限位槽，对应齿轮位置在齿条齿轮限位销上设有齿轮限位销，齿轮上沿其转动方向设有若干供齿轮限位销由弹性机构推动时插入的齿轮限位槽，且各齿条限位槽之间的间距与各齿轮限位槽之间的角度匹配，齿条限位销插入齿条限位槽时齿轮限位销插入对应齿轮限位槽，且齿条继续向下运动时，齿条推动齿条限位销退出齿条限位槽，同时齿轮限位销退出对应齿轮限位槽。

5.如权利要求1或2所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述传动装置是棘爪棘轮传动机构，棘爪棘轮传动机构包括推杆、转动体、棘爪和棘轮，推杆由触发装置驱动在钻头体内上下运动，推杆与转动体连接带动转动体自转，转动体具有内腔，内腔内设有棘爪和棘轮，棘爪和转动体弹性连接，棘轮外缘设有若干卡齿，推杆上移带动转动体及其棘爪转动时，棘爪自由越过卡齿，而推杆下移带动转动体及其棘爪反向转动时，棘爪与某一卡齿咬合带动棘轮自转，棘轮带动转位刀翼转动。

6.如权利要求5所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述限位和锁定机构作用于转位刀翼，限位和锁定机构包括定位销和弹性机构，定位销设于推杆和转位刀翼之间，定位销能够相对推杆和转位刀翼往复运动，并由弹性机构持续施加将定位销推向推杆和转位刀翼的推力，且推杆上沿运动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干推杆定位槽，转位刀翼上沿转动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干刀翼定位槽，且各推杆定位槽之间的间距与各刀翼定位槽之间的角度匹配，定位销同时插入推杆定位槽和对应刀翼定位槽，且推杆继续向下运动时，推杆推动定位销同时退出推杆定位槽和对应刀翼定位槽。

7.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述转位刀翼具有初始工作位和至少一个预设工作位，转位刀翼轮廓为圆形，或者由多段线段构成的非圆形，且每段线段对应一个初始工作位或预设工作位。

8.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命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，所述固定刀翼相对转位刀翼支承体独立或合二为一。

9.如权利要求8所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述转位切削结构的切削轮廓与钻头上固定切削结构的切削轮廓相匹配。

10.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的全部或大部径向区域。

11.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少两个所述转位刀翼，且至少有两个所述转位刀翼在至少一个相同工作位上的切削元件同时工作时可覆盖钻头的全部或大部径向区域。

12.如权利要求1所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的外1/3径向区域。

13.一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：包括钻头体、转位刀翼和转位刀翼支承体，所述转位刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述转位刀翼上设置有切削元件构成转位切削结构，所述刀翼支承体或转位刀翼上设置有转位轴，所述转位刀翼通过转位轴安装在所述钻头体和/或所述转位刀翼支承体上，所述转位刀翼具有初始工作位，以及相对初始工作位绕转位轴中心自转一定角度后的至少一个预设工作位，所述转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定；

所述钻头体和/或转位刀翼支承体内部设置有触发装置和传动装置，所述触发装置启动所述传动装置，所述传动装置驱动所述转位刀翼自转至预设工作位；

触发装置包括地面投入的憋压球，以及设于钻头体和传动装置或转位刀翼之间的往复式触发机构，往复式触发机构包括滑套、弹性机构和卡块，滑套设于钻头体内钻井液流道内并能在钻井液流道内腔限制区域内上下滑动，滑套在上下滑动中由弹性机构持续施加上滑推力；滑套腰部同一高度线上有沿周向设有若干个活动的卡块，卡块能相对滑套沿径向来回移动，卡块顶面用以承接憋压球；相对滑套上滑至最顶部位置时，钻井液流道内腔在卡块下方的具有一段内径扩大区域，当卡块随同滑套下滑至该区域时将在憋压球作用下外退至该区域内并释放憋压球；卡块顶面具有倾斜的推力面，该推力面用以在弹性机构对滑套施加上滑推力时，卡块随同滑套上滑的同时回缩至初始状态；

所述转位刀翼具有轴倾角以及偏移角。

14.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命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、转位刀翼支承体和转位刀翼中的一个或多个上，所述转位刀翼自转到预设工作位后，在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定，直至触发装置的再次触发而自转至下一预设工作位并重新在所述限位和锁定机构的作用下暂停自转并暂时固定。

15.如权利要求13或14所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述传动装置是包含齿轮齿条的齿轮传动机构，或者是齿轮齿条机构与链传动机构和/或带传动机构 结合而成的复合传动机构，齿轮传动机构包括齿条和齿轮组，齿轮组包括一个或多个齿轮，所述传动装置中的齿条由触发装置推动向下运动，齿条与一个齿轮啮合并驱动齿轮组中的其它齿轮，或驱动链传动机构和/或带传动机构，最终带动转位刀翼转动。

16.如权利要求15所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述限位和锁定机构作用于传动装置，限位和锁定机构包括齿条齿轮限位销和弹性机构，齿条齿轮限位销设于齿条与齿轮组某一齿轮之间，齿条齿轮限位销能够相对齿条与齿轮组往复运动，并由弹性机构持续施加将齿条齿轮限位销推向齿条与齿轮组的推力，且对应齿条位置在齿条齿轮限位销上设有齿条限位销，齿条上沿向下运动方向设有若干供齿条限位销由弹性机构推动插入的齿条限位槽，对应齿轮位置在齿条齿轮限位销上设有齿轮限位销，齿轮上沿其转动方向设有若干供齿轮限位销由弹性机构推动时插入的齿轮限位槽，且各齿条限位槽之间的间距与各齿轮限位槽之间的角度匹配，齿条限位销插入齿条限位槽时齿轮限位销插入对应齿轮限位槽，且齿条继续向下运动时，齿条推动齿条限位销退出齿条限位槽，同时齿轮限位销退出对应齿轮限位槽。

17.如权利要求13或14所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述传动装置是棘爪棘轮传动机构，棘爪棘轮传动机构包括推杆、转动体、棘爪和棘轮，推杆由触发装置驱动在钻头体内上下运动，推杆与转动体连接带动转动体自转，转动体具有内腔，内腔内设有棘爪和棘轮，棘爪和转动体弹性连接，棘轮外缘设有若干卡齿，推杆上移带动转动体及其棘爪转动时，棘爪自由越过卡齿，而推杆下移带动转动体及其棘爪反向转动时，棘爪与某一卡齿咬合带动棘轮自转，棘轮带动转位刀翼转动。

18.如权利要求17所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述限位和锁定机构作用于转位刀翼，限位和锁定机构包括定位销和弹性机构，定位销设于推杆和转位刀翼之间，定位销能够相对推杆和转位刀翼往复运动，并由弹性机构持续施加将定位销推向推杆和转位刀翼的推力，且推杆上沿运动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干推杆定位槽，转位刀翼上沿转动方向设有供定位销由弹性机构推动插入的若干刀翼定位槽，且各推杆定位槽之间的间距与各刀翼定位槽之间的角度匹配，定位销同时插入推杆定位槽和对应刀翼定位槽，且推杆继续向下运动时，推杆推动定位销同时退出推杆定位槽和对应刀翼定位槽。

19.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述转位刀翼具有初始工作位和至少一个预设工作位，转位刀翼轮廓为圆形，或者由多段线段构成的非圆形，且每段线段对应一个初始工作位或预设工作位。

20.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命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，所述固定刀翼相对转位刀翼支承体独立或合二为一。

21.如权利要求20所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述转位切削结构的切削轮廓与钻头上固定切削结构的切削轮廓相匹配。

22.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的全部或大部径向区域。

23.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少两个所述转位刀翼，且至少有两个所述转位刀翼在至少一个相同工作位上的切削元件同时工作时可覆盖钻头的全部或大部径向区域。

24.如权利要求13所述的具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，其特征在于：所述钻头上设置至少一个所述转位刀翼，且至少有一个所述转位刀翼在其至少一个工作位上的切削元件覆盖钻头的外1/3径向区域。