CN110273650A - 一种具有柔性切削结构的金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，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、盾构及非开挖等技术设备领域，包括钻头体和切削元件，钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。本发明钻头上的缓冲切削模块在受到冲击时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高钻头上切削元件的抗冲击能力，延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

Description

一种具有柔性切削结构的金刚石钻头

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、盾构及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种具有柔性切削结构的金刚石钻头。

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。PDC(PolycrystallineDiamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过刮切的方式破岩，在理想工作条件下，钻头上的切削元件会在井底形成一簇同心圆刮切轨迹。对于常规PDC钻头而言，在现有技术中，切削元件几乎都是直接焊接在刀翼的齿槽(也称齿穴或齿窝)内，切削元件相对于刀翼是不能运动的，而钢质刀翼体及粉末冶金制造的胎体式刀翼体的刚度都很大，所以在钻进时，如果地层硬度高，或不均质性强(如软硬交替地层、含砾岩层等)，钻头的切削齿将承受较大的冲击载荷，特别是在PDC齿直接与岩石接触的刃口区域，由于冲击而致应力幅值很高，极易造成PDC齿金刚石层的崩裂甚至崩碎现象，从而严重缩短齿的工作寿命。当钻头在井下发生横振或回旋运动时，复合片的冲击载荷不仅幅值高，而且方向变化较大，所以也会导致复合片的金刚石层崩裂损伤。钻头的转速越高，这种冲击损伤越严重。相对钻压而言，PDC钻头的切削破岩效率对转速的变化更敏感，也就是说，如果切削齿不发生冲击崩损，增加转速比增加钻压更有利于提升钻进速度，然而，当地层岩石硬度或不均质性增加到一定程度时，为保障钻头切削齿的寿命，钻头就不能在高转速下工作。

随着钻井工艺技术的进步，定向钻进或导向钻进技术应用越来越广泛，导向钻进技术分滑动导向和旋转导向两类，前者因为系统成本低故应用更为普遍。滑动导向钻进的关键在于钻头由井下动力钻具(包括螺杆钻具和涡轮钻具，螺杆使用更为普遍)驱动，或者由井下动力钻具和钻杆同时驱动(复合驱动)。滑动导向钻进过程包括两种工作模式：造斜模式和复合钻进模式，前者由带弯头的动力钻具(主要是螺杆)单独驱动，完成井眼斜度或方位角的改变；后者则采用复合驱动，这种模式又叫复合钻进，此时，钻杆的旋转为公转，钻头在随钻杆公转的同时，还要在动力钻具的驱动下自转，钻头不仅工作转速高，而且由于钻头安装在动力钻具末端的弯头上，所以钻头在井底的运动十分复杂。

研究表明，无论是滑动导向钻进还是旋转导向钻进，钻头在井底的切削运动都比常规钻进更复杂，钻头切削齿的冲击载荷也更大。特别是在复合钻进条件下，由于公转、自转并存的特殊驱动方式，以及安装在弯头上的钻头的倾斜工作姿态，使得钻头的切削岩石过程与常规钻进条件有很大差异，主要体现在牙齿的切削工作状态存在一定程度的交替性，有效工作齿数少于钻头总齿数、井底形貌的起伏不平、切削齿非平行刮切等方面。这些特点一方面有利于提高钻头的破岩效率，但另一方面也因牙齿冲击载荷的显著增大而使钻头的工作寿命显著下降。所以，如果能显著提高切削齿的抗冲击能力，就能使延长钻头的工作时间，提高钻头适应高转速的能力，不仅有利于提高破岩效率，也能减少起下钻次数，从而使钻井效率得到显著提升。

随着聚晶金刚石复合片材料技术的进步，PDC齿的抗冲击性能已经比早期的产品有了显著进步，早期的PDC钻头只适用于软-中硬地层，现在已经能钻比较硬的地层，但钻头的寿命并不理想。在深井、超深井钻井工程中，深部难钻地层钻进速度慢是制约钻井成本降低的技术瓶颈，由于深部井段更换钻头的辅助时间(起下钻时间)长，所以人们越来越不愿意使用钻进效率低且有牙轮脱落风险的牙轮钻头，而是期望有能在深部地层高效钻进的长寿命PDC钻头产品，因此，多年以来超硬材料研究者们在提高金刚石复合片的抗研磨和抗冲击性能方面做了很多工作，也取得了很好的成效。然而，通过材料技术的进步来提升PDC齿的抗冲击性虽然是一个需要长期努力的方向，但要想同时提高PDC齿的抗研磨性和抗冲击性毕竟是相当困难的，特别是抗冲击性的提高，难度更大。

现有技术中的缓冲切削齿主要包括其一，在钻头开设齿孔，直接将切削齿及缓冲结构设在齿孔内，形成缓冲切削齿；其二，在齿上加套，套焊接在刀翼上，切削齿及缓冲结构设在齿套孔内，形成缓冲切削齿。现有技术因为无法适应井下多种方向和形式的冲击力，以及易冲击损坏或脱落(基座尺寸减小且要开槽，存在明显的应力集中，且防脱落结构易冲击失效)、占据刀翼空间大(降低布齿密度，影响布齿设计)的弱点，故难以在冲击载荷大的复杂难钻条件下应用。

此外，美国专利“ROTATING CUTTING ELEMENTS FOR PDC BITS”(专利号：US20140326515A1)公开了一种PDC钻头用的旋转切削齿。该专利中的旋转切削齿具有独立的轴承结构，使其安装在钻头刀翼上之后能够相对刀翼体转动。通过在刀翼上设置旋转齿，使钻头在刮切地层时旋转齿的切削刃的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削刃的利用率，从而可有效提高钻头在均质地层中的使用寿命和钻进速度。但在不均质地层、导向钻进等工况下，由于旋转切削齿的结构和尺寸受限，其轴承结构使得切削齿的强度显著降低，应力集中现象突出，所以切削齿的耐冲击性能较差，容易在冲击载荷下发生破坏，不适于在复杂地层和导向钻井等牙齿冲击载荷较大的场合使用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，钻头上的缓冲切削模块在受到冲击时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高钻头切削结构的抗冲击能力，延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命，提高钻井效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。

为便于理解本专利一种具有柔性切削结构的金刚石钻头的结构特点，现对其各特征部位进行具体描述：

钻头体：钻头体一般是指用于设置或固定切削元件或具有切削元件的部件、喷嘴等的基体，也称钻头本体或钻头基体。对于一般金刚石钻头而言，钻头体是包含刀翼、钻杆连接接头的一体式结构。而对于有些大尺寸钻头或结构复杂的钻头(如包含牙轮或盘刀的复合钻头)，出于制造工艺的需要，可将切削元件或部件的支承体(如刀翼、牙掌)分别加工后，再用焊接或机械连接的方式与包括钻杆连接接头部分的基体相固结。不论是一体式结构还是分体连接结构，最终所形成的总体固定结构在本发明中统称为钻头体，即本发明的支撑体、刀翼均为钻头体的一部分，切削元件或具有切削元件的部件、喷嘴等设置或固定在钻头体上。

切削元件：钻头上直接与岩石相互作用以破碎岩石的元件，也称切削齿，简称齿或牙齿。典型的切削元件包括各种金刚石切削齿(包含金刚石的切削齿)，如PDC切削齿、TSP切削齿、孕镶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿等，还包括工作表面为三维曲面的硬质合金齿和金刚石复合齿(金刚石层与硬质合金基体复合而成的齿)，如尖锥形金刚石复合齿、各种形状的牙轮钻头牙齿。

支承体或支撑体：钻头体上用于设置或支承切削元件和/或切削部件的局部结构体，以及为提高钻头稳定性、保径能力、侧切效果等非直接钻岩功能而设置的局部结构体(例如独立于刀翼之外的保径块、稳定块、缓冲座)，如图3中标识22。支承体或支撑体为钻头体的一部分，通常延伸自钻头体，也可以通过固结于或安装的方式实现。切削部件是指具有运动切削原理的具有切削元件或切削结构的部件，如可相对钻头体旋转的牙轮、PDC盘刀、盘式滚刀，以及可相对钻头体移动的冲头等。

刀翼：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、磨削的形式破碎岩石的钻头结构，如图4中标识21，其实刀翼也是支承体的一种。刀翼与支承体的区别在于：第一，刀翼主要用于设置PDC齿等切削元件，而支承体主要用于支承切削部件，或主要用于直接破岩以外的辅助功能。第二，基于径向覆盖布齿的需要，各刀翼都有一定的径向延伸区域，而且各刀翼的布齿轮廓面(或布齿轮廓线)通常彼此吻合，隶属于同一绕钻头中心线回转的曲面(即决定钻头冠部形状或剖面形状的曲面)，而支承体不一定具有布齿轮廓面，即便有，也不一定与刀翼布齿轮廓面吻合。

缓冲切削模块：包括模块基体和切削元件，切削元件设置于模块基体上，也称模块切削齿。缓冲切削模块虽然也能相对于钻头体移动或转动，但这种运动是为实现缓冲而设计的，属于微小幅度的运动，理论上切削齿在钻头上的切削工作位置仍是固定的，因此，缓冲切削模块与牙轮、盘刀不同，不属于切削部件，而属于固定切削结构，模块切削齿也属于固定切削齿。

缓冲件：能起到缓冲作用的弹性件或弹性组合件。例如：由橡胶、形状记忆合金等超弹性材料制成的缓冲垫片，各种不同结构的弹簧，以及由缓冲垫片、弹簧等组合构成的组合缓冲件。

作为选择，钻头体上具有支撑体(通过延伸自钻头体或固结于钻头体上等方式实现)，在一个或多个支承体上设置有缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与支撑体之间。作为进一步选择，钻头体上具有刀翼(通过延伸自钻头体或固结于钻头体上等方式实现)，在一个或多个刀翼上设置有切削元件和缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与刀翼之间。

上述方案中，在钻头体，特别是支承体/刀翼上设置具有模块切削元件的缓冲切削模块，且在缓冲切削模块与钻头体/支撑体/刀翼之间设置有缓冲件。这样缓冲件能够为缓冲切削模块提供弹性支承，当缓冲切削模块受到较大冲击载荷时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低缓冲切削模块的冲击载荷幅度，提高缓冲模块的抗冲击能力，从而延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

在钻头坐标系中，任一切削齿均有六个自由度，如图2所示，设钻头上某一切削齿齿面中心点为O，则一、在钻头轴面(钻头坐标系内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)内，平行于钻头轴线方向，切削齿可沿OH(钻头轴向)移动或绕OH转动；二、在钻头轴面内，垂直于钻头轴线方向，切削齿可沿OR(钻头径向)移动或绕OR转动；三、在垂直于轴面方向OT上，切削齿可沿OT(切向)移动或绕OT转动，总共六个自由度。这样缓冲切削模块可分为3个承载面，其中背部承载面为切向承载面，如图8中标识631，底部承载面为轴向承载面或法向承载面(钻头切削轮廓线上所在位置的法向)，如图7中标识632，侧部承载面为径向承载面，如图7中633，同理钻头也存在3个承载面，背部承载面为切向承载面，如图8中标识621，底部承载面为轴向承载面，如图7中标识622，侧部承载面为径向承载面，如图7中标识623。

作为选择，在模块基体的背部承载面、底部承载面、侧承载面中的至少一个承载面与钻头体，特别是支撑体和刀翼之间设置有缓冲件。

上述方案中，钻头在钻井过程中，需要在钻头的轴向上施加一定的钻压，让钻头能够侵入岩石，破碎井底，这样在钻头会形成一个轴向压力，同时在钻头的切向方向上施加一个扭矩，剪切破岩，在钻头的切向方向形成一个切削力，由于钻进工艺的特殊性与地层条件的复杂性会导致钻头受到一个横向不平衡力(钻头径向力)，这样钻头在实际的钻井中，受到轴向、切向、径向三个方向的合力，同理钻头上切削元件也同时受到三个方向上的合力。缓冲切削模块在至少一个方向的承载面与钻头体/支承体/刀翼之间设置有缓冲件，更加符合实际钻井条件，增强缓冲切削模块的抗冲击综合能力，从而提高钻头的使用寿命。

作为选择，在钻头体，特别是支撑体和刀翼上设置有安装槽或安装孔，缓冲切削模块设置在安装槽或安装孔中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽或安装孔的内表面之间设置有缓冲件。

上述方案中，在钻头体，特别是支承体/刀翼上设置有安装槽或安装孔，多种安装结构为缓冲切削模块提供更多的选择，根据切削单元的冲击载荷来选择合适的安装结构，实现缓冲切削单元的个性化及多样性设计。同时缓冲切削模块采用可拆卸的方式安装在支撑体上时，易于制造和修复，降低钻头的使用费用。

作为选择，缓冲件为弹簧、高分子弹性件、弹性垫片的任意一种，或由任意两种及两种以上组合或复合而成。作为进一步选择，高分子弹性件优选橡胶，弹簧优选碟形弹簧、波形弹簧和板弹簧。

上述方案中，弹性垫片是指能够吸收冲击能量以起到缓冲作用的垫片，包括材料型弹性垫片和结构型弹性垫片，前者是由弹性模量不大于120GPa(优选不大于80GPa；更优选不大于30GPa)的材料制成的垫片，后者则是由特殊三维结构形成的具有与弹簧相似功能的垫片，如冲压出凸包、凸环、拱桥形棱条的垫片，具有弹性枝脚的垫片，具有圆周波纹环的垫片，锅盖型垫片，也包括波形弹簧垫片等。上述方案中，不同地层的岩石性质不一样，钻进条件也不一样会导致钻头受到的冲击载荷不一样，根据地层条件来选择不同材料和结构的缓冲件，延长钻头的使用寿命和拓宽钻头的适应地层。

作为选择，缓冲件与钻头体，特别是支撑体和刀翼之间设置有缓冲保护结构。

上述方案中，缓冲件与支撑体或刀翼之间设置有缓冲保护结构，由于切削元件受到的瞬时冲击载荷很大，极有可能超出缓冲件承载范围，缓冲保护结构的存在将在一定程度上对缓冲件进行保护，从而延长缓冲件的寿命。

作为选择，在钻头体，特别是支撑体和刀翼上设置有防脱槽，防脱槽包括燕尾型、T型、L型防脱槽，缓冲切削模块设置在防脱槽中，且在模块基体与防脱槽的内表面之间设置有缓冲件。

上述方案中，防脱落安装槽，简称防脱槽。防脱槽的主要特征是开口部的尺寸小于底部尺寸，缓冲切削模块安装在防脱槽中，防脱槽口小底大的结构可以防止缓冲切削模块从槽的深度方向及宽度方向脱落。在所述钻头体/支承体/刀翼上设置有燕尾型、T型、L型防脱槽，防脱槽的结构有利于提高缓冲切削模块的安全性，减小缓冲切削模块掉落井底的风险，不同位置的缓冲切削模块根据情况来选择不同形状的防脱槽，为缓冲切削模块的个性化设计提供条件。

作为选择，缓冲切削模块上设有防脱孔，至少1个螺栓或螺钉通过防脱孔与钻头体，特别是支撑体和刀翼相连接，防脱孔与螺栓或螺钉的相应表面之间有间隙。

上述方案中，防脱孔是指缓冲模块上用于安装防脱落紧固件的孔，紧固件一般为螺栓或螺钉，螺栓或螺钉从该孔穿过，其大端(螺栓头或螺钉头)在模块外侧，螺纹端与钻头体或支撑体或刀翼相连接，或穿孔而过，再用螺母紧固，从而实现防止既缓冲模块脱落有不限制其缓冲作用的功能。缓冲切削模块上有防脱孔，至少1个螺栓或螺钉通过防脱孔与所述钻头体/支承体/刀翼相连接，防脱孔与所述螺栓或螺钉的相应表面之间有间隙。这样缓冲切削模块能够实现相对钻头体/支承体/刀翼有限幅度的相对运动，同时螺栓或螺钉对缓冲切削模块运动范围进行限定，一旦超过某个值将不再允许它运动，也能防止缓冲切削模块掉落井底，增加钻头的实用性。

作为选择，在钻头体，特别是支撑体和刀翼上装有缓冲切削模块的位置设置有防脱板。

上述方案中，防脱落盖板，简称防脱板。防脱板能起到防止缓冲切削模块从刀翼上脱落的作用。钻头上装有缓冲切削模块的位置设置防脱板，防脱板通过机械紧固件(如螺栓、螺钉等)连接或焊接等方式固定在刀翼上，通过机械阻挡作用防止缓冲切削模块从刀翼上脱落，防脱板的设置将增加缓冲切削模块的可靠性，降低缓冲切削模块掉落井底的风险。

作为优选，在所述缓冲切削模块的背部承载面、底部承载面中的至少一个与所述安装槽或安装孔的内表面之间设置有缓冲件。

上述方案中，在所述缓冲切削模块的背部承载面、底部承载面中的至少一个与所述安装槽或安装孔的内表面之间设置有缓冲件。由于钻头在钻井中主要的冲击载荷在轴向和切向方向，所以在缓冲切削模块的背部和底部承载面上设置缓冲件，提升钻头的抗冲击能力。

作为优选，在所述刀翼上设置有切向贯通的安装槽，缓冲切削模块设置在安装槽中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽的内表面之间设置有缓冲件。

上述方案中，在所述刀翼上设置有切向贯通的安装槽，缓冲切削模块设置在安装槽中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽的内表面之间设置有缓冲件。能够减小缓冲切削模块的切向方向的冲击载荷，从而延长缓冲切削模块的寿命，同时这种设置方式也更易于从结构上保障缓冲切削模块不从切向脱落。

作为优选，在所述钻头体，特别是支承体/刀翼上的布齿面上沿纵向或法向设置安装槽或安装孔，缓冲切削模块沿纵向或法向安插在安装槽或安装孔中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽或安装孔的内表面之间设置有缓冲件。

作为优选，至少有一个刀翼上的缓冲切削模块设置在刀翼前端切削齿的后方。

上述方案中，至少有一个刀翼上的缓冲切削模块设置在刀翼前端切削齿的后方，也可将缓冲切削模块的模块切削齿作为后备齿，在钻头有限的空间上增加钻头的布齿数量，从而延长钻头的使用寿命。

作为优选，同一个刀翼上设置有不少于两个缓冲切削模块。

上述方案中，同一个刀翼上设置有不少于两个缓冲切削模块，这样的结构使钻头承载冲击载荷的区域拓宽，从而增加整个钻头的抗冲击能力。

作为优选，至少一个刀翼上设置有不少于两个缓冲切削模块，且除内外两端的切削齿以外的全部切削齿均为缓冲切削模块，每个缓冲切削模块上的齿数不大于2。

上述方案中，至少一个刀翼上设置有不少于两个缓冲切削模块，且除内外两端的切削齿以外的全部切削齿均为缓冲切削模块，这样钻头的整个刀翼上基本上都设置有缓冲切削模块，各缓冲模块切削齿的缓冲抗冲击能力得到更好的发挥，从而提高整个刀翼的抗冲击能力，增加钻头的寿命。

作为优选，钻头上所述缓冲切削模块的切削齿的覆盖范围为钻头径向外三分之二半径的区域。

上述方案中，钻头上所述缓冲切削模块的切削齿的覆盖范围为钻头径向外三分之二半径的区域，由于钻头结构上的特点导致钻头外部区域的切削元件的线速度增加，从而使该区域内切削元件的冲击载荷增加，该区域内的切削元件最容易破坏失效，因此将缓冲切削模块设置到该区域，能够增加钻头使用寿命。

作为优选，钻头上所述缓冲切削模块的切削齿的覆盖范围为钻头80％以上的径向区域。

上述方案中，钻头上所述缓冲切削模块的切削齿的覆盖范围为钻头80％以上的径向区域。缓冲切削模块的切削齿在钻头径向区域内占据比例越大，这样钻头抗冲击能力增加，从而提升钻头的综合能力。

作为选择，所述钻头为PDC钻头、盘刀式钻头，或为安装有所述缓冲切削模块的牙轮钻头，或包含有所述缓冲切削模块的固定翼-牙轮式复合钻头、固定翼-盘刀式交叉刮切复合钻头、固定翼-冲击杆式复合钻头，以及安装有所述缓冲切削模块的取心钻头、固定式和伸缩式扩孔钻头或扩孔工具。

作为选择，在模块基体的背部承载面相对于钻头中心线倾斜设置。

上述方案中，所述缓冲切削模块的背部承载面相对于钻头中心线倾斜设置。增加缓冲切削模块背部承载面积，在减小缓冲切削模块的切向冲击载荷的同时，还能一定程度上减小纵向或法向冲击载荷，降低缓冲切削模块的失效的发生。

作为选择，模块切削齿包括孕镶金刚石切削齿或TSP切削齿。

上述方案中，所述钻头为孕镶金刚石钻头或具有孕镶金刚石切削结构的PDC钻头，孕镶金刚石切削齿或TSP切削齿以焊接、烧结或过盈配合方式固定在模块基体上，缓冲模块的缓冲作用能有效防止孕镶金刚石齿或TSP切削齿的冲击损坏。

作为选择，缓冲切削模块设置在钻头的保径区域，模块切削齿作为保径齿。

上述方案中，所述钻头为PDC钻头(包括具有PDC切削结构的各种复合钻头)、孕镶金刚石钻头和TSP钻头，当钻头在硬地层、不均质地层钻进，或在高转速下钻进，或在导向钻进时，钻头的保径部位的旋转线速度高，容易产生大的冲击载荷，将缓冲切削模块设置在钻头的保径区域，模块切削齿作为保径齿，能有效防止保径切削结构的冲击损坏，提高钻头的保径能力。

作为选择，缓冲切削模块能够相对钻头体转动。作为进一步选择，缓冲切削模块与钻头体之间铰接转动或通过圆柱或球形配合面转动。

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、缓冲件能够为缓冲切削模块提供弹性支承，当缓冲切削模块受到较大冲击载荷时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高切削元件的抗冲击能力，从而延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

2、由于钻井目的和条件千差万别，井下工况十分复杂，不仅地层性质复杂多变，而且井身结构、钻井工艺方式、钻头驱动方式、下部钻具组合、井下工具匹配、钻井液等因素都会对钻头的破岩过程产生影响。在不同的切削条件下(如钻均质地层、钻硬夹层和钻含砾岩层)，切削齿所受到的冲击载荷的特性通常也是不同的，有时以切向为主，有时以纵向(或钻头轮廓线上的法向)为主，有时则是横向冲击幅值较高(如钻头横振时)，更多的情况下是切向和轴向的冲击都比较大，但因工作条件的不同，切向和轴向冲击载荷的相对比例也会有所变化。所以，本发明通过将常规的切削元件固定在模块基体上形成一个模块，由此能在在缓冲切削模块的背部、底部、侧部三个方向都独立设置缓冲件，根据需要灵活设计各个方向缓冲件的缓冲特性或刚度特性，从而能够使钻头对地层等具体钻井条件的适应性得以提高，更好地保障钻头的个性化性能水平。

3、本发明将常规的切削元件固定在模块基体上形成一个模块，再进一步形成缓冲切削模块，与现有技术中的缓冲切削齿(其一，在钻头开设齿孔，直接将切削齿及缓冲结构设在齿孔内，形成缓冲切削齿；其二，在齿上加套，套焊接在刀翼上，切削齿及缓冲结构设在套孔内，形成缓冲切削齿)相比，现有技术因为易冲击损坏或脱落(基座尺寸减小且要开槽，存在明显的应力集中，且防脱落结构易冲击失效)、占据刀翼空间大(降低布齿密度，影响布齿设计)的弱点，故难以在冲击载荷大的复杂难钻条件下应用。而在本发明中，模块体尺寸大，承载能力、抗冲击能力强，不易损坏、脱落，切削齿一般采用常规切削齿，连接方式也采用常规的焊接，故对切削齿的强度也没有不利影响，同时，多个切削齿放在同一模块上，对布齿空间的影响也不大，故本发明的可行性和可靠性都更优。

4、缓冲切削模块采用可拆卸的方式安装在支撑体上时，易于制造、安装、使用和修复。

5、在钻头体/支承体/刀翼上设置有安装槽或安装孔，多种安装结构为缓冲切削模块提供更多的选择，根据切削元件的冲击载荷来选择合适的安装结构，实现缓冲切削元件的个性化及多样性设计。

6、缓冲件为弹簧、橡胶件、弹性垫片的任意一种，或由任意两种及两种以上组合或复合而成。不同的地层和钻井条件会导致钻头的切削元件受到的冲击载荷不一样，根据地层条件来选择不同材料和结构的缓冲件，延长钻头的使用寿命和拓宽钻头的适应地层。

附图说明

图1为实施例1的钻头结构示意图；

图2为本发明中切削齿自由度示意图；

图3为实施例2的钻头结构示意图；

图4为实施例3其中一种情况的刀翼结构示意图；

图5为实施例3其中一种情况的刀翼结构示意图；

图6为实施例3其中一种情况的刀翼结构示意图；

图7为实施例4的刀翼结构示意图；

图8为实施例4其中一种情况中刀翼的俯视图；

图9为实施例4其中一种情况中刀翼的俯视图；

图10为实施例4其中一种情况中刀翼的俯视图；

图11为实施例4其中一种情况中刀翼的俯视图；

图12为实施例4其中一种情况中刀翼的俯视图；

图13为实施例5的刀翼结构示意图；

图14为实施例5的弹性垫片结构示意图；

图15为实施例5的刀翼结构示意图；

图16为图15的剖视图和局部结构示意图；

图17为实施例6其中一种情况的刀翼结构示意图；

图18为实施例6其中一种情况的刀翼结构示意图；

图19为实施例6其中一种情况的刀翼结构示意图；

图20为实施例6其中一种情况的刀翼结构示意图；

图21为实施例14其中一种情况的刀翼结构示意图；

图22为实施例15的刀翼结构示意图；

图23为实施例16的刀翼结构示意图；

图24为实施例7其中一种情况的刀翼结构示意图；

图25为实施例13的刀翼结构示意图之一；

图26为本发明缓冲切削模块径向覆盖范围示意图；

图27为实施例7其中一种情况的刀翼结构示意图；

图28为图27的A-A剖视图；

图29为实施例8的刀翼结构示意图；

图30为实施例9的刀翼结构示意图；

图31为图30的A-A剖视图；

图32为实施例10的刀翼结构示意图；

图33为图32的A-A剖视图；

图34为实施例11的刀翼结构示意图；

图35为实施例12的刀翼结构示意图；

图36为图35的A-A剖视图；

图37为实施例13的刀翼结构示意图；

图38为图37的俯视图；

图39为实施例20的钻头结构示意图；

图40为实施例21的钻头结构示意图；

图41为实施例22的钻头结构示意图；

图42为实施例23的缓冲切削模块结构示意图；

其中1为钻头本体，12为水眼或喷嘴，2为支承体或刀翼，21为刀翼，22为支承体，3为缓冲切削模块，31为模块基体，32为模块切削元件，321为旋转齿或伸缩齿，322为齿套，323为卡簧，324为周向止动元件，325为轴向缓冲垫片，33为模块的转轴或铰链，4为切削元件，5为缓冲件，51为弹性垫片，52为弹簧，53为缓冲保护结构，54为垫块，6为承载面，62为支承体承载面，621为支承体切向承载面,622为支承体轴向或法向承载面,623为支承体径向承载面，63为模块承载面,631为模块背部承载面,632为模块底部承载面,633为模块侧承载面，7为防脱单元，71为防脱结构，72为防脱元件，8为运动破岩结构，81为盘刀，82为牙轮，83为冲头，9为密封结构。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1

如图1所示，一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自或固结于钻头体上的支承体2、切削元件4、水眼或喷嘴12，在钻头上设置缓冲切削模块3，缓冲切削模块由模块基体31和模块切削元件32(本发明中将设置在模块基体31上的切削元件称之为模块切削元件32)构成，且在所述缓冲切削模块3与所述支撑体2之间设置有缓冲件5，缓冲切削模块3通过防脱元件7(图示中通过防脱孔与螺栓或螺钉配合实现)固定。

本实施例中，在刀翼上设置具有模块切削元件的缓冲切削模块，且在缓冲切削模块与钻头体/支撑体/刀翼之间设置有缓冲件。这样缓冲件能够为缓冲切削模块提供弹性支承，当缓冲切削模块受到较大冲击载荷时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低缓冲切削模块的冲击载荷幅度，提高缓冲模块的抗冲击能力，从而延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1基本相同，包括钻头体1、延伸自或固结于钻头体上的支承体22、切削元件4、水眼或喷嘴12，在钻头上设置缓冲切削模块3，缓冲切削模块由模块基体31和模块切削元件32构成，且在所述缓冲切削模块3与所述支撑体2之间设置有缓冲件5，缓冲切削模块3(图示中模块基体31上设置3个模块切削元件32)通过防脱元件7(图示中通过防脱板实现)固定。

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中的缓冲切削模块所在的支承体为刀翼，而本实施例中支承体为其上不具有固定切削元件的支承体，该方案的优点在于缓冲切削元件不受刀翼空间、位置、方向的限制，可根据实际需求灵活布支承体，使缓冲切削元件的布置更加自由。

实施例3

如图4、图5、图6所示，本实施例与实施1基本相同，区别在于：本实施例中的缓冲切削模块3分别布置于刀翼21的鼻部区域，如图4所示；保径区域，如图5所示；和心部区域，如图6所示。

本实施例中，通过在刀翼不同位置布置缓冲切削模块，可多角度、全方位发挥模块在钻头上的作用：冠顶区域(包含鼻部)切削齿在冲击作用下失效迅速，容易引起钻头环切现象的发生，心部区域的切削齿若收到冲击载荷的作用，则易因切削齿崩碎而引起钻头“掏心”发生，缓冲切削模块布置在鼻部区域/心部区域可极大地利用模块的缓冲特性保护切削齿不因冲击载荷而失效，从保护切削齿的角度延长了钻头的寿命。另一方面，布置在保径区域的缓冲切削模块可利用其缓冲性能优化保径性能，提升井眼质量。

实施例4

如图7至图12所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：在所述缓冲切削模块3的背部承载面631(对应于支承体切向承载面621)、底部承载面632(对应于支承体轴向承载面622)、侧承载面633(对应于支承体径向承载面623)中的至少一个承载面与钻头体/支承体/刀翼对应承载面之间设置有弹性垫片51。

图7(a)所示为本实施例中安装了缓冲切削元件的刀翼结构示意图，图中在缓冲模块3的底部承载面632和侧承载面633上均设置有弹性垫片51；图7(b)中，在缓冲模块3的侧承载面633上设置有弹性垫片51。此外，图8至图12位图7所示刀翼结构示意图的俯视图，除了图7中所示的布置方式，弹性垫片51还可设置在模块3的背部承载面631上，如图8所示；或弹性垫片51以平滑曲面的形式布置在模块承载面63和支承体承载面62之间，如图9所示；或刀翼21上设置有切向贯通的安装槽，缓冲切削模块3设置在安装槽中，且在所述缓冲切削模块3与所述安装槽的内表面之间设置有弹性垫片51，如图10、图11、图12所示的几种情况。

上述方案中，钻头在钻井过程中，需要在钻头的轴向上施加一定的钻压，让钻头能够侵入岩石，破碎井底，这样在钻头会形成一个轴向压力，同时在钻头的切向方向上施加一个扭矩，剪切破岩，在钻头的切向方向形成一个切削力，由于钻进工艺的特殊性与地层条件的复杂性会导致钻头受到一个横向不平衡力(钻头径向力)，这样钻头在实际的钻井中，受到轴向、切向、径向三个方向的合力，同理钻头上切削元件也同时受到三个方向上的合力。缓冲切削模块在至少一个方向的承载面与钻头体/支承体/刀翼之间设置有缓冲件，更加符合实际钻井条件，增强缓冲切削模块的抗冲击综合能力，从而提高钻头的使用寿命。

实施例5

如图13至图16所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：缓冲件5为弹簧、橡胶件、弹性垫片的任意一种，或由任意两种及两种以上组合或复合而成；或缓冲件包括碟形弹簧、波形弹簧、板弹簧、弹性垫片中的任意一种，或由任意两种及两种以上组合或复合而成。

图13中所示缓冲件为两种不同类型弹性垫片51的组合；图14所示为通过冲压形成凸包或凸棱的特殊垫片51；图15所示为碟簧52和弹性垫片51的组合；图16所示为碟簧52和弹性垫片51的组合，且在模块3的背部承载面和底部承载面均设置有这种缓冲件组合。

上述方案中，不同地层的岩石性质不一样，钻进条件也不一样会导致钻头受到的冲击载荷不一样，根据地层条件来选择不同材料和结构的缓冲件，延长钻头的使用寿命和拓宽钻头的适应地层。

实施例6

如图17至图20所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：缓冲件以平面、曲面或组合面的形式布置在缓冲切削模块的承载面上。图17中所示缓冲件为平面和柱面组合的形式，分布在模块的侧承载面和底部承载面上；图18所示为平面组合而成的直角形缓冲件，分布在模块的侧承载面和底部承载面上；图19所示为平面组合而成的钝角形缓冲件，分布在模块的底部承载面上；图20所示为柱面或球面形式的缓冲件，分布在模块的底部承载面上。

上述方案中，不同形状的模块承载面使缓冲切削模块能够适应不同类型的冲击，而不同形状的缓冲件可适应不同的模块承载面，使缓冲件的减振功效得到最大化的发挥。

实施例7

如图24、图27、图28所示，本实施例主要展示了在刀翼21上设置的用于防止缓冲模块脱落的防脱槽结构在图24所示的结构中，缓冲模块上具有位于冠顶及其外侧区域的多个切削齿，为了防止该模块纵向脱落，在刀翼21上设置了走向为切向的燕尾型防脱槽71。在图27、图28所示的结构中，在刀翼21上设置了7个缓冲模块(包括模块基体31和模块切削齿32，下同)，也即刀翼上全部切削齿都位于这7个缓冲模块上，每个模块上的模块切削齿数量均为1个或两个，在刀翼21上沿刀翼轮廓走向设置有T型、L型、燕尾型防脱槽71，7个缓冲模块3全部设置在同一个防脱槽71中，防脱槽口小底大的结构特点，能有效防止缓冲模块从钻头上脱落。其中，图27为本实施例的结构示意图，图28为图27的A-A剖视图，其中图28(a)所示为T型防脱槽；图28(b)所示为L型防脱槽；图24和图28(c)所示为燕尾型防脱槽。图28中模块3进一步通过螺钉72增强防脱作用，螺钉72也可以取消，仅依靠防脱槽达到防脱作用。

本实施例中的模块切削齿可以采用焊接在模块上的常规PDC齿，也可以采用旋转缓冲齿或无缓冲的旋转齿(图28(a)中的32，取消缓冲件325即为无缓冲的旋转齿)，还可采用不旋转的缓冲齿(图28(b)中的32，其中324为防止切削齿旋转的周向止动元件)。

实施例8

如图29所示：所述缓冲切削模块3上的切削齿的工作区域为冠顶及冠顶以外的区域，缓冲模块的结构形状呈扇形，下方的“扇炳”处设有转动轴33(或可多自由度转动的铰，如球铰)，在扇形缓冲模块的两个侧向承载面与刀翼21之间设置缓冲件，也可以在模块的背部承载面与刀翼21之间设置缓冲件，这样，当模块切削齿切削岩石时，模块受到的纵向(或轴向)载荷、径向(或横向)载荷均可通过模块侧面的缓冲件实现缓冲，切向载荷则通过背部承载面的缓冲件实现缓冲。此外，转动轴或转动铰链33与刀翼上防脱槽中，能起到防止模块脱落的作用。还可通过设置防脱销钉72实现相同的转动和防脱落功能。如图29(a)为设有防脱销钉72的方案；如图29(b)为不设防脱销钉72的方案；如图29(c)和(d)分别为相应的模块结构示意图。图29中，标号33为模块转动轴或铰链，标号71为刀翼上的防脱槽，或模块上与防脱槽配合的表面；标号72为防脱销钉。

实施例9

如图30、31所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：所述缓冲切削模块3通过防脱螺钉72(配合防脱孔)安装在刀翼21上，防脱螺钉72限制所述缓冲切削模块3在刀翼21上的运动。如图30、图31所示，标号72为防脱螺钉，图31为图30的A-A剖视图。

实施例10

如图32、图33所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：所述缓冲切削模块3通过防脱板72安装在刀翼21上，防脱板72限制所述缓冲切削模块3在刀翼21上的运动。如图32、图33所示，标号72为防脱板，图33为图32的A-A剖视图。

实施例11

如图34所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：支承体2上完全布置缓冲切削模块，每个模块上的模块切削齿数量均为1个或两个，所述缓冲切削模块3通过防脱板72安装在支承体2上，并受防脱板72限制所述缓冲切削模块3在支承体2上的运动。

实施例12

如图35、图36所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：所述缓冲切削模块3通过防脱板72和防脱螺钉72安装在刀翼21上，防脱板72限制所述缓冲切削模块3在刀翼21上的轴向运动，防脱螺钉72限制所述缓冲切削模块3在刀翼21上的周向运动。如图35、图36所示，左上标号72的为防脱板，右下标号72的为防脱螺钉，图36为图35的A-A剖视图。

实施例13

如图25、37、38所示，本实施例与实施例1区别在于：所述刀翼21上的全部或大部分切削齿位于同一个缓冲模块3上，缓冲模块3能绕缓冲模块转动中心相对刀翼转动，模块的背部承载面与刀翼之间设有缓冲件51，在工作过程中，模块上的切削齿切削岩石时，模块在切削载荷的作用下绕其转动中心转动，通过缓冲件实现缓冲作用。此外，如图37、38所示，缓冲模块3通过防脱板72和防脱螺钉72安装在刀翼21上，防脱板72为能同时覆盖刀翼21前面和布齿面的一体式弯折形金属板，用于限制所述缓冲切削模块3在刀翼21上的轴向运动和周向运动，防脱螺钉72用于将防脱板72固定在刀翼21上。如图37标号72的为防脱螺钉，图38所示标号72的为防脱板，图38为图37的俯视图。

实施例14

如图20、图21、图32所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：缓冲切削模块3上的切削元件32包括PDC齿、锥形齿、斧形齿和/或椭圆齿，其中图20所示缓冲切削元件为PDC齿和锥形齿，图21所示缓冲切削元件斧形齿，图32所示缓冲切削元件椭圆齿。

实施例15

如图22所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：缓冲切削模块3安装在刀翼21上，且缓冲模块切削齿32与刀翼21上的切削元件4共同构成前后两排切削结构。图22中标号32的为缓冲切削模块上的切削齿，标号4的为刀翼21上的固定切削齿。

实施例16

如图23所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：在缓冲切削模块3的背部承载面相对于钻头中心线倾斜设置，即缓冲切削模块3的背部承载面与钻头中心线存在夹角α，并通过防脱结构71限制缓冲切削模块3在支承体2上的运动。此外，缓冲切削模块与支承体之间通过柱面或球面铰接，使缓冲切削模块能够绕柱面或球面中心旋转。

实施例17

如图22、图23所示，在缓冲切削模块3的背部承载面同时设置有弹性垫片51和缓冲保护结构53。

上述方案中，缓冲件与支撑体或刀翼之间设置有缓冲保护结构，由于切削元件受到的瞬时冲击载荷很大，极有可能超出缓冲件承载范围，缓冲保护结构的存在将在一定程度上对缓冲件进行保护，从而延长缓冲件的寿命。

实施例18

如图16所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：在缓冲切削模块3的背部承载面设置有弹性垫片51和碟簧52，缓冲切削模块3的底部承载面为球面或柱面，并通过该球面或柱面与具有匹配曲面的垫块54铰接，使缓冲切削模块能够绕柱面或球面中心旋转。此外垫块54下方进一步设置弹性垫片51和碟簧52，使模块能够同时完成沿钻头周向、轴向的伸缩以及绕铰接中心的旋转。

实施例19

如图26所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：缓冲切削模块3的切削齿的覆盖范围为钻头径向外三分之二半径区域内，作为优选，缓冲切削模块3的切削齿的覆盖范围为钻头径向内三分之二半径区域内，如图27所示。

实施例20

如图39所示，本实施例与实施例1区别在于：钻头为盘刀式PDC钻头，钻头上包括运动切削元件81(具有切削齿的旋转盘刀)，在钻头的固定刀翼上设置有安装槽，缓冲切削模块3放置在安装槽内，通过防脱板72将缓冲切削模块3固定在钻头的固定刀翼21上。

实施例21

如图40所示，本实施例与实施例1区别在于：钻头为PDC-牙轮复合钻头，钻头上包括运动切削元件牙轮82，在钻头的固定刀翼上设置有安装槽，缓冲切削模块3放置在安装槽内，通过防脱板72将缓冲切削模块3固定在钻头的固定刀翼21上。

实施例22

如图41所示，本实施例与实施例1区别在于：钻头为PDC-冲头复合钻头，钻头上包括运动切削元件冲头83，在钻头的固定刀翼上设置有安装槽，缓冲切削模块3放置在安装槽内，通过防脱板72将缓冲切削模块3固定在钻头的固定刀翼21上。

实施例23

如图42所示，本实施例与实施例1区别在于：钻头为盘刀式PDC钻头，钻头上包括运动切削元件盘刀81(具有切削齿的旋转盘刀)，在钻头的支承体22设置有安装孔，盘刀81放置在安装孔内，在盘刀和支承体之间设置有缓冲件51，通过防脱螺钉72将盘刀固定在钻头的支承体22上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。

前述本发明各实施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，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 (10)

1.一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，其特征在于：钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。

2.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：钻头体上具有支撑体，在一个或多个支承体上设置有缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与支撑体之间。

3.如权利要求2所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：钻头体上具有刀翼，在一个或多个刀翼上设置有切削元件和缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与刀翼之间。

4.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在模块基体的背部承载面、底部承载面、侧承载面中的至少一个承载面与钻头体之间设置有缓冲件。

5.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在钻头体上设置有安装槽或安装孔，缓冲切削模块设置在安装槽或安装孔中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽或安装孔的内表面之间设置有缓冲件。

6.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：缓冲件为弹簧、高分子弹性件、弹性垫片的任意一种，或由任意两种及两种以上组合或复合而成。

7.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：缓冲件与钻头体之间设置有缓冲保护结构。

8.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在钻头体上设置有防脱槽，防脱槽包括燕尾型、T型、L型防脱槽，缓冲切削模块设置在防脱槽中，且在模块基体与防脱槽的内表面之间设置有缓冲件；或者，缓冲切削模块上设有防脱孔，至少1个螺栓或螺钉通过防脱孔与钻头体相连接，防脱孔与螺栓或螺钉的相应表面之间有间隙；或者，在钻头体上装有缓冲切削模块的位置设置有防脱板。

9.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在模块基体的背部承载面相对于钻头中心线倾斜设置。

10.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：缓冲切削模块能够相对钻头体转动。