CN113187403A - 一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头本体和刀翼，刀翼延伸自钻头本体，刀翼上设置有切削齿，所述钻头上设置有至少一个缓冲结构，与钻头滑动连接，所述缓冲结构包括滑块缓冲元件、滑槽、复位装置和限位块；所述缓冲结构与井底岩石面接触且在受力作用下，朝着相对位置低的方向滑动；所述缓冲结构与井底岩石面脱离且在复位装置作用下复位，朝着相对位置高的初始位置滑动。本发明能够在定向钻井等复杂工况下，或钻进复杂地层条件下，切削齿受到冲击载荷时，通过缓冲结构的往复滑动，吸收冲击载荷，减少或避免切削齿冲击损坏；而当钻头稳定切削时，缓冲结构能够滑动到预定的低位，降低限制吃深效应，保障钻头破岩效率。

Description

一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头。

背景技术

深井和超深井复杂难钻地层钻井技术和定向钻井技术是目前和未来油气资源开发的关键技术。深井和超深井复杂难钻地层地质条件复杂，岩石强度高，地层软硬交错，不均质性强，研磨性强，地层岩性多变而难以预测等，从而带来钻头不稳定的切削运动和受力状况，包括各种形式的振动，这加剧了钻头及其切削齿的冲击损坏，严重缩短钻头使用寿命，使复杂难钻的程度进一步提高。

PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头作为油气钻井中使用最多的钻头，其完成的钻进进尺已超过世界钻井总进尺的90％。PDC钻头独特的钻井安全性、切削结构形式的灵活性以及剪切破岩的高效切削性使得这种钻头在中硬以下地层破岩效率高、工作寿命长，但对复杂难钻条件的适应性较差，钻头寿命严重下降，突出表现在复合片的抗冲击能力不足—复合片金刚石层的脆性崩裂是钻头在硬地层、不均质地层钻进时的主要失效形式，也是制约PDC钻头在复杂难钻地层应用的技术瓶颈。

PDC钻头在钻遇软硬不均质地层时，冠顶部位的切削齿及线速度高的外部切削齿钻过软硬交界面时会受到较大的冲击载荷，因而容易发生崩裂失效。PDC钻头在硬地层钻进过程中，总是存在着不同程度的振动，包括横振、纵振(跳钻)、扭振(粘滑振动)等，由于钻头切削齿与岩石之间的接触应力高，所以当钻头在井底发生复杂振动时，PDC齿上冲击大，导致PDC齿崩损甚至直接冲击损坏。

定向钻井是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术，在定向钻井中，钻头在井底的切削运动比常规钻进更复杂，钻头切削齿的受力不均衡程度和冲击载荷也更大。特别是在复合钻进条件下，由于“钻杆公转+螺杆自转”并存的复合驱动方式，以及钻头在螺杆弯头上的倾斜工作姿态，使得钻头转速高，切削齿载荷严重不均衡、冲击更严重，而且钻头内锥部切削齿还可能受到反向冲击力，导致钻头失效。

因此如何增加PDC钻头在深部难钻地层中和定向钻进条件下的工作寿命，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，是延长井下钻具和钻头的使用寿命，是提高钻井效率的重要技术难题。

在钻头上设置缓冲结构被认为是缓解上述问题的有效办法，如，一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头(申请号：201810138571.X)，该专利提出在刀翼前方延伸出一个缓冲基座，在缓冲基座上设置缓冲元件，在钻进复杂难钻地层时，能够有效较小周向跨度，而减弱周向冲击振动，同时缓冲元件还能分担部分的轴向钻压，减小轴向冲击，起到保护PDC齿的作用；包括可被动调节的冲击性改动构件的钻地(申请号：201680074469.7)，该专利在钻头上设置自适应调节装置，能够根据地层的软硬程度控制自适应结构中的缓冲结构的伸缩速度，以达到缓冲效果。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提出一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，利用滑槽轨迹及复位装置实现钻头切削齿切削深度的自适应，在钻头钻遇振动时滑块缓冲元件承受冲击载荷和振动，达到保护钻头切削齿延长钻头使用寿命的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头本体和刀翼，刀翼延伸自钻头本体，所述刀翼上设置有切削齿，所述钻头上设置有至少一个缓冲结构，其特征在于：所述缓冲结构从钻头表面突出，与钻头滑动连接，所述缓冲结构包括滑块缓冲元件、滑槽、复位装置和限位块。

所述滑块缓冲元件在滑槽内往复滑动。

所述滑块缓冲元件在自由状态下处于初始位置，相对位置高，与井底岩石接触区域大，以承受冲击载荷和振动。

所述滑块缓冲元件与井底岩石面接触且在受力作用下，朝向与钻头切削的反方向、相对位置低的方向滑动，以减少或避免滑块缓冲元件对切削齿切削深度的影响。

所述滑块缓冲元件与井底岩石面脱离且在复位装置作用下复位，即朝着相对位置高的初始位置滑动，以在钻遇振动时实现缓冲。

上述方案中，所述滑块缓冲元件、复位装置和限位块安装在滑槽内，在外力和复位装置作用下滑块缓冲元件沿滑槽在一定行程内往复滑动，从而实现钻头切削齿切削深度自适应。

为表示方便，滑块缓冲元件向外滑动是指滑块缓冲元件由初始位置向低位滑动，即由高于切削齿位置滑向低于切削齿位置，则滑块缓冲元件向内滑动是指滑块缓冲元件由低位向初始位置复位，即由低于切削齿位置滑向高于切削齿位置。

钻头稳定钻进时，由于滑块缓冲元件与井底岩石接触而受力，滑块缓冲元件能够持续慢速稳定地滑动至低于切削齿的位置并保持，钻头切削齿吃入并破碎岩石正常钻进，切削齿切削深度逐渐加深，钻头切削能力逐渐增加，从而维持钻头较快的机械钻速；钻遇振动时，由于复位装置的作用，滑块缓冲元件快速回到初始位置，使得滑块缓冲元件高于钻头切削齿从而承载，可有效地避免钻头切削齿切削深度瞬间过大的情况，保护钻头切削齿，之后滑块缓冲元件继续向外滑动，如此便实现了切削齿切削深度地自适应调节。

特别地，在定向钻井过程中，由于钻头上部带有弯螺杆，钻头自转轴线与钻柱公转轴线不重合，其夹角为θ，即钻头除了自转运动外，还具有绕钻柱公转轴线的公转运动，此时井眼直径比钻头直径大。由于井眼直径的扩大，在定向钻井时，钻头只有一侧与井壁接触，存在钻头刀翼轮流切削井壁的情况，当从一个刀翼接触井壁切换到另外一个刀翼接触井壁时，由于相邻刀翼之间存在一定的跨度，钻头会受到刀翼切换过程中的冲击载荷。冲击载荷极易导致钻头外部切削齿的快速失效。然而，为了增加造斜效果，还不能降低钻头的侧向切削的能力。因此，在钻头上增加本发明中的缓冲结构，可以减弱刀翼切换过程中产生的冲击，同时还不影响冲击过后切削齿的侧切能力。

本发明的滑动式自适应缓冲结构的工作过程可分为四个阶段：

第一是缓冲阶段。也即刀翼承受冲击的初始阶段。此时滑块缓冲元件处于初始位置，以及开始向低位滑动的初期，此时滑块缓冲元件高度下降量较少，在此阶段中，滑块缓冲元件与井底岩石的接触区域较大，能发挥较好的缓冲作用。

第二是缓冲效应(或限制吃深效应)锐减阶段。此阶段中，滑块缓冲元件处于向最低位滑动的中后期，限制吃深效应显著降低，直至达到最低位。

第三是稳定阶段。此时滑块缓冲元件处于最低位，限制吃深效应最弱，相应刀翼处于稳定切削阶段。

第四是复位阶段。切削齿的切削深度逐渐减小，滑块缓冲元件逐渐向与井底脱离接触方向运动，此时，滑块缓冲元件在复位装置的作用下快速复位。

作为选择，所述缓冲结构在自由状态下时，所述缓冲结构与井底岩石面接触的最高点与切削齿齿刃最高点之间的高度差h为：-D≤h≤D，D为切削齿的直径。

作为选择，所述滑槽设置在钻头刀翼上，切削齿前方或后方或与切削齿并置，其在钻头轴向具有高度差d。

作为选择，同一刀翼上，可设置多个所述的滑动式自适应缓冲结构，所述多缓冲结构滑块缓冲元件之间设置高度差L。通过合理设计多缓冲结构之间的高度差L可实现多级连续的自适应控制，有利于进一步降低振动，保护切削齿，而当其中某一缓冲结构失效时，其他结构仍可正常工作。

作为选择，所述滑槽轨迹为直线型。直线型滑槽更有利于滑块缓冲元件的滑动和复位。

作为进一步选择，所述直线型滑槽轨迹，其轨迹线与钻头刀翼中心线之间夹角为α(0°≤α≤180°)。

作为另一选择，所述滑槽轨迹为圆弧型。圆弧型滑槽轨迹更贴合钻头及切削齿运动轨迹。设计时可根据设计要求及实际需要选择合适的圆弧半径R。

作为进一步选择，所述圆弧型滑槽轨迹沿钻头轴向。

作为另一进一步选择，所述圆弧型滑槽轨迹沿钻头周向。

作为另一选择，所述滑槽轨迹为曲线型。曲线型滑槽轨迹为“先缓后急”分段式设计，钻头钻进时，推动滑块缓冲元件沿滑槽滑动，“较缓段”高度变化小，滑动速度较慢，滑块缓冲元件保持在高于钻头切削齿的位置，以使滑块缓冲元件承受冲击和振动；“较急段”高度变化大，滑块缓冲元件持续沿滑轨以较快速度滑动，滑块缓冲元件快速滑动到低于钻头切削齿的位置，钻头切削齿吃入岩石，钻头正常钻进，“先缓后急”的曲线型滑槽轨迹可控制滑块缓冲元件滑动速度以使滑块缓冲元件能够承载达到更好的自适应调节效果。

作为进一步选择，所述曲线型滑槽轨迹沿钻头轴向。

作为另一进一步选择，所述曲线型滑槽轨迹沿钻头周向。

作为选择，所述滑槽为燕尾槽。燕尾槽运动稳定，导向性好。

作为另一选择，所述滑槽为T型槽。T型槽承载能力强。

作为另一选择，所述滑槽为圆弧槽。圆弧槽能够更好的配合圆弧型和曲线型滑槽轨迹，能够满足其小曲率的要求。

作为选择，所述滑动式自适应缓冲结构设置有复位装置。所述复位装置配合滑槽轨迹实现滑块缓冲元件滑动速度控制，包括弹性元件或者液压结构，其在滑块缓冲元件向外滑动时产生阻力，使得滑块缓冲元件能够以较慢速度向低于切削齿位置滑动；其在滑块缓冲元件向内滑动时提供较大的恢复力，使得滑块缓冲元件快速滑动回初始位置。

作为进一步选择，所述复位装置为弹簧或者橡胶材料或者二者的组合。弹簧及橡胶材料可提供较好的复位力，且结构简单，能较好地满足滑动式自适应缓冲结构小空间的要求。

作为另一进一步选择，所述复位装置为液压结构。液压结构能够提供稳定的复位力，可靠性强。

作为选择，所述滑动式自适应缓冲机构的滑块缓冲元件上设置有切削齿，切削齿平置或设置较大的前倾角以避免复合片直接承受冲击。通过在滑块缓冲元件上设置切削齿，使得滑块缓冲元件具有一定的辅助破岩能力，在钻进时由于其先接触岩石，对岩石进行预破碎，可提高钻头切削齿的破岩效率。其中切削齿可为常规PDC齿，也可为锥形齿、斧形齿、三棱齿等其他各种齿形。

作为另一选择，所述滑动式自适应缓冲结构的滑块缓冲元件上设置有滚动体，其可绕销轴旋转。通过在滑块缓冲元件上设置滚动体，其在工作过程中能够滚动，滚动可减轻滑块缓冲元件与地层岩石之间的摩擦，减缓滑块缓冲元件磨损，延长自适应缓冲结构及钻头使用寿命。

作为另一选择，所述滑动式自适应缓冲结构的滑块缓冲元件上设置有耐磨层。通过在滑块缓冲元件上设置耐磨层，可增加滑块缓冲元件的耐磨性，提高缓冲结构的使用寿命。

作为选择，所述滑动式自适应缓冲结构应用于复合钻头。复合钻头通常包含了活动切削结构或破岩结构，在钻进过程中会产生振动。因此，在复合钻头上设置滑动式自适应缓冲结构有利于保护固定切削结构上的切削齿及钻头。

作为选择，所述滑动式自适应缓冲结构的限位块通过焊接等方式固定安装在滑槽端面，以防止滑块缓冲元件脱离滑槽。

此外，作为选择，所述滑动式自适应缓冲结构可设置密封装置。密封装置可有效地密封滑槽，避免滑块缓冲元件与滑槽之间的滑动副受损而无法实现自适应调节。

本发明的有益效果：

1、滑动式自适应缓冲结构能够实现钻进效果的优化，特别在定向钻进和难钻地层复杂工况下可以动态地调整PDC钻头切削齿的切削深度，避免或减缓冲击振动，降低切削齿冲击载荷，减轻钻头损坏程度，提高钻头使用寿命和钻进效率。

2、通过滑动式自适应缓冲结构滑槽轨迹和复位装置的配合，可控制滑块缓冲元件滑动速度，使滑块缓冲元件能够承载实现更有效的自适应调节效果。

3、钻头稳定钻进时，滑块缓冲元件能够持续稳定的滑动并保持在低于切削齿的位置，从而维持钻头较快的的机械钻速；钻遇振动时，由于复位装置的作用，滑块缓冲元件快速回到初始位置，使得滑块缓冲元件高于钻头切削齿从而承载，可有效地避免钻头切削齿切削深度瞬间过大的情况，保护钻头切削齿。

4、在钻头上设置滑动式自适应缓冲结构，可以减少定向钻井过程中刀翼切换时产生的冲击，同时不影响冲击过后切削齿的侧切能力。

5、滑动式自适应缓冲结构机械结构简单，无电子元件，能够适应井下恶劣的工况条件。即使在使用过程中失效，也可作为固定缓冲结构，不影响钻头继续工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1的钻头结构示意图。

图2为本发明实施例1图1的俯视图。

图3为本发明实施例1滑动式自适应缓冲结构的工作原理示意图。

图4为本发明实施例1的直线型滑槽示意图。

图5为本发明实施例1的直线型滑槽轨迹示意图。

图6为本发明实施例1的滑槽截面形状示意图。

图7为定向钻井中钻头工作姿态示意图。

图8为本发明实施例2的沿钻头轴向圆弧型滑槽轨迹示意图。

图9为本发明实施例3的沿钻头轴向曲线型滑槽轨迹示意图。

图10为本发明实施例4的沿钻头周向圆弧型滑槽轨迹示意图。

图11为本发明实施例5的沿钻头周向曲线型滑槽轨迹示意图。

图12为本发明实施例5的“先缓后急”分段式曲线轨迹示意图。

图13为本发明实施例6的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中滑块缓冲元件设置有倾角。

图14为本发明实施例7的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中复位装置为液压结构。

图15为本发明实施例8的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中设置多缓冲结构。

图16为本发明实施例8的滑槽轨迹示意图。

图17为本发明实施例9的滑动式自适应缓冲结构示意图，其设置于切削齿前方。

图18为本发明实施例9的滑槽轨迹示意图。

图19为本发明实施例10的滑槽轨迹示意图，其与相邻齿并置。

图20为本发明实施例11的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中滑块缓冲元件上设置有切削齿。

图21为本发明实施例12的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中滑块缓冲元件上设置有滚动体。

图22为本发明实施例13的滑动式自适应缓冲结构示意图，其中滑块缓冲元件上设置有耐磨层。

图23为本发明实施例14的示意图，其中滑动式自适应缓冲结构应用于牙轮式PDC复合钻头。

图中标记：1-钻头体、100-弯螺杆、121钻头自转轴线、122-钻柱公转轴线、2-刀翼、3-钻头切削齿、4滑动式自适应缓冲结构、41-滑块缓冲元件、41a-滑块缓冲元件a、41b-滑块缓冲元件b、411-滑块缓冲元件切削齿、412-滚动体、413-销轴、414-耐磨层、42-滑槽、42a-滑槽a、42b-滑槽b、421-滑槽轨迹线、43-复位装置、431-推杆、432-阀体、4321-节流阀、4322-单向阀、4331-第一腔室、4332-第二腔室、434-复位活塞、435复位弹簧、44-限位块；h-滑块缓冲元件与井底岩石面接触的最高点与切削齿齿刃最高点之间的高度差、D-切削齿的直径、d-滑槽高度差、α-滑槽轨迹线与刀翼中心线夹角、θ-钻头自转轴线与钻柱公转轴线的夹角、r、R-圆弧型滑槽轨迹半径、L-多滑块缓冲元件之间的高度差。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

本发明提供一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头本体1和刀翼2，刀翼2延伸自钻头本体1，所述刀翼2上设置有切削齿3，所述钻头上设置有至少一个缓冲结构4，其特征在于：所述缓冲结构4从钻头表面突出，与钻头滑动连接，所述缓冲结构包括滑块缓冲元件41、滑槽42、复位装置43和限位块44；

所述滑块缓冲元件41在滑槽42内往复滑动；

所述滑块缓冲元件41在自由状态下处于初始位置，相对位置高，与井底岩石接触区域大，以承受冲击载荷和振动；

所述滑块缓冲元件41与井底岩石面接触且在受力作用下，朝向与钻头切削的反方向、相对位置低的方向滑动，以减少或避免滑块缓冲元件对切削齿切削深度的影响；

所述滑块缓冲元件41与井底岩石面脱离且在复位装置43作用下复位，即朝着相对位置高的初始位置滑动，以在钻遇振动时实现缓冲；

如图1至图6所示，为发明本实施例1的钻头结构及滑动式自适应缓冲结构4示意图。具体地，所述滑块缓冲元件41、弹簧复位装置43和限位块44安装在滑槽42内，在外力和弹簧复位装置43作用下，滑块缓冲元件41沿滑槽42在一定行程内往复滑动，滑动时可高于或低于钻头切削齿3，从而实现钻头切削齿切削深度自适应。在自由状态下时，所述滑块缓冲元件4与井底岩石面接触的最高点与切削齿3齿刃最高点之间的高度差h为：-D≤h≤D，D为切削齿(3)的直径。

在本实施例中，所述滑槽42滑槽轨迹为直线型，其轨迹线421与钻头刀翼中心线之间夹角为α(0°≤α≤180°)，图示为α＝90°，滑槽设置在钻头刀翼2上切削齿3后方，其在钻头轴向具有高度差d，滑槽为燕尾槽、T型槽或者圆弧槽。所述弹簧复位装置43设置在滑槽42内与滑块缓冲元件41、限位块44和刀翼2连接，在滑块缓冲元件41滑动过程中可被拉伸或压缩。所述限位块44通过焊接等方式固定安装在滑槽42端面，以防止滑块缓冲元件41脱离滑槽42。

钻头稳定钻进时，由于滑块缓冲元件41与井底岩石接触而受力，滑块缓冲元件41能够持续慢速稳定地滑动至低于切削齿3的位置并保持，钻头切削齿3吃入并破碎岩石正常钻进，切削齿3切削深度逐渐加深，钻头切削能力逐渐增加，从而维持钻头较快的的机械钻速；钻遇振动时，由于弹簧复位装置43的作用，滑块缓冲元件41快速回到初始位置，使得滑块缓冲元件41高于钻头切削齿3从而承载，可有效地避免钻头切削齿3切削深度瞬间过大的情况，保护钻头切削齿3，之后滑块缓冲元件41继续向外滑动，如此便实现了切削齿3切削深度地自适应调节。

本发明所述的滑动式自适应缓冲结构4的工作过程可分为四个阶段：

第一是缓冲阶段。也即刀翼2承受冲击的初始阶段。此时滑块缓冲元件41处于初始位置，以及开始向低位滑动的初期，此时滑块缓冲元件41高度下降量较少，在此阶段中，滑块缓冲元件41与井底岩石的接触区域较大，能发挥较好的缓冲作用。。

第二是缓冲效应锐减阶段。此阶段中，滑块缓冲元件41处于向最低位滑动的中后期，限制切深效应显著降低，直至达到最低位。

第三是稳定阶段。此时滑块缓冲元件41处于最低位，限制切深效应最弱，相应刀翼2处于稳定切削阶段。

第四是复位阶段。切削齿3的切削深度逐渐减小，滑块缓冲元件41逐渐向与井底脱离接触方向运动，此时，滑块缓冲元件41在弹簧复位装置43的作用下快速复位。

特别地，在定向钻井过程中，钻头的运动姿态如图7所示。由于钻头上部带有弯螺杆100，钻头自转轴线121与钻柱公转轴线122不重合，其夹角为θ，即钻头除了自转运动外，还具有绕钻柱公转轴线122的公转运动，此时井眼直径比钻头直径大。由于井眼直径的扩大，在定向钻井时，钻头只有一侧与井壁接触，存在钻头刀翼2轮流切削井壁的情况，当从一个刀翼接触井壁切换到另外一个刀翼接触井壁时，由于相邻刀翼之间存在一定的跨度，钻头会受到刀翼2切换过程中的冲击载荷。冲击载荷极易导致钻头外部切削齿的快速失效。然而，为了增加造斜效果，还不能降低钻头的侧向切削的能力。因此，在钻头上增加本专利中的缓冲结构，即可以减弱刀翼切换过程中存在的冲击，还不影响冲击过后切削齿的侧切能力。

实施例2

如图8所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑槽42为圆弧型，其轨迹线421沿钻头轴向。

本实施例中，采用直线段和圆弧段结合的滑槽轨迹，其中T1为直线段，该直线段斜率小，在钻头轴向高度变化不大，滑块缓冲元件在直线段T1滑动时，滑动速度较慢，以承受冲击载荷和振动；T2为圆弧段，半径为r，该圆弧段曲率小，在钻头轴向高度差较大，滑块缓冲元件在圆弧段的滑动速度大于其在直线段的滑动速度。如此设计滑槽轨迹，有利于滑块缓冲元件在起始阶段承受冲击载荷后快速回缩，从而不影响钻头的正常钻进。滑槽为圆弧槽，圆弧槽能够更好的配合圆弧型滑槽轨迹，满足其小曲率的要求。

实施例3

如图9所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑槽42为曲线型，其轨迹线421沿钻头轴向。

本实施例中，曲线型滑槽轨迹设计为“先缓后急”，其中T1为“较缓段”，T2为“较急段”。钻头钻进时，推动滑块缓冲元件沿滑槽滑动，“较缓段”T1高度差较小，滑块缓冲元件41滑动速度较慢，滑块缓冲元件41可保持在高于钻头切削齿3的位置，以使滑块缓冲元件41承受冲击和振动；“较急段”T2高度差较大，滑块缓冲元件41持续沿滑轨42以较快速度滑动，滑块缓冲元件41快速滑动到低于钻头切削齿3的位置，钻头切削齿3吃入岩石，钻头正常钻进，“先缓后急”的曲线型滑槽轨迹421可实现滑块缓冲元件41滑动速度的控制，以使滑块缓冲元件41能够在初始阶段承载，之后钻头切削吃入岩石正常钻进获取较快的机械钻速，达到更好的自适应调节效果。滑槽为圆弧槽，圆弧槽能够更好的配合曲线型滑槽轨迹，满足其小曲率的要求。

实施例4

如图10所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑槽42为圆弧型，且其轨迹线421沿钻头周向。

本实施例中，沿钻头周向圆弧型滑槽轨迹421更贴合钻头及切削齿3实际运动轨迹，能够推动滑块缓冲元件41持续稳定地滑动。

实施例5

如图11至图12所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑槽42为曲线型，且其轨迹线421沿钻头周向。

本实施例中，沿钻头周向曲线型滑槽轨迹为“先缓后急”分段式设计。

实施例6

如图13所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑块缓冲元件41设置有倾角，且其倾斜方向与钻头及切削齿运动方向相反。

本实施例中，滑块缓冲元件设置倾角能够降低滑块缓冲元件的安装精度，提高设计效率。滑块缓冲元件倾斜方向与钻头及切削齿运动方向相反，钻头及切削齿的运动能够为滑块缓冲元件滑动提供持续的推动力，更利于滑块缓冲元件的滑动。

实施例7

如图14所示，本实施例与实施例6基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲结构4的复位装置43为液压结构。

本实施例中，如图所示，液压结构包括推杆431、阀体432、节流阀4321、单向阀4322、第一腔室4331、第二腔室4332、复位活塞434及复位弹簧435。推杆431与滑块缓冲元件41为球铰连接，当滑块缓冲元件41受外力作用沿滑槽42向外滑动时，推动推杆431压缩第一腔室4331，其中的液压流体经节流阀4321以缓慢速度流向第二腔室4332，以使滑块缓冲元件41以缓慢速度向外滑动，以承受冲击及振动；而复位时，复位弹簧435推动活塞434压缩第二腔室4322，其中的液压流体经单向阀4332快速流向第一腔室4331，推杆快速回缩，滑块缓冲元件快速复位。液压机构能够提供稳定的复位力，可靠性强。上述结构中也可在滑槽42中设置弹簧元件，配合液压结构提供更加稳定的复位力。

实施例8

如图15至图16所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：同一刀翼2上设置有多个滑动式自适应缓冲结构4，图示为两个。

本实施例中，通过合理设计多缓冲结构之间的高度差L可实现多级连续的自适应控制，有利于进一步降低振动，保护切削齿，而当其中某一缓冲结构失效时，其他结构仍可正常工作。

实施例9

如图16至图17所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲结构4的滑槽42设置在切削齿3前方。

本实施例中，通过将滑动式自适应结构的滑槽设置在切削齿前方，当钻遇振动时，缓冲结构最先接触岩石，能对切削齿形成有效保护，避免了切削齿切削深度瞬间过大的情况，减少了切削齿上的冲击，有利于延长钻头寿命。

实施例10

如图18所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲结构4与相邻切削齿3并置。

实施例11

如图19所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲机构4的滑块缓冲元件41上设置有切削齿411，图示为设置常规PDC齿和锥形齿的情况。

本实施例中，通过在滑块缓冲元件上设置切削齿，切削齿平置或设置较大前倾角以避免复合片直接承受冲击载荷，且使得滑块缓冲元件具有一定的破岩能力，在钻进时由于其先接触岩石，对岩石进行预破碎，可提高钻头切削齿的破岩效率。其中切削齿411可为常规PDC齿，也可为锥形齿、斧形齿、三棱齿等其他各种齿形。

实施例12

如图20所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲结构4的滑块缓冲元件41上设置有滚动体412，其可绕销轴413旋转。

本实施例中，通过在滑块缓冲元件上设置滚动体，其在工作过程中能够滚动，滚动可减轻滑块缓冲元件与地层岩石之间的摩擦，减缓滑块缓冲元件磨损，延长自适应缓冲结构及钻头使用寿命。

实施例13

如图21所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应缓冲结构4的滑块缓冲元件41上设置有耐磨层414。

本实施例中，通过在滑块缓冲元件上设置耐磨层，可增加滑块缓冲元件的耐磨性，提高缓冲结构的使用寿命。

实施例14

如图22所示，本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述滑动式自适应结构4应用于复合钻头。

本实施例中，本发明所提出的滑动式自适应缓冲结构技术方案同样适用于牙轮式PDC复合钻头，包括但不限于。

上文描述的以及附图中示出的本公开的实施方案并不限制本公开的范围，而是通过随附权利要求及其合法等效物的范围来涵盖本公开的范围。任何等效实施方案都在本公开的范围内。实际上，根据前面的描述，除了本文所示和所述的那些诸如所述元件的另选有用组合之外，本公开的各种改进对于本领域技术人员而言都是显而易见的。此类改进和实施方案都在随附权利要求和等效物的范围内。

Claims (12)

1.一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头本体(1)和刀翼(2)，刀翼(2)延伸自钻头本体(1)，所述刀翼(2)上设置有切削齿(3)，所述钻头上设置有至少一个缓冲结构(4)，其特征在于：所述缓冲结构(4)从钻头表面突出，与钻头滑动连接，所述缓冲结构包括滑块缓冲元件(41)、滑槽(42)、复位装置(43)和限位块(44)；

所述滑块缓冲元件(41)在滑槽(42)内往复滑动；

所述滑块缓冲元件(41)在自由状态下处于初始位置，相对位置高，与井底岩石接触区域大，以承受冲击载荷和振动；

所述滑块缓冲元件(41)与井底岩石面接触且在受力作用下，朝向与钻头切削的反方向、相对位置低的方向滑动，以减少或避免滑块缓冲元件对切削齿切削深度的影响；

所述滑块缓冲元件(41)与井底岩石面脱离且在复位装置(43)作用下复位，即朝着相对位置高的初始位置滑动，以在钻遇振动时实现缓冲。

2.如权利要求1所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲结构(4)在自由状态下时，所述缓冲结构(4)与井底岩石面接触的最高点与切削齿(3)齿刃最高点之间的高度差h为：-D≤h≤D，D为切削齿(3)的直径。

3.如权利要求1所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述滑槽(42)设置在钻头上，切削齿(3)后方或前方或与切削齿并置，其在钻头轴向具有高度差d。

4.如权利要求1或3所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述滑槽，其轨迹线(421)为直线型，或者为圆弧型，或者为曲线型。

5.如权利要求1或3或4所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述直线型滑槽轨迹，其轨迹线(421)与钻头刀翼中心线之间夹角为α(0°≤α≤180°)。

6.如权利要求1或3或4所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述圆弧型滑槽轨迹(421)沿钻头轴向，或者沿钻头周向。

7.如权利要求1或3或4所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述曲线型滑槽轨迹(421)沿钻头轴向，或者沿钻头周向。

8.如权利要求1或3或7所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述曲线型滑槽轨迹(421)为“先缓后急”分段式设计。

9.如权利要求1或3所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述滑槽(42)为圆弧槽，或者为燕尾槽，或者为T型槽。

10.如权利要求1所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所属滑块缓冲元件(41)上设置有切削齿，或者所述滑块缓冲元件(41)上设置有滚动体，或者所述滑块缓冲元件(41)设置有耐磨层。

11.如权利要求1所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述复位装置(43)为弹性元件，或者为液压结构。

12.如权利要求1所述的一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：所述滑动式自适应结构(4)应用于复合钻头。

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