CN114526015A - 一种交叉切削pdc钻头及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉切削PDC钻头及设计方法，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，固定切削结构上布置有第一组切削齿，钻头上还包括具有第二组切削齿的活动切削结构、轴向往复运动发生器和传动机构，活动切削结构在轴向往复运动发生器及传动机构的共同作用下，使活动切削结构上的第二组切削齿在随钻头体作周向运动的同时还产生径向位置的往复变化。当钻头在井下旋转钻进时，第一组切削齿、第二组切削齿在井底上的切削运动轨迹相互交叉，实现交叉切削，提高钻头的破岩效率和侵入能力。

Description

一种交叉切削PDC钻头及设计方法

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩 工具领域，具体的讲涉及一种交叉切削PDC钻头及设计方法。

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。

聚晶金刚石复合片钻头(即PDC钻头)是钻井工程中使用的主要钻头之一。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，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻 速高，寿命长、钻进成本低，在钻井工程中得到广泛使用。

冠部轮廓(亦称切削轮廓)是钻头重要的结构特征之一，与钻头布齿密度、工作受力及水 力结构紧密相关。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部(冠顶区域)、 外锥、肩部和保径五部分。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，切削齿的 齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿 的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓线指在井底覆盖图中，所有 齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。

现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头(钻头上无运动部件)，作为切削元件的聚晶金刚石 复合片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。喷射孔又称喷嘴，可 以是直接设置在钻头体上的固定式喷嘴，也可以是安装在钻头上的可替换式喷嘴。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(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。

现有的PDC钻头在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性、不均质性地层)时，不仅钻 进效率受到限制，其使用寿命也不理想。其主要原因是：第一，在岩石的强度或硬度较高时， PDC齿难以吃入岩石以形成有效的刮切，特别是当PDC齿有磨损后，牙齿更加难以吃入地层， 钻头的机械钻速会急剧降低。第二，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量 会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致 热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿 的热磨损现象)的发生。第三，PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一 般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿， 切削齿磨损均衡性差，从而降低了钻头的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种交叉切削PDC钻头及设计方法，在固定切削齿钻头的基础 上增加活动切削结构，活动切削结构可实现相对于钻头体的往复移动或摆动，与固定切削结 构共同切削岩石，提高钻头的破岩效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种交叉切削PDC钻头及设计方法，包括钻头体1和固结在钻头体1上的固定切削结构2， 所述固定切削结构2上布置有第一组切削齿21，其特征在于：所述钻头上还包括具有第二组 切削齿31的活动切削结构3、传动机构5和设有轴向往复运动发生器41的轴向推拉短节4。

具体地，钻头体1采用分体式结构，由设有轴向往复运动发生器41的轴向推拉短节4和 设有固定切削结构2和活动切削结构3的切削结构本体7连接而成。轴向推拉短节4和切削 结构本体7通过螺纹连接，如图1所示。活动切削结构3的动力来源于轴向往复运动发生器 41，轴向往复运动发生器41会产生一个周期性的轴向往复运动，通过传动机构5将该轴向往 复运动转化为活动切削结构3沿其布齿轮廓线311的周期性往复移动、摆动或移动和摆动并 存的复合运动。

进一步，第一组切削齿21与第二组切削齿31为聚晶金刚石复合片，也可以为热稳定聚 晶金刚石、天然金刚石以及孕镶金刚石。

作为优选，所述轴向往复运动发生器41是安装在轴向推拉短节4的中空部位的动力机或 安装在轴向推拉短节上的储能弹簧，所述储能弹簧能产生钻头轴线方向上的伸缩变形。

上述方案中，当轴向往复运动发生器41是安装在轴向推拉短节4的中空部位的动力机时， 如图1所示，轴向往复运动发生器41具有一输出轴411，该输出轴通过连接器415与传动机 构5连接并将轴向往复运动发生器41产生的轴向往复运动传递给传动机构5；当轴向往复运 动发生器41是安装在轴向推拉短节4上的储能弹簧时，如图30所示，活动切削结构的动力 来源于储能弹簧41，钻头切削结构本体7采用阶梯轴结构，弹簧41的两个端面圈分别与钻 头切削结构本体7的台阶面72和轴向推拉短节4接触。轴向推拉短节4设置有花键槽43， 阶梯轴71末端设置有花键711，阶梯轴71通过花键711轴与向推拉短节4连接，轴向推拉 短节4可沿阶梯轴71在钻头轴线方向上滑动，花键连接方式如图32所示。轴向推拉短节4通过挤压弹簧41传递钻压，通过花键711传递扭矩，弹簧41受轴向推拉短节4挤压后产生 沿钻头轴线方向上的伸缩变形，轴向推拉短节4与钻头切削结构本体7之间产生钻头轴线上的相对运动。轴向推拉短节4上还设置有防脱螺钉42防止轴向推拉短节4从钻头切削结构本体7上脱落，轴向推拉短节4上的花键槽43底部与钻头体阶梯轴71尾部有一段余量d。当 余量d大于0时，活动切削结构3在传动机构5和弹簧41的驱动下做往复摆动或移动；当余 量d等于0，即花键槽43底部与钻头体阶梯轴71接触后，弹簧41不再变形，活动切削结构 与钻头不发生相对运动，此时该钻头与常规PDC钻头无异。

作为优选，所述传动机构5包括输入轴51、凸轮52和推杆53，所述凸轮52上有凸轮槽， 与推杆53通过销轴532连接。

上述方案中，钻头切削结构本体7开有孔，推杆53从孔内穿出，一端通过销轴(二)532 与凸轮52连接，另一端与活动切削结构3通过销轴(一)531连接，如图1和图3所示。输入轴51的一端与凸轮52采用固连接，另一端通过连接器415与轴向往复运动发生器的输出轴411连接。在钻进过程中轴向往复运动发生器使输入轴51与钻头体1产生轴向相对运动，带动凸轮52沿钻头轴线方向运动，凸轮52通过凸轮槽推动推杆53沿垂直于钻头轴线方向运动。推杆53就会推动活动切削结构3绕转动轴32做往复圆弧摆动。

10.作为优选，所述传动机构包括输入轴51、齿条54和齿轮55，所述输入轴与齿条固 定连接，齿轮与活动切削结构通过转动轴连接。

上述方案中，输入轴51的一端与齿条54固定连接，另一端通过连接器415与轴向往复 运动发生器41的输出轴411连接，具体连接方式如图23所示。活动切削结构3与齿轮55通过转动轴32固连接，转动轴32与固定切削结构2上设置的轴孔转动连接，如图24所示。在 钻进过程中，输入轴51沿钻头轴线方向做往复移动，齿条54与齿轮55啮合使齿轮55绕转 动轴32的轴线O1O2转动，转动轴32通过键323带动活动切削结构3做圆弧摆动，图中311 既是第二组切削齿的运动轨迹线，也是活动切削结构3的布齿轮廓线，布齿轮廓线是指与切 削结构上的切削齿轴面轮廓线相切的包络曲线，311是以转动轴32中心为圆心的圆弧曲线。

作为优选，所述活动切削结构3通过转动轴32与固定切削结构2或固定支座6形成转动 副连接，活动切削结构3的布齿轮廓线311是以转动轴32为圆心的圆弧曲线。

上述方案中，活动切削结构3与固定切削结构2或固定支座6连接，固定切削结构2与 固定支座6的区别在于固定切削结构2上布置有第一组切削齿21而固定支座6上不具有切削 齿。具体地，固定切削结构2或固定支座6上设置有轴孔，活动切削结构3通过转动轴32与 固定切削结构2或固定支座6形成转动连接，活动切削结构3可绕转动轴32作往复圆弧摆动，如图5所示。转动轴32上设有轴向定位结构装置，可以为滚珠定位、卡簧定位、销钉定 位以及它们之间的组合。

作为优选，所述活动切削结构3上设置有滑键33，固定切削结构2或固定支座6上设置 有滑轨22，活动切削结构3与固定切削结构2或固定支座通过滑键联接。

上述方案中，活动切削结构3与固定切削结构或固定支座6的连接方式如图26所示，图 中推杆53与活动切削结构3通过螺纹连接，推动活动切削结构3沿滑轨22作往复直线移动。 本方案中通过改变滑轨22的形状可以控制活动切削结构3的运动轨迹，滑轨的形状可以是直 线或圆弧曲线，活动切削结构3的运动轨迹可以是直线或圆弧曲线，当滑轨与活动切削结构 3的滑键通过间隙配合时，活动切削结构3沿滑轨作往复移动和摆动并存的复合运动。

作为优选，所述第二组切削齿的切削轮廓线312的一段与第一组切削齿的切削轮廓线212 相吻合。

上述方案中，第一组切削齿的切削轮廓线212是指在井底覆盖图中，与第一组切削齿的 轴面轮廓线相切的包络曲线；第二组切削齿的切削轮廓线312是指在井底覆盖图中，与第二 组切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，第二组切削齿的切削轮廓线312在随着活动切削结 构3的摆动或移动而变化的过程中，始终有一段与第一组切削齿的切削轮廓线212吻合，从 而使第一组切削齿21、第二组切削齿31在井底上的切削运动轨迹相互交叉，实现交叉切削， 提高钻头的破岩效率和侵入能力。在共同切削区域内，第二组切削齿的切削轮廓线312各点 到第一组切削齿的切削轮廓线212的最大法向距离，定义为该区域内两轮廓线的不重合度， 如图9所示的D。该法向距离越大，该区域内两轮廓线之间的不重合度越大，不吻合程度越 高。不重合度范围的预定值取决于对第一组切削齿、第二组切削齿的切削深度匹配的设计要 求，本发明中规定：当不重合度预定值在0mm至3mm之间时，称两切削轮廓吻合。在钻头在 钻进过程中，第一组切削齿在井底形成同心圆刮痕，第二组切削齿在井底形成非圆形的刮痕， 第二组切削齿的非圆刮痕与第一组切削齿的同心圆刮痕形成交叉状的井底模式，如图13所 示，图中虚线213是第一组切削齿在井底形成同心圆刮痕，313是第二组切削齿在井底形成 非圆形的刮痕。

进一步，第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组切削齿的切削轮廓线212相吻合的一 段大于第二组切削齿的切削轮廓线的50％。

作为优选，所述第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组切削齿的切削轮廓线212的相 吻合的区域，位于钻头半径外1/3区域。

上述方案中，第一组切削齿21与第二组切削齿31的共同切削区域位于钻头半径外1/3 区域，如图19所示，可以提高钻头外部区域、冠顶等位置切削齿的切削效率，降低切削齿的 磨损速度，提高钻头的磨损均衡性和吃入能力，防止环切效应。

作为优选，所述第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组切削齿的切削轮廓线212的相 吻合或基本吻合的区域，位于钻头半径内2/3区域。

上述方案中，第一组切削齿21与第二组切削齿31的共同切削区域位于钻头半径内2/3 区域，如图20所示，可以防止定向钻进等工况下钻头内部区域的切削齿发生提前失效，从而 产生掏心、环切等现象。

前述本发明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.与常规PDC钻头相比，本发明不仅设置有切削轨迹为圆形的第一组切削齿，还设置有 非圆切削轨迹的第二组切削齿，第一组切削齿与第二组切削齿在井底上的切削运动轨迹相互 交叉，实现交叉切削，提高钻头的破岩效率和侵入能力。

2.第二组切削齿不占据固定切削结构上切削齿的布齿空间，不会直接影响第一组切削齿 的布齿设计，固定切削结构的工作能力可得到保障，有利于延长钻头第一组切削齿的寿命， 第一组切削齿的清洗和冷却条件也能得到有效的保障。

3.可通过改变固定切削结构上滑轨的形状或传动机构中凸轮槽的结构，使活动切削结构 具有不同的运动轨迹，既有利于避免第一组切削齿寻旧迹切削，又有助于增进交叉切削破岩 的效果。

4.当第一组切削齿与第二组切削齿的共同切削区域位于钻头半径外1/3区域时，可以提 高钻头外部区域、冠顶等位置切削齿的切削效率，降低切削齿的磨损速度，提高钻头的磨损 均衡性以及吃入能力，防止环切效应。

5.当第一组切削齿与第二组切削齿的共同切削区域位于钻头半径内2/3区域时，可以防 止定向钻进等工况下钻头内部区域的切削齿发生提前失效，从而产生掏心、环切等现象。

6.可通过改变第一组切削齿与第二组切削齿的切削轮廓线获得不同的交叉切削效果，提 升破岩效率。

7.钻头体采用分体式结构，有利于交叉切削PDC钻头的制造和使用，轴向往复运动发生 器本体4和切削结构本体7可以分别制造，入井使用前再组装在一起。

附图说明

图1是本发明的局部剖切结构示意图。图中：1、钻头体，2、固定切削结构，21、第一组切削齿，3、活动切削结构，31、第二组切削齿，311、第二组切削齿的运动轨迹线，32、 转动轴，4、轴向推拉短节，41、轴向往复运动发生器，411、输出轴，415、连接器，5、传 动机构，51、输入轴，52、凸轮，53、推杆，531、销轴(一)，532、销轴(二)。

图2是图1所示的交叉切削钻头从切削结构端向接头端看时的视图(即俯视图)。图中： 12、水眼。

图3是本发明的传动机构采用凸轮机构的示意图，图中活动切削结构与推杆、推杆与凸 轮之间均通过销轴连接。

图4是图3所示的传动机构的原理示意图，图中实线与虚线是活动切削结构和凸轮机构 运动的两个工位。

图5是本发明实施例一活动切削结构与转动轴形成转动连接，转动轴与固定切削结构形 成固定连接(转动轴通过键、花键、过盈配合、等方式与固定切削结构固结)的结构示意图。 图中：321、卡簧，322、滚珠，323、键。

图6是本发明实施例一活动切削结构与转动轴形成固定连接，转动轴与固定切削结构形 成转动连接的结构示意图。

图7是本发明转动轴与活动切削结构、固定切削结构均形成转动连接的结构示意图。

图8是本发明中共同切削区域内，第二组切削齿的切削轮廓线与第一组切削齿的切削轮 廓线相吻合，且两种切削轮廓线完全重合的示意图。

图9是本发明中共同切削区域内，两种切削轮廓为等距曲线(平行曲线)，且第二组切削 齿切削轮廓线在钻头钻进方向低于第一组切削齿切削轮廓的示意图。图中：D、两切削轮廓线 的最大法向距离。

图10是本发明中共同切削区域内，两种切削轮廓为等距曲线(平行曲线)，且第二组切 削齿的切削轮廓线在钻头钻进方向高于第一组切削齿的切削轮廓线的示意图。

图11是本发明中共同切削区域内，部分第二组切削齿的切削轮廓线沿钻进方向高于第一 组切削齿的切削轮廓线的示意图。

图12是本发明中共同切削区域内，两种切削轮廓线不吻合、不平行、也不交叉的其他曲 线的示意图。

图13是本发明第二组切削齿与第一组切削齿在井底交叉刮切的井底形状示意图。图中： 213、第一组切削齿切削轨迹线，313、第二组切削齿切削轨迹线。

图14是本发明活动切削结构设置在固定切削结构前侧区域的结构示意图。

图15是本发明活动切削结构设置在两固定切削结构之间的结构示意图。

图16是本发明活动切削结构布置有两排切削齿的结构示意图。

图17是本发明活动切削结构上采用尖锥齿与圆形齿交错布齿的结构示意图。图中：314、 圆形切削齿，315、尖锥齿。

图18是本发明钻头体设置有固定支座，活动切削结构设置在独立的支座上的结构示意图。

图中：6、固定支座。

图19是本发明第二组切削齿与第一组切削齿的切削轮廓线相吻合的区域位于钻头半径外 1/3区域的示意图。

图20是本发明第二组切削齿与第一组切削齿的切削轮廓线相吻合的区域位于钻头半径内 2/3区域的示意图。

图21是本发明的一种传动机构示意图，图中活动切削结构、连杆、推杆、凸轮之间均通 过销轴连接。图中：533、销轴(三)，534、连杆。

图22是图21所示的传动机构的原理示意图，图中实现和虚线是活动切削结构和凸轮机 构运动的两个工位。

图23是本发明传动机构采用齿轮齿条机构的示意图，齿条与输入轴固定连接，齿轮与活 动切削结构通过转动轴连接，转动轴上设置有键传递扭矩。图中：54、齿条，55、齿轮，O1O2、 转轴32的中心线。

图24是图23中沿D-D的剖切示意图。

图25是本发明传动机构采用多级齿轮传动的示意图。图中：551、齿轮(一)，552、齿轮(二)，O3O4、齿轮551的中心线。

图26是本发明活动切削结构做往复直线移动的结构示意图，图中固定切削结构上设置有 直线滑轨，活动切削结构与固定切削结构形成滑键联接，推杆与活动切削结构通过螺纹连接。 图中：22、滑轨。

图27是图26中沿C-C的剖视示意图。图中：33、滑键。

图28是图26所示的传动方案的原理示意图。图中实线与虚线是活动切削结构和凸轮机 构运动的两个工位。

图29是本发明活动切削结构做往复圆弧移动的结构示意图，图中固定切削结构上设置有 圆弧滑轨，活动切削结构与固定切削结构形成滑键联接，推杆与活动切削结构固定连接。

图30是本发明的轴向往复运动发生器是储能弹簧的剖切示意图。图中钻头切削结构本体 采用阶梯轴式结构，储能弹簧的两个端面圈分别与钻头本体和轴向推拉短节接触。图中：7、 钻头切削结构本体，71、阶梯轴，72、台阶面，711、花键，42、防脱落螺钉，43、花键槽。

图31是图30沿A-A的剖切示意图，图中输入轴与轴向推拉短节通过螺纹连接。图中： 44、钻井液流道。

图32是图30沿B-B的剖切示意图，图中钻头切削结构本体的阶梯轴与轴向推拉短节通 过花键连接。

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至图7所示，一种交叉切削PDC钻头及设计方法，包括钻头体1、水眼12和固结在钻头体1上的固定切削结构2，固定切削结构上布置有第一组切削齿21。钻头上还包括具有第二排切削齿31的活动切削结构3，设置有轴向往复运动发生器41的轴向推拉短节4以及传动机构5，传动机构5采用凸轮机构，包括输入轴51，凸轮52和推杆53。

钻头切削结构上所布置的第一组切削齿21与第二组切削齿31为聚晶金刚石复合片，也 可以为热稳定聚晶金刚石、天然金刚石以及孕镶金刚石。

钻头体1采用分体式结构，由设有轴向往复运动发生器41的轴向推拉短节4和设有固定 切削结构2和活动切削结构3的切削结构本体7连接而成。轴向往复运动发生器41安装在轴 向推拉短节4的中空部位。

轴向往复运动发生器41设置有输出轴411，输出轴411通过连接器415与传动机构5的 输入轴51连接，将轴向往复运动发生器41产生的周期性轴向运动传递给传动机构5。

活动切削结构3设置在固定切削结构2的前侧，通过转动轴32与固定切削结构2形成转 动连接，活动切削结构3的布齿轮廓线311是以转动轴32为圆心的圆弧曲线。活动切削结构 3与固定切削结构2之间的转动连接方式有很多种，较佳的连接方式有：1、如图5所示，活 动切削结构3与转动轴32形成转动连接，而转动轴32与固定切削结构2形成固定连接(转动轴32通过键、花键、过盈配合、等方式与固定切削结构固结)；2、如图6所示，活动切 削结构3与转动轴32形成固定连接，转动轴32与固定切削结构2形成转动连接(转动轴32 通过键、花键、过盈配合、等方式与固定切削结构固结)；3.如图7所示，转动轴32与活动 切削结构3、固定切削结构2均形成转动连接。转动轴32的轴向定位也有多种方式，如图5 所示为卡簧321定位，图6中322滚珠锁定定位，也可以是卡簧321和滚珠322定位的组合。 凸轮52与输入轴51采用固连接，具体结构如图3所示。推杆53一端通过销轴(二)532与 凸轮52上设置的凸轮槽连接，另一端从钻头体1设置的孔中穿出与活动切削结构3通过销轴 (一)531采用槽销副连接。

本实施例中活动切削结构的动力来源于轴向往复运动发生器41，在钻进过程中轴向往复 运动发生器41使输入轴51与切削结构本体7之间产生轴向相对运动，输入轴51带动凸轮 52沿钻头轴线方向运动，凸轮52通过凸轮槽推动推杆53沿垂直于钻头轴线方向运动。推杆 53推动活动切削结构3绕转动轴32做往复圆弧摆动。其机构原理如图4所示：图中实线与 虚线是活动切削结构3和凸轮机构运动的两个工位，311是以转动轴32中心为圆心的圆弧曲 线，它既是第二组切削齿31的运动轨迹线，也是活动切削结构3的布齿轮廓线。

在共同切削区域内第二组切削齿与第一组切削齿的切削轮廓线吻合程度越高，越有利于 钻头破岩效率的提高。在较高吻合度情况下，第二组切削齿与第一组切削齿的切削轮廓线有 几种典型的匹配关系：

1.如图8所示，在共同切削区域内，第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组切削齿的 切削轮廓线212相吻合，且两种切削轮廓线完全重合，钻进时两种切削结构上的切削齿同时 接触井底，共同作用与井底岩石。

2.如图9所示，在共同作用区域内，两种切削轮廓线为等距曲线(平行曲线)，且第二 组切削齿的切削轮廓线312在钻头钻进方向低于第一组切削齿的切削轮廓线212。在钻进初 期活动切削结构3先不参与破岩工作，随着钻头继续工作，当其他切削齿磨损到一定程度时， 切削轮廓较低的活动切削结构3将参与破岩，对钻头磨损状态下的切削能力作后备弥补，使 钻头具有更持久的工作能力。

3.如图10所示，在共同作用区域内，两种切削轮廓为等距曲线(平行曲线)，且第二组 切削齿的切削轮廓线312在钻头钻进方向高于第一组切削齿的切削轮廓线212。第二组切削 齿31有对井底岩石预破碎的效果，有助于第一组切削齿21吃入、破碎岩石。特别地，当钻 遇不均质地层时，第二组切削齿31最先接触交界面，能对第一组切削齿21形成有效保护， 从而使切削齿的磨损更加均衡，有利于延长钻头寿命。

4.如图11所示，在共同切削区域内，两种切削轮廓有交叉，即在钻进方向允许第二组 切削齿的切削轮廓线312的一部分低于第一组切削齿切削轮廓线212，在其他部分第二组切 削齿的切削轮廓线312高于第一组切削齿切削轮廓线212。

5.如图12所示，为除上述几种特殊匹配关系之外的其他匹配方案。在给定的区域内， 在保证吻合度要求的情况下，两种切削轮廓在轴平面内既不是平行曲线也不相交。

在钻头在钻进过程中，第一组切削齿在井底形成同心圆刮痕，第二组切削齿在井底形成 非圆形的刮痕，第二组切削齿的非圆刮痕与第一组切削齿的同心圆刮痕形成交叉状的井底模 式，如图13所示，图中虚线213是第一组切削齿在井底形成同心圆刮痕，313是第二组切削 齿在井底形成非圆形的刮痕。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：活动切削结构3设置在固定切削结构2的 后侧，如图14所示。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：活动切削结构3设置在两固定切削结构2 和2’之间，如图15所示。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：至少有一个活动切削结构3上布置有两排 切削齿，如图16所示。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：至少有一个活动切削结构3上采用尖锥齿 与圆形齿交错布齿，如图17所示，图中314是活动切削结构上的圆形切削齿，315是活动切 削结构上的尖锥齿。

实施例6：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：钻头体1上设置有固定支座6，至少有一个 活动切削结构3设置在固定支座6上，与固定支座6通过转动连接，如图18所示。

实施例7：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组 切削齿的切削轮廓线212的相吻合的区域，位于钻头半径外1/3的区域，如图19所示。第一 组切削齿与第二组切削齿在井底交叉切削，可以提高钻头外部区域、冠顶等位置切削齿的切 削效率，降低切削齿的磨损速度，提高钻头的磨损均衡性以及吃入能力，防止环切效应。

实施例8：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：第二组切削齿的切削轮廓线312与第一组 切削齿的切削轮廓线212的相吻合或基本吻合的区域，位于钻头半径内2/3区域，如图20所 示。第一组切削齿与第二组切削齿在井底交叉切削，可以防止定向钻进等工况下钻头内部区 域的切削齿发生提前失效，从而产生掏心、环切等现象。

实施例9：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：推杆53与活动切削结构3之间采用连杆534 连接，如图21所示，连杆的一端通过销轴(一)531与推杆连接，另一端通过销轴(三)533 与活动切削结构3连接，其传动原理如图22所示，图中实线与虚线是活动切削结构和凸轮机 构运动的两个工位。

实施例10：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：传动机构5是齿轮齿条机构，包括输入轴 51，齿条54和齿轮55，齿条54与输入轴51固定连接，如图23所示。活动切削结构3与齿 轮55通过转动轴32固连接，转动轴32与固定切削结构2上设置的轴孔转动连接，如图24 所示。图中322是滚珠，对轴32进行轴向定位，321是卡簧，对活动切削结构3进行定位。 钻进过程中，输入轴51沿钻头轴向方向往复移动运动，齿条54与齿轮55啮合使齿轮55绕 转动轴32的轴线O1O2转动，转动轴32通过键323传递扭矩带动活动切削结构3做圆弧摆动， 图中311是第二组切削齿的运动轨迹线，也是活动切削结构3的布齿轮廓线，311是以轴32 中心为圆心的圆弧曲线。

实施例11：

本实施例与实施例10基本相同，其区别在于：齿轮齿条机构中采用二级齿轮传动，如图 25所示。在钻进过程中输入轴51带动齿条54沿钻头轴线方向运动，齿轮(一)551与齿条 54啮合绕轴线O3O4转动，齿轮(一)551与齿轮(二)552啮合使其绕O1O2转动，齿轮(二)552通过转动轴32与活动切削结构3连接，带动活动切削结构3绕O1O2做圆弧摆动。本实 施例也可采用更多级齿轮传动。

实施例12：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：活动切削结构3的布齿轮廓线311是直线， 固定切削结构2上设置有直线滑轨22，滑轨22是梯形槽结构，防止活动切削结构3从固定 切削结构2上脱落。活动切削结构3通过键33与固定切削结构2形成滑键联接，键33的前端有梯形结构与滑轨22相匹配，如图26和图27所示。活动切削结构3与推杆53采用螺纹 连接，钻进过程中推杆53推动活动切削结构沿滑轨22做往复直线运动，其传动原理如图28 所示，图中直线311既是第二组切削齿的运动轨迹线，也是活动切削结构的布齿轮廓线。

实施例13：

本实施例与实施例9基本相同，其区别在于：固定切削结构2上的滑轨22是圆弧曲线滑 轨，推杆53从活动切削结构3的右下方斜向上推动活动切削结构，如图29所示，滑动刀翼 3沿该曲线做往复曲线移动。滑轨22的形状也可以是直线和曲线的组合，当滑轨与活动切削 结构3的滑键采用间隙配合时，活动切削结构3沿滑轨作往复移动和摆动并存的复合运动。

实施例14：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例中轴向往复运动发生器41是安装 在轴向推拉短节4上的储能弹簧，活动切削结构的动力来源于储能弹簧41，钻头切削结构本 体7采用阶梯轴结构，弹簧41的两个端面圈分别与钻头切削结构本体7的台阶面72和轴向 推拉短节4接触，如图30所示。传动机构的输入轴51与轴向推拉短节4通过螺纹连接，输 入轴51与轴向推拉短节4之间没有相对运动，具体连接方式如图31所示，图中44是钻井液 的流道。轴向推拉短节4设置有花键槽43，阶梯轴71末端设置有花键711，阶梯轴71通过 花键711与轴向推拉短节4连接，轴向推拉短节4可沿阶梯轴71在钻头轴线方向上滑动，花 键连接方式如图32所示。轴向推拉短节4通过挤压弹簧41传递钻压，通过花键711传递扭矩，弹簧41受轴向推拉短节4挤压后产生沿钻头轴线方向上的变形，轴向推拉短节4与钻头切削结构本体7之间产生钻头轴线上的相对运动，该相对运动通过出入轴51传递给传动机构 5，并由传动机构5将其转化为活动切削结构3相对于钻头体的圆弧摆动。轴向推拉短节4上 还设置有防脱螺钉42防止轴向推拉短节4从钻头切削结构本体7上脱落，防脱螺钉的外端与 轴向推拉短节焊死防止松动。轴向推拉短节4上的花键槽43底部与钻头体阶梯轴71尾部有 一段余量d。当余量d大于0时，活动切削结构3在传动机构5和弹簧41的驱动下做往复摆 动或移动；当余量d等于0，即花键槽43底部与钻头体阶梯轴71接触后，弹簧41不再变形，活动切削结构3与钻头不发生相对运动，此时该钻头与常规PDC钻头无异。

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 (9)

1.一种交叉切削PDC钻头，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，所述固定切削结构上布置有第一组切削齿，其特征在于：所述钻头上还包括具有第二组切削齿的活动切削结构、传动机构、设有轴向往复运动发生器的轴向推拉短节。

2.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头，其特征在于：所述轴向往复运动发生器是安装在轴向推拉短节的中空部位的动力机或安装在轴向推拉短节上的储能弹簧，所述储能弹簧能产生钻头轴线方向上的伸缩变形。

3.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头，其特征在于：所述传动机构包括输入轴、凸轮和推杆，所述凸轮上有凸轮槽，与推杆通过销轴连接。

4.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头，其特征在于：所述传动机构包括输入轴、齿条和齿轮，所述输入轴与齿条固定连接，齿轮与活动切削结构通过转动轴连接。

5.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头，其特征在于：所述活动切削结构通过转动轴与固定切削结构或固定支座形成转动副连接，活动切削结构的布齿轮廓线是以转动轴为圆心的圆弧曲线。

6.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头，其特征在于：所述活动切削结构上设置有滑键，固定切削结构或固定支座上设置有滑轨，活动切削结构与固定切削结构或固定支座通过滑键联接。

7.如权利要求1所述的一种交叉切削PDC钻头的设计方法，其特征在于：所述第二组切削齿的切削轮廓线的一段与第一组切削齿的切削轮廓线相吻合。

8.如权利要求7所述的一种交叉切削PDC钻头的设计方法，其特征在于：所述第二组切削齿的切削轮廓线与第一组切削齿的切削轮廓线的相吻合的区域，位于钻头半径外1/3区域。

9.如权利要求7所述的一种交叉切削PDC钻头的设计方法，其特征在于：所述第二组切削齿的切削轮廓线与第一组切削齿的切削轮廓线的相吻合的区域，位于钻头半径内2/3区域。

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