CN205840787U - 一种适用于难钻地层的长寿命钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于难钻地层的长寿命钻头，包括钻头本体，延伸自钻头本体的多个刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，至少有两个刀翼的本体轮廓线既有不重合区域，也有重合点或重合区域。这种结构特征可使钻头以异步切削方式工作，不仅能增加钻头的纵向磨损长度，延长钻头寿命，而且能使钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，增强钻头侵入岩石的能力，从而使钻头在难钻地层的钻速和寿命都得到提高。

Description

一种适用于难钻地层的长寿命钻头

技术领域

本实用新型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，特别是涉及一种钻进钻头。

背景技术

PDC钻头是钻井工程(特别是石油天然气钻井工程)中使用的主要钻头品种之一。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。

现有的以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件(对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿)。在现有技术中，固定切削齿钻头上的刀翼均按照同步切削原理进行设计，即每个刀翼上不同径向位置的切削齿同时或同步(或基本同时、基本同步)进入工作状态，开始切削井底岩石，并同时开始发生磨损。新钻头在理想工作状态下(钻头中心与井眼中心重合的稳定钻进状态)钻削岩石时，同时参与刮切岩石的所有切削齿均为主切削齿，主切削齿是钻头破碎岩石的主要切削元件，通常被设置在各刀翼的前侧，以利于达到更好的冷却和清洗效果。除了切削齿以外，还可根据需要在钻头上设置后备切削齿(即当主切削齿磨损到一定程度后才投入工作的切削齿，如后排齿等)和辅助切削结构(主要指帮助主切削齿破岩的结构，如锥齿，或保护切削齿作用的缓冲结构，如缓冲节或缓冲齿等)。

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)，如图2所示，为现有技术中常规PDC钻头的井底覆盖图，其中，标记为R的水平方向为钻头径向，标记为Z的竖直方向为钻头轴向，标号11的曲线即为现有技术中钻头的切削轮廓线。

在钻头的井底覆盖图中，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。刀翼的切削轮廓线反映了当刀翼上主切削齿分布足够密(能完全覆盖该刀翼所在的井底径向区域)时，该刀翼所独立切削出的井底的基本或理想轮廓形状特征。

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，如图2所示，其中标号为32的曲线，即为刀翼的本体轮廓线。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，基于实现同步切削原理的需要，现有技术中钻头各个刀翼的本体轮廓线是互相重合或基本重合的。换言之，理论上钻头各刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都是相同的一条曲线或相同曲线上的一段。这种特征可称之为钻头各刀翼本体轮廓线的一致性或共线性。显然，这种一致性或共线性不仅存在于各刀翼的本体轮廓线，而且对各刀翼的切削轮廓线也是成立的。正是这一结构特征，使得固结在钻头各刀翼上的主切削齿能够同时或同步切削井底岩石，进而形成井筒。

在实用新型专利“具有二级齿结构的聚晶金刚石复合片钻头”(专利号为:ZL200620033337.3)和实用新型专利“具有独立式纵向后备切削结构的聚晶金刚石复合片钻头”(专利号为:ZL200720082270.7)中，均公开了一种具有后备(二级)齿结构的PDC钻头，其共同特点是后备齿均固结于主切削齿之下的钻头体内，即后备齿相对于钻头体向内布置，从而在钻头纵向上形成多级切削结构。两专利中设置纵向后备齿的目的在于增加钻头金刚石切削齿的纵向可磨损长度，延长钻头使用寿命。但上述两方案中的纵向后备齿均为内镶齿，而其主切削齿均按同步切削原理工作，作为辅助切削结构的内镶齿须在主切削齿磨损殆尽且本体有部分磨损后才开始工作，但在内镶齿切削岩石的同时，刀翼本体已经与地层发生大面积接触，显著地降低了后备切削齿作用于岩石的比压，从而使钻头的钻进效率受到很大限制。

现有的具有同步切削原理的PDC钻头在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性乃至含砾石层、夹层等不均质地层)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，为了保证钻头在硬地层钻进时能够具备较强的吃入或侵入岩石表面的能力，就需要采用尺寸(直径)较小的切削齿，然而小直径切削齿的出露高度小，可磨损高度显著低于大直径切削齿，但此时切削齿的磨损速度却更快，因此就形成了一个难钻地层钻头设计中难以解决的矛盾：若采用大直径切削齿，切削齿难以侵入岩石(特别是发生一定程度磨损以后)，钻头破岩效率低；若采用小直径切削齿，切削齿的工作寿命又不够。第二，钻头在硬地层、不均质地层中钻进时切削齿常常受到较强的冲击载荷，易发生少量甚至个别切削齿的脱落、断裂、碎裂、金刚石层的崩裂等快速失效现象，这种现象一旦发生，将引发临近区域切削齿因工作负荷增加而导致的连锁失效，继而产生环切现象，即钻头在该径向区域内的切削齿的出露部分被全部或大部分磨掉，并进而在钻头各刀翼本体上磨出环形槽。环切现象一旦出现，钻头上各刀翼的本体均直接与岩石形成面接触，即便刀翼上的切削齿尚未全部磨完，但由于比压严重降低，所以钻头的破岩效率会显著下降。所以，当钻头上磨出环槽后，一般就认为钻头已丧失或接近丧失切削能力，不仅不能再入井使用，严重时甚至连修复(更换或翻新已磨损的切削齿)都难以实施。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提出一种适用于难钻地层的长寿命钻头，能显著提升钻头在复杂应用条件、难钻地层，特别是高硬度、高研磨性、高不均质性等地层条件下的工作性能。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种适用于难钻地层的长寿命钻头，包括钻头本体，延伸自钻头本体的多个刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域(或称为异廓区域)，以及至少一个重合点或重合区域(或称为同廓区域)。

对于本实用新型所涉及的钻头本体、刀翼、刀翼布齿面、水眼、喷嘴、刀翼本体轮廓线，乃至第一组切削齿，为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1、图13、图14、图20所示，为本实用新型钻头的结构示意图，其中，1为钻头本体、2为连接螺纹、3为刀翼、33为刀翼布齿面、41为第一组切削齿、6为水眼；7为喷嘴；如图10、图15所示，为本实用新型中各刀翼本体轮廓线示意图，其中，32为刀翼本体轮廓线。

在现有的技术中，钻头上所有刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都属于相同的一条曲线，或各为相同曲线上的一段。但在本实用新型中，各刀翼可以具有独立的、不隶属于同一回转曲面的刀翼本体轮廓线，且至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内同时具有不重合区域和重合点或重合区域，其余不重合区域即为这些刀翼的异廓区域。

值得说明的是，刀翼的覆盖范围(也即刀翼的径向切削工作范围或区域)是指刀翼上最内侧切削齿与最外侧切削齿之间的径向范围。也可以用刀翼轮廓线起点与终点之间的径向范围作为刀翼的覆盖范围。本文中所述的共同覆盖范围，是指两个或两个以上刀翼相重叠的(即共同负责的)径向工作区域，如图5(a)所示的双向箭头所指区域的共同覆盖范围a和图5(b)所示的双向箭头所指区域的共同覆盖范围b，其中图5(a)所示为同一钻头上一个长刀翼(主刀翼)和一个短刀翼(副刀翼)的本体轮廓线示意图，图5(b)所示为同一钻头上两个长刀翼(主刀翼)的本体轮廓线示意图，显然，图5(a)和图5(b)所表示刀翼共同覆盖范围是不同的。进一步地，各刀翼本体轮廓线在其共同覆盖范围内的重合点可以是各曲线的交点，也可以是曲线之间的切点，如图5(a)中阴影部分34所示的交点和切点；各刀翼本体轮廓线在其共同覆盖范围内的重合区域即为各刀翼本体轮廓线重合或基本重合的部分，如图5(a)、图5(b)中阴影部分34所示的重合区域；另一方面，在共同覆盖范围内，刀翼本体轮廓线上除开重合点和重合区域(亦称为同廓区域)的部分即为刀翼本体轮廓线的不重合区域(亦称为异廓区域)。除重合点外，不重合区域以及重合区域的宽度定义为其沿钻头径向所占宽度。

在现有技术中，钻头上各个刀翼的切削轮廓线通常在井底覆盖图中重合为同一曲线。而在本实用新型中，具有不重合区域的各刀翼本体轮廓线将会自然形成具有不重合区域的刀翼切削轮廓线。钻头的切削轮廓线实际上就是各刀翼切削轮廓线在同一轴面内叠加后形成的，如图11、图12、图16所示，其中标号11的曲线即为钻头切削轮廓线，标号31的曲线即为刀翼切削轮廓线。若某一个刀翼的本体轮廓线与另一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内同时具有异廓区域和同廓区域，则这两个刀翼的切削轮廓线也就必然存在重合区域和不重合区域。在刀翼切削轮廓线相重合的区域，刀翼上的切削齿是同步工作的，故称该区域为同步切削区域(简称同步区域)；同理，在刀翼切削轮廓线不重合的区域，刀翼上的切削齿工作不同步，故该区域为异步切削区域(简称异步区域)。显然，刀翼本体轮廓线的异廓区域对应于刀翼切削轮廓线的异步区域，同廓区域则与同步区域相对应。

对具有异步区域的两个刀翼而言，两刀翼异步区域的切削齿并非同时开始进入切削工作，而是部分切削齿(离井底更近的切削齿)先开始切削岩石，随着切削齿的磨损，其它切削齿(异步区域的切削齿)才能接触到岩石并开始切削岩石工作。具有这种异步区域切削齿不同步工作特点的刀翼称为异步切削刀翼(简称异步刀翼)。包含异步刀翼的钻头称为异步切削钻头(简称异步钻头)。

对于异步钻头，如果其上某异步刀翼的切削轮廓线上只有单个点或者单个很窄的区域与钻头切削轮廓线相重合或基本重合，则意味着该刀翼的切削轮廓线在这个点或者很窄区域所在的位置上是外凸的。显然，在凸起部位的切削齿是从一开始就工作，随着这个或这些齿的不断磨损，刀翼上离井底较远的切削齿才逐渐开始接触并切削岩石。同样，如果某异步刀翼的切削轮廓线上有若干个点或若干相互间断的局部区域与钻头切削轮廓线相重合，则该刀翼的切削轮廓线在这些位置是局部外凸的，而其余区域则相对钻头切削轮廓线较远，故在钻头的钻进过程之初，只有这些外凸部位的切削齿在切削岩石，其余离井底较远的切削齿则在外凸部位切削齿磨损至一定程度后才逐渐进入切削岩石的过程，从而实现同一刀翼上不同部位切削齿的分阶段工作。显然，异步刀翼实质上就是具有局部切削特征的刀翼，当刀翼承担的钻压相同时，这种刀翼在局部切削区域内作用于岩石的比压明显高过常规刀翼。异步刀翼数越多，这种提升比压的效用(简称增压效用)越显著。如果钻头全部刀翼都采用异步刀翼，则此时钻头可称为全异步钻头，其增压效用更加突出，十分有利于提升钻头在难钻地层侵入岩石的能力。

与前述内容相应，若异步刀翼上参与初始切削的有若干局部区域，则其切削轮廓线在这些局部区域应是外凸的，相应位置的刀翼本体轮廓线自然也外凸。也就是说，刀翼本体轮廓线上具有若干个局部凸起，从而使刀翼本体轮廓呈现峰峦或波浪起伏状的形状特征，如图6、图11、图16以及图17所示。对两个本体轮廓形状不相同的异步刀翼而言，刀翼上的局部凸起越多，则在其共同覆盖区域之内，两刀翼本体轮廓线之间的交叉或相交点就越多。若将钻头上多个异步刀翼的局部凸起交错分布，就能利用相互交叠的多个局部凸起完成对井底部分甚至全部径向区域的覆盖。在钻井过程中，只要钻头上的局部凸起未被磨平，增压效应就不同程度地存在着。此外，局部凸起的高度可以显著地高于切削齿的直径(圆齿)或工作高度(非圆齿)，高度越大，不仅刀翼的增压切削作用时效越长，另一方面刀翼本体轮廓线的长度也越长，自然地同一刀翼上的布齿区域就越大，切削齿数量也就越多，齿数增加与切削齿分阶段工作的特征相互匹配，从而在增加了刀翼钻进比压的基础上延长了异步钻头的工作寿命。

因此，根据以上对本实用新型目的和原理的阐述，可以理解和确认的是，本实用新型所界定的“刀翼的本体轮廓线与其他刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域(或称为异廓区域)”不应该做绝对的理解，即不应该把现有技术中可能存在的，某些无意识下或偶然下或出于与本实用新型毫不相关的其他目的下导致的刀翼的本体轮廓线与其他刀翼的本体轮廓线存在较小程度的不重合涵盖在内；本领域技术人员基于前述本实用新型目的和原理的阐述，根据掌握的现有技术、公知常识，对于所述“不重合区域”的程度显然能够正确理解，无需特别予以界定；通常而言，为了较好地实现本实用新型的“提升钻头在难钻地层侵入岩石的能力”目的，这个不重合区域宽占整个共同覆盖范围区域的比例宜不小于25％。

本实用新型的技术方案不仅适用于全面钻进钻头，也适用于取心钻头。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各曲线外凸部分顶点沿钻头径向的径向位置不相同。

本方案中，刀翼本体轮廓线外凸区域实质上仅有一部分对应于刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相重合的区域(同步区域)；而刀翼本体轮廓线上的其余区域对应于刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线不重合的区域(异步区域)。两个刀翼外凸部分的顶点的径向位置不相同，在设计时就可以使刀翼切削轮廓线在顶点相应位置与钻头切削轮廓线相重合，此时两个刀翼顶点及临近位置的切削齿就成为初始参与工作的切削齿，而远离该区域的切削齿(同步区域除外)暂不参加切削工作。这样，作用在初始工作切削齿上的比压高于常规钻头，有利于提高钻头侵入岩石的能力。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。

与前述方案中仅有单个整体或大部分外凸的刀翼本体轮廓线不同，本方案中的刀翼本体轮廓线具有多个局部凸起，因此，各局部凸起的分布可以有不同的情况，如图4所示。其中，图4(a)所示为各局部凸起沿钻头径向分布，且不同刀翼本体轮廓线上局部凸起沿钻头径向(图中箭头A方向)部分或全部错开；图4(b)所示为各局部凸起沿钻头切削轮廓线分布，且不同刀翼本体轮廓线上局部凸起沿钻头切削轮廓线(图中箭头B方向)部分或全部错开。值得说明的是，图4(a)和图4(b)中所表示的局部凸起分布以及错开方式仅为两种较为典型的分布方式，但并不局限于该两种方式。

上述方案中，刀翼本体轮廓线为具有一个或多个局部凸起的曲线，在设计时就可以使刀翼切削轮廓线在局部凸起的顶点相应位置与钻头切削轮廓线相重合，此时各刀翼局部凸起的顶点及临近位置的切削齿就成为初始参与工作的切削齿，而远离该区域的切削齿(同步区域除外)暂不参加切削工作。这样的结构使钻头在钻进过程中，同一时刻刀翼上只有局部凸起的顶部的部分切削齿接触井底，减小了钻头与岩石的接触面积，切削齿上的比压高于常规钻头，使钻头能有效的吃入地层；即使钻头发生磨损，造成部分切削齿被破坏，仍然会有其余未被磨损的部分切削齿相继接触井底，投入切削工作，保证钻头钻进全过程都是高比压，有利于钻头机械钻速的提高。

其次，起伏的刀翼本体轮廓线不仅使得同一刀翼本体轮廓线上的切削齿分阶段参与破岩，也使其布齿长度更长，自然地同一刀翼上的布齿数量就更多，齿数增加与切削齿分阶段工作的特征相互匹配，从而在增加了刀翼钻进比压的基础上延长了钻头的工作寿命。

同时，刀翼上有若干个局部凸起的存在，增加了钻头的排屑空间，减少岩屑在切削齿附近的堆积，有利于切削齿的散热与冷却，减少切削齿的热磨损，从另一方面提升了钻头的工作性能。

作为优选，至少有40％数量的刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向部分或全部相互错开。

上述方案中，异廓的刀翼数量若保持在一定比例范围，能够更好、更科学地发挥异廓刀翼的异步切削作用。显然，在该方案中40％的比例可能会导致一个非整数的结果，此时，根据常识的理解，需要进行圆整：例如，钻头总共有6个刀翼，那么40％就是2.4，圆整为2个刀翼。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线的不重合区域宽度至少占钻头半径的四分之一。

上述方案中，异步区域范围若保持在一定比例，能够更好地发挥钻头的异步切削作用。增加异步区域的宽度能够让钻头各个区域内切削齿的寿命相互匹配，达到降低钻进成本的目的。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之一半径以外的径向区域。

PDC钻头冠顶一般设在钻头三分之一半径以外的径向区域，冠顶(也称鼻部)以及以及冠顶以外区域(外锥部和肩部)的切削齿磨损速度较快。一方面，冠顶区域的切削齿位于钻头的最低端，对地层岩性的变化(如软硬交替地层等)较为敏感，钻头在穿越软硬交替的界面时，容易造成冠顶区域切削齿的过载而发生崩损等失效现象。另一方面，冠顶以外区域的切削齿在切削岩石的过程中运动速度较高，在硬地层和不均质地层钻进时切削齿冲击载荷相对较大，摩擦生热也比较严重，所以其磨损失效的速度明显高于靠近中心部位的切削齿。采用上述方案，异步区域能覆盖钻头上切削齿失效速度快的区域，从而显著提高钻头在这些部位的可磨损高度、增加切削结构侵入岩石的能力，提升钻头寿命，降低钻进成本。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之二半径以内的径向区域。

在某些特殊工况下，如复合钻井过程中，钻头运动条件复杂，不仅存在横向振动，而且存在摆振，且钻头可能处于与井眼中心线不平行的工作状态。在这种条件下，钻头内部区域的切削齿容易因偏载而发生快速磨损。由于PDC钻头的内部区域齿数较少，所以，一旦个别齿失效，很容易发生连锁反应，导致内部环切失效现象的发生，这种失效现象俗称“掏心”现象。该方案中，将异步区域布置在钻头三分之二半径以内的区域，能够显著提高钻头在这些部位的可磨损高度，从而延长了PDC钻头在复合钻井等特殊复杂工况下的使用寿命，减少甚至避免掏心现象的发生。

作为优选，至少50％数量的刀翼本体轮廓线的局部凸起形状相似或相同。

显然，在该方案中50％的比例可能会导致一个非整数的结果，此时，需要进行圆整。例如，钻头总共有5个刀翼本体轮廓线，那么50％就是2.5，圆整为2个刀翼本体轮廓线。

作为优选，所有刀翼本体轮廓线局部凸起的高度不低于8mm。

作为优选，所有刀翼本体轮廓线整体或大部分外凸的高度不低于8mm。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，所述曲线之间不重合区域分布于钻头径向三分之一以外区域，且局部凸起的高度自钻头中心向外逐渐变大。

该方案中，局部凸起的高度自钻头中心向外逐渐变大，使得钻头能够更好地适应高研磨性地层、砾石层等难钻地层，并在复合钻井等高转速工况下，利用异步切削原理延长这些区域切削齿的工作寿命。

作为优选，异廓刀翼在钻头冠顶区域或鼻部区域的局部凸起高度大于其他区域。

在钻头穿越夹层、砾石层等不均质地层条件时，钻头的鼻部、肩部往往承载大量破岩载荷、功耗，使得这些部位的切削齿快速磨损，进而使钻头过早失效。该方案中，通过增高钻头冠顶区域或鼻部区域的局部凸起，不仅提升了钻头在这些部位的岩石吃入能力，也增加了其磨损长度，从而在提升钻进效率的基础上延长了钻头寿命。

作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，所述各曲线之间至少有一个局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本体轮廓线之间布置于相重合局部凸起的第一组切削齿相互错开。

作为优选，至少有一个刀翼同时具有前置刀翼本体轮廓线和至少一条后置刀翼本体轮廓线，前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线。优选，局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。

上述方案实质上是将两个异步刀翼的切削结构合并在一个刀翼体上。该方案中，同一刀翼上沿两条不同的刀翼本体轮廓线设置有至少两排切削齿，因此可以不增加刀翼数量的条件下，增加钻头的布齿密度，强化钻头的异步切削结构，同时也利于扩大钻头的流道，更充分、有效地利用钻头工作空间，提高钻头的综合性能。

作为优选，至少有一个刀翼同时具有前置刀翼本体轮廓线和至少一条后置刀翼本体轮廓线，前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，所述各曲线上至少有一个局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本体轮廓线之间布置于相重合局部凸起的第一组切削齿相互错开。这样能使钻头上特殊部位的异步切削结构得到加强。

作为优选，所述刀翼上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。

该方案中，相对于刀翼本体轮廓线其出露高度小于或等于零的第二组切削齿和空槽(包括内置齿和内置表镶齿等)以混合的方式同时布置于刀翼体，不仅能大大增加刀翼的磨损长度，也有效利用了刀翼体空间，在确保钻进比压的同时，进一步地延长了钻头寿命。

作为优选，刀翼本体轮廓线上整体或大部分外凸或局部凸起对应的刀翼区域内布置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。

该方案中，由于刀翼体的局部凸起钻进比压高，切削齿布置数量较少，因此相对普通刀翼更容易磨损，这部分刀翼体磨损后，该区域设置空槽可使已磨损的切削齿在外部载荷下迅速脱离刀翼体，进而暴露出空槽以及第二组切削齿，对已磨损区域进行修复，在保证了钻头使用寿命的基础上，对钻头切削岩石的能力进行了更新。

作为优选，对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相切。

作为优选，对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线部分重合。

作为优选，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、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、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

前述本实用新型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，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；且本实用新型，(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实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

名词解释：

切削齿的出露高度：是指切削齿刃的最高点到刀翼本体轮廓线上的距离。出露高度可以是正、是负，也可以等于零，当切削齿刃暴露于刀翼本体之外时，齿的出露高度为正值。

第一组切削齿：布置于刀翼体布齿面上出露高度大于零的切削齿。

第二组切削齿：布置于刀翼上，且相对于刀翼本体轮廓线出露高度小于或等于零的切削齿。内镶齿以及内置表镶齿等等均属于第二组切削齿。

内镶齿：相对于刀翼本体轮廓线出露高度小于等于零的切削齿，切削齿除了切削工作平面以外的其它表面(主要是侧面和底部端面)与刀翼体全面接触，并依靠这种接触关系实现切削齿的固结。

空槽：设置于第一组切削下方的刀翼体上，可以为贯通槽，也可为非贯通的盲槽。空槽的作用一是可以起到减小钻头磨损后刀翼本体所承担的对切削岩石不利的无效钻压，二是为内置表镶齿提供了布齿空间。

内置表镶齿：固定于刀翼体上设置的空槽内，并且其齿刃出露于其所在空槽表面的切削齿。当内置表镶齿前方的第一组切削齿和刀翼本体完全磨损后，内置表镶齿能像第一组切削齿那样以表镶齿的高比压方式切削岩石，使钻头的切削效率得到一定程度的恢复。

布齿轴面或轴面：通过钻头中心轴线的平面，主要用于表达钻头上各切削齿的径向和轴向位置，以及切削齿对井底岩石的覆盖情况，以及井底的基本轮廓特征。

井底覆盖图：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。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。

钻头切削轮廓线：在井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头切削轮廓线。该曲线表征了钻头所钻出井底的基本轮廓特征。

刀翼切削轮廓线：在钻头的井底覆盖图中，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，该包络线即为该刀翼的切削轮廓线。

刀翼本体轮廓线：在定义布齿轴面内，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空间曲面，该空间曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线。

前置、后置刀翼本体轮廓线：若将两个或更多的各自具有刀翼本体轮廓线的相邻刀翼合并为同一刀翼，则合并后的刀翼体上就会出现多条刀翼本体轮廓线，这种情况下，沿钻头旋转方向最前沿的称为前置刀翼本体轮廓线，其余均为后置刀翼轮廓线。同一刀翼体上的相邻刀翼本体轮廓线之间也可设置流道、水眼以及喷嘴等必要结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型中各异廓刀翼本体轮廓线为为高低起伏且彼此交错的曲线，该曲线是由多个局部凸起连接而成。一方面异廓刀翼上的部分切削齿接触井底，减小了切削齿与岩石的接触面积，切削齿产生高比压，使钻头有效的吃入地层。另一方面，钻头即使有磨损的情况下，仍然仅有部分切削齿接触井底，使得钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，有利于钻头在高强度、高研磨性地层机械钻速的提高。

(2)本实用新型钻头的刀翼本体轮廓线不相同，在钻头覆盖区域内形成叠加，能够增加钻头的轴向磨损体积，延长钻头的使用寿命；即使出现个别切削齿失效或磨损，也不会显著增加失效齿井底环带附近切削齿的工作负荷，有利于防止钻头出现环切现象。

(3)起伏的刀翼本体轮廓线长度更长，自然地同一刀翼上的布齿数量就更多，齿数增加与切削齿分阶段工作的特征相互匹配，从而在提高了刀翼钻进比压的基础上延长了钻头的工作寿命。

(4)本实用新型将异廓区域设置在钻头三分之一半径以外的径向区域，能增加钻头冠顶以及以外区域的耐磨寿命，从而使钻头在难钻地层钻进的工作性能得到提升。

(5)本实用新型将异廓区域设置在分布于钻头三分之二半径以内的径向区域，能增加钻头钻头冠顶以及以内区域的耐磨寿命，有利于减少甚至避免钻头在定向、复合等复杂钻井条件的心部失效(掏心)现象，提高钻头工作能力。

(6)本实用新型在钻头刀翼本体上设置第二组切削齿，使钻头在第一组切削齿失效后仍能持续工作，且切削齿比压高于同等条件下的常规钻头，有利于提升钻头的工作寿命和破岩效率。

(7)本实用新型能减少钻头对地层条件的敏感性，拓宽单一钻头对地层的适应范围(从软地层到硬地层)，在软地层中，局部凸起附近的切削齿可以看做一个大的切削元件来刮切地层，获得较高的机械钻速和钻井效率；在硬地层中，依靠全程高比压和轴向多层可磨损体积，获得较高的机械钻速和使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中适用于难钻地层的长寿命钻头结构示意图。

图2是现有技术中常规PDC钻头的井底覆盖图。

图3是本实用新型实施例一中整体外凸和大部分外凸的刀翼本体轮廓线示意图。

图4是本实用新型中局部凸起沿钻头径向和沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开分布的示意图。

图5是本实用新型中刀翼本体轮廓线共同覆盖区域、重合点、重合区域以及不重合区域的示意图。

图6是本实用新型实施例一中具有多个局部凸起的刀翼本体轮廓线示意图。

图7是本实用新型中凸起界点以及凸起宽度、凸起高度的定义示意图。

图8是本实用新型实施例二中异步刀翼的布齿示意图。

图9是本实用新型实施例三中异步刀翼的布齿示意图。

图10是本实用新型实施例四中异步刀翼本体轮廓线示意图。

图11是本实用新型实施例四中各异步刀翼的布齿示意图和刀翼本体轮廓线示意图。

图12是本实用新型实施例四的井底覆盖图以及钻头切削轮廓示意图。

图13是本实用新型实施例五的结构示意图。

图14是本实用新型实施例六的结构示意图。

图15是本实用新型实施例七中异步刀翼本体轮廓线示意图。

图16是本实用新型实施例七中各异步刀翼的布齿示意图和刀翼本体轮廓线示意图。

图17是本实用新型实施例七中刀翼1局部凸起的局部放大视图。

图18是图16中刀翼a的A-A剖视图。

图19是本实用新型实施例七的井底覆盖图以及切削轮廓图。

图20是本实用新型实施例八的结构示意图。

图21是本实用新型实施例八同一刀翼上前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线示意图。

图22是本实用新型实施例九的结构示意图。

图中：1、钻头本体；11、钻头切削轮廓线；2、连接螺纹；3、刀翼；31、刀翼切削轮廓线；32、刀翼的本体轮廓线；32a、(前置)刀翼本体轮廓线；32b、后置刀翼本体轮廓线；321、刀翼本体轮廓线的凸起部分；322、凸起界点；323、凸起顶点；33、刀翼布齿面；34、刀翼本体轮廓线重合点或重合区域；41、第一组切削齿；42a、内置表镶齿；42b、内镶齿；5、空槽；6、水眼；7、喷嘴。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本实用新型。

实施例一

如图1至图22所示，一种具有异步切削原理的长寿命钻头，包括钻头本体1和延伸自本体的多个刀翼3，刀翼3上设置有若干个第一组切削齿41，刀翼3布齿面33上设置凹窝用以固定第一组切削齿41，在刀翼之间的流道中设置有水眼6或喷嘴7，至少有一个刀翼3的本体轮廓线32(可以包含前置刀翼本体轮廓线32a和后置刀翼本体轮廓线32b)与至少另外一个刀翼3的本体轮廓线32在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。所述第一组切削齿41可以为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、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、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

所述刀翼3的本体轮廓线可以是仅有一个整体或大部分外凸的单峰曲线，如图3所示，也可以是如图6所示的具有多个局部凸起的多峰曲线，其中，标记为R的水平方向为钻头径向，标记为Z的竖直方向为钻头轴向，本专利中钻头覆盖图、刀翼本体轮廓线图等在钻头轴面内表示的示意图中所指的钻头径向、轴向均应如此理解，不再赘述。以钻头的钻进方向为纵坐标轴，径向为横坐标轴。整体或大部分外凸是指单个刀翼本体轮廓线上的整段或大部分(外凸部分宽度与钻头半径之比大于1/2)是一条呈外凸形的曲线，该曲线由一个或多个外凸曲线段与一个或多个直线段连接而成。现有PDC钻头的本体轮廓曲线一般是由一个圆弧段和与之光滑连接的另一个不同的圆弧段或直线段构成(如图3中的虚线所示)，其外凸的顶部区域被称为钻头的“冠顶”区域或鼻部区域。现有PDC钻头所常用的本体轮廓曲线主要包括以下几种类型(不计与钻头规径相接处的小倒角)：双锥型：直线(内锥)+圆弧(鼻部)+直线(外肩部)；单圆弧型：直线(内锥)+圆弧(鼻部和外肩部)；双圆弧型：直线(内锥)+圆弧(鼻部)+圆弧(外肩部)。这几类轮廓曲线都属于整体或大部分外凸的情况，更具体地说，均为整体外凸的单峰曲线。如图3(a)、图3(b)所示，其中图3(a)中所示的刀翼本体轮廓线为整体外凸的曲线，图3(b)中所示的刀翼本体轮廓线为大部分外凸的曲线，标号32c的曲线为现有技术中常规刀翼的本体轮廓线，在此以虚线形式标出，以便凸显本实用新型中所述的整体或大部分外凸刀翼本体轮廓线的特征。图8、图9所示的几种情况是钻头各刀翼本体轮廓线整体或大部分外凸部分的顶点的径向位置不相同的参考例。

本实用新型中的局部凸起，是指设置在单个刀翼本体轮廓线上局部区域(凸起部分宽度与钻头半径之比小于等于1/2)的凸起部分321，每一个凸起部分称为一个局部凸起。构成局部凸起的曲线可以是光滑曲线，也可以是非光滑曲线。如图6(a)、(b)、(c)中所示的几种情况，其中标号32c的曲线为现有技术中常规刀翼的本体轮廓线，以虚线形式标出，以便凸显本实用新型中所述的具有多个局部凸起的刀翼本体轮廓线的特征。局部凸起可以是连续曲线上的波峰及其附近区域，如图6(a)，也可以是多段曲线上的凸包形状曲线，如图6(b)，还可以是矩形、梯形等折线形状的凸起，如图6(c)，以及其他形状的曲线形式，在此仅列出其中较为典型的部分形式。各曲线局部凸起沿钻头径向部分(优选大部分)或全部相互错开的方式分布，可以参考图10、图15所示的两种情况。

整体或大部分外凸，或局部凸起的凸起区域的界定，以及进一步凸起的宽度和高度的定义如下：以凸起区域界点为计算基准，任一凸起区域都包含两个界点。进一步地，对于整体外凸的区域，其凸起界点应分别为刀翼本体轮廓线靠近钻头心部的端点以及刀翼本体轮廓线冠部与保径区域的分界点，如图7(a)中所示的点322；对于大部分外凸或局部凸起的区域，若整个凸起居于同一条平滑曲线的两个波谷之间，那么这两个波谷必有一条公切线以及内外两个切点，这两个切点即为其凸起界点，如图7(b)中所示的点322；若整个凸起两端为不同曲线段的非光滑连接点，则此连接点即作为该凸起的界点，如图7(c)中所示的点322；若某个凸起的一侧为具有波谷的连续平滑曲线，另一侧为前文所述的曲线段非光滑连接点，则该连接点首先作为其界点之一，另一界点即为自该点向凸起另一侧平滑曲线段波谷处所作切线的切点，如图7(d)中所示的点322。据此，某凸起(包括整体外凸、大部分外凸以及局部凸起)的宽度定义为该凸起两侧界点连线之长度，如图7中所示的W，其高度则定义为凸起曲线上的点至两侧界点连线的最远距离，如图7中所示的H，凸起曲线上取得该最远距离的点即为该凸起的顶点。需要说明的是，由于凸起的形状可以有很多的变化情况，上述定义虽然只是针对有限的几种凸起形状做出的，但其基本精神同样适用于不同形状凸起(包括整体外凸、大部分外凸以及局部凸起)的其它情况。

作为上述实施方案的进一步改进，所述刀翼3上可以根据实际需求在刀翼特定位置布置内镶齿42b、空槽5以及内置表镶齿42a中的一种或多种的一个或多个作为第二组切削齿。

作为上述实施方案的进一步改进，同一刀翼3同时具备一条刀翼本体轮廓线32a和至少一条后置刀翼轮廓线32b，且沿刀翼本体轮廓线32a和刀翼附加轮廓线32b固定有总共至少两排第一组切削齿41。

实施例二

如图8所示，为本实施例钻头上其中某两个异步刀翼的布齿示意图，在本实施例中，两个刀翼3均覆盖全部径向区域，其本体轮廓线32均为整体外凸的曲线，且二刀翼本体轮廓线在钻头心部区域重合，在外侧区域不重合，两刀翼的外凸顶点323在同一钻头轴面内相互错开。

实施例三

如图9(a)、图9(b)所示，为本实施例钻头上其中某三个异步刀翼的布齿示意图，在本实施例中，所述三个刀翼3的本体轮廓线32为整体外凸的单峰曲线，其外凸部分321的覆盖区域为钻头的中心至边缘的整个径向区域，且不同刀翼3的外凸部分321的顶点323在同一钻头轴面内相互错开。其中，图9(a)所示的刀翼本体轮廓线为直线与圆弧连接而成的外凸区域较为尖锐的曲线，图9(b)所示的刀翼本体轮廓线为圆弧或近似圆弧形成的较为平滑的曲线。

实施例四

如图10-12所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述刀翼3的本体轮廓线32为具有多个凸起部分321(局部凸起)的多峰曲线，不同刀翼的局部凸起在同一钻头轴面内相互错开，且对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相切。其中，图10为本实施例中各异步刀翼的本体轮廓线在同一轴面内的示意图；图11是本实施例中各异步刀翼的布齿示意图和刀翼本体轮廓线示意图；图12是本实施例中钻头的井底覆盖图和切削轮廓示意图。

上述任一刀翼的本体轮廓线32都不相同，所述刀翼3的本体轮廓线32上至少有两个局部凸起，局部凸起的高度大于等于8mm。

实施例五

如图13所示，为本实施例的钻头结构示意图，本实施例与实施例四基本相同，其区别在于：所述凸起部分321(局部凸起)的形状为梯形或近似梯形，且对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线部分重合。

实施例六

如图14所示，为本实施例的钻头结构示意图，本实施例与实施例四基本相同，其区别在于：所述刀翼3上设置有内镶齿42b，作为钻头的第二组切削齿。

实施例七

如图15-19示，本实施例与实施例四基本相同，其区别在于：所述刀翼3的凸起部分321(局部凸起)及其附近区域设置有空槽5及内置表镶齿42a，作为钻头的第二组切削齿。其中，空槽5可以是如图18(a)中贯穿刀翼前后侧面的通槽，也可以是如图18(b)中凹入刀翼前侧面的凹槽。其中，图15是本实施例中钻头各异步刀翼的本体轮廓线示意图；图16是本实施例中各异步刀翼的本体轮廓线在同一轴面内的示意图；图17是本实施例中图16(a)局部凸起的局部放大视图；图18是图16(a)的A-A剖视图；图19是本实施例中钻头的井底覆盖图以及切削轮廓示意图。

实施例八

如图20、图21所示，本实施例与实施例四基本相同，其区别在于：同一刀翼3具备一条前置刀翼本体轮廓线32a和至少一条后置刀翼附加轮廓线32b，且沿前置刀翼本体轮廓线32a和后置刀翼附加轮廓线32b固定有至少两排第一组切削齿41。其中，图20是本实施例中的钻头结构示意图；图21是图20所示钻头上某两异步刀翼的本体轮廓线示意图。

实施例九

如图22所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述钻头为取心PDC钻头。图中所示为本实施例中某异步刀翼的结构示意图(中心线左侧)以及某三个刀翼的本体轮廓线示意图(中心线右侧)。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于难钻地层的长寿命钻头，包括钻头本体，延伸自钻头本体的多个刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，其特征在于：至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。

2.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：至少有两个刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各曲线外凸区域顶点沿钻头径向的径向位置不同。

3.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。

4.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：至少有40％数量的刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。

5.如权利要求3所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之一半径以外的径向区域。

6.如权利要求3所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头径向三分之二半径以内的径向区域。

7.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，所述曲线之间至少有一个局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本体轮廓线之间布置于相重合局部凸起的第一组切削齿相互错开。

8.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：至少有一个刀翼同时具有前置刀翼本体轮廓线和至少一条后置刀翼本体轮廓线，前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线。

9.如权利要求1所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：所述刀翼上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。

10.如权利要求2至8中任一权利要求所述的适用于难钻地层的长寿命钻头，其特征在于：刀翼本体轮廓线上整体或大部分外凸或局部凸起对应的刀翼区域内布置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。