CN207553972U - 一种复合切削金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

一种复合切削金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或与钻头体相固连的固定刀翼、盘刀、固定刀翼之间的水道槽、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有刀翼切削元件，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，盘刀安装在盘刀轴上，或与盘刀轴为一体，所述盘刀的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接，能有效延长盘刀轴承的工作寿命、提高盘刀切削单元在使用中的安全性能，从而有效提高钻头的破岩效率和工作寿命。

Description

一种复合切削金刚石钻头

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、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种复合切削金刚石钻头。

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。三牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是当今钻井工程中使用得最多的钻头。

三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩。现有三牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5 °，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于 1，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

中国专利“适应于钻高研磨性地层的PDC钻头”(专利号：200810139793.X)中，布置在固定刀翼上的切削齿，在钻头轴向上呈两层布置，形成平行或者近似平行的两套切削轮廓。其目的在于不降低机械钻速的基础上，延长在高研磨性地层中的使用寿命。自2009年美国贝壳休斯公司牙轮-PDC复合钻头技术的开发成功，国内外研究单位与生产企业开始对复合钻头进行研究，并开发具有自主知识产权的专利产品。贝壳休斯公司在近年来相继向美国以及世界知识产权组织提交了多份专利申请，其中美国专利“Hybrid bit withvariable exposure”(专利号：US 8336646B2)中，针对牙轮切削单元的切削轮廓与固定切削单元的切削轮廓进行了几种匹配设计。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号： 201010229371.9)中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮(该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀)上，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元(包括刀翼结构)。大偏移角的安装使盘刀切削单元上的PDC齿在井底形成螺旋线的刮痕，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式。但该专利技术方案沿用了三牙轮钻头轴承系统的技术，将盘刀设置于具有轴颈的牙掌上，与牙掌形成转动连接。由于其轴承系统采用单侧支承的结构，其在轴承系统等方面存在不足或缺陷，钻头在钻进时如遇冲击或振动时，将会影响轴承系统的使用寿命，进而影响钻头的使用寿命。

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，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种复合切削金刚石钻头，能够充分利用刀翼式钻头的结构特点，至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接，采用双侧支承的轴承系统，从而提高盘刀切削单元的使用寿命，从而提升钻头的使用寿命和安全性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种复合切削金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或与钻头体相固连的固定刀翼、盘刀、固定刀翼之间的水道槽、水眼或喷嘴，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，盘刀安装在盘刀轴上，或与盘刀轴为一体，所述盘刀的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接。

盘刀的偏移角其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图3、图4、图5、图6、图7所示，AB为钻头中心轴线，CD为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线 CD并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面A1，A2是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面A1的平面，A3是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面A1的平面。盘刀上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，盘刀外排齿圈上各切削齿定位点所在的平面A4为盘刀基准平面，盘刀基准平面A4与盘刀轴线CD的交点E为盘刀基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。盘刀基准距c即为盘刀基准点E到平面A2的距离，盘刀移轴距s即为钻头轴线AB与盘刀极轴面A1之间的距离。沿钻头轴线从盘刀向钻头接头螺纹方向看(即逆钻头钻进方向看)时，盘刀的偏移角α为直线EF与平面A3之间的夹角，即有偏移角 α的取值为0～90°之间(含0°和90°)。根据盘刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是负值。盘刀偏移角正负号的规定为：沿与钻头钻进相反的方向看，并使E点位于平面A3的下方(如图6、图7)，若E点处于A2平面的左侧，则偏移角为正 (如图6所示)，反之为负(如图7所示)。若E点在A3平面上，偏移角等于0°；若E点在A2平面上，则偏移角等于90°(或-90°)。当偏移角的绝对值等于90°时，正偏移和负偏移的效果相同。盘刀的轴倾角β即为盘刀轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。

水道槽(也称水道)：即为钻头上各刀翼间形成的具有排屑、冷却及水力循环功效的流道，在水道槽内设置有喷嘴或水眼(钻井循环流体在钻头上的流出孔)。水道槽可以是整体概念(钻头的全部水道)，也可以是一个狭义的概念，即特指局部区域的水道，如“钻头心部的水道”、“某刀翼的水道”、“排屑槽”等。“某刀翼的水道”是指某刀翼与相邻的前方刀翼之间的水道槽，因专用于该刀翼切削齿的冷却和所生成岩屑的排出，所以在设计理念上与刀翼具有较强的所属关系。“排屑槽”是指钻头保径部位的水道槽。同样，“排屑槽”也可特指某刀翼的排屑槽。水道槽是钻头上钻井液正常上返的主流道。并非钻头刀翼上或刀翼之间所有的槽都是水道槽。如果某刀翼上或刀翼之间的槽内设置有水眼，或虽无水眼但与钻头其它部位的水道槽直接通连，且该槽贯通钻头的保径区(即在保径部位成为通畅的排屑槽)，此时方可称此槽为水道槽。否则即便外形上象水道槽，实际也不是水道槽(如图55中的42)。

固定刀翼、刀翼附属体：延伸自钻头本体或与钻头本体相固连，本身具有切削能力或在其上设置有切削元件，且与相邻刀翼之间具有水道槽的结构成为固定刀翼，也简称为刀翼。刀翼可以是独立的，可以与其它刀翼体相连。“Y”型刀翼是刀翼的一种形式，这种刀翼外形上从内向外在特定径向位置开始分杈，分成两个或多个“枝杈”。“枝杈”并非一定为刀翼，如果某“枝杈”上设有切削元件，且与前方“枝杈”或刀翼之间的槽是水道槽，则该“枝杈”就构成一个单独的刀翼，否则就不是刀翼，而只是原刀翼的一部分，简称刀翼附属体。

独立支承体：延伸自钻头本体与刀翼无连接的支承座，其本身不具有切削能力或其上不设置切削元件。根据盘刀支承方式的不同，独立支承体又可以分为单支承体(单侧支承)和双支承体(双侧支承)。

支承体为各种盘刀切削单元支承结构的统称，包括固定刀翼、刀翼附属体和独立支承体。

切削元件：通常也称切削齿，主要包括“刮切型元件”、“纵压型元件”、和“孕镶型元件”三大类。第一类“刮切型元件”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，简称刮切齿，主要包括PDC齿(聚晶金刚石复合片)、TSP齿(热稳定金刚石聚晶片)。第二类“纵压型元件”是指以纵向压碎和/或冲击作用破碎岩石的切削元件，简称纵压型牙齿或纵压齿，牙轮钻头和潜孔冲击钻钻头采用的就是这种牙齿。这种牙齿的主要齿形特征是牙齿的工作端具有外凸的曲面齿冠，牙齿具有较高的耐压、耐冲击强度。纵压型牙齿的材质一般采用硬质合金，为增强其耐磨性，有时也用金刚石对牙齿的齿冠做表面强化。第三类“孕镶元件”是一种将金刚石颗粒分布在切削元件体内的磨削型切削元件，包括孕镶体(也叫孕镶块)和孕镶齿两类。孕镶体通常是与钻头刀翼基体合为一体的整体式切削元件，而孕镶齿则一般是具有一定外形规格的个体化牙齿，形状以圆柱体居多，可以采用竖立、横卧等方式固结在刀翼体等基体上。

本专利中，所述钻头至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接，这样能够有效提高盘刀轴承系统的使用寿命，有效避免或减少因轴承系统的过早失效而导致整个钻头失去继续钻进的能力现象的发生，从而提升整个钻头在钻进中的使用寿命和安全性能。同时盘刀设置于水道槽中，水道槽区域时刻保持着水力循环，能够对盘刀、盘刀轴、支承体、盘刀切削元件进行冲刷、冷却，能够将盘刀切削元件刮切破岩产生的岩屑及时的从水道槽中排出，避免了因岩屑拥堵对盘刀破岩的影响，且能够有效地减少盘刀、盘刀轴、支承体之间因转动连接造成的热磨损。盘刀设置于一个固定刀翼上或两刀翼之间的水道槽中，当盘刀的支承体至少一侧为固定刀翼，增加钻头的布齿空间和布齿密度，充分利用钻头体有限而宝贵的空间，使钻头结构更加紧凑、可靠，这样钻头能够适用于复杂难钻地层；当盘刀的支承体的两侧均为独立支承体，独立支承体的尺寸、结构、位置相对于固定刀翼更加灵活、自由，使得盘刀的设计更加灵活，提升了钻头设计的灵活性，能够更好的满足钻头个性化设计的需求。盘刀切削元件可以换成钻头上还设置有与钻头体转动连接且在井底滚压或冲击压碎破岩的牙轮(包括小端向外、大端向内的反装牙轮)，和/或与钻头体相对滑动的布置有冲击切削齿的冲头、冲击器等运动切削结构元件设置在钻头体中。

作为优选，所述钻头至少还有另外一个盘刀完全支承于一个固定刀翼上，或一个刀翼的附属体上，或一个独立支承体上。

上述方案中，所述钻头的所述盘刀除了采用双侧支承外，至少还有一个采用单支承的盘刀(包括用牙掌支承的轴颈-轮孔式盘刀)，盘刀支承结构的多样性能够充分合理的利用钻头空间结构，从而有利于钻头的个性化设计。

作为优选，所述盘刀切削单元至少有两个，且至少有两个盘刀设置于同一个固定刀翼上或同一水道槽中，或其中一个盘刀设置于刀翼上，而另一个盘刀设置在该刀翼前的水道槽中，并且，其中至少一个盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接。

上述方案中，可以增加盘刀切削齿在井底的工作区域，增加钻头的布齿密度，提高钻头在复杂难钻地层的寿命。同时能够减小盘刀的尺寸，从而减小支承体的高度，提高支承体的强度。

作为优选，所述盘刀的偏移角范围是60°≤|α|≤90°。

上述方案，盘刀的偏移角使盘刀上的切削元件在井底与岩石接触的时间长，滑移距离长，交叉效果更佳。当盘刀的偏移角为正时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出如图27所示的网状刮痕示意图；当盘刀的偏移角为负时，当盘刀的偏移角为正时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出如图28所示的网状刮痕示意图；当盘刀的偏移角有正有负时，当盘刀的偏移角为正时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出如图30所示的网状刮痕示意图；

作为优选，钻头上至少有一个具有至少两种切削元件的盘刀，其中一种切削元件为PDC 齿。

上述方案中，多种切削元件的存在有利于提高钻头对特定地层的适应性，提升钻头的综合性能。

作为优选，钻头上至少有一个具有1至6圈切削元件的盘刀，盘刀上各圈切削元件均为刮切齿，或者，盘刀上各圈切削元件部分为刮切齿，同时还有部分纵压齿。

上述方案中，钻头上至少有一个具有1至6圈切削元件的盘刀，这样可以实现以下几个方面的益处：第一，多圈齿均为盘刀上的主切削齿，多圈齿在圆周方向交错布置，显著增加了盘刀切削齿在井底工作区域内的覆盖密度，既有利于切除井底上凸起的岩脊，又降低了盘刀切削齿的工作负荷，因此可使钻头在难钻地层的工作性能得到改善。第二，多圈齿中的某一圈或某几圈为盘刀上的主切削齿，另外的为后备切削齿，这样便于在高布齿密度条件下实现同一盘刀上的主切削结构和后备切削结构的设置，使钻头在难钻地层有更持久的工作能力。

作为优选，钻头上至少有一个具有孕镶元件的盘刀，且在盘刀切削元件与刀翼切削元件的共同覆盖区域内，固定刀翼上的切削元件包括PDC齿和/或孕镶元件。

上述方案，能够有效提高盘刀切削元件的使用寿命，进而提升钻头的使用寿命，尤其是在遇到高研磨性、高硬度等难钻地层时，能够有效提高钻头的寿命，节约钻井成本。

作为优选，布置在钻头三分之一半径以外径向区域的盘刀切削元件和刀翼切削元件均为孕镶元件。

上述方案中，布置在钻头三分之一半径以外径向区域的盘刀切削元件和刀翼切削元件均为孕镶元件。钻头在钻进时，钻头外三分之一半径以外的区域的切削元件磨损最为严重，孕镶切削元件的耐磨程度远远超过的大多数的切削元件，在钻头的三分之一半径以外区域的盘刀切削元件和单一切削元件均为孕镶元件，能够很好的解决钻头径向严重磨损不均的情况，从而提高钻头的使用寿命，从而节约钻井成本，提高钻进效率。

作为优选，至少在盘刀切削元件与刀翼切削元件的部分共同覆盖区域内，所述盘刀切削单元的切削轮廓线不低于固定刀翼的切削轮廓线。

上述方案，盘刀的切削轮廓线不低于固定切削结构的切削轮廓线，可以起到一下几个方面的功效。第一，当盘刀切削单元的切削轮廓略高于固定切削结构的切削轮廓时，钻头在井底工作先由盘刀切削单元在井底切削破岩形成一定高度的岩脊，再由刀翼切削元件破碎岩脊，能有效提高钻头的破岩效率，减低破碎能耗；第二，当盘刀切削单元的切削轮廓明显高于刀翼切削元件的切削轮廓时，钻头在井底工作时，盘刀切削单元作为第一切削元件(也称一级切削元件)与岩石接触，进行破岩。刀翼切削元件作为后备切削元件(也称为二级切削元件)，当盘刀切削单元磨损到一定程度后刀翼切削元件接替盘刀切削单元继续破岩，可以有效提高钻头的使用寿命，同时能有效减少因钻头布齿密度过高造成齿的比压低的现象，提高钻头的破岩效率。

作为优选，在支承盘刀切削单元的所述支承体上设置储油孔，储油孔内安装有储油囊，润滑油或润滑脂加注在储油囊中，通过油孔与盘刀轴承腔连通。

上述方案，在支承体设置储油补偿系统，使轴承在长时间的重载工况下得到充分的润滑，避免轴承的胶合失效，延长轴承的工作寿命。

本发明的有益效果：

1、打破了现有的复合钻头中牙轮和/或盘刀采用单侧支承的方法，将盘刀设置于盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，采用双侧支承结构，改善轴承的受力情况，尤其是在遇到冲击和振动等有害因素时，能有效延长盘刀轴承的工作寿命；双侧支承结构盘刀不易脱落，能有效提高盘刀切削单元在使用中的安全性能；位于水道中的盘刀能得到较好的冷却、清洗，即有利于减少盘刀切削齿的热磨损，又能有效降低盘刀轴承的工作温度，有利于保障轴承密封的性能，并减少轴承滑动副的胶合失效，在高研磨性、高温地层钻进尤其具有优势。

2、盘刀设置于水道槽中，水道槽区域时刻保持着水力循环，能够对盘刀、盘刀轴、支承体、盘刀切削元件进行冲刷、冷却，能够将盘刀切削元件刮切破岩产生的岩屑及时排出，避免了因岩屑拥堵对盘刀破岩的影响。

3、盘刀切削单元设置于两相邻固定刀翼之间，能增加钻头的布齿空间和布齿密度，提高钻头在复杂难钻地层的使用寿命；盘刀的支承体的两侧均为独立支承体，使得盘刀的设计更加灵活，提升了钻头设计的灵活性，能够更好的满足钻头个性化设计的需求。

4、将盘刀设置于两刀翼之间，制造工艺简单、成本低、可靠性高。

5、盘刀上采用不同组合方案的切削结构，有利于提高钻头对特定地层的适应性，提升钻头性能。

6、盘刀上采用孕镶切削元件、刀翼上采用PDC齿，能有效改善PDC齿对井底岩石的侵入能力，减少甚至避免PDC齿在硬地层钻进时的打滑现象。

7、盘刀和刀翼上均采用孕镶切削元件，能将交叉切削原理在微切削中实现，从而有效提高钻头在硬地层、高研磨性地层的破岩效率和工作寿命。

附图说明

图1为本发明具有双支承结构的盘刀复合钻头示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明的盘刀几何位置参数移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β的示意图。

图4为本发明的盘刀与盘刀轴转动连接，盘刀轴的两端均与固定刀翼固定连接时，一个盘刀切削单元的盘刀沿盘刀极轴面的剖视图。

图5为本发明的盘刀与盘刀轴固定连接，盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接时，固定刀翼沿盘刀极轴面的局部剖视图。

图6为本发明盘刀正偏移、偏移角为正值沿钻头轴线俯视时盘刀在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图。

图7为本发明盘刀负偏移、偏移角为负值沿钻头轴线俯视时盘刀在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图。

图8为本发明盘刀偏移角不相等的钻头示意图。

图9为本发明上设置有两个盘刀切削元件的钻头俯视图。

图10为盘刀切削单元设置于固定刀翼和刀翼附属结构之间的钻头示意图。

图11图10的俯视图。

图12为本发明具有双支承结构的盘刀复合钻头径向布齿图。

图13为盘刀切削单元设置于两独立刀翼之间的钻头俯视图。

图14为本发明钻头两刀翼间设置有多个盘刀的俯视图。

图15为图6钻头I区域径向布齿图。

图16为盘刀切削轮廓低于其他刀翼切削轮廓的径向布齿图。

图17为具有两圈齿的盘刀的一个齿圈切削轮廓低于其他刀翼切削轮廓的钻头径向布齿图。

图18为具有两圈齿的盘刀的一个齿圈切削轮廓高于其他刀翼切削轮廓的钻头径向布齿图。

图19为盘刀切削轮廓高于其他刀翼切削轮廓的钻头径向布齿图。

图20为本发明盘刀切削上设置有PDC齿、锥形齿的钻头俯视图。

图21为本发明盘刀切削单元上设置有两个齿圈的钻头俯视图。

图22为盘刀上设置两圈齿的示意图(1)。

图23为盘刀上设置两圈齿的示意图(2)。

图24为盘刀上设置锥形齿和PDC齿的示意图。

图25为盘刀上设置有不同直径PDC齿的示意图。

图26为盘刀上设置有椭圆齿的示意图。

图27为本发明盘刀为正偏移时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。

图28为本发明盘刀为负偏移时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图。

图29为本发明正、负偏移盘刀切削单元同时存在，且偏移方向相反的两个盘刀的偏移值大小相等时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的多重交叉刮痕示意图。

图30为盘刀与盘刀轴一体，盘刀轴与刀翼间转动连接示意图。

图31为图30的剖视图A-A。

图32为盘刀与盘刀轴通过键固定连接，盘刀轴与刀翼间转动连接示意图。

图33为盘刀与盘刀轴之间转动连接，盘刀轴与刀翼间通过键连接示意图。

图34为盘刀与盘刀轴之间转动连接，盘刀轴与刀翼间转动连接示意图。

图35为本发明盘刀上设置有两种不同直径齿的径钻头向布齿图。

图36为本发明固定刀翼上开设有储油补偿孔。

图37为图36中储油囊的G-G局部剖视图。

图38为旋转齿的示意图。

图39为安装有旋转齿的盘刀示意图。

图40为孕镶钻头上设置有盘刀的示意图。

图41盘刀切削元件为孕镶立齿。

图42盘刀切削元件为孕镶卧齿。

图43盘刀切削元件为孕镶体，盘刀的轮廓形状为波浪形。

图44盘刀切削元件为孕镶体，为盘刀的一部分。

图45为钻头两盘刀的偏移角方向相反示意图。

图46为本发明中一盘刀设置于一刀翼前端且采用单侧支撑连接的钻头俯视图。

图47为本发明中一盘刀设置于一刀翼后端且采用单侧支撑连接的钻头俯视图。

图48为本发明中一盘刀设置于牙掌上且采用单侧支撑连接的钻头俯视图。

图49为本发明中盘刀采用多种支承方式的钻头俯视图。

图50为本发明中盘刀设置于刀翼和独立支承体之间且采用单侧支撑连接的钻头俯视图。

图51为本发明中盘刀设置于刀翼上，且与刀翼和独立支承体之间且采用单侧支撑连接的钻头俯视图。

图52为图51的剖视图B-B。

图53为本发明钻头三分之一半径以外径向区域的盘刀切削元件和刀翼切削元件均为孕镶元件的径向布齿图1。

图54为本发明钻头三分之一半径以外径向区域的盘刀切削元件和刀翼切削元件均为孕镶元件的径向布齿图2。

图55为本发明钻头一盘刀设置于两相互连接刀翼之间、一盘刀设置于刀翼本体与刀翼附属体之间的钻头俯视图。

图56为本发明钻头一盘刀设置于两双支承体之间的钻头俯视图。

标注说明

1-钻头体；11-喷嘴/水眼；12-水道槽；13-储油孔。

2-盘刀切削单元；21-盘刀体；22-盘刀切削元件；221-PDC齿；222-锥形齿；223-孕镶体；224-孕镶卧齿；225-孕镶竖齿；226-旋转齿；2261-齿座；2262-切削部件；2263-金刚石层；23-盘刀轴；24-盘刀轴套；25-键。

3-密封圈。

4-固定刀翼；41-刀翼本体；42-刀翼附属体；43-刀翼切削元件；431-PDC齿；432-锥形齿；433-孕镶体；434-孕镶卧齿；435-孕镶竖齿；436-旋转齿；4361-齿座；4362-切削部件；4363-金刚石层。

5-独立支承体；51-单支承体(牙掌)；52-双支承体。

6-储油补偿系统。

7-钻头切削轮廓线；71-刀翼切削轮廓线；72-盘刀切削轮廓线。

8-刀翼本体轮廓线。

9-井底切削轨迹线；91-刀翼切削齿井底切削轨迹线；92-正偏移角盘刀井底切削轨迹线；93-负偏移角盘刀井底切削轨迹线。

10-焊缝。

14-垫圈/堵头。

具体实施方案

下列非限制性实施例用于说明本发明

基本例

一种复合切削金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体或与钻头体相固连的固定刀翼4、盘刀21、固定刀翼之间的水道槽12、水眼或喷嘴11，所述固定刀翼4上设置有刀翼切削元件43，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀21与其上的盘刀切削齿22及盘刀轴23所构成的盘刀切削单元2，盘刀21安装在盘刀轴23上，或与盘刀轴23为一体，所述盘刀21的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：至少有一个盘刀21设置于一个固定刀翼4上或两固定刀翼之间的水道槽12中，所述盘刀切削单元2的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接，如图1、2、9、10、11、50、55、56所示。

作为选择，所述钻头至少有一个所述盘刀21设置于相邻的两个固定刀翼5之间，且盘刀21与固定刀翼4形成转动连接，如图1、2、9、55、56所示。

作为选择，所述钻头至少有一个所述盘刀21设置于固定刀翼4和刀翼附属体42之间，且盘刀21与固定刀翼4、刀翼附属体42之间形成转动连接，如图10、11、55所示。

作为选择，所述钻头至少有一个所述盘刀21设置于固定刀翼4和独立支承体5之间，且盘刀21与固定刀翼4、独立支承体5之间形成转动连接，如图50所示。

作为选择，所述钻头至少有一个所述盘刀21设置于两个独立支承体5之间，且盘刀21与独立支承体5之间形成转动连接，如图56所示。

作为选择，至少还有另外一个盘刀完全支承于一个固定刀翼上，或一个刀翼的附属体上，或一个独立支承体上。如图46、47、48、49所示，所述钻头上至少有一个盘刀21完全支承于一个固定刀翼4前端；如图47所示，所述钻头上至少有一个盘刀21完全支承于一个固定刀翼4后端；如图48、49所示，所述钻头上至少有一个盘刀21完全支承于单支承体 (牙掌)51上；同样所述钻头至少有一个盘刀21设置于一个刀翼附属体42上，或一个单支承体51上，且盘刀21采用单侧支承，并与所述支承体形成转动连接。

作为选择，所述钻头的所述盘刀切削单元2至少有两个，且至少有两个盘刀21设置于同一个固定刀翼4上或同一水道槽12中。如图14、15所示，两盘刀21设置于同一水道槽12中，且与相邻前后两固定刀翼4形成转动连接。同样，所述两盘刀21中一盘刀可以设置于刀翼4上，而另有一个盘刀21设置于该刀翼前的水道槽12中，并且，其中至少一个盘刀切削单元2两侧分别支承在所述支承体上，且与支承体形成转动连接。作为选择，所述钻头上所述盘刀切削单元2至少有两个，且至少两个盘刀切削单元2在钻头上的径向位置不相同，如图12、14、15、20、21所示。作为进一步选择，钻头上径向位置不相同的两个盘刀 21的直径不相等，如图12所示。

作为选择，所述盘刀切削单元2设置于两相邻固定刀翼4之间，且至少其中一个刀翼 4与其他刀翼之间相互独立，不相互连接，如图13、14、20、21所示。

作为选择。所述盘刀的偏移角范围是60°≤|α|≤90°，如图6、7、8所示。

作为选择，所述钻头的盘刀切削单元2中，至少有一个盘刀21上设置有两种或两种以上的切削元件，且其中一种齿为PDC齿。如图20、21所示，盘刀21上设置的切削元件 22为PDC齿221和锥形齿222。

作为选择，钻头上所述盘刀单元2至少有两个，且其中一个盘刀21上可设置有1至6圈切削元件。如图21、22、23所示，所述盘刀21上设置有两个齿圈。所述盘刀切削单元2的盘刀切削元件22可以是多种切削元件的组合，如图17、19、20、21、22、23、25、26 所示。钻头上所述盘刀切削单元2中至少有一个的盘刀21上布置有不同直径尺寸的PDC齿 221，如图17、19、25所示。

作为选择，钻头上至少有一个具有1至6圈切削元件的盘刀21，盘刀21上各圈切削元件均为刮切齿221，或者，盘刀上各圈切削元件部分为刮切齿221，同时还有部分纵压齿222，如图21、22、23、24所示。作为选择，钻头上所述盘刀单元2至少有两个，且其中一个盘刀21上可设置有1至6圈切削元件。如图21、22、23所示，所述盘刀21上设置有两个齿圈。所述盘刀切削单元2的盘刀切削元件22可以是多种切削元件的组合，如图17、 19、20、21、22、23、25、26所示。

作为选择，钻头上至少有一个具有孕镶元件的盘刀，且在盘刀切削元件与刀翼切削元件的共同覆盖区域内，固定刀翼41上的切削元件包括PDC齿和/或孕镶元件，如图41、42、43、44。所述钻头的刀翼4上刀翼切削元件43为孕镶体433。孕镶体433是和刀翼4 烧结在了一起，实际上构成了刀翼4的一部分，如图40所示，刀翼41上的刀翼切削元件 43为孕镶体433，盘刀切削元件22可以为PDC齿221，也可以为孕镶体223，如图44所示；同样的，盘刀21上的盘刀切削元件22还可为孕镶卧齿224，如图41所示；盘刀21上的盘刀切削元件22还可以为孕镶竖齿225，如图42所示；盘刀21的截面形状可以为波浪形，如图43所示。

作为选择，所述钻头的径向三分之一以外的区域的盘刀切削元件22和刀翼切削元件 43均为孕镶切削元件223(433)，如图53、54所示。当然，在钻头径向三分之一以内区域的盘刀切削单元22和固定切削单元43可以是多种切削元件。如图53所示，在钻头径向三分之一以内区域刀翼切削元件43为PDC齿431；如图54所示，在钻头径向三分之一以内区域刀翼切削元件43孕镶体433。

作为选择，所述钻头在盘刀切削元件22与刀翼切削元件43的部分共同覆盖区域内，所述盘刀的切削轮廓线72不低于固定刀翼的切削轮廓线71。如图18、19所示。

作为选择，所述钻头在盘刀切削元件22与刀翼切削元件43的部分共同覆盖区域内，所述盘刀的切削轮廓线72不高于固定刀翼的切削轮廓线71。如图16、17所示。盘刀的切削轮廓线不高于固定切削结构的切削轮廓线，可以起到一下几个方面的功效。第一，当盘刀切削单元的切削轮廓略低于固定切削结构的切削轮廓时，钻头在井底工作先由固定切削结构在井底切削破岩形成一定高度的岩脊，再由盘刀切削单元破碎岩脊，能有效提高钻头的破岩效率，减低破碎能耗；第二，当盘刀切削单元的切削轮廓明显低于刀翼切削元件的切削轮廓时，钻头在井底工作时，刀翼切削元件作为第一切削元件(也称一级切削元件)与岩石接触，进行破岩。盘刀切削单元作为后备切削元件(也称为二级切削元件)，当刀翼切削元件磨损到一定程度后盘刀切削单元接替刀翼切削元件继续破岩，可以有效提高钻头的使用寿命，同时能有效减少因钻头布齿密度过高造成齿的比压低的现象，提高钻头的破岩效率。

所述支承体上设置储油孔13，储油孔内安装有储油囊6，润滑油或润滑脂加注在储油囊6中，通过油孔与盘刀轴承腔连通安装在支承体开设的储油孔13中。如图36、37所示。

作为选择，盘刀切削单元2的盘刀轴23与盘刀21固定连接(盘刀21与盘刀轴23 可以通过键25、花键等方式固定连接，如图32所示。也可以将盘刀21与盘刀轴23做为一体，当采用一体式时，通过焊接产生焊缝10的方式将盘刀轴23与支承体连接，如图30、 31所示。)，盘刀轴23两端与支承体形成转动连接，如图30、31、32所示。作为选择，盘刀切削单元2的盘刀轴23与盘刀21转动连接，盘刀轴23两端与支承体通过键25或花键，如图34所示。同样，盘刀轴与支承体两端可以通过销钉、螺钉、过盈配合等方式固定连接。该实施例中，支承体只需能够实现对盘刀轴支承、限定避免移位即可，该连接方式中转动轴承设在盘刀与盘刀轴之间，有利于轴承的加工，较轴承设在支承体与盘刀轴之间的制造工艺性要好。作为选择，盘刀切削单元2的盘刀轴23与盘刀21转动连接，盘刀轴23两端与支承体形成转动连接，如图35所示。上述方案中，该连接方式中盘刀与盘刀轴之间有转动轴承，盘刀轴两端与支承体之间也有转动轴承，盘刀相对支承体的旋转速度是盘刀相对盘刀轴的旋转速度与盘刀轴相对支承体相对旋转速度之和，该方案有利于减小盘刀与盘刀轴之间轴承及盘刀轴与支承体之间轴承的相对转动速度，有利于减缓轴承的磨损，延长轴承使用寿命。

作为选择，为能有效防止盘刀轴23的径向运动，在盘刀轴23的端面设置有挡板或堵头14，并且通过焊接形成焊缝10固定于支承体的轴孔内，如图14、16、17、18所示。

作为选择，钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀切削单元 2，两个盘刀21的切削轮廓线72相吻合或基本吻合，且两盘刀21的偏移角α不相等，即α 1≠α2。如图8所示。

作为选择，钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀21，两盘刀的偏移角α方向相反，如图45所示。

作为选择，刀翼切削元件43和/或盘刀切削元件22为旋转切削齿226(436)。如图38所示，旋转齿226主要由齿座2261和切削部件2262组成，切削部件2262上包含有金刚石层2263，切削部件2262相对于齿座2261可以作旋转运动。图39为盘刀21上的盘刀切削元件22为旋转齿226。同样的，刀翼4上的刀翼切削元件43也可以为旋转齿436。

作为选择，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有不同直径尺寸的盘刀切削齿，如图25、26所示。不同直径尺寸的切削齿布置在同一盘刀上，一方面有利于增强盘刀切削单元对地层岩石的适应性(通常地层硬度高时宜选用直径较小的切削齿，地层硬度低时宜选用直径较大的切削齿)，另一方面便于在同一盘刀上实现主切削结构和后备切削结构(直径大的齿作为主切削齿，直径小的齿作为后备切削齿)的设置。

作为选择，盘刀切削元件可以换成钻头上还设置有与钻头体转动连接且在井底滚压或冲击压碎破岩的牙轮(包括小端向外、大端向内的反装牙轮)，和/或与钻头体相对滑动的布置有冲击切削齿的冲头、冲击器等运动切削结构元件设置在钻头体中。

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)

1.一种复合切削金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或与钻头体相固连的固定刀翼、盘刀、固定刀翼之间的水道槽、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有刀翼切削元件，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，盘刀安装在盘刀轴上，或与盘刀轴为一体，所述盘刀的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接。

2.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：至少还有另外一个盘刀完全支承于一个固定刀翼上，或一个刀翼的附属体上，或一个独立支承体上。

3.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：所述盘刀切削单元至少有两个，且至少有两个盘刀设置于同一个固定刀翼上或同一水道槽中，或其中一个盘刀设置于刀翼上，而另一个盘刀设置在该刀翼前的水道槽中，并且，其中至少一个盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接。

4.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：所述盘刀的偏移角范围是60°≤|α|≤90°。

5.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：钻头上至少有一个具有至少两种切削元件的盘刀，其中一种切削元件为PDC齿。

6.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：钻头上至少有一个具有1至6圈切削元件的盘刀，盘刀上各圈切削元件均为刮切齿，或者，盘刀上各圈切削元件部分为刮切齿，同时还有部分纵压齿。

7.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：钻头上至少有一个具有孕镶元件的盘刀，且在盘刀切削元件与刀翼切削元件的共同覆盖区域内，固定刀翼上的切削元件包括PDC齿和/或孕镶元件。

8.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：布置在钻头三分之一半径以外径向区域的盘刀切削元件和刀翼切削元件均为孕镶元件。

9.如权利要求1至6各条所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：至少在盘刀切削元件与刀翼切削元件的部分共同覆盖区域内，所述盘刀的切削轮廓线不低于固定刀翼的切削轮廓线。

10.如权利要求1所述的一种复合切削金刚石钻头，其特征在于：在支承盘刀切削单元的所述支承体上设置储油孔，储油孔内安装有储油囊，润滑油或润滑脂加注在储油囊中，通过油孔与盘刀轴承腔连通。