CN207829817U - 一种低扭矩金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低扭矩金刚石钻头，属于钻探领域。包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴、流道，至少一个刀翼上设置有挂切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，所述基座上设置有法向轮单元。本实用新型能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。特别地，在定向钻井中，这种低扭矩PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。

Description

一种低扭矩金刚石钻头

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，特别是涉及一种钻进钻头。

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，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。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）。

在钻井过程中，PDC钻头的复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下，克服地层应力吃入地层并向前钻进。PDC钻头以剪切的方式破碎岩石的工作特点，相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。在理想钻进过程中，在一定的钻压下，PDC均匀的吃入地层深度恒定，对岩石产生的是均匀刮切，其扭矩反馈趋于平稳状态。然而，由于井下地层情况的复杂性，特别是在钻遇软硬交错的地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头扭矩反馈的振动程度也就越剧烈。严重时，钻头吃入地层深度过深，会造成驱动扭矩不能驱动钻头进行旋转导致钻头停转。此时钻柱在转盘的驱动下继续扭转。当钻柱所积能量足以克服钻头与地层之间互作用的扭矩时，钻头从静止状态向运动状态过渡，钻柱所积累的能量瞬间释放，钻头突然超过正常速度的数倍加速旋转。这就是钻头的粘滑现象。这种现象，易引起钻头和钻具的高速旋转和扭阵，使钻头切削齿承受大的周向冲击载荷，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏，严重影响钻进效率。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度对钻压的变化特别敏感，加之切削齿与岩石互作用的复杂性，PDC钻头还存在沿钻头轴向方向的纵向振动也会对钻头寿命和机械钻速产生影响。

因此，如何控制钻头吃入岩石的深度，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，消除钻头卡滑憋跳，使钻头扭矩在给定钻压下保持在相对稳定的运动状态，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。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种钻井用的PDC钻头，能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。特别地，在定向钻井中，这种低扭矩PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。

本发明通过下述技术方案来实现：

一种低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴、流道，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，基座上设置有法向轮单元，法向轮单元由法向轮、轴套组成，法向轮通过轮轴转动连接于轴套。

所述的至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，事实上也可以理解为是一个基座，其独立于刀翼延伸自钻头体。

法向轮单元的法向轮为相对于自身轴线可转动的元件，法向轮单元主要由法向轮、轮轴、轴套组成（请参阅图6），法向轮通过过盈配合、烧结、或机加工等方法与轮轴固结，法向设置在轴套（请参阅图6标号4231）内，与轴套之间形成转动连接。轴套用于和基座上的轴套连接槽（请参阅图27标号411）连接。轴套、轮轴和法向轮的材料包括钢材、硬质合金、粉末冶金材料以及金属复合材料。法向轮的旋转，能够减缓法向轮磨损不均而导致的法向轮过早失效，延长减扭机构的工作寿命。法向轮要求具有一定的耐压、抗冲击能力，可以在其上设置较“钝”的锥球牙齿、楔形齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可以设置于法向轮上，如孕镶块、孕镶齿等。需要特别说明的是，法向轮上设置的耐磨、抗冲击能力强的元件或材料可以通过装配、焊接、过盈配合等方式设置于法向轮上形成法向轮的工作端，也可以与法向轮单元通过烧结、机加工等方式作为一体式结构。

上述方案中，刀翼前端，是指对于某一刀翼上的刮切齿来说，刮切齿正常钻进时绕钻头轴线旋转的方向，也即刮切齿工作面朝向的方向，请参阅图1标号22。与之相反为刀翼后端，请参阅图1标号23。该方案在不改变钻头的布齿结构的前提下，降低钻头的工作扭矩，同时能够有效提高钻头的缓冲效果，从而提高钻头的使用寿命。

“刮切齿”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，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）、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石刮切齿。刮切齿的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

钻头钻进过程中，法向轮在井底岩石上可绕其自身轴线转动，能够有效降低钻头的工作扭矩。

除此之外，钻头上设置法向轮单元还能产生意想不到的效果：

第一，当基座设置于钻头外部区域时，钻头在绕钻头轴线旋转时，因钻头并非完整圆柱体而产生多边形效应，同时会在旋转方向上产生振动（称为周向振动），本发明中用玄高来评价。请参阅图5，钻头上相邻两结构在钻头圆周方向上相距最远，且距井壁最近的两点（或两个小的区域）之间的玄高值越大，钻头的多边形效应或周向振动就越严重，反之越小。本发明实施例中，在径向方向上，法向轮结构的工作面至少部分在由玄线和所截小圆弧组成的面域内，这样将原来的玄长L变为了现有的玄高S，玄高由S降到S₁，多变形效应得到了缓解，振动冲击减弱；第二，当钻压或某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，产生冲击，挂切齿上的比压大幅增加，容易造成挂切齿的损坏。本发明实施例中的法向轮结构，在这种情况下，能够限制挂切齿的吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小振幅，对挂切齿形成一个很好的保护。

作为优选，法向轮的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离的范围为|H|≤5mm。

上述方案中，切削轮廓（亦称冠部轮廓）是钻头重要的结构特征之一，它反映钻头上各个切削元件在井底破碎岩石的工作位置和状态，是一个对钻头的地层适应性、钻进性能有重要影响的结构特征。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥（参阅图7标号a）、鼻部（冠顶区域）（参阅图7标号b）、外锥（参阅图7标号c）、肩部（参阅图7标号d）和保径区（参阅图7标号e）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，挂切齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为挂切齿的轴面轮廓线。将所有挂切齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓指在井底覆盖图中，所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。如图4为法向轮与刮切齿在钻头轴线平面内的井底覆盖图。在井底覆盖图中，法向轮单元的工作轮廓线与钻头切削轮廓线的法线方向上的距离不超过±5mm。

作为优选，法向轮单元周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。

上述方案中，周向偏移角范围的设定，能够实现法向轮旋转速度的可控。为方便理解周向偏移角，首先约定法向轮单元的基准点。对于法向轮单元而言，约定其工作端面的中心点为基准点。请参阅图3，在经过法向轮准点O且垂直于钻头轴线的平面内，连接基准点O和钻头中心点T，则直线OT与法向轮单元轴线在该平面内投影直线的夹角即为周向偏移角，其正负的确定：以O点为着眼点，若线0T在平行于钻头柱面的旋转模块柱面的左方，则为正，反之为负。

作为优选，法向轮单元法向偏移角的范围为0°≤|δ|≤60°。

在井底覆盖图中，当法向轮单元的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线重合或平行时，其回转轴线与钻头轴线自然形成的夹角称之为法向基准角，此时的回转轴线称之为基准法线（请参阅图4标号12）。当法向轮的回转轴线（请参阅图4标号43）与基准法线不重合时（即绕基准点0发生了转动），即形成法向偏移角，请参阅图4。其正负规定为：当回转轴线在基准线的上方时，为正，反之为负。

作为优选，至少两个相邻刀翼之间由基座相连。

上述方案中，所述中的基座连接于两个相邻的刀翼，可以理解为，基座延伸自其中一个刀翼的前端或后端至另一个刀翼的后端或前端。容易想到的是，当本案中的基座不与钻头体相连接的时候，形成了类似桥梁型的结构。当基座与钻头体相连的时候，则形成类似坝型的结构。本方案中，桥梁或坝型的基座能够增强刀翼的强度。

进一步，桥梁式或坝型的基座位于钻头不同径向位置。

上述方案中，当基座位于钻头外部区域参与保径时，能够明显增强钻头的保径能力，且增强钻头的自扶正效果。另外，对于PDC钻头来说，处于钻头外锥处的挂切齿较其他位置线速度大，容易受到更大的冲击载荷而失效；同时，外锥处挂切齿对钻头的扭矩贡献也比其他地方大，将缓冲元件安设在外锥处，将大大减小外锥处挂切齿由于过吃入深度而导致的钻头扭矩增加幅度，从而稳定钻头扭矩。

作为优选，至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有基座。

进一步的，至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有基座，且基座不与钻头体相连。

上述方案中，基座不与钻头体相连，在增强钻头的抗冲击能力的同时，对钻头的排屑能力影响较小。

进一步的，至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有基座，且基座与钻头体相连。

上述方案中，基座与钻头体相连，能够明显增强刀翼体的强度和工作可靠性。

作为优选，法向轮能相对于自身轴线轴向移动，且轴向移动的距离范围为5mm。

进一步的，法向轮单元内还设置有弹簧、缓冲垫、液压缓冲系统，或由上述组合而成的缓冲系统。

该方案中，缓冲系统的存在，能有效的缓解法向轮单元承受的沿自身轴线方向的轴向冲击，能有效的防止法向轮因冲击过载造成的功能失效。缓冲垫可以是弹性橡胶、金属材料等材料制造加工而成的。进一步的，基座与轴套之间设置有弹簧、缓冲垫、液压缓冲系统，或由上述组合而成的缓冲系统；进一步的，法向轮轮轴与轴套之间设置有弹簧、缓冲垫、液压缓冲系统，或由上述组合而成的缓冲系统；进一步的，基座与轴套之间、法向轮轮轴与轴套之间设置有弹簧、缓冲垫、液压缓冲系统，或由上述组合而成的缓冲系统。

作为优选，至少有2个基座设置于钻头的不同径向位置。

作为优选，所述法向轮单元内设置有密封元件。

该方案中，在法向轮单元内设置有密封元件，能够有效地防止井底微小颗粒、钻井液等物质对基座与法向轮单元之间的接触区的侵入，从而防止结构的过早失效，提高旋转减扭机构的使用寿命。

作为优先，法向轮上设置有缓冲元件。

上述方案中，凡是通过纵向承载、分压，增加与岩石的纵向接触面积，以限制刮切齿吃入深度，并通过缓冲效果减少刮切齿冲击失效的辅助切削元件，称为缓冲元件或缓冲齿。缓冲元件的工作端要求具有较高的耐压、抗冲击强度，比如用在牙轮钻头上较“钝”的锥球牙齿、楔形牙齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可作为缓冲元件，如孕镶块、孕镶齿。缓冲元件的工作端的曲面可以为平的、外凸的、凹的、以及它们之间的组合。缓冲元件的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

作为优选，钻头上还可以包括牙轮切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构或它们之间的组合。

进一步的，刀翼上的刮切齿还包括孕镶切削元件。

本发明的有益效果：

1、钻头钻进过程中，法向轮在井底岩石上可绕其自身轴线转动，将常规的降扭结构的滑动摩擦变为滚动摩擦，钻头整体扭矩降低。

2、在定向钻井中，这种低扭矩PDC钻头可以提高调整工具面的效率。

3、本发明方案中缓冲模块的设置，能够在钻进方向上和径向方向上的支撑点或区域，减弱钻头钻进过程中的轴向振动、多边形效应以及扭转振动现象。

4、旋转减扭机构上的法向轮单元工作端与地层交替接触，磨损均匀，发热少且利于散热，不易产生热磨损，利于延长缓冲结构寿命。

5、当法向轮单元沿自身轴线轴向移动时，对法向轮单元工作端起到保护作用，可有效防止工作端因冲击过载而造成的损害。

6、当基座座位桥梁式结构时，能够增强刀翼的强度。当桥梁式缓冲座参与保径时，还能增强钻头的自扶正能力。

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是本发明实施方式提供的钻头在第一视角下的结构示意图。

图2是本发明实施方式提供的钻头在第二视角下的结构示意图。

图3是表示法向轮周向偏移角的结构示意图。

图4是表示法向轮法向偏移角的结构示意图。

图5是本发明中玄高的定义示意图。

图6是法向轮单元的结构示意图。

图7是钻头切削轮廓的不同区域示意图。

图8是法向轮单元的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离范围的示意图。

图9是基座设置于刀翼前端且与钻头本体相连接钻头示意图。

图10是图9俯视图。

图11是钻头上刀翼上只有法向轮单元的钻头示意图。

图12是图11的俯视图。

图13是基座设置于刀翼前端且与钻头本体相连接钻头示意图。

图14是图13的俯视图。

图15是基座设置于刀翼后端的钻头示意图。

图16是基座连接自相邻两刀翼前后端，且不与钻头本体连接的钻头示意图。

图17是在刀翼与基座间设置有排屑槽的钻头示意图。

图18是轴套与法向轮之间通过卡簧连接结构示意图。

图19是轴套与法向轮之间通过钢珠锁定连接结构示意图。

图20是轴套与基座间加缓冲结构示意图。

图21是轴套与基座间加液压系统结构示意图。

图22是法向轮与轴套间设置有缓冲垫的结构示意图。

图23是法向轮与缓冲元件一体的结构示意图。

图24是基座设置于钻头肩部的钻头示意图。

图25是法向轮单元设置于钻头不同径向位置的径向布齿图。

图26是法向轮与连接槽之间通过钢珠锁定连接之示意图。

图27是法向轮与连接槽之间通过螺钉连接示意图。

图28是基座设置于刀翼前端且不与钻头本体连接的钻头示意图。

图29是法向轮上不设置缓冲齿的钻头结构示意图。

图32是基座延伸自相邻两刀翼的前端和后端且不与钻头本体连接的钻头示意图。

图30、31、36是钻头上设置有牙轮切削结构的复合钻头示意图。

图33是基座延上设置有切削元件的钻头示意图。

图34是具有冲击切削结构的钻头示意图。

图35是具有盘刀切削元件的钻头示意图。

图37是刮切齿的工作轮廓线包络于法向轮单元的工作轮廓线内的径向布齿图。

图38是刮切齿的工作轮廓线与法向轮单元的工作轮廓线相互交叉的径向布齿图。

图39是刮切的工作轮廓线与法向轮单元的工作轮廓线法向距离不恒定的径向布齿图。

图41是沿自身轴线转动的缓冲元件示意图。

图40、42是具有三维曲面的复合金刚石缓冲元件示意图。

具体实施方式

一种低扭矩金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体或固定在钻头体上的多个刀翼2、水眼或喷嘴15、流道14，至少一个刀翼2上设置有刮切齿21，至少一个刀翼2的后端23延伸有基座41，基座41上设置有法向轮单元42，法向轮单元42由法向轮421、法向轮轴422、轴套423组成，法向轮421可相对于自身轴线转动，如图1、2、4、6所示。

作为选择，参阅图8、37、38、39所示，法向轮单元42的工作轮廓线44与钻头的切削轮廓线13法向距离的范围|H|≤5mm。作为进一步选择，参阅图8，在井底覆盖图中，法向轮单元42的工作轮廓线44被钻头的切削轮廓线13包络在内，且在钻头切削轮廓线的法线13方向上的距离不超过5mm。进一步的，参阅图37，在井底覆盖图中，钻头的切削轮廓线13被法向轮单元42的工作轮廓线44在内，且在钻头切削轮廓线的法线13方向上的距离不超过5mm。作为进一步选择，参阅图38所示，法向轮单元42的工作轮廓线44与钻头的切削轮廓线13相交，旋转减扭机构4的工作轮廓线44与钻头的切削轮廓线13法向距离的范围|H|≤5mm。作为进一步选择，参阅图39所示，法向轮单元42的工作轮廓线44与钻头的切削轮廓线13的法向距离可变，且法向距离的范围|H|≤5mm。

作为选择，参阅图3所示，法向轮单元42周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。

作为选择，参阅图4所示，法向轮单元42法向偏移角的范围为0°≤|δ|≤60°。

作为选择，参阅图1、2、9、10、13、14、15、16、17、24、28、30、31、32、33、34、35、36、，基座41延伸自刀翼2。

作为进一步选择，参阅图1、2、9、10、13、14、15、30、34、36所示，基座41延伸自刀翼前端22或后端23，且与钻头本体1连接。该方案中，基座41亦是刀翼2的一部分，由于延伸自钻头本体1，这种结构可以在不削弱刀翼2强度的前提下，法向轮单元42的设置更加灵活。同样，基座41亦可以同时延伸自一个刀翼的前端22和后端23，且与刀翼2固结为一体，也可以实现上述效果。

作为进一步选择，参阅图28、31所示，基座41延伸自刀翼2前端22或后端23，基座41与钻头本体1不具有连接关系，这种基座41结构能够有效地避开钻井液及岩屑从井底流出的流道14空间，不影响钻头的携岩能力和排屑能力。同样的，基座41可同时延伸自一个刀翼2前端22和后端23，基座41与钻头本体1不具有连接关系，也可以实现上述有效果。

作为进一步选择，参阅图32所示，基座41连接与相邻两个刀翼，形成坝型基座。

作为进一步选择，参阅图16、17、24、31、33所示，基座41延伸自相邻两刀翼的前端22和后端23，基座41起于刀翼的前端22，止于该刀翼前端面相邻刀翼的后端23，且基座41与钻头本体1不连接。这种基座42结构其形状类似于道路交通中的桥梁，能够为法向轮单元42的安装提供足够空间的同时，保留了钻井液及岩屑从井底流出的流道14空间，不影响钻头的携岩能力和排屑能力。更进一步的，参阅图16、17所示，基座41结构设置于钻头的保径区域，且基座41与相连接两刀翼2之间的保径处形成一个光滑的整体。从而形成局部区域的全保径。增加了钻头保径面积，能起到很好的自身扶正效果，极大地提高钻头的稳定性，减少钻头涡动，延长钻头使用寿命；另外，对于PDC钻头来说，处于钻头外锥处的挂切齿较其他位置线速度大，容易受到更大的冲击载荷而失效；同时，外锥处挂切齿对钻头的扭矩贡献也比其他地方大，将万向球结构安设在外锥处，能够有效降低钻头的工作扭矩。容易想到是，上述基座可以多个或者全部同时存在于一个钻头中。

作为选择，参阅图11、12、29所示，钻头体1上至少一个刀翼2上只装有法向轮单元42，本方案事实上是独立于刀翼2的基座41。

作为选择，参阅图20、21、22所示，旋转减扭机构4内设置有弹簧427、缓冲垫426、液压缓冲系统425，或由上述组合而成的缓冲系统，本实施例能够实现法向轮的轴向移动，实现自身缓冲。

作为进一步选择，参阅图27所示，基座41与轴套423之间设置有缓冲垫426，即法向轮单元42没有与井底岩石发生接触时，缓冲垫426处于自然伸长状态，当法向轮单元42与井底岩石接触时，由于瞬间的冲击和挤压，法向轮单元42回缩，同时缓冲垫426被压缩，此刻由于缓冲垫426的存在，法向轮单元42的回缩能够起到很好的缓冲效果；当法向轮单元42与井底岩石脱离时，由于被压缩的缓冲垫426的伸展力，协助法向轮单元42回程，为下一次的工作做准备，当然其他缓冲结构41也能起到类似的效果。需要说明的是，缓冲垫可以是橡胶元件、也可以是具有良好弹性性能的金属原件；且在基座41与轴套423之间除了可以设置缓冲垫426作为缓冲结构外，还可以设置弹簧、液压缓冲系统，或由上述组合而成的缓冲系统。

作为进一步选择，参阅图21所示，基座41与轴套423之间设有液压缓冲系统，当旋转法向轮单元处于非工作状态时，即法向轮没有与井底岩石发生接触时，单向阀4251打开，液体流人基座41与轴套423之间的腔室内，当达到行程之后，腔室内压力达到恒定；当法向轮与岩石接触时，由于井底岩石给予法向轮的压力使得腔室内压力发生变化，单向阀4282打开并开始泄压，法向轮单元42回缩，当达到一定的回缩行程后，腔室内压力值低于单向阀4252阀值，单向阀4252关闭，此时液体经由单向阀4251流入腔室，法向轮单元回程，以此往复。需要说明的是，在基座41与轴套423之间也可以设置弹簧427（参阅图22所示），缓冲垫，或由上述组合而成的缓冲系统。

作为选择，参阅图25所示，至少有2个法向轮单元设置于所述刀翼的不同径向位置。

作为选择，参阅图27，法向轮单元42与基座之间设置有密封元件5。

作为选择，参阅图26，法向轮421不通过的轴套423，而直接装入基座41的空槽411内。

作为进一步选择，参阅图21所示，所述法向轮421与轴套423之间设置有密封元件5。

作为进一步选择，参阅图22所示，轴套423与基座41上设置的轴套连接槽411之间设置有密封元件5。

作为进一步选择，参阅图26、27所示，法向轮421与基座41上设置的轴套连接槽411之间设置有密封元件5。

作为选择，参阅图30、31、34、35、36所示，钻头上有至少一种除固定切削结构之外的其他切削结构。

作为进一步选择，参阅图30、31、36所示，钻头上为刀翼（或固定）切削结构21与牙轮切削结构31组成复合钻头。

进一步地，参阅图35所示，钻头上为刀翼（或固定）切削结构21与盘刀切削结构32组成的复合钻头。

进一步地，参阅图34所示，钻头上为PDC切削结构21与冲击结构34组成的复合钻头。

作为选择，参阅图19、23示，所述法向轮421设置有缓冲元件424。需要说明的是，缓冲元件可以为具有耐压、抗冲的元器件，如孕镶块、孕镶齿等。固定法向轮单元的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。进一步的，参阅图19所示，切削元件可以通过镶嵌的方式固定于法向轮。更进一步，参阅图23所示，切削元件可以与法向轮通过粉末烧结、机加工等方式制造为一体。

作为进一步选择，参阅图41所示，缓冲元件424为旋转齿结构，即缓冲元件能相对于自身轴线进行转动。

作为进一步选择，参阅图40、42所示 ，缓冲元件424为具有曲面轮廓的PDC齿。

作为选择，参阅图26所示，法向轮（法向轮单元42）421通过钢珠26锁定连接设置于轴套连接槽内411。参阅图27所示，法向轮单元42通过螺钉8连接设置于轴套连接槽内411。需要说明的是法向轮单元42也可以通过焊接、过盈配合、螺纹连接、销钉连接、键连接等其他连接方式设置于轴套连接槽411内。

作为选择，参阅图17所示，刀翼2与基座41之间设置有排屑槽412，在刀翼2与基座41之间设置有排屑槽412，以便刀翼2与基座41连接处对应的切削元件21破碎岩石产生的岩屑能够顺利的排出。

作为选择，参阅图33所示，在基座41上设置有刮切齿21。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴、流道，其特征在于：至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座；所述基座上设置有法向轮单元，所述法向轮单元由法向轮、轴套组成，所述法向轮通过轮轴转动连接于轴套。

2.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离的范围为|H|≤5mm。

3.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮单元周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。

4.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮单元法向偏移角的范围为0°≤|δ|≤60°。

5.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：至少两个相邻刀翼之间由基座相连。

6.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：至少一个刀翼的前端和/或后端延伸有基座。

7.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：法向轮单元能相对于自身轴线轴向移动，且轴向移动的距离范围为5mm。

8.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述至少有两个基座设置于钻头的不同径向位置。

9.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮上设置有缓冲元件。

10.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述基座应用于包含牙轮切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构的金刚石钻头中。