CN207829819U - 一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，属于钻探领域。钻头主要包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴及流道等。其特征在于：所述刀翼上设置有滚动元件，且至少一个刀翼上只安设有滚动元件，或至少一个刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且该支座上安设有滚动元件，所述滚动元件安设于所述刀翼或支座的凹槽内。本专利可显著降低钻头扭矩对钻压的敏感度，降低切削齿及其他井下工具因扭矩波动造成的冲击损坏和疲劳失效，延长钻头使用寿命；提高定向钻井中工具面的稳定性，从而提高定向效率。

Description

一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头

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钻头是金刚石钻头中最常用的一种钻头，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。同时，较大的扭矩波动，还会造成定向钻进过程中工具面的不稳定，导致工具面摆放困难，减慢施工进度。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度变化对钻压特别敏感，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负面影响。

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，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：提出一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，能够显著降低钻头在复杂工况下钻头扭矩对钻压的敏感度，提高钻头旋转钻进时扭矩反馈的平稳度，从而降低因钻头大的扭矩波动对切削齿及其他井下工具造成的冲击损坏和疲劳失效，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，这种低扭矩钻头可以提高定向滑动钻进时工具面的稳定性，提高定向效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴、流道等，其中刀翼上设置有滚动元件，且至少一个刀翼上只安设有滚动元件，或至少一个刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且该支座上安设有滚动元件，滚动元件安设于所述刀翼或支座的凹槽内。

对于本发明所涉及的钻头本体、牙齿、刀翼、水眼、喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述。

本专利中所述的金刚石钻头，其刀翼上设置的切削齿可以为PDC切削齿，也可以为孕镶切削齿，也可以为两者的组合。设置的孕镶切削齿，可以设置为孕镶竖齿，也可以设置为孕镶卧齿，也可以为两者的组合。为叙述方便，以下用PDC齿来代替金刚石齿，但不限于PDC齿。

在钻头破岩过程中，钻头刀翼或支座上安设的滚动元件，其滚动体与岩石接触时可在岩石表面进行滚动。一方面，当滚动体与地层接触或侵入地层时，滚动体与岩石的接触区域远远大于尖锐的PDC齿，其与岩石互作用间的比压也就相对较小，这样，滚动体就为钻头提供了可与井底岩石接触的较大的支撑面，分担了施加在钻头切削齿上的部分钻压，也即限制了PDC切削齿的吃入深度，从而降低钻头扭矩。特殊地，由于滚动体在井底岩石上可自由转动，岩石与滚动体之间为滚动摩擦，降低了钻头与岩石间的摩擦扭矩，钻头整体扭矩降低。

由于钻井时井下工况的复杂性，滚动体与岩石直接接触，需要具有一定的耐磨、耐压、耐冲击能力，其材料可以为孕镶材料、人造金刚石、合金钢、硬质合金、粉末冶金材料、金属复合材料或表面喷涂有耐磨材料等。

作为优选，支座与相邻两个刀翼相连。

上述方案中，由于没有在原刀翼上直接开槽来作为滚动元件的支座，这样既保持了原有刀翼的结构强度，同时滚动元件的安设位置范围更广，更灵活。且可以根据支座的位置空间设置更大尺寸的滚动元件，更好的对钻头起到降低扭矩的作用。

作为优选，滚动元件与钻头的切削齿间的相对高度范围为0mm≤|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。如图24，目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥120、冠顶121（鼻部区域）、外锥122、肩部123和保径124五部分。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，该交线的包络线称为切削齿的轴面轮廓线或切削齿包络线。过包络线上任一点的法线，称为过该点的方向基准线。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。如图23、24为滚动元件与PDC切削齿在钻头轴线平面内的井底覆盖图。由于滚动元件的存在，钻头在钻进时，钻头吃深得到了有效的限制，将能够有效地防止钻头在钻进中因吃深过大或吃深不稳定造成的钻头扭矩多变的情况，能够很好的保护切削齿的使用寿命，提高钻头的可持续钻进能力，同时有效地规避钻头在定向钻井中扭矩多变造成工具面难以控制现象的存在。可根据不同的地层条件选择不同的法向距离，以提高钻头的钻进能力的适应性。

本专利规定如下：如图17，在轴面内，过包络线上一点的法向基准线与滚动体相交于一点时，若两点之间的距离（法向距离）为零，即两点重合，此时规定滚动元件与切削齿之间的的相对高度为零；当交点位于包络线外侧时，规定两者之间的高度为正值，即滚动元件高于切削齿；当交点位于包络线内侧时，规定两者之间的相对高度为负值，即滚动元件低于切削齿。显而易见的，本专利并不限于相对高度只有正和负两种情况，还包括即有正、负或零三种方式同时存在，即在某些区域滚动元件的滚动体凸出切削齿包络线，在某些区域滚动元件的滚动体在包络线之内，和在某些区域两者的相对高度为零。

作为优选，滚动元件的支撑体轴线与固定切削齿包络线交点处的法向基准线之间的夹角范围为0°≤|δ|≤60°。

在钻头的轴面内，支撑体轴线与切削齿的外包络线相交与一点，该点称为基准点，过基准点的切削齿法向基准线与支撑体轴线之间形成锐角δ，如图23。其正负规定为：基准线绕基准点顺时针旋转δ与支撑体轴线重合时为正，相反为负。应根据不同的应用条件选择不同的夹角。

作为优选，滚动元件安设于钻头冠部轮廓的不同位置。

上述方案，滚动元件安设于钻头冠部轮廓的内锥区域，可有效防止钻头掏心；安设于冠顶区域，滚动元件可承担更多的钻压，防止钻头过吃入，减小扭矩波动；由于外锥区域是钻头上旋转半径最大的区域，其切削齿的线速度大导致切削齿要承受更强的冲击载荷，同时该区域的切削齿也是钻头扭矩贡献最大的区域，在该区域安设滚动元件，可大幅度降低钻头扭矩和切削齿冲击载荷。

作为优选，滚动元件由滚动体和滚动支撑组成，滚动体可为球形、圆柱形、圆盘形、腰鼓形以及它们之间的组合。

上述方案中，将滚动体和滚动支撑安装在一起组成滚动元件，这种方式加工简单，组装方便。选择不同形状的滚动体，其与岩石的接触方式、滚动形式也不相同，这样可满足不同的地层条件和钻头性能要求，适用范围更广。如球形滚动体，其工作方式类似于万向球结构，即滚动体在滚动支撑内可自由灵活转动，可大幅度降低钻头在复杂工况下的扭矩波动；圆柱形滚动体可提高其与岩石的接触面积，可分担更大的冲击载荷；圆盘形滚动体在岩石表面滚动，可在降低钻头扭矩的同时，圆盘边缘的刃边还可以以碾压的方式侵入岩石并破碎（预破碎）岩石，在井底岩石表面形成环形沟槽，从而起到辅助钻头切削齿破岩的效果。

作为优选，滚动元件设置有密封装置。

上述方案，滚动元件存在可灵活转动起降扭作用的滚动体，滚动体是否能灵活转动，对钻头的降扭作用非常关键。由于钻头在井下的工况十分恶劣，滚动元件要承受较高的转速和较大的载荷，如果切削齿破碎的细小岩屑或者钻井液中的其他细小颗粒介质侵入到滚动体和滚动支撑体的接触缝隙中，会使得滚动体因转动不灵活而很快磨损失效。由于密封装置的存在，可增加滚动元件的工作寿命。

作为优选，滚动元件支撑体与支座上的凹槽之间设置有弹簧、缓冲垫、液压系统，或由上述组合而成的缓冲系统。

上述方案，由于缓冲系统的存在，滚动元件的滚动体在岩石表面滚动的同时，其滚动元件整体相对于支座或刀翼还可以有一定程度的移动空间。这里的移动指的是沿支座上安设滚动元件的凹槽深度方向的移动。这种安设方式，当钻头受到较大的冲击时，特别是来自井底岩石的沿钻头旋转轴线方向的冲击时，缓冲系统可吸收部分冲击能量，对钻头具有一定的缓冲效果，更好的起到保护切削齿的作用。

作为优选，滚动元件支撑体为拉伸体，其拉伸面可以为圆柱形、多边形、椭圆形。

上述方案，由于滚动元件支撑体的形状均为常见的规则体，设计简单，安装加工方便。

作为优选，钻头上安设有可运动的牙轮切削结构和/或盘刀切削结构。

上述方案中，其他切削结构包括固定切削结构和非固定切削结构，固定切削结构可以为孕镶切削结构，非固定切削结构可以为牙轮切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构或他们之间的至少两种切削结构的组合。根据不同的地层条件及钻井工艺参数选择不同的切削结构组合，以增强钻头在特定地层中的适应性。

有益效果

1、可以为钻头提供了与井底岩石接触的更大的支撑面积和支撑点，增加了钻头的钻进稳定性。

2、滚动元件是一种非切削型结构，它可以分担施加在钻头切削齿上的部分钻压，限制PDC齿切削过程中的过吃入，从而消除钻头粘滑振动，降低钻头扭矩波动，避免切削齿过早失效，延长钻头使用寿命。

3、滚动元件改变了传统的钻头上安设固定的切削深度控制元件，即将切削深度控制元件与井下地层之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，大幅度降低钻头的扭矩。特别是在导向钻井中，有利于定向过程中工具面的稳定性，从而提高定向效率。

4、当支座为桥式形式时，能够增强刀翼的强度。特别是外桥型支座处于保径区域时，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为本发明所涉及到的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头示意图。

图2为滚动体为球形的滚动元件示意图。

图3为另外一种滚动体为球形的滚动元件示意图。

图4为滚动体为圆柱形的滚动元件示意图。

图5为圆柱形滚动体与端盖配合示意图。

图6为滚动体为盘形的滚动元件示意图。

图7为多个盘形滚动体示意图。

图8为另一种盘形滚动体示意图。

图9为滚动元件为镶齿牙轮示意图。

图10为滚动元件为铣齿牙轮示意图。

图11为滚动体与支撑体之间具有滚珠示意图。

图12为具有缓冲装置和密封的滚动元件示意图。

图13为滚动元件上有多个滚动体示意图。

图14为支撑体上有多个滚动元件示意图。

图15为滚动元件与支座之间连接方式示意图。

图16为滚动元件与轴套配合示意图。

图17为第一种滚动元件与盲孔轴套连接示意图。

图18为第二种滚动元件与盲孔轴套连接示意图。

图19为第三种滚动元件与盲孔轴套连接示意图。

图20为滚动元件与通孔轴套连接示意图。

图21为第一种万向球结构具有轴向移动和自由转动方案示意图。

图22为第二种万向球结构具有轴向移动和自由转动方案示意图。

图23为冠部轮廓曲线组成及与滚动元件夹角示意图。

图24为冠部轮廓曲线与滚动元件相对高度示意图。

图25为在钻头上具有移轴的滚动元件示意图。

图26为滚动元件安设于独立支座上的钻头一般视图。

图27为滚动元件安设于独立支座上的钻头俯视图。

图28为滚动元件安设于刀翼前面的示意图。

图29为滚动元件安设于刀翼后面的示意图。

图30为独立支座上安设多个滚动元件示意图。

图31为支座为刀翼侧壁悬空延伸体示意图。

图32为支座为刀翼侧壁延伸体示意图。

图33为支座为桥式结构的示意图。

图34为支座为外桥型支座的示意图。

图35为支座为坝型支座示意图。

图36为安设有冲击切削结构的钻头示意图。

图37为安设有盘刀切削结构的钻头示意图。

图38为安设有盘刀切削结构和牙轮切削结构的钻头示意图。

图39为安设有牙轮切削结构的钻头示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种钻头。参阅图1，包括钻头体1、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼或固定切削结构2、水眼或喷嘴3，刀翼2上设置有切削齿4，切削齿4可以为PDC齿，也可以为孕镶齿。钻头上还设置有由滚动体52和滚动支撑体51组成的滚动元件5，滚动元件5安设于相应的支座或刀翼2凹槽内。

钻头还包括钻头轴线1a，固定切削齿41，牙轮牙齿42,冲击齿43，支撑体轴线50，支撑体外壳51，滚珠52，基座511，端盖512，螺栓54,密封圈55，钢珠56，缓冲装置57，弹簧缓冲装置571，液压缓冲装置572，垫圈缓冲装置573，卡簧58，轴套59，万向球组支撑体6，支座7，盖板71，牙轮切削结构8，冲击切削结构9，盘刀切削结构10，冠部曲线12,内锥120，冠顶121，外锥122，肩部123，保径124，法线125。

钻头还包括钻头轴线，在破岩过程中，钻头可绕钻头轴线转动，使刀翼2上的切削齿4与岩石之间发生相对运动，从而切削岩石。已破除的岩石，通过排屑槽由钻井液携带入环空。

如图2，滚动元件5由滚动体52和支撑体51组成；支撑体51由端盖512和基座511组成，端盖512与基座511通过焊接或螺栓54固结在一起，滚动体52在端盖512和基座511之间组成的空间内自由滚动。由于井下工况的复杂性，滚动体52的材料可以为孕镶结构、人造金刚石、合金钢、硬质合金、粉末冶金材料以及金属复合材料等或表面耐磨材料，以使滚动体具有一定的耐磨及抗冲击性能。支撑体51为拉伸体，其拉伸截面可以为圆柱形、多边形、椭圆形，优选为圆柱形。

如图3，滚动元件亦可只由滚动体52和支撑体51组成。支撑体51分左右两部分，两部分通过焊接的形式固定在一起。

滚动元件5安设于刀翼2和/或支座7的凹槽内，具体有以下几种方式。

如图1，滚动元件5直接安设于钻头切削齿所在刀翼2上，这种方式不需要对钻头做特殊的设计，可以在不改变钻头本身切削结构的同时，节约钻头布齿空间，同时也可以减小钻头的加工难度，节约制造成本。这种结构形式，有几种方案可供选择，滚动元件5安设于切削齿的前面（图28）及滚动元件5安设于切削齿的后面（图29），以及它们的组合形式。

这里所说的“前面”是指，对于某一刀翼上的切削齿来说，切削齿正常钻进时绕钻头轴线旋转的方向，也即切削齿工作面朝向的方向。相反为“后面”。

如图26、27、30，滚动元件5的支座7为独立于固定切削齿所在的刀翼2，即该刀翼上不安设切削齿4，而只有滚动元件5。这种结构，可以将支座设置的更大，从而可以安设更大尺寸的滚动元件或更多的滚动元件，降扭减震效果更好。

支座7也可以为刀翼侧壁的延伸体。这种结构的方案举例如下。

参考图32，滚动元件5的支座7不与钻头本体1连接，而是像悬臂梁一样从刀翼2侧壁向前或/和向后悬空伸出，本专利称这种支座形式为刀翼侧壁悬空延伸体。这种支座形式避开了钻井液及岩屑从井底排出的流道空间，保证了切削齿的清洗和冷却。

参考图28、32，支座7为刀翼2侧壁向前延伸出来的部分，且该部分还与钻头本体1连接，本专利中将这种支座形式称为刀翼侧壁延伸体。刀翼侧壁延伸体亦是切削齿所在刀翼的一部分。由于其与钻头本体1连接在一起，这种结构可以在不削弱刀翼本身强度的前提下，安设更大尺寸的滚动元件5，同时也提高了支座7的强度，滚动元件5可以承受更大的载荷冲击力。类似地可得到支座7为刀翼2侧壁向后延伸及向前和向后均延伸的支座形式。

进一步地，支座7与相邻两刀翼相连。

即在相邻的两刀翼之间设置有连接该两刀翼的刀翼连接体，以该刀翼连接体作为滚动体5的支座7。参考图33，该支座7悬空于两刀翼间的流道上。由于其形状类似于道路交通中的桥梁，故本专利将这种结构的刀翼连接体称为桥型支座结构。桥型支座结构能为滚动体5提供足够安装空间和设置更大尺寸滚动体5的同时，也保留了钻井液及岩屑的排出的流道空间。桥型支座结构可以设置于钻头冠部曲线靠近保径区域，也可以设置于钻头冠部曲线的冠顶和内锥区域。

另外一种支座7与相邻两刀翼相连的形式，如图34，为桥型支座结构设置于钻头的保径区域。由于其处于钻头外部的靠近井壁处，本专利将其称为外桥支座。外桥结构使两相邻刀翼之间的保径处连成一个光滑的整体，形成钻头局部区域的全保径，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，处于钻头外锥处的切削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，外锥处切削齿对钻头的扭矩贡献也比其他地方大，将滚动体5安设在外锥处，将大大减小外锥处切削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。

特殊地，参考图34，即每两个相邻刀翼之间均设置有外桥型支座。

在导向钻井中，钻头需要有一定的侧向切削能力。钻头滑动钻进进行造斜时，在导向工具或弯螺杆的作用下，钻头外侧切削齿会紧紧的贴在井壁的一侧对井壁进行切削，但由于相邻刀翼之间存在有较大的流道空间，刀翼在周向方向具有不连续性，即钻头的外表面并不是一个完整的圆柱面，这样，钻头外锥处和保径处切削齿与井壁接触过程中，存在一个刀翼向下一个刀翼过渡的现象，从而就会对钻头产生横向的冲击振动而损坏切削齿。这种外桥型支座方式，可以增加钻头保径处与井壁的接触区域，相当于为钻头保径提供了更多的与井壁岩石之间支撑点，增加钻头表面的圆柱度，使刀翼过渡更平稳，切削齿切削过程更稳定。

与外桥结构类似，该安装有滚动体5的桥型支座设置于钻头远离保径的区域，如安设于冠顶和内锥区域，本专利将这种结构形式称为内桥型支座。这种形式可对心部区域切削齿形成一定的缓冲减震效果，从而减缓钻头因心部切削齿失效产生的掏心现象。特别是导向钻井中，该支座形式的优势更加明显。

类比外桥型支座与内桥型支座上分别设置滚动元件5的实施方案，可很容易得到在钻头上同时设置有内桥结构和外桥结构且在外桥和内桥上全部安设有滚动元件5这一方案，以使滚动元件5在钻头上的覆盖区域更广，对钻头的降扭减震作用更强。

另外一支座形式，参考图35，滚动元件5的支座7与相邻两刀翼的前侧面和后侧面相连接，且还与钻头体相连接。这种支座形式本专利称为坝型支座。坝型支座上可安设有切削齿，如PDC齿、硬质合金齿、孕镶齿等或表上喷涂或敷焊有耐磨材料。

作为选择，滚动体的形状可为球形、圆柱形、圆盘形、滚轮形、镶齿牙轮及铣齿牙轮，以及它们之间的组合。

如图2、3，滚动体52形状为球形滚动体。除球形滚动体外，滚动体形状还可以为圆柱形（图4、5）；具有双侧支撑的圆盘形（图6），圆盘上可铣出锯齿形槽（图8）；具有双侧支撑的滚轮形或多个滚轮（图7）；具有双侧支撑的镶齿牙轮（图9）和铣齿牙轮（图10）。以球形滚动体作为本专利的最优方案。

滚动元件5可设置有密封元件55（图5、11、12、13），以防止外部介质进入到滚动元件5内。滚动元件5内可设置有钢珠56（图11），以增加滚动体52滚动的灵活性以及承载能力。滚动元件5的滚动体52与基座511之间可设置有具有一定弹性的缓冲装置57，如缓冲垫、弹簧、液压等。

可根据不同的承载要求设定滚动元件5中滚动体52的分布密度以及选择不同承载能力的滚动体52。参考图13，为滚动元件5上设置有多个球形滚动体52。

另外一种滚动元件，如图14，是将多个滚动元件5安设于一个模块上。该模块亦看做是支撑体5。为便于区分，可将该模块标记为6，为便于叙述，仍将其称为支撑体。

支撑体6与支座7之间的连接形式有固定连接和活动连接多种。固定连接方式可以为焊接和过盈配合等形式。参考图15，支撑体与支座7之间通过滚珠定位，形成可转动的活动连接。

支撑体6与支座7之间可设置轴套59（图16），轴套59具有比支座7更高的耐磨性。轴套59可为盲孔轴套或通孔轴套。轴套59通过焊接或过盈配合的方式固定于支座的凹槽内。支撑体6与轴套59之间通过钢珠56（图17）或卡簧（图18）限位，但可绕其轴线进行自由旋转。参考图19，轴套59与支撑体6之间设置有缓冲装置57，如弹簧、缓冲垫等。

如图20，轴套59为通孔，轴,59内孔为台阶孔，轴套59通过焊接或过盈配合的方式固结在支座7上，支撑体6与台阶孔之间通过卡簧58限制其轴向活动范围，支撑体6与轴套59之间，或支撑体6与支座7之间设置有缓冲装置57。

如图21，支撑体6与轴套59之间形成转动连接，且两者之间用滚珠或卡簧轴向锁定。轴套59为多级阶梯状，其与支座7之间有盖板71，盖板71与支座7通过螺栓54连接。轴套59与支座7之间连接有起缓冲作用的弹簧571。进一步地，轴套59与盖板71之间还可以设置有缓冲垫圈573。

如图22，支撑体6与轴套59之间形成转动连接，且两者之间用滚珠或卡簧轴向锁定，轴套59与支座7之间有一定的容纳液压油的空间，液压油空间与液压系统的供液体单向进出流动的单向阀572相连。滚动元件5在工作过程中因受到震动而沿轴向方向往复运动，当空间减小，轴套59推动液压油从出口单向阀流出，相反，液压油从进口单向阀流入，液压油的流出与流入大大减小了滚动元件5的轴向振动。进一步地，轴套59与支座7之间还可以设置有弹簧71，或缓冲垫圈。

作为选择，如图23，支撑体轴线50与固定切削齿外包络线12交点处的法向基准线之间夹角范围为0°≤|δ|≤60°。进一步地，取两者夹角为0°。

作为选择，如图24，滚动元件5与钻头切削齿间的相对高度范围为0mm≤|H|≤5mm。进一步地，两者间的相对高度为0mm。

如图25，滚动元件5相对于钻头体中心的移轴距S为0～5mm。可以这样来看，若滚动元件6的轴线50与钻头轴线1a相交时，移轴距S为零。如将支撑体6的轴线50在水平方向移动一段距离S，则形成了有移轴的滚动元件。对于可在支座7凹槽内自由旋转的支撑体，移轴距S的存在，可以提高支撑体6的转动能力，进而提高支撑体6上滚动体52或滚动元件5转动的均匀性。进一步地，支撑体6相对于钻头体中心的移轴距为0mm。

作为选择，钻头上有至少一种除固定金刚石切削结构外的其他可活动切削结构。

其他的活动结构可以为冲击切削结构9（图36）、盘刀切削结构（图37）、牙轮切削结构（图39），或者有至少两种活动切削结构，参考图38中的牙轮切削结构和盘刀切削结构。

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)

1.一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴、流道等，其特征在于：所述刀翼上设置有滚动元件，且至少一个刀翼上只安设有滚动元件；或至少一个刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且该支座上安设有滚动元件；所述滚动元件安设于所述刀翼或支座的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述支座与相邻两个刀翼相连。

3.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件与钻头切削齿间的相对高度范围为0mm≤|H|≤5mm。

4.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件的支撑体轴线与固定切削齿包络线交点处的法向基准线之间的夹角范围为0°≤|δ|≤60°。

5.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件安设于钻头冠部轮廓的不同位置。

6.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件由滚动体和滚动支撑组成，滚动体可为球形、圆柱形、圆盘形、腰鼓形和/或它们之间的组合。

7.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件设置有密封装置。

8.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件支撑体与支座上的凹槽之间设置有弹簧、缓冲垫、液压系统，或由上述组合而成的缓冲系统。

9.根据权利要求7所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述滚动元件支撑体为拉伸体，其拉伸面可以为圆柱形、多边形、椭圆形。

10.根据权利要求1所述的一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述钻头上安设有可运动的牙轮切削结构和/或盘刀切削结构。