WO2014121748A1 - 一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头 - Google Patents

Abstract

一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体（1）、固定刀翼（4）、盘刀（2），所述钻头体（1）上设置有固定刀翼（4），所述固定刀翼（4）上布有固定切削齿（41），所述盘刀的偏移角a的范围是20º ≤|α|≤ 90º，所述钻头体（1）上至少有一个由所述盘刀（2）与其上的盘刀切削齿（21）及盘刀轴（3）所构成的盘刀切削单元，至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼（4）上，所述盘刀（2）与所述固定刀翼（4）形成转动连接。该复合钻头属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，更好地实现钻头切削齿的交替刮切、交叉刮切功能，提高钻头的综合性能。

Description

一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头

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、 水文等钻探设备技术 领域， 具体的讲涉及一种钻头。

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。

现今， 无运动部件、 耐磨且寿命长的 PDC (聚晶金刚石复合片）钻头在钻井工程中使用 得越来越多， 比例越来越大。 现有的 PDC钻头均属固定切削齿钻头， 作为切削元件的聚晶 金刚石复合片 （即 PDC齿， 亦简称齿） 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 刀翼体或固定刀翼）。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。

在理想工作条件 （即钻头中心线与井眼中心线重合的条件） 下， 钻头钻进时各切削齿 所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。 这种固定齿 PDC钻头主要有四方面的缺点： 第一， PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩檫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。

第二， 钻头上个别齿的失效 （齿的脱落、 断裂或过度磨损等） 会显著增加失效齿井底 环带附近的 PDC齿的工作负荷， 加快其磨损速度， 进而导致钻头提前失效。 第三， 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。

第四， 增加钻头上的切削齿数量可以减小切削齿的工作负荷， 因而能够有效降低切削 齿的磨损速度， 提高钻头的工作寿命， 但同时也会降低钻头的钻岩效率。

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， 钻头 上既设置了装有切削齿的转轮（亦可称为盘刀）， 也设置了装有固定切削齿的固定切削结构 (包括刀翼结构）。这种复合式钻头结合了可旋转的转轮切削结构和装有固定切削齿的固定 切削结构各自的优点， 同时互补增益产生了新的效果， 总体上具有极好的技术效果。 但在 进一步的研宄中发现， 这种钻头结构具有如下缺点： 装有切削齿的转轮和装有固定切削齿 的固定切削结构， 虽然能各自独立地发挥效果， 但其转轮及其支承结构必须是钻头体上一 个独立的切削结构单元， 因此在钻头上占据的空间相对较大， 在布齿空间极为有限的条件 下， 空间的浪费在很大程度上就意味着钻头性能的牺牲， 这对于钻头切削结构的设计是十 分不利的。 上述缺陷的存在阻碍了该本具有极好技术效果的方案的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于： 提出一种刀翼上具有可旋转盘刀结构的钻头， 能充分利用刀翼式钻 头的结构特点， 节省钻头切削结构区域的几何空间， 提高钻头的综合性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 包括钻头体、 固定刀翼、盘刀， 所述钻头体 上设置有固定刀翼， 所述固定刀翼上布有固定切削齿， 所述盘刀的偏移角 α的范围是 20° | α | ;ξ90° ， 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， 至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼上， 所述盘刀与所述固定 刀翼形成转动连 。 上述结构中， 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 Al， 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

= arctan - , 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 c J

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。

I α |越大盘刀上的切削齿在井底的刮切效果越明显。盘刀 的偏移角 α的范围在 20° ≤S | ct | iS90° 时， 均能实现钻头钻进时盘刀上的切削齿以缓慢交 替的形式轮流刮切破岩， 且偏移角越大， 盘刀的转速越慢， 盘刀上切削齿的交替频率越低。

本发明中盘刀切削结构， 即盘刀以及固结于其上的盘刀切削齿构成盘刀切削结构。 在本发明中， 固定刀翼可以是钻头体的一部分， 也可以通过悍接等方式固结在钻头体 上， 盘刀切削单元的盘刀安装在盘刀轴上， 或与盘刀轴为一体， 盘刀通过盘刀轴与固定刀 翼形成转动连接。 在现有技术中， 经过这么多年的发展， 几种基础单元 （如固定刀翼、 牙 轮、 转轮等切削单元等） 的基本架构已定型， 由此存在一种惯性思维， 即使为了实现不同 的效果进行各种复合， 复合后的各种不同的单元结构通常都是各自独立的结构， 且为了相 互间不影响对方效果的实现， 人们通常也不会将不同的切削结构进行直接结合。 在本申请 中， 打破了这种惯性思维， 将盘刀切削单元直接结合到固定切削单元的固定刀翼上， 节省 了盘刀切削单元原本的支承结构 （即轮掌）。

作为优选方式， 所述盘刀设置于固定刀翼的前侧和 /或后侧， 所述盘刀切削单元的盘刀 轴的一端与盘刀固定连接， 另一端与固定刀翼转动连接， 且转动副位于固定刀翼内。

本申请中， 打破现有技术中复合的各种不同的单元结构都是各自独立结构的惯性思维， 将盘刀切削单元直接结合到固定切削单元的固定刀翼上， 节省了盘刀切削单元原本的支承 结构。 但是， 这一突破性的结合， 在原本料想中的节省支承结构空间基础上， 获得了预料 外的更大更多的有益效果： 由于直接采用了固定刀翼作为支承结构， 现有的盘刀轴和盘刀 的结构及其结合形式都将发生巨大的变化。 原有的盘刀支承结构， 如图 1所示， 出于保障 轮掌的强度、 刚度的需要必须使轮掌具备足够的几何尺寸， 因而轮掌的体积较大。 而且， 盘刀的轴向宽度尺寸要求比较大， 否则， 轴承的接触面宽度窄， 轴承系统的受力状态不佳， 易导致轴承偏磨。 而直接采用固定刀翼作为支承结构后， 单侧支承时， 如图 2所示， 轮掌 被彻底取消， 轴承转动副可以直接设于固定刀翼内， 盘刀的体积 （特别是厚度） 可以大大 缩小。

作为优选方式， 所述盘刀设置于固定刀翼的前侧和 /或后侧， 所述盘刀切削单元的盘刀 轴的一端与盘刀转动连接， 另一端与固定刀翼固定连接， 或与固定刀翼形成一体式结构。

作为优选方式， 所述固定刀翼上设有盘刀槽， 所述盘刀设置于盘刀槽内， 所述盘刀轴 的两端或一端与固定刀翼连接， 所述盘刀通过盘刀轴与所述固定刀翼形成转动连接。

上述方案中， 固定刀翼上由刀翼顶端向根部方向开设有盘刀槽， 盘刀槽可位于固定切 削齿齿排的前方， 也可位于固定切削齿齿排的后方。 该方案在原本料想中的节省支承结构 空间基础上， 获得了预料外的更大更多的有益效果：

现有技术中不管是常见的三牙轮钻头还是中国专利 201010229371. 9 "—种以切削方式 破岩的复合式钻头"等， 其轴承均为单支承结构， 轴承的轴颈一端固接在钻头体的牙掌上， 另一端为自由端， 即轴颈为单端固定的悬臂梁结构， 牙轮套装在牙掌的轴颈上与钻头体形 成转动连接。 由于轴颈一端为自由端， 为防止钻头工作时牙轮轴向窜动和脱落， 在轴颈和 牙轮孔之间设置有轴向锁定装置（如滚珠锁定装置)， 轴向锁定装置需在轴颈和牙轮孔内加 工环形槽， 环形槽的存在影响了轴颈和牙轮的强度和轴承耐磨能力， 减短了轴承的使用寿 命。 其二， 即便在轴承结构中设置转轮的轴向锁定装置， 仍然存在因轴向锁定装置失效而 导致转轮脱落的可能， 转轮脱落事故一旦发生， 将对后续的钻井进程产生非常不利的影响。 其三， 轴与轴承座之间只能选择一体式结构， 限制了轴承系统的结构形式。 上述缺点在相 当程度上对钻头的工作性能造成了不利影响。

而本方案中， 将盘刀设置于盘刀槽内， 具有以下效果：

第一， 盘刀切削单元的支承结构和盘刀本身体积都可大大缩小， 由此节约了宝贵的钻 头空间， 为钻头性能的优化打下坚实基础。 特别是在针对较硬等难钻地层的钻头设计时， 该结构形式能为钻头提供更多的布齿空间和布齿方式选择， 为提高难钻地层的钻头性能和 寿命提供了便利。 而且， 该结构能使钻头结构更紧凑， 钻头更易于小尺寸化， 便于满足深 井、 小井眼的钻井应用。

第二， 在刀翼上设置了大偏移角盘刀切削单元， 通过盘刀切削齿的交替工作， 能显著 减轻现有 PDC钻头切削齿的热磨损、 提高钻头破岩效率。

第三， 盘刀切削齿在钻头布齿面上所处的位置相当于刀翼上一排固定切削齿的位置， 也即盘刀切削齿相当于替代了刀翼上的一排固定切削齿， 所以盘刀切削单元基本没有占用 额外的布齿空间。

第四， 固定刀翼上的盘刀槽的侧面 （端面） 能对盘刀起到轴向止推和限位的作用， 且 此时盘刀切削单元的结构特点是直径较大的盘刀位于直径较小的盘刀轴的中部， 这种结构 与盘刀槽结构相结合， 能很好地起到防止盘刀脱落的作用。 因此， 能取消常规盘刀轴承中 设置的轴向锁定装置， 有利于提高轴承的强度和耐磨能力； 当轴承尺寸相同时， 该结构比 现有结构的轴承承载能力更强， 盘刀轴的受力更均衡， 轴的强度更高， 轴承的寿命更长； 因此， 本发明盘刀轴承系统与现有同等尺寸的轴承系统相比可靠性和安全性更高， 寿命更 长。

第五， 与现有技术相比， 由于盘刀切削单元采用两侧支承结构， 省去了现有技术中与 轴颈自由端对应的盘刀壳体的厚度， 同时也省去了为避免盘刀体与固定翼干涉而留的间隙 (此间隙一般较大）， 使钻头上盘刀切削单元与固定切削结构的结合更紧凑， 节约了钻头上 宝贵而有限的空间， 为钻头的布齿与结构设计进一步提供了便利。

第六， 本发明能更有效地实现固定切削结构与盘刀切削单元的结合， 在井底形成交叉 切削区域和网状的井底形貌， 达到更好的减缓切削齿磨损速度， 改善切削齿对岩石的吃入 以及显著提高钻头破岩效率的效果。

第七， 本发明钻进时所需的钻压小， 轴承所受载荷小， 且载荷波动幅度低； 钻头的轮 体速比低， 故轴承相对转动缓慢、 发热少； 该结构比现有结构的轴承承载能力强， 盘刀轴 的受力更均衡， 轴的强度更高。 所以， 本发明的轴承工作寿命长于同等规格的三牙轮钻头。

作为优选方式， 盘刀与盘刀轴转动连接， 盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接。

上述方案中， 该连接方式中盘刀与盘刀轴之间有转动轴承，盘刀轴两端与固定刀翼之间 也有转动轴承， 盘刀相对固定刀翼的旋转速度是盘刀相对盘刀轴的旋转速度与盘刀轴相对 固定刀翼相对旋转速度之和， 该方案有利于减小盘刀与盘刀轴之间轴承及盘刀轴与固定刀 翼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。

作为优选方式， 盘刀轴的至少一端与固定刀翼固定连接， 且盘刀与盘刀轴转动连接。 上述方案中， 盘刀轴的一端与固定刀翼固定连接， 另一端接触连接（既非固定连接， 也 非转动连接， 相接触的两者， 固定刀翼只需能够实现对盘刀轴支承、 限定避免移位即可， 如最简单地在固定刀翼上设置一个恰好容纳盘刀轴插入的孔）； 或者， 盘刀轴的两端均与固 定刀翼固定连接， 如盘刀轴的两端可通过键、 花键或过盈配合等方式固定在固定刀翼的轴 孔中， 盘刀能在盘刀轴上转动。 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， 较轴承设在固定刀翼与盘刀轴之间的制造工艺性要好。 作为优选方式，所述盘刀切削单元的盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接，且盘刀与盘 刀轴固定连接。

作为优选方式， 所述固定刀翼上， 在盘刀前和 /或后分别布置至少一排固定切削齿。 作为优选方式， 固定刀翼上由刀翼顶端向根部方向开设有 2个盘刀槽， 其中 1个盘刀槽 位于固定切削齿齿排的前方， 另一个盘刀槽位于固定切削齿齿排的后方， 2个盘刀槽中各 安装 1个盘刀。

作为优选方式，所述钻头体上还设置有独立的固定刀翼及其固定切削齿构成的独立的固 定切削结构。

上述方案中，所述独立的固定刀翼是指其上未结合有盘刀切削单元的固定刀翼， 以与前 述结合有盘刀切削单元的固定刀翼区分。 独立的固定切削结构与盘刀切削单元相结合， 在 井底岩石上形成更复杂的切削轨迹， 其效果是在井底形成交叉切削区域和网状的井底形貌。

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀在钻头上的径向位 置与其它盘刀的径向位置不相同。 更进一步地， 至少有两个在钻头上径向位置不相同的盘 刀的直径不相等。

上述方案中， 不同径向位置的盘刀在井底覆盖的区域将不同， 能合理分配盘刀破岩的工 作区域。

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀的偏移角与其它盘 刀的偏移角不相等。

上述方案中， 不同偏移角的盘刀其切削齿在井底的刮切轨迹线的几何特征不同， 不同刮 切轨迹线的彼此接合能够实现切削齿对岩石的交叉刮切。

作为优选方式， 所述盘刀切削单元至少有两个盘刀的直径不相等。更进一步地， 两偏移 角不同的盘刀的直径不相等。

作为优选方式， 所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀为正偏移， 至少有 一个盘刀为负偏移。 更进一步地， 至少有两个偏移方向相反的盘刀切削单元的盘刀的偏移 角绝对值相等。

上述方案中， 钻头上同时存在正偏移盘刀切削单元和负偏移盘刀切削单元， 正、负偏移 盘刀切削单元分别在井底形成从外向内和从内向外的螺旋形切削轨迹， 两套切削轨迹相互 交叉， 形成网状井底形貌。 普通轮式钻头的盘刀切削单元偏移角方向均相同， 盘刀上的切 削齿在井底刮切出方向相同的 "平行"螺旋形刮痕（刮痕之间不交叉）。 方向不相同， 能在 井底形成交叉刮切的网状破碎， 其较普通轮式钻头的井底更凹凸不平， 更有利于切削齿吃 入地层岩石； 网状井底更有利于切削齿刮切破岩， 破岩效率更高。 而且， 正、 负偏移盘刀 切削单元同时存在时， 较盘刀切削单元偏移角方均相同时的交叉刮痕更多、 更复杂， 井底 凹凸不平度更高。 这更有利于减少切削齿的连续刮切时间和距离， 有利于减轻切削齿的磨 损， 改善切削齿的冷却效果和热磨损， 延长钻头使用寿命。 如两盘刀切削单元偏移方向相 反且偏移角绝对值相等， 将更易于实现两盘刀相同的切削轮廓， 也便于使盘刀切削轮廓与 固定切削轮廓匹配， 以达到更好的交叉刮切破岩效果。

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀切削轮廓低于其他 切削轮廓。

上述方案中， 盘刀切削轮廓低于其他切削结构的切削轮廓， 钻头工作钻进过程中， 在钻 头切削齿没有磨损或磨损较少时， 切削轮廓较低的盘刀先不参与破岩工作。 随着钻头继续 工作， 当其他切削齿磨损到一定程度时， 切削轮廓较低的盘刀将参与破岩， 即其作为后备 盘刀， 对钻头磨损状态下的切削能力作后备弥补， 使钻头有更持久的工作能力。

作为优选方式，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置着至少两组盘刀切削齿， 其中一 组盘刀切削齿的切削轮廓与固定切削结构的切削轮廓相吻合， 另一组盘刀切削齿的切削轮 廓低于固定切削结构的切削轮廓。

上述方案中，盘刀上切削轮廓低于固定切削结构切削轮廓的切削齿，钻头工作钻进过程 中， 当钻头固定切削结构的切削齿没有磨损或磨损较少时， 不参与破岩工作。 随着钻头继 续工作， 当这些切削齿磨损到一定程度时， 切削轮廓较低的切削齿将参与破岩， 即盘刀上 的切削齿一部分为主切削齿， 另一部分为后备切削齿， 对钻头磨损状态下的切削能力作后 备弥补， 使钻头有更持久的工作能力。

作为优选方式，至少有一个盘刀的切削轮廓高于由所述固定刀翼及其固定切削齿所确定 的固定切削结构的切削轮廓， 即 （在钻进方向上超出固定切削结构的切削轮廓）。

由于盘刀上的切削齿是交替工作的，不仅有效工作时间明显少于固定切削结构中的切削 齿， 而且冷却、 散热条件比较好， 不易发生热磨损， 所以， 在同等切削载荷条件下， 盘刀 切削齿的磨损速度明显慢于固定切削结构中的切削齿。 当盘刀的切削轮廓高于固定切削结 构的其他切削轮廓时， 在相同钻压下， 盘刀切削齿所分担的工作负荷较大， 有利于帮助固 定切削结构中的切削齿吃入、 破碎岩石， 且当钻遇硬夹层等不均质地层时， 盘刀切削齿最 先接触硬岩层交界面， 能对固定切削齿形成有效保护， 从而使切削齿的磨损更加均衡， 有 利于延长钻头寿命， 提高钻进速度。

作为优选方式， 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。 上述方案中， 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。

作为优选方式， 至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有至少两圈盘刀切削齿。

上述方案中， 在一个盘刀上布置有至少两圈切削齿， 其中一圈齿在前， 一圈齿在后， 这 样可以实现两个方面的益处： 第一， 两圈齿均为盘刀上的主切削齿， 两圈齿在圆周方向交 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， 两圈齿中的一圈为盘刀上的主切削齿， 另一圈为后备切削齿， 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。

作为优选方式， 至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有非圆形轮廓的盘刀切削齿。 上述方案中， 在盘刀上布置有非圆形轮廓的切削齿， 非圆形轮廓的切削齿主要有两类， 一类是指长度和宽度不相等的切削齿（例如椭圆齿）， 另一类是指齿刃轮廓上具有尖锐点或 尖锐区的切削齿 （例如尖圆齿）。 前一类切削齿按照其长度方向沿盘刀径向设置， 以达到增 强盘刀切削齿吃入能力、 增加切削齿可磨损长度等目的。 后一类切削齿按照尖锐区向外的 方式设置在盘刀上， 可显著增强盘刀切削齿对岩石的吃入能力。 附图说明

图 1为现有技术盘刀切削单元的盘刀轴与盘刀转动连接的结构示意图；

图 2为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的前侧时的盘刀轴与固定刀翼转动连接的 结构示意图；

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为本发明固定刀翼上设有盘刀槽， 盘刀切削单元设置于盘刀槽内， 在与盘刀轴一 端相连的固定刀翼上设置有单排固定切削齿形成固定切削结构时的钻头结构示意图； 图 9为图 8所示结构钻头的俯视图 （沿钻头轴线从钻头切削结构端向钻头丝扣端看时 的示意图）；

图 10为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的前侧的示意图；

图 11为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的后侧的示意图；

图 12为与图 8相比， 在固定刀翼上盘刀的前方和后方均设置有单排固定切削齿形成固 定切削结构时的俯视图；

图 13为本发明固定刀翼上盘刀的前方设置有双排固定切削齿， 后方设置有单排固定切 削齿时的俯视图；

图 14为本发明在每固定刀翼上各设置有一排固定切削齿和两个盘刀切削单元， 且两个 盘刀偏移角一正一负时的俯视图；

图 15为与图 14盘刀轴倾角不同时的俯视图；

图 16为与图 14相比， 固定刀翼上布有多排固定切削齿时的俯视图；

图 17为与图 16相比， 固定刀翼上的两个盘刀在钻头上的径向位置不同时的俯视图； 图 18为本发明盘刀上设置有多排切削齿， 且盘刀位于固定刀翼前方时的钻头俯视图； 图 19为本发明固定刀翼的前后均设置有盘刀切削单元时的钻头俯视图；

图 20为本发明设置于固定刀翼上的盘刀切削单元的盘刀轴与盘刀转动连接， 盘刀轴与 固定刀翼固定联接 （为一体式结构） 时的结构示意图；

图 21为具有图 20所示切削结构的钻头俯视图；

图 22为与图 21相比， 设置有独立固定切削结构时的钻头示意图；

图 23为与图 21相比， 在钻头的心部设置有独立固定切削结构时的钻头俯视图； 图 24为本发明钻头体上还设置有独立于盘刀切削单元的固定切削结构时的钻头俯视 图；

图 25为本发明的盘刀偏移角不相等时的示意图；

图 26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 27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 28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 29为本发明一盘刀切削单元的盘刀切削轮廓高于其他切削轮廓， 另一盘刀切削轮廓 的部分区域与固定齿切削轮廓相吻合或基本吻合时的示意图；

图 30为本发明一盘刀切削单元的盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓时的示意图； 图 31为本发明盘刀上布置有不同直径尺寸的切削齿时的示意图；

图 32为本发明盘刀上布置有椭圆形 （非圆形轮廓） 的切削齿时的示意图；

图 33为齿刃轮廓上具有尖锐点或尖锐区的切削齿。 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 3、 4、 5、 6、 7所示： 一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 包括钻头体 1、 固定刀翼 4、 盘刀 2, 钻头体 1上设置有固定刀翼 4, 固定刀翼 4上布有固定切削齿 41 , 盘 刀 2的偏移角 α的范围是 20° | α | 90° ， 钻头体 1上至少有一个由盘刀 2与其上的盘 刀切削齿 21及盘刀轴 3所构成的盘刀切削单元， 至少有一个盘刀切削单元设置在固定刀翼 4上， 盘刀 2与固定刀翼 4形成转动连接。 固定刀翼 4上设有盘刀槽， 盘刀切削单元设置于 盘刀槽内， 盘刀轴 3的两端或一端与固定刀翼 4连接， 盘刀 2通过盘刀轴 3与固定刀翼 4 形成转动连接。 该结构下盘刀切削单元的体积大大缩小， 且盘刀两侧的固定刀翼 4能对盘 刀起到轴向限位的作用， 并能防止盘刀脱落； 该结构比现有结构 （如图 1所示） 的轴承承 载能力强， 盘刀轴 3 的受力更均衡， 轴的强度更高； 同等尺寸的该结构轴承比现有结构轴 承的寿命更长， 可靠性和安全性更高。 盘刀 2通过盘刀轴 3与固定刀翼 4形成转动连接， 在众多的连接方式中， 有几种较佳的连接方式： 一是， 如图 5所示， 盘刀 2与盘刀轴 3固 定连接 （如盘刀 2与盘刀轴 3通过键、 花键、 过盈配合、 或盘刀与盘刀轴直接加工为一体 等方式固结）， 盘刀轴 3的两端均与固定刀翼 4转动连接， 即盘刀轴 3两端分别与固定刀翼 4形成轴承连接， 盘刀轴 3及其上的盘刀 2一起能相对固定刀翼 4转动； 二是， 盘刀 2与盘 刀轴 3转动连接， 即盘刀 2与盘刀轴 3形成轴承连接， 盘刀轴 3的至少一端与固定刀翼 4 固定连接， 或盘刀轴 3的两端均与固定刀翼 4固定连接 （如图 4)。 三是， 盘刀 2与盘刀轴 3转动连接， 盘刀轴 3的两端均与固定刀翼 4转动连接。 固定刀翼 4上， 在盘刀 2前和 /或 后分别布置至少一排固定切削齿 41。 如图 8、 9、 12、 13所示， 固定刀翼 4上设有 1排至 3 排的固定切削齿 41， 使钻头更适应于在硬度高、 研磨性强的难钻地层中钻进使用。 如图 14 所示， 固定刀翼 4上由刀翼顶端向根部方向开设有 2个盘刀槽， 其中一个盘刀槽位于固定 切削齿 41齿排的前方， 另一个盘刀槽位于固定切削齿 41齿排的后方， 两个盘刀槽中各安 装一个盘刀。 图 15所示钻头结构与图 14基本相同， 但盘刀 2的轴倾角不同于图 14所示结 构。 图 16所示钻头结构与图 14基本相同， 同固定刀翼的两盘刀的前后及中间刀翼上均布 有固定切削齿 41。 图 17所示钻头结构与图 16基本相同， 同固定刀翼的两盘刀的极轴面不 相同。 盘刀切削单元与固定切削齿 41相结合将在井底形成网状刮切痕迹， 更有利于切削齿 的吃入， 减缓切削齿磨损速度，及钻头破岩效率的提高。 如图 22所示， 盘刀为正偏移 （如 图 8、 9、 13所示结构）， 盘刀切削单元和固定切削齿 41在井底刮切出的网状刮痕； 正偏移 盘刀 （如图 6 ) 刮切出从外到内的螺旋形刮痕 6， 固定切削齿刮切出同心圆形刮痕 5。 如图 27所示， 为盘刀为负偏移 （如图 12所示结构） 时， 盘刀切削单元和固定切削齿 41在井底 刮切出的网状刮痕； 负偏移盘刀 （如图 7 )刮切出从内到外的螺旋形刮痕 7， 固定切削齿 41 刮切出同心圆形刮痕 5。

实施例 2 :

本实施例与实施例 1基本相同， 其区别在于：钻头体 1上还设置有独立的固定刀翼 4及 其固定切削齿 41构成的独立的固定切削结构， 如图 12、 22、 24所示。 设有盘刀切削单元 的固定刀翼 4上设有 1排固定切削齿 41 (图 22)， 或设有 2排固定切削齿 41 (图 12、 24), 在盘刀切削单元的基础上，钻头体 1上还设置有独立于盘刀切削单元的固定切削结构 4， 增 设的固定切削结构 4增加了钻头的布齿， 使钻头更适于较硬地层的钻进。

实施例 3 :

本实施例与实施例 1或 2基本相同， 其区别在于： 钻头体 1上同时存在正、负偏移盘刀 切削单元。 如图 14、 15、 16、 17所示， 正、 负偏移的两盘刀切削单元距离较近， 较近盘刀 2的盘刀轴 3的轴端可共同连接于同一固定刀翼 4部分，使钻头结构更加紧凑，在钻头外径 一定时， 可设置更多的盘刀切削单元和切削齿数量； 同时， 盘刀切削单元之间的固定刀翼 4 上及盘刀切削单元两端的固定刀翼 4上均可设置固定切削齿 41形成固定切削结构。从图中 可看出， 该实施方式结构紧凑， 固定切削齿布齿空间较大， 充分利用了钻头有限的空间设 置更多的盘刀切削单元。 钻头结构更紧凑， 钻头更易于小尺寸化， 便于满足小井眼的钻井 应用。 如图 28所示， 固定切削结构和正、 负偏移盘刀切削单元共同作用时， 固定切削结构 刮切出同心圆形刮痕 5， 正偏移盘刀刮切出从外到内的螺旋形刮痕 6， 而负偏移盘刀刮切出 从内到外的螺旋形刮痕 7，井底形成多重交叉刮切。多重交叉刮切不仅能增强钻头切削齿出 入地层的能力， 更能明显提高钻头的破岩效率。

实施例 4:

如图 2、 10、 11、 18、 19、 20、 21、 22、 23所示： 一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合 钻头， 包括钻头体 1、 固定刀翼 4、 盘刀 2， 钻头体 1上设置有固定刀翼 4， 固定刀翼 4上 布有固定切削齿 41， 盘刀 2的偏移角 α的范围是 20° | ct | iS90° ， 钻头体 1上至少有一 个由盘刀 2与其上的盘刀切削齿 21及盘刀轴 3所构成的盘刀切削单元， 至少有一个盘刀切 削单元设置在固定刀翼 4上，盘刀 2与固定刀翼 4形成转动连接。盘刀 2设置于固定刀翼 4 的前侧或后侧， 盘刀切削单元的盘刀轴 3的一端与盘刀 2固定连接， 另一端与固定刀翼 4 转动连接， 且转动副位于固定刀翼 4内 （图 2 ) ; 或所述盘刀切削单元的盘刀轴 3的一端与 盘刀 2转动连接，另一端与固定刀翼 4固定连接，或与固定刀翼 4形成一体式结构（图 20)。 如图 10、 21盘刀 2设置于固定刀翼 4的前侧， 如图 11盘刀 2设置于固定刀翼 4的后侧， 如图 19固定刀翼 4的前后两侧均设置有盘刀 2。如图 23钻头的心部设置布置有固定切削齿 411的独立固定切削结构 401。 该实施例还可与实施例 2结合。

实施例 5 :

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 盘刀切削单元至少有两个， 其 中至少有一个盘刀切削单元的盘刀 2的偏移角与其它盘刀切削单元的盘刀 2的偏移角不相 等， 如图 21， _{α ι}≠ α ₂。 进一步地， 两偏移角不同的盘刀的直径不相等。

实施例 6:

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 盘刀切削单元至少有两个， 其 中至少有一个盘刀切削单元的盘刀切削轮廓低于或高于其他切削轮廓。 如图 29所示， 其中 一盘刀切削单元的盘刀切削轮廓 92 (标号 212为其切削齿） 高于固定齿切削轮廓 8和另一 个盘刀的切削轮廓 91 (标号 211为其切削齿）， 另一盘刀切削轮廓 91的部分区域与固定齿 切削轮廓 8相吻合或基本吻合。如图 30所示， 其中一盘刀切削单元的盘刀切削轮廓 91 (标 号 211为其切削齿） 低于固定齿切削轮廓 8和另一个盘刀的切削轮廓 92 (标号 212为其切 削齿）。

实施例 7:

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 至少有一个盘刀切削单元的盘 刀 2上布置有不同直径尺寸的盘刀切削齿 21， 如图 31。

实施例 8:

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 至少有一个盘刀切削单元的盘 刀 2上布置有非圆形轮廓的盘刀切削齿 21。如图 32盘刀 2上布置有椭圆形（非圆形）轮廓 的盘刀切削齿 21。图 33为齿刃轮廓上具有尖锐点或尖锐区的盘刀切削齿 21 (例如尖圆齿）。

实施例 9:

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 至少有一个盘刀 2上布置有至 少两圈盘刀切削齿 21， 如图 18、 21、 23所示， 盘刀 2上布置有两圈盘刀切削齿 21。 实施例 10:

本实施例与实施例 1、 2、 3或 4基本相同， 其区别在于： 盘刀切削单元至少有两个， 其 中至少有一个盘刀 2在钻头上的径向位置与其它盘刀 2的径向位置不相同。 进一步地， 所 述在钻头上径向位置不相同的两个盘刀的直径不相等。

需要特别声明的是， 以上实施例既为本实用新型的若干优选实施例， 同时也是各种可选 实施手段， 本领域技术人员可知， 上述各种可选实施手段可以进行各种可行的自由组合， 由此可以产生更多的实施例， 其均应在本实用新型的保护范围内， 并用以支持权利要求的 保护。

如， 实施例 5-10中任意可行的组合均可构成新的实施例。 在此不作更多的穷尽举例， 本领域技术人员可知其他的更多组合方式。

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

1. 一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 包括钻头体（1)、固定刀翼（4)、盘刀（2) ， 所述钻头体（1)上设置有固定刀翼 （4) ， 所述固定刀翼 （4)上布有固定切削齿 （41) ， 所 述盘刀 （2) 的偏移角 α的范围是 20° | α | 90° ， 所述钻头体 （1) 上至少有一个由所述 盘刀 （2) 与其上的盘刀切削齿 （21)及盘刀轴 （3)所构成的盘刀切削单元， 其特征在于： 至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼 （4) 上， 所述盘刀 （2) 与所述固定刀翼 （4) 形成转动连接。

2. 如权利要求 1所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于：所述固定刀翼（4) 上设有盘刀槽， 所述盘刀 （2) 设置于盘刀槽内， 所述盘刀轴 （3) 的两端或一端与固定刀翼

(4) 连接， 所述盘刀 （2) 通过盘刀轴 （3) 与所述固定刀翼 （4) 形成转动连接。

3. 如权利要求 2所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述固定刀翼（4) 上， 在所述盘刀 （2) 前和 /或后分别布置至少一排所述固定切削齿 （41) 。

4. 如权利要求 2所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述固定刀翼（4) 上由刀翼顶端向根部方向开设有 2个盘刀槽， 其中一个盘刀槽位于固定切削齿 （41) 齿排的 前方， 另一个盘刀槽位于固定切削齿（41)齿排的后方， 两个盘刀槽中各安装一个盘刀（2) 。

5. 如权利要求 1所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于： 所述钻头体（1) 上还设置有独立的固定刀翼 （4)及其固定切削齿 （41) 构成的独立的固定切削结构。

6. 如权利要求 1中所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于： 所述盘刀（2) 设置于固定刀翼 （4) 的前侧和 /或后侧， 所述盘刀切削单元的盘刀轴 （3) 的一端与盘刀 （2) 固定连接， 另一端与固定刀翼 （4) 转动连接， 且转动副位于固定刀翼 （4) 内。

7. 如权利要求 1中所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于： 所述盘刀（2) 设置于固定刀翼 （4) 的前侧和 /或后侧， 所述盘刀切削单元的盘刀轴 （3) 的一端与盘刀 （2) 转动连接， 另一端与固定刀翼 （4) 固定连接， 或与固定刀翼 （4) 形成一体式结构。

8. 如权利要求 1至 7中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在 于： 所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀 （2) 的偏移角与其它的盘刀 （2) 的偏移角不相等。

9. 如权利要求 1至 7中所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于：所述盘刀 切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀 （2)为正偏移， 至少有一个盘刀 （2)为负偏移。

10. 如权利要求 9所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于： 至少有两个偏 移方向相反的盘刀切削单元的盘刀 （2) 的偏移角绝对值相等。

11. 如权利要求 1至 7中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征 在于： 所述盘刀切削单元至少有两个， 且至少有一个盘刀（2)在钻头上的径向位置与其他盘 刀 （2) 均不相同。

12. 如权利要求 11所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特征在于： 至少有两个在 钻头上径向位置不相同的盘刀 （2) 的直径不相等。

13. 如权利要求 1至 12中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征 在于： 至少有一个盘刀切削单元的盘刀 （2) 上布置有至少两圈盘刀切削齿 （21 ) 。

14. 如权利要求 1至 12中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征 在于： 至少有一个盘刀的切削轮廓高于由所述固定刀翼 （4)及其固定切削齿 （41 )所确定的 固定切削结构的切削轮廓。

15. 如权利要求 1至 12 中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头， 其特 征在于： 所述盘刀切削单元至少有两个， 其中至少有一个盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓。