一种具有摆转自适应缓冲结构的PDC钻头

一种具有摆转自适应缓冲结构的pdc钻头
技术领域
1.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，特别是涉及一种具有摆转自适应缓冲结构的pdc钻头。


背景技术：

2.破岩是钻井的根本问题。机械破岩仍然是现阶段油气钻井中主要的作业方式，钻头是用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，钻头作为绝对主力在钻井工程中发挥着不可替代的作用，其中，牙轮钻头和pdc钻头最为常用。牙轮钻头依靠牙齿对井底岩石的挤压作用产生侧压力，侧压力又形成剪切力，岩石达到剪切强度后发生破裂失效，在这一过程中能量的传递与转化降低了其利用率。pdc钻头凭借高效的剪切方式破岩，在软至中硬地层中逐步替代牙轮钻头。特别是，切削齿材料技术、钻头基础理论、钻头设计技术的快速进步，使pdc钻头的地层适应性变宽，在油气钻井总进尺中的比例，已由十九世纪八十年代的5％增长至90％。
3.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齿(对pdc钻头，切削齿主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或pdc齿)。据资料显示，仅占总进尺20％的深部复杂地层，就花费了整个钻井周期80％的总成本。难钻地层主要是指地层的可钻性差，具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化，且一般都具有较大的不可预知性，特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在复杂难钻地层中钻进的寿命短，需消耗更多的钻头，同时造成起下钻频繁，这已成为制约钻井工程降本增效的技术瓶颈之一。
4.在钻井过程中，pdc钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层，在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。钻进深部难钻地层时，特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头周向和轴向振动剧烈。此时，钻头切削齿承受大的周向和轴向冲击载荷，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。特别是在钻头的外三分之一区域的切削齿，由于线速度大，更容易受到损坏。当pdc钻头切削齿发生磨损后，为保持一定的机械钻速，经常增加钻压，而扭矩对钻压特别敏感，随着钻压的增加，扭矩增大，这就使钻头的工况更加恶劣，钻头更容易发生失效。如何增加pdc钻头在深部难钻地层中的工作寿命，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，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。
5.为此，本领域的研究人员开始尝试在钻头上设置缓冲结构，如一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头(申请号：201810138571.x)，该专利提出在刀翼前方延伸出一个缓冲基座，在缓冲基座上设置缓冲元件，在钻进复杂难钻地层时，能够有效较小周向跨度，而减弱周向冲击振动，同时缓冲元件还能分担部分的轴向钻压，减小轴向冲击，起到保护pdc齿的
作用。但该专利中的缓冲元件为固定缓冲元件，缓冲元件与金刚石齿之间的相对高度为固定值，固定式缓冲元件的地层适应范围窄，对于岩性复杂多变的地层，特别是从硬地层钻进软地层时，固定式缓冲元件会降低金刚石齿的吃入能力，降低钻头钻进速度。


技术实现要素：

6.本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有摆转自适应缓冲结构的pdc钻头，该钻头能够根据地层条件，利用缓冲结构的偏摆，达到减弱因振动造成的切削齿过早失效的目的，增强硬地层钻进的工作寿命。
7.本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
8.一种具有摆转自适应缓冲结构的pdc钻头，包括钻头体以及从钻头体上延伸出的刀翼，所述刀翼上设置有切削齿，在钻头上至少设置一个缓冲结构，所述缓冲结构与钻头体转动连接，所述缓冲结构能相对于转动部作摆转运动；
9.当处于初始位置的缓冲结构承受来自地层岩石的冲击瞬时，吸收冲击载荷，减少切削齿的冲击力，对切削齿起到缓冲作用；
10.之后，缓冲结构在与井底岩石接触的受力作用下，朝向与钻头切削的反方向作摆转运动；或者，缓冲结构上的缓冲部偏心设置，在井底岩石的法向力的作用下，缓冲部在偏置一侧作摆转运动，以减少或避免缓冲结构对切削齿吃入深度的限制；
11.缓冲结构与井底岩石相离或在接触阻力矩小于复位扭矩时，在复位机构作用下，朝向缓冲结构所在的初始位置方向作摆转运动，用于缓冲结构缓解冲击后的复位，为切削齿后续再次受到的冲击起到缓冲作用。
12.本实用新型钻头的工作原理：
13.在钻井条件下，钻头因为复杂受力、钻柱振动、地层变化等原因，切削齿吃入地层的深度变化频繁，幅度大，极易产生振动，尤其是轴向振动，钻头上的切削齿(聚晶金刚石复合片)在振动条件下发生冲击损坏，在钻进硬地层或不均质地层时，情况尤为严重。
14.特别地，在复合钻进条件下(请参阅图3)，因螺杆自带弯角，钻头旋转轴线(自转轴向) 和钻柱轴线(公转轴线)存在一定夹角ε，钻头的自转(ω2，螺杆马达提供)和公转(ω1，转盘提供)回转中心不再重合，两则运动速度的矢量和，不再是直接叠加，钻头的运动情况更为复杂。导向钻井的复合钻进过程中，因钻头自转轴线和钻柱(或井壁)轴线出现偏差，使得实际井筒直径大于钻头直径。在此情况下，在径向范围内，钻头只有部分的刀翼在实际与未破除岩石接触,出现了明显的“翘起”现象。在动态的破岩过程中，在公转和自转的作用下，钻头与岩石的互作用实际上是一种钻铣过程。对于pdc钻头而言，钻头体上布置着多个刀翼(参阅图2)，且各刀翼之间在圆周方向上存在一定的跨度l，刀翼依次轮流与岩石接触，两刀翼在切换过程中，存在着对井底或井壁岩石的冲击。
15.在上述方案中，通过在钻头上设置可摆动的缓冲结构，缓冲结构可在外力和复位机构作用下实现一定设计角度内的往复摆动，使得缓冲结构的缓冲部可高于、等于或低于钻头的切削齿，从而实现钻头切削齿切削深度的自适应，达到减振效果。请参阅图4-6和图33，缓冲结构的工作过程分为三个阶段：首先，也即刀翼承受冲击的初始阶段。在钻头受到冲击时，缓冲部处于初始位置，以及开始向低位旋转的初期(缓冲部高度下降量较少)，在此阶段中，缓冲部与井底岩石的接触区域较大，能发挥较好的缓冲作用；其次，是缓冲效应(或
限制吃深效应)锐减阶段。此阶段中，朝向与钻头切削的反方向作摆转运动，或者缓冲结构上的缓冲部偏心设置(见图33)，在井底岩石的法向力的作用下，缓冲部在偏置一侧作摆转运动，对切削齿吃入深度的限制开始减弱，直至达到最低位(此时，限制吃深效应最弱，刀翼上切削齿处于稳定切削阶段，钻头切削齿吃入岩石正常钻进，钻头切削齿切削深度逐渐加深，钻头逐渐增加切削能力，钻头可以获取较快的机械钻速)；最后，刀翼与井底岩石相离时，或在缓冲部与岩石的接触阻力矩小于复位扭矩时，缓冲部在复位机构的作用下快速复位，使得缓冲部处于初始位置，避免钻头切削齿切削深度瞬间过大的情况，之后缓冲结构继续摆动。如此循环，便实现了钻头切削齿切削深度的自适应调节。
16.上述方案中，缓冲结构的摆动朝向与钻头切削的反方向，对于技术领域的人员很容易理解，这里仅做简单描述。见图29，以缓冲结构的安装或设计参考点(这里记为t)为基准，参考点与钻头中心的连线ot的垂线tc为该点钻头的切削方向，缓冲结构的摆动方向td在当前视图线ot的右侧，即为钻头切削的反方向。记tc’为切削正反向，缓冲结构的摆动方向td 与tc’具有一定的夹角α。当夹角α为0
°
时为与钻头切削的反方向一致(即切削正反向)；当夹角α为90
°
或-90
°
时为与钻头切削方向相垂直方向。因此，缓冲结构的摆动朝向与钻头切削的反方向，还可以理解为与钻头切削的反方向为除垂直方向之外的所有角度的方向，即在当前视图中，线ot的右侧的所有角度均包含。显然，在这种摆动方式下，缓冲部位于通过摆转中心的井底法向线上或略有偏斜的位置，在与岩石接触时既有法向力也有切向力，但朝向钻头切削的反方向摆动的驱动力是井底岩石对缓冲部的切向作用力。
17.缓冲部偏心设置是指缓冲部偏离通过摆转中心的井底法线的位置，如图31、32或33所示。当缓冲部偏心设置时，可将这种缓冲结构称为偏置式缓冲结构。当缓冲部位于通过摆转中心的井底法向线(井底岩石的法线)上时为不偏心设置如图7所示。
18.缓冲部相对于通过摆转中心的井底法向线偏置，且偏置量较大，故当缓冲部触井底时，来自井底岩石的作用力既有法向力，也有切向力，无论缓冲结构朝向那个方向安置，法向力都会使缓冲部在偏置一侧绕其回转轴(即转动部)摆转，且偏置量越大，驱动缓冲部摆转的力矩就越大(因为法向力的力臂越长)。切向力并非在所有安置方向都能产生有效驱动缓冲部摆转的作用，特别是在摆动朝向与钻头切削方向相垂直的方向时，切向力不能产生让缓冲部摆动的力矩，但由于缓冲部的偏心设置，法向力可产生其摆动的力矩。而，偏置方案中，缓冲结构的摆转过程，主要依靠来自井底岩石对缓冲结构的法向作用力。从上述的阐述可以看出，当缓冲结构利用这种摆动方式时，其安装位置不受限制。
19.作为优选，所述缓冲结构设置在刀翼上，且与刀翼转动连接。
20.上述方案中，刀翼是延伸自钻头体，属于钻头体的一部分。缓冲结构设置在刀翼上能够节省钻头宝贵的空间；其次，设置在刀翼上更靠近切削齿，缓冲效果更好。
21.作为优选，所述缓冲结构在初始位置时，所述缓冲结构用于与井底岩石面接触的最高点与切削齿齿刃最高点之间的高度差d为：-d≤d≤d，d为切削齿的直径。
22.作为优选，所述缓冲结构设置在切削齿的前方和/或后方，或者所述缓冲结构设置在刀翼或钻头体的独立支座上。
23.作为优选，所述缓冲结构设置在同刀翼上切削齿的后方，所述缓冲结构的摆动方向与相同位置钻头的切削反方向具有一定夹角，夹角的范围为-90
°
到90
°
。
24.作为优选，所述缓冲结构的摆动方向与相同位置钻头的运动方向具有一定夹角，
夹角的范围为-45
°
到45
°
。
25.上述方案中，钻头的运动方向实际上是指钻头的切削方向。
26.作为优选，所述缓冲结构的摆动方向与相同位置钻头的运动方向具有一定夹角，夹角的范围为-20
°
到20
°
。
27.作为优选，所述缓冲结构的摆动方向与相同位置钻头的运动方向一致。
28.作为优选，所述缓冲结构设置在同刀翼上切削齿的后方，且缓冲结构的摆动方向与相同位置钻头的运动方向一致。
29.作为优选，所述缓冲结构包括摆转部和缓冲部，所述摆转部可转动的安装于刀翼的基孔内，所述缓冲部与摆转部连接且在缓冲部受力后与摆转部作同步摆转动作，所述摆转部与设置在基孔内的复位机构连接，以使摆转部受外力发生摆转后且在外力减小或消失时的自动复位。
30.作为优选，所述缓冲部为镶嵌固定在摆转部上的镶齿结构，或者所述缓冲部为可自由旋转地连接在摆转部上的滚动结构，或者所述缓冲部与摆转部为一体结构。
31.作为优选，所述摆转部为转轮结构或摆杆结构。
32.在上述方案中，转轮结构简单，可靠性强，便于安装；摆杆结构占据的宽度空间较小，具有更大的设计空间。
33.作为优选，所述缓冲部411相对于摆转部41朝向其摆转方向偏心设置。
34.在上述方案中，尤其是在缓冲结构的摆转方向与钻头的切削反方向具有一定夹角α时，缓冲部的偏心设置效果更优，进一步地，特别是缓冲结构的摆转方向为径向方向时，缓冲部偏心设置的效果最佳。
35.作为优选，所述复位机构为弹性复位机构和/或液压复位机构。
36.在上述方案中，采用弹性复位机构，其结构简单，复位稳定可靠；采用液压复位机构，能够提供足够的复位力，复位能力强；而采用弹性和液压复位的组合，能够提供更大的复位力，进一步提高缓冲结构摆动复位的速度。
37.作为优选，所述弹性复位机构为弹簧、碟簧、扭簧、卷簧、板簧或橡胶。
38.作为优选，所述缓冲结构应用在pdc切削结构与其它切削结构相复合的复合钻头上。
39.在上述方案中，复合钻头包括pdc-牙轮复合钻头、冲击刮切复合钻头、交叉刮切复合钻头。复合钻头通常包含了活动切削结构或破岩结构，在钻进过程中产生一定的振动。因此，在复合钻头上设置摆转自适应缓冲结构有利于保护固定切削结构上的切削齿。
40.作为优选，所述缓冲结构上设置有二级缓冲部。
41.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
42.1、复位机构为复位弹簧的方案，结构简单，便于设计、安装，易于应用。
43.2、摆转式结构的摆转方向与切削齿的切削方向配合，能够提供持续有效的内摆(与切削齿切削方向相反，反之，为外摆)动力。在软地层或均质地层中钻进时，缓冲结构的缓冲部能够稳定摆转到低于切削齿的位置，不影响钻头的破岩效率。
44.3、当钻进硬地层或不均质地层受到冲击载荷时，由于复位机构的存在能够大幅降低缓冲结构的内摆速度，以达到吸收冲击载荷的效果，避免切削齿因冲击而造成的损坏，延长钻头的工作寿命。
45.4、滑动导向钻进过程中，由于缓冲结构的存在，在一定程度上能够降低钻头的工作扭矩，提高工具面的调整效率。
46.5、将摆转自适应缓冲结构设置成一个模块的方案中，能够增加钻头的设计自由度，同时便于安装与修复。
47.6、有益于降低钻头的扭矩波动，减小钻头的粘滑振动趋势。
48.7、缓冲部偏置设置的方案，缓冲部在工作时受到法向力作用而向内收缩摆动，因此，缓冲结构的安装可以不受角度的限制，设计自由度更高。
附图说明
49.本实用新型将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中
50.图1为复合钻进时，钻头的工作原理示意图。
51.图2为本实用新型实施例1的结构示意图。
52.图3为图1的俯视图。
53.图4至图6为本实用新型中缓冲结构的摆转示意及工作原理图。
54.图7为本实用新型实施例1中复位机构采用卷簧的结构示意图。
55.图8为本实用新型实施例2的结构示意图，其中复位机构为液压复位结构。
56.图9为本实用新型实施例2中复位机构为卷簧与液压的组合结构示意图。
57.图10为本实用新型实施例2中复位机构为扭转式液压复位机构的示意图。
58.图11为图10中c-c剖视图。
59.图12为本实用新型实施例3的结构示意图，其中摆转部为摆杆，复位机构为板簧。
60.图13为本实用新型实施例3中复位机构为橡胶的结构示意图。
61.图14为本实用新型实施例4的结构示意图，其中摆转部为摆杆，复位机构为液压复位结构。
62.图15和图16为本实用新型实施例5的结构示意图，其中缓冲部为缓冲齿。
63.图17为本实用新型实施例5的结构示意图，其中缓冲部为金刚石复合片。
64.图18、图19和图20为本实用新型实施例6的结构示意图。
65.图21为本实用新型实施例6的结构示意图，其中缓冲结构上设置有限位机构。
66.图22为本实用新型实施例6中缓冲结构设置在钻头体的独立支座内的结构示意图。
67.图23为本实用新型实施例6的结构示意图，其中支座连同相邻两个刀翼。
68.图24为本实用新型实施例7的结构示意图，其中缓冲部为滚动结构。
69.图25为实用新型实施例8的结构示意图。
70.图26为本实用新型实施例9的结构示意图，其中缓冲结构上设置有二级缓冲部。
71.图27为本实用新型实施例9的结构示意图，其中缓冲结构上设置有二级缓冲部，其中二级缓冲部与一级缓冲部为一体式结构。
72.图28为本实用新型钻头结构的覆盖布齿图；其中，图29和图30为本覆盖布齿图的i视角。
73.图29为实用新型实施例10的结构示意图，其中缓冲结构的摆动方向与切削齿的切削方向的夹角为α。
74.图30为实用新型实施例10的结构示意图，其中缓冲结构的摆动方向与切削齿的切削方向的夹角为90
°
或-90
°
的示意图。
75.图31为图29中a-a剖视图。
76.图32为图29中b-b剖视图。
77.图33为实用新型实施例10的结构示意图，其中，复位机构为液压弹簧。
78.图34为实用新型实施例10的结构示意图，其中，转动部与复位机构之间设置有传动机构。
79.图35为实用新型实施例11的结构示意图。
80.图中标记相应名称：1为钻头体，2为刀翼，21为基孔，3为切削齿，31为切削齿的切削方向，4为缓冲结构，11为井底法线，51为缓冲结构的摆动方向，41为摆转部，42为复位机构，43为基座，48为转动部，401为板簧，402为橡胶，411为缓冲部，400为刚性块， 412为转轮，413为摆杆，415为二级缓冲部，418为限位槽，4120为第一底接面，421为液压复位机构，422为传动装置，481为摆转中心，5为扭簧，6为碟簧，7为卷簧，8为直线弹簧，81为推杆，82为密封圈，85为滚轮，91为第一单向阀，92为第二单向阀，96为中间阀座，97为复位活塞，100为螺杆，101为第一腔室，102为第二腔室，103为中间腔室，10为限位销，20为支座，121为钻头旋转轴线，122为钻柱轴线，4111为缓冲齿。
具体实施方式
81.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
82.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。
83.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
84.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
85.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
86.在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可
以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义；实施例中的附图用以对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
87.实施例1
88.本实用新型提供一种具有摆转自适应缓冲结构的pdc钻头，包括钻头体1以及从钻头体 1上延伸出的刀翼2，所述刀翼2上设置有切削齿3，在钻头上至少设置一个缓冲结构4，所述缓冲结构4与钻头体1转动连接，所述缓冲结构4能相对于转动部(转动部可以是一个轴，也可以是轴孔，缓冲结构通过该轴或该轴孔与钻头体形成转动连接)48作摆转运动；当处于初始位置的缓冲结构4承受来自地层岩石的冲击瞬时，吸收冲击载荷，减少切削齿3的冲击力，对切削齿3起到缓冲作用；之后，缓冲结构(4)在与井底岩石接触的受力作用下，朝向与钻头切削的反方向一侧作摆转运动，以减少或避免缓冲结构(4)对切削齿(3)吃入深度的限制；所述缓冲结构4与井底岩石相离且在复位机构42作用下，朝向缓冲结构4所在的初始位置方向作摆转运动，用于缓冲结构4缓解冲击后的复位，为切削齿3后续再次受到的冲击起到缓冲作用。
89.其中，切削齿3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、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切削齿。切削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。缓冲结构的缓冲部是指以承载冲击载荷为主的元器件，如球型齿、锥型齿、楔形齿等，其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。
90.如图2至6所示，为本实用新型实施例提供的钻头结构示意图。具体地，在刀翼2上设置有基孔21，在基孔21内安设有摆转自适应缓冲结构4，所述缓冲结构4包括摆转部41和缓冲部411，所述摆转部41可转动的安装于刀翼2的基孔21内，所述缓冲部411与摆转部 41连接且在缓冲部411受力后与摆转部41作同步摆转动作，所述摆转部41与设置在基孔21 内的复位机构42连接，以使摆转部41受外力发生摆转后且在外力减小或消失时的自动复位。
91.在本实施例中，所述摆转部41为转轮412，所述复位机构42为扭簧5，所述缓冲结构4 设置在同刀翼2上切削齿3的后方，所述缓冲结构可在外力和复位机构42作用下实现一定设计角度内的往复摆动，使得缓冲部411可高于或低于钻头切削齿3，从而实现钻头切削齿3 切削深度自适应，达到减振效果。
92.在硬地层、软硬夹层、以及导向钻井的复合钻进或其他复杂运动情况下，缓冲结构4的工作过程分为三个阶段：首先为缓冲结构4的缓冲阶段，在钻头受到冲击时，缓冲部411处于初始位置(自由状态)，以及开始向低位旋转的初期(缓冲部高度下降量较少)，在此阶段中，缓冲部411与井底岩石的接触区域较大，能发挥较好的缓冲作用；其次，是缓冲效应(或限制吃深效应)锐减阶段，此阶段中，缓冲部411朝着切削方向的反方向摆动，对切削齿3 吃入深度的限制开始减弱，直至达到最低位(此时，限制吃深效应最弱，刀翼上切削齿3处于稳定切削阶段，钻头切削齿吃入岩石正常钻进，钻头切削齿切削深度逐渐加深，钻头逐渐增加切削能力，钻头可以获取较快的机械钻速)；最后，切削齿3与井底岩石脱离时，刀翼切削齿3的切削深度逐渐减小，缓冲部411逐渐向与井底脱离接触方向运动，此时，缓冲部411 在
复位机构42的作用下快速复位，使得缓冲部411处于初始位置，避免钻头切削齿3切削深度瞬间过大的情况，之后缓冲结构4继续摆动。如此循环，便实现了钻头切削齿3切削深度的自适应调节。
93.请继续参阅图3，当钻头在软地层或均质地层中稳定钻进时，摆转部41持续向内摆动到缓冲部411低于钻头切削齿3的位置，钻头切削齿3吃入岩石正常钻进，钻头切削齿3切削深度逐渐加深，钻头逐渐增加切削能力，钻头可以获取较快的机械钻速。而当钻遇不均匀质或硬地层受到冲击振动时，在“跳钻”瞬间，摆转部41在复位机构42作用下快速外摆到初始位置，使得缓冲部411高于钻头切削齿3从而起到吸收振动的效果，之后摆转部缓慢内摆，如此循环，便实现了钻头切削齿3切削深度的自适应调节。
94.如图4至6所示，当钻头整体不与岩石接触时，缓冲结构所在的位置称为初始位置，所述缓冲结构4在初始位置时，所述缓冲结构4用于与井底岩石面接触的最高点与切削齿3齿刃最高点之间的高度差d为：-d≤d≤d，d为切削齿3的直径。
95.在上述方案中，更容易实施的方案是，缓冲结构的缓冲部最高点和切削齿齿刃最高点之间的高度差d为：-d/4≤d≤d/4。
96.作为另一种结构，如图7所示，所述复位机构42为卷簧7，其结构简单，便于实施。
97.实施例2
98.本实施例与实施例1基本相同，其主要区别在于，所述复位机构为液压复位结构。
99.如图8所示，所述复位机构42包括推杆81、第一腔室101、第二腔室102、中间阀座96、第一单向阀91、第二单向阀92、碟簧6、密封圈82及复位活塞97。当转轮412内摆，第一底接面4120推动推杆81压缩第一腔室101内的液压油通过较小直径的第一单向阀91流入第二腔室102，第二腔室102的液压油推动复位活塞97移动压缩碟簧6，此时内摆速度较小；当复位时，碟簧释放能量，推动复位活塞97压缩第二腔室102内的液压油，使其通过较大直径的第二单向阀102快速进入第一腔室91，推杆推动转轮412快速复位。
100.本实施例的液压复位结构能够提供稳定的复位力，且可靠性较强。
101.上述结构中，更优的方案是，进一步在转轮412上设置扭簧5或卷簧7，配合液压复位结构，能够更加有效稳定的输出复位力，其中，图9为转轮412上设置了卷簧7的方案。
102.液压复位机构的设置还包括另一种方式，即扭转式液压复位机构，如图10和11所示。缓冲结构4的基座43与转动部48(转轴)之间设置有空腔，作为液压复位机构的第一腔室101，当转动部48朝着钻头运动反方向转动时(当前视图中往右转动)，即缓冲结构处于工作阶段，转动部48挤压第一腔室101内的液压油通过较小直径的第一单向阀91流入第二腔室 102，第二腔室102的液压油推动复位活塞97移动压缩碟簧6，此时摆速度较小，起到明显的缓冲作用；当复位时，碟簧6释放能量，推动复位活塞97压缩第二腔室102内的液压油，使其通过较大直径的第二单向阀102快速进入第一腔室91，推杆推动转轮412快速复位。复位弹簧还可以包括直线弹簧8、橡胶等。
103.进一步，转动部48与基座43之间可以设置多个空腔，可根据应用情况，均可设置液压复位机构或机械复位机构(如橡胶、弹簧等)。见图10和11，转动部48与基座43之间设置有两个腔室，其中一个设置液压复位机构，另一腔室设置机械复位机构(弹簧)。
104.实施例3
105.本实施例与实施例1基本相同，其主要区别在于，所述摆转部41为摆杆结构。
106.如图12和13所示，摆杆413通过销轴10与基座43转动连接，在内摆(与切削方向相反)侧设置有弹性复位装置，弹性复位装置为板簧401，如图12所示，也可以为橡胶402，如图13所示，外摆(与切削方向相同)通过刚性块400进行限位。
107.进一步的，基座43可以为刀翼2本身，或者基座43与刀翼2固定连接，连接方式可以包括过硬配合、焊接、或一体成型。
108.实施例4
109.本实施例与实施例3基本相同，其主要区别在于，所述复位机构为液压复位结构。
110.如图14所示，所述液压复位结构设置在摆杆413的一侧，所述液压复位结构与实施例2 中的结构略有不同，具体为，推杆81横向设置且与摆杆413接触的一端设置有滚轮85，能够有效减弱摆杆413摆动时的摩擦阻力；复位机构42中设置有中间腔室103，中间腔室103 的设置能够实现推杆81的横向移动。
111.显然，本领域的技术人员很容易想到的是，液压复位结构的位置不限于设置在摆杆的内摆侧，还可通过适当的结构变形设置在其他位置，如钻头体上、刀翼上，或者增加其他可容纳机构。
112.实施例5
113.本实施例与实施例1至4基本相同，其主要区别在于，所述缓冲部411为缓冲齿4111，镶嵌固定在摆转部41上的镶齿结构。一般而言，缓冲齿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。
114.如图15所示，所述缓冲齿4111与缓冲结构4的转轮412或摆杆413非一体成型，而是通过过盈配合的方式安装；显然，缓冲齿4111还可以通过焊接或螺纹连接的方式与转轮412 或摆杆413固定连接。
115.进一步的，如图16所示，所述缓冲齿4111的工作端(即与地层接触的工作面)为圆弧状，更优的方案为，缓冲齿工作端圆弧的回转中心为摆转部41的回转中心。这样，当缓冲齿旋转的初期，可以使缓冲齿与井底岩石维持较长的接触时间，以实现更好的缓冲效果。
116.进一步的，如图17所示，所述缓冲部411可以为金刚石复合片、tsp切削齿、孕镶切削齿等。
117.实施例6
118.本实施例与实施例1至5基本相同，其主要区别在于，摆转自适应缓冲结构4不仅可以设置在切削齿3的后方，还可以设置在切削齿3的前方，还可以同时设置在切削齿3的前方和后方。
119.如图18至图21所示，为摆转自适应缓冲结构4设置在切削齿3前方的方案，其中，图 18为缓冲结构4直接设置刀翼2上，图19和图20为在刀翼2前方延伸有支座20，所述缓冲结构4设置在支座20内。
120.进一步的，如图22所示，支座20还可以设置成为独立支座，即不与刀翼相连接，所述缓冲结构4设置在独立支座上，容易想到的是独立支座20上还可以设置切削齿3。
121.作为本领域内的研究人员容易想到的是，缓冲结构4还可以与刀翼2上的切削齿3
并排设置，请继续参阅图22中刀翼22上缓冲结构4的设置。
122.进一步的，在相邻两个刀翼之间设置有连接前后两个刀翼的支座20，形成搭桥的效果，在这样的支座上设置缓冲结构4，这种结构方案，不仅还能提高钻头的稳定性，请参阅图23。
123.进一步优选，在缓冲结构4上设置有限位机构，用于防止摆转部41的过摆。如图21所示，限位机构包括限位销10和设在摆转部41上的限位槽418，限位机构的设置可以将摆转部41的摆动角限制在一定范围内。
124.见图19和图20，复位机构42与摆转部41之间可以通过齿轮机构(包括齿轮齿条机构、伞齿轮机构等)、联轴器、链传动等传动机构传递运动和力/力矩。见图20，复位机构42为液压复位机构421，通过传动装置422将运动传递给摆转部41，进而实现缓冲结构的缓冲与复位。从这两个方案可以看出，摆转部41(缓冲部)、传递装置422、复位机构42三者可以分别是或隶属于不同的结构件，有益效果为设计空间更大，三个机构允许设在不同的零部件上。
125.实施例7
126.本实施例与实施例1至6基本相同，其主要区别在于，所述缓冲部411为可旋转的滚动结构。
127.如图24所示，所述缓冲部411为滚球，还可以为滚针。当缓冲部411为滚动结构时，滚动体的工作面轮流与井底岩石接触，磨损速度更慢，利于延长缓冲部的工作寿命。
128.实施例8
129.如图25所示，本实施例为缓冲结构4应用在牙轮-pdc复合钻头上。缓冲结构4还可以设置在孕镶金刚石钻头、tsp钻头、交叉刮切pdc钻头、冲击-刮切pdc钻头上。
130.实施例9
131.本实施例与实施例1至8基本相同，其主要区别在于，在缓冲结构4上还设置有二级缓冲部415。二级缓冲部415与一级缓冲部411的设置存在一个相位角ρ，当一级缓冲部411 达到最低位置时，二级缓冲部415处于工作状态，避免切削齿3的过度切深，如图26所示。
132.容易想到的是，二级缓冲部415与一级缓冲部411为一体式结构，如图27所示。一级缓冲部411在其工作位时，主要用于吸收冲击载荷，而当一级缓冲部411让位后，二级缓冲部 415进入工作位(即当前视图)，用于避免切削齿3的过切。
133.实施例10
134.本实施例与实施例1至9基本相同，其主要区别在于，缓冲结构4的摆动方向51与切削齿3的切削方向31相反的方向具有一定的夹角α，夹角的范围是：-90
°
≤α≤90
°
，夹角α的设置能够降低摆转部41的安装精度，提高设计效率，如图28和图29所示。在正角度范围内，当夹角α为0
°
时，缓冲结构的摆动方向与切削齿的切削反方向一致，缓冲结构的缓冲部与岩石接触受力后摆动速度最快；当夹角α为90
°
(即，与切削方向相垂直的一侧)时，缓冲结构的摆动方向为径向方向，尽管缓冲部与岩石接触受力，但缓冲结构的摆动方向与受力方向不一致，摆动速度缓慢甚至不能旋转。显然，当夹角α角度在0
°
到90
°
范围内增加时，摆动速度越来越慢，当受到冲击时，摆动速度越慢吸振能力越强。在负角度范围内亦然，这里不再赘述。
135.图28为钻头的覆盖布齿图，405为缓冲结构41的法向线，其与钻头中心线的夹角γ为法向角，ω为法向线405与转动部(转轴)48的夹角，夹角的范围0
°
＜ω＜180
°
。
136.进一步优选，所述缓冲结构4上的缓冲部411偏心设置，在井底岩石的法向力的作用下，缓冲部411在偏置一侧作摆转运动，如图30和图31、32所示，其中图31、32为图29的局部剖视图。缓冲部411相对于通过摆转中心的井底法向线偏置，且偏置量较大，故当缓冲部 411接触井底时，来自井底岩石的作用力既有法向力，也有切向力，无论缓冲结构(4)朝向那个方向安置，法向力都会使缓冲部411在偏置一侧绕其回转轴(即转动部)摆转，且偏置量越大，驱动缓冲部411摆转的力矩就越大(因为法向力的力臂越长)。再进一步优选，缓冲结构4的复位机构42为液压弹簧，见图33。复位机构42与摆转部41之间可以通过齿轮机构(包括齿轮齿条机构、伞齿轮机构等)、联轴器、链传动等传动装置422传递运动和力/力矩。图34为，复位机构42与摆转部41之间通过齿轮齿条机构连接。
137.实施例11
138.本实施例与实施例10基本相同，缓冲部411位于摆转轴的轴心481与切削齿3的中间，这种实施方案的特点是缓冲部411距离切削齿3更近，容易达到更好的缓冲效果，如图35所示。更优的方案是，缓冲部与岩石的接触点与过缓冲结构摆转轴481的井底法线的距离l的范围是：d≤l≤10d,其中d为钻头上切削齿的直径。当l足够大时，法向力能够提供较大的矩使缓冲步411绕着摆转轴481转动，实际上相对于钻头体内缩让位。
139.上文描述的以及附图中示出的本公开的实施方案并不限制本公开的范围，而是通过随附权利要求及其合法等效物的范围来涵盖本公开的范围。任何等效实施方案都在本公开的范围内。实际上，根据前面的描述，除了本文所示和所述的那些诸如所述元件的另选有用组合之外，本公开的各种改进对于本领域技术人员而言都是显而易见的。此类改进和实施方案都在随附权利要求和等效物的范围内。