一种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，包括钻头本体，延伸至钻头本体的若干个刀翼，相对钻头本体转动连接的盘刀，以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，盘刀由盘刀体和设置在其上的盘刀齿组成，至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。这种结构特征可使钻头以异步切削方式工作，不仅能增加钻头的纵向磨损长度，延长钻头寿命，而且能使钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，增强钻头侵入岩石的能力，从而使钻头在难钻地层的钻速和寿命都得到提高。
【专利说明】
一种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头
技术领域
[0001 ]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、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】
[0002]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roc钻头和牙轮钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，在钻井工程中得到广泛使用。现有的以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roc钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或roc齿)。但当钻遇硬地层时，PDC钻头的鼻部和肩部上的切削齿很难有效吃入地层，从而大大降低了机械钻速。
[0003]西南石油大学提交的中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号:201010229371.9)中首次将I3DC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角(偏移角a为20° <
a I ^90°)的转轮(该大偏移角的转轮即本申请所称的盘刀，本申请中的偏移角和轴倾角与上述专利中相同)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)。两套切削单元不同的运动模式形成交叉网状的井底，这种交叉切削的破岩方式较大的提高了钻头的机械钻速。
[0004]但是，在包括上述专利技术的现有技术中，固定切削齿所在的刀翼均按照同步切削原理进行设计，即每个刀翼上不同径向位置的切削齿同时或同步(或基本同时、基本同步)进入工作状态，开始切削井底岩石，并同时开始发生磨损。新钻头在理想工作状态下(钻头中心与井眼中心重合的稳定钻进状态)钻削岩石时，同时参与刮切岩石的所有切削齿均为主切削齿，主切削齿是钻头破碎岩石的主要切削元件，通常被设置在各刀翼的前侧，以利于达到更好的冷却和清洗效果。除了切削齿以外，还可根据需要在钻头上设置后备切削齿(即当主切削齿磨损到一定程度后才投入工作的切削齿，如后排齿等)和辅助切削结构(主要指帮助主切削齿破岩的结构，如锥齿，或保护切削齿作用的缓冲结构，如缓冲节或缓冲齿等)O
[0005]在钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面(亦简称为轴面)，钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿(或若干指定刀翼或盘刀上的所有主切削齿)的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图(或若干指定刀翼或盘刀的轴面布齿图)。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的径向覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。
[0006]在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线(也即钻头的冠部轮廓线)，如图2所示，为现有技术中常规roc钻头的井底覆盖图，其中，标记为R的水平方向为钻头径向，标记为Z的竖直方向为钻头轴向，标号11的曲线即为现有技术中钻头的切削轮廓线。
[0007]在钻头的井底覆盖图中，若仅将某个指定刀翼或盘刀上的切削齿表示出来，而将其它刀翼或盘刀上的切削齿隐去，就形成了该刀翼或盘刀的轴面布齿图。在刀翼或盘刀的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼或盘刀的切削轮廓线。刀翼的切削轮廓线反映了当刀翼上主切削齿分布足够密(能完全覆盖该刀翼所在的井底径向区域)时，该刀翼所独立切削出的井底的基本或理想轮廓形状特征。
[0008]若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，如图2或11所示，其中标号为32的曲线，即为刀翼的本体轮廓线。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的(临近规径面的区域除外)，所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异。因此，基于实现同步切削原理的需要，现有技术中钻头各个刀翼的本体轮廓线是互相重合或基本重合的。换言之，理论上钻头各刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都是相同的一条曲线或相同曲线上的一段。这种特征可称之为钻头各刀翼本体轮廓线的一致性或共线性。显然，这种一致性或共线性不仅存在于各刀翼的本体轮廓线，而且对各刀翼的切削轮廓线也是成立的。正是这一结构特征，使得固结在钻头各刀翼上的主切削齿能够同时或同步切削井底岩石，进而形成井筒。
[0009]现有的具有同步切削原理的PDC钻头(包括具有盘刀的PDC钻头)在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性乃至含砾石层、夹层等不均质地层)时，不仅钻进效率受到限制，其工作寿命也不理想。其主要原因是:第一，为了保证钻头在硬地层钻进时能够具备较强的吃入或侵入岩石表面的能力，就需要采用尺寸(直径)较小的切削齿，然而小直径切削齿的出露高度小，可磨损高度显著低于大直径切削齿，但此时切削齿的磨损速度却更快，因此就形成了一个难钻地层钻头设计中难以解决的矛盾:若采用大直径切削齿，切削齿难以侵入岩石(特别是发生一定程度磨损以后)，钻头破岩效率低;若采用小直径切削齿，切削齿的工作寿命又不够。第二，钻头在硬地层、不均质地层中钻进时切削齿常常受到较强的冲击载荷，易发生少量甚至个别切削齿的脱落、断裂、碎裂、金刚石层的崩裂等快速失效现象，这种现象一旦发生，将引发临近区域切削齿因工作负荷增加而导致的连锁失效，继而产生环切现象，即钻头在该径向区域内的切削齿的出露部分被全部或大部分磨掉，并进而在钻头各刀翼本体上磨出环形槽。环切现象一旦出现，钻头上各刀翼的本体均直接与岩石形成面接触，即便刀翼上的切削齿尚未全部磨完，但由于比压严重降低，所以钻头的破岩效率会显著下降。所以，当钻头上磨出环槽后，一般就认为钻头已丧失或接近丧失切削能力，不仅不能再入井使用，严重时甚至连修复(更换或翻新已磨损的切削齿)都难以实施。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于:提出一种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，能显著提升钻头在复杂应用条件、难钻地层，特别是高硬度、高研磨性、高不均质性等地层条件下的工作性能。
[0011 ]本发明目的通过下述技术方案来实现:
[0012]—种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，包括钻头本体，延伸自钻头本体的若干个刀翼，相对钻头本体转动连接的盘刀，以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，盘刀由盘刀体和设置于其外缘的盘刀齿组成，至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域(或称为异廓区域)，以及至少一个重合点或重合区域(或称为同廓区域)。
[0013]对于本发明所涉及的钻头本体、刀翼、刀翼布齿面、水眼、喷嘴、刀翼本体轮廓线，乃至第一组切削齿，为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1、图14、图17、图18、图19及图20所示，为本发明钻头的结构示意图，其中，I为钻头本体、2为盘刀(即【背景技术】所述大偏移角的转轮)、21为轮掌、8为盘刀齿、3为刀翼、33为刀翼布齿面、41为第一组切削齿、61为水眼或喷嘴;如图11所示，为本发明中各刀翼本体轮廓线示意图(图11为图1钻头各刀翼本体轮廓线在覆盖图中形状和位置)，其中，32为刀翼本体轮廓线。
[0014]在现有的技术中，钻头上所有刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都属于相同的一条曲线，或各为相同曲线上的一段。但在本发明中，各刀翼可以具有独立的、不隶属于同一回转曲面的刀翼本体轮廓线，且至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内同时具有不重合区域(以下称为异廓区域)和重合点或重合区域(以下统称为同廓区域，包含重合点和重合区域)。
[0015]值得说明的是，刀翼的覆盖范围(也即刀翼的径向切削工作范围或区域)是指刀翼上最内侧切削齿与最外侧切削齿之间的径向范围。也可以用刀翼轮廓线起点与终点之间的径向范围作为刀翼的覆盖范围。本文中所述的共同覆盖范围，是指两个或两个以上刀翼相重叠的(即共同负责的)径向工作区域，如图7(a)双向箭头所指区域的共同覆盖范围a和图7(b)所示的双向箭头所指区域的共同覆盖范围b，其中图7(a)所示为同一钻头上一个长刀翼(主刀翼)和一个短刀翼(副刀翼)的本体轮廓线示意图，图7(b)所示为同一钻头上两个长刀翼(主刀翼)的本体轮廓线示意图，显然，图7(a)和图7(b)所表示刀翼共同覆盖范围是不同的。进一步地，各刀翼本体轮廓线在其共同覆盖范围内的重合点可以是各曲线的交点，也可以是曲线之间的切点，如图7(a)中阴影部分34所示的交点和切点；各刀翼本体轮廓线在其共同覆盖范围内的重合区域即为各刀翼本体轮廓线重合或基本重合的部分，如图7(a)、图7(b)中阴影部分34所示的重合区域;另一方面，在共同覆盖范围内，刀翼本体轮廓线上除开重合点和重合区域(亦称为同廓区域)的部分即为刀翼本体轮廓线的不重合区域(亦称为异廓区域)。除重合点外，不重合区域以及重合区域的宽度定义为其沿钻头径向所占宽度。
[0016]刀翼上的第一组切削齿通常沿着刀翼的本体轮廓线布置，并形成相应的刀翼切削轮廓线。按以上所述，现有钻头技术中，各个的刀翼切削轮廓线在井底覆盖图中重合为同一曲线，同时，这条曲线也是整个钻头的切削轮廓线，且与刀翼的本体轮廓线平行或基本平行。而本发明中具有若干不重合区域的各刀翼本体轮廓线将会自然形成具有若干不重合区域的刀翼切削轮廓线，如图3所示，由两个刀翼组成的钻头覆盖图中区域P是重合区域，区域N是不重合区域。另一方面，按照前文所述的定义内容，钻头切削轮廓线实际上就是各刀翼切削轮廓线在同一轴面内的率先与地层接触区域的叠加，如图3、12、21标号11即为钻头切削轮廓线，标号31为刀翼切削轮廓线。综合起来，若某一个刀翼的本体轮廓线与其他刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内同时具有若干个异廓区域和若干个同廓区域，则该刀翼的切削轮廓线与钻头切削轮廓线在部分区域不重合(称为异步切削区域，以下简称异步区域)，而在另一部分区域(包括一个点或一段曲线)相重合或基本重合(称为同步切削区域，以下简称同步区域)。显然，刀翼本体轮廓线的异廓区域对应于刀翼切削轮廓线的异步区域，同廓区域则与同步区域相对应。
[0017]在工作原理上，具有异步区域的刀翼相比常规同步切削刀翼的不同之处在于:刀翼上并非所有齿同时参与工作，而是仅有部分切削齿(同步区域的切削齿)参与工作，等这些切削齿磨损到一定程度以后，其它区域(异步区域的切削齿)的切削齿才能接触到岩石并开始切削岩石工作。显然，具有这种切削齿分阶段工作特点的刀翼称之为异步切削刀翼(简称异步刀翼)，在承担的钻压相同时，相比于具有现有技术(刀翼上不同径向位置的切削齿均同时或同步的参与切削岩)，作用于岩石的比压高。异步刀翼数越多，这种提升比压的效用(简称增压效用)越显著，如果钻头全部刀翼都采用具有异步切削特点的刀翼，其增压效用更加突出，十分有利于提升钻头在难钻地层侵入岩石的能力。对于常规钻头而言，刀翼切削轮廓与钻头切削轮廓相互重合或基本重合，刀翼上不同径向位置的切削齿均同时或同步的参与切削岩石称之为同步切削。包含异步刀翼的钻头称为异步切削钻头(简称异步钻头)。
[0018]如果钻头上某异步刀翼的切削轮廓线上只有单个点或者单个很窄的区域与钻头切削轮廓线相重合或基本重合，则意味着该刀翼的切削轮廓线在这个点或者很窄区域所在的位置上是外凸的，而刀翼其他位置的切削轮廓线则相对钻头切削轮廓线内凹，显然，只有在凸起部位的切削齿是从一开始就工作，随着这个或这些齿的不断磨损，刀翼上处于内凹部位的切削齿才逐渐开始接触并切削岩石。同样，如果某异步刀翼的切削轮廓线上有若干个点或若干相互间断的局部区域与钻头切削轮廓线相重合，则该刀翼的切削轮廓线在这些位置是局部外凸的，而其余区域则相对钻头切削轮廓线内凹，故在钻头的钻进过程之初，只有这些外凸部位的切削齿在切削岩石，其余内凹部位的切削齿则在外凸部位切削齿磨损至一定程度后才逐渐进入切削岩石的过程，从而实现同一刀翼上不同部位切削齿的分阶段工作。显然，异步刀翼实质上就是具有局部切削特征的刀翼，当刀翼承担的钻压相同时，这种刀翼在局部切削区域内作用于岩石的比压明显高过常规刀翼。异步刀翼数越多，这种提升比压的效用(简称增压效用)越显著。如果钻头全部刀翼都采用异步刀翼，则此时钻头可称为全异步钻头，其增压效用更加突出，十分有利于提升钻头在难钻地层侵入岩石的能力。
[0019]与前述内容相应，异步刀翼上参与初始切削的局部区域，其切削轮廓线是外凸的，相应位置的刀翼本体轮廓线自然也外凸，如图8所示。进一步，刀翼本体轮廓线上具有多个局部凸起时，使刀翼本体轮廓呈现峰峦起伏状的形状特征，如图9、12、22、23所示。对两个本体轮廓形状不相同的异步刀翼而言，刀翼上的局部凸起越多，则在其共同覆盖区域之内，两刀翼本体轮廓线之间的交叉或相交点就越多。若将钻头上多个异步刀翼的局部凸起位置交错分布，就能利用相互交叠的多个局部凸起完成对井底部分甚至全部径向区域的覆盖。在钻井过程中，只要钻头上的凸起部分未被磨平，增压效应就不同程度地存在着。此外，局部凸起的高度可以显著地高于切削齿的直径(圆齿)或工作高度(非圆齿)，高差越大，不仅刀翼的增压切削作用时效越长，另一方面刀翼本体轮廓线的长度也越长，自然地同一刀翼上的布齿区域就越大，切削齿数量也就越多，齿数增加与切削齿分阶段工作的特征相互匹配，从而在增加了刀翼钻进比压的基础上延长了异步钻头的工作寿命。
[0020]本发明中，通过刀翼本体轮廓线可以有效调节钻头的布齿密度，提高钻头适应地层的范围以及持续钻进能力。按本发明方案形成的梯次布齿可有效增加钻头的轴向可磨损体积，延长钻头的使用寿命。根据中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号:201010229371.9)所述，钻进时盘刀上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩，并在井底形成螺旋线的刮痕，而设置在固定刀翼上的切削齿在井底形成同心圆状的刮痕，两套刮痕在井底共同形成交叉网状的井底模式，有利用切削齿吃入地层，提高破岩效率。因此，本发明在复合钻头在延长钻头的使用寿命的同时，提高破岩效率。
[0021]因此，根据以上对本发明目的和原理的阐述，可以理解和确认的是，本发明所界定的“刀翼的本体轮廓线与其他刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域(或称为异廓区域)”不应该做绝对的理解，即不应该把现有技术中可能存在的，某些无意识下或偶然下或出于与本发明毫不相关的其他目的下导致的刀翼的本体轮廓线与其他刀翼的本体轮廓线存在较小程度的不重合涵盖在内；本领域技术人员基于前述本发明目的和原理的阐述，根据掌握的现有技术、公知常识，对于所述“不重合区域”的程度显然能够正确理解，无需特别予以界定;通常而言，为了较好地实现本发明的“提升钻头在难钻地层侵入岩石的能力”目的，这个不重合区域占整个共同覆盖范围区域的比例宜不小于25%。
[0022]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各曲线外凸部分顶点沿钻头径向的径向位置不相同。
[0023]本方案中，刀翼本体轮廓线外凸区域实质上仅有一部分对应于刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相重合的区域(同步区域)；而刀翼本体轮廓线上的其余区域对应于刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线不重合的区域(异步区域)。两个刀翼外凸部分的顶点的径向位置不相同，在设计时就可以使刀翼切削轮廓线在顶点相应位置与钻头切削轮廓线相重合，此时两个刀翼顶点及临近位置的切削齿就成为初始参与工作的切削齿，而远离该区域的切削齿(同步区域除外)暂不参加切削工作。这样，作用在初始工作切削齿上的比压高于常规钻头，有利于提高钻头侵入岩石的能力。本方案中，本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线实际上是单峰曲线，即刀翼本体轮廓线上仅存在一个凸起，如图4所示。图4(a)中所示的刀翼本体轮廓线为整体外凸的曲线，图4(b)中所示的刀翼本体轮廓线为大部分外凸的曲线，标号32c的曲线为现有技术中常规刀翼的本体轮廓线，在此以虚线形式标出，以便凸显本发明中所述的整体或大部分外凸刀翼本体轮廓线的特征。尽管刀翼本体轮廓为单峰曲线，若各刀翼本体轮廓曲线的局部凸起沿钻头径向相互错开，则这些刀翼仍然能具备异步区域。
[0024]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。
[0025]与前述方案中仅有单个整体或大部分外凸的刀翼本体轮廓线不同，本方案中的刀翼本体轮廓线具有多个局部凸起，因此，各局部凸起的分布可以有不同的情况，如图6所示。其中，图6(a)所示为各局部凸起沿钻头径向分布，且不同刀翼本体轮廓线上局部凸起沿钻头径向(图中箭头A方向)部分或全部错开；图6(b)所示为各局部凸起沿钻头切削轮廓线分布，且不同刀翼本体轮廓线上局部凸起沿钻头切削轮廓线(图中箭头B方向)部分或全部错开。值得说明的是，图6(a)和图6(b)中所表示的局部凸起分布以及错开方式仅为两种较为典型的分布方式，但并不局限于该两种方式。
[0026]上述方案中，刀翼本体轮廓线为具有一个或多个局部凸起的曲线，在设计时就可以使刀翼切削轮廓线在局部凸起的顶点相应位置与钻头切削轮廓线相重合，此时各刀翼局部凸起的顶点及临近位置的切削齿就成为初始参与工作的切削齿，而远离该区域的切削齿(同步区域除外)暂不参加切削工作。这样的结构使钻头在钻进过程中，同一时刻刀翼上只有局部凸起的顶部的部分切削齿接触井底，减小了钻头与岩石的接触面积，切削齿上的比压高于常规钻头，使钻头能有效的吃入地层；即使钻头发生磨损，造成部分切削齿被破坏，仍然会有其余未被磨损的部分切削齿相继接触井底，投入切削工作，保证钻头钻进全过程都是尚比压，有利于钻头机械钻速的提尚。
[0027]其次，起伏的刀翼本体轮廓线不仅使得同一刀翼本体轮廓线上的切削齿分阶段参与破岩，也使其布齿长度更长，自然地同一刀翼上的布齿数量就更多，齿数增加与切削齿分阶段工作的特征相互匹配，从而在增加了刀翼钻进比压的基础上延长了钻头的工作寿命。特别是刀翼的本体轮廓线上的局部凸起相互错开，具有较佳的布齿效果，即可以形成局部凸起的交叉覆盖(也可以理解为在纵向形成多级切削结构，如图13，以及图21的心部区域)，明显延长切削齿的可磨损长度。且在交叉覆盖区域的切削齿仍然为暴露在刀翼外的表镶齿，可保持钻进时的高比压。此外，本方案中，也允许各曲线上的局部凸起在钻头的径向位置重合。同时，刀翼上有若干个局部凸起的存在，增加了钻头的排肩空间，减少岩肩在切削齿附近的堆积，有利于切削齿的散热与冷却，减少切削齿的热磨损，从另一方面提升了钻头的工作性能。
[0028]作为优选，至少有40%数量的刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向部分或全部相互错开。
[0029]上述方案中，异廓的刀翼数量若保持在一定比例范围，能够更好、更科学地发挥异廓刀翼的异步切削作用。显然，在该方案中40%的比例可能会导致一个非整数的结果，此时，根据常识的理解，需要进行圆整:例如，钻头总共有6个刀翼，那么40%就是2.4，圆整为2个刀翼。
[0030]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线的不重合区域宽度至少占钻头半径的四分之一。
[0031]上述方案中，异步区域范围若保持在一定比例，能够更好地发挥钻头的异步切削作用。增加异步区域的长度能够让钻头各个区域内切削齿的寿命相互匹配，达到降低钻进成本的目的。
[0032]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之一半径以外的径向区域。
[0033]对于roc钻头而言，在外部三分之一区域，切削齿磨损速度较快。采用上述方案，异步区域能覆盖钻头上切削齿失效速度快的区域，从而显著提高钻头在这些部位的可磨损高度、增加切削结构侵入岩石的能力，提升钻头寿命，降低钻进成本。
[0034]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之二半径以内的径向区域。
[0035]在某些特殊工况下，如复合钻井过程中，钻头运动条件复杂，不仅存在横向振动，而且存在摆振，且钻头可能处于与井眼中心线不平行的工作状态。对于本发明复合钻头而言，在外部区域由盘刀与固定刀翼的共同工作区域，而心部区域相对比较薄弱，在这种条件下，钻头内部区域的切削齿容易因偏载而发生快速磨损。由于PDC钻头的内部区域齿数较少，所以，一旦个别齿失效，很容易发生连锁反应，导致内部环切失效现象的发生，这种失效现象俗称“掏心”现象。该方案中，将异步区域布置在钻头三分之二半径以内的区域，能够显著提高钻头在这些部位的可磨损高度，从而延长了 PDC钻头在复合钻井等特殊复杂工况下的使用寿命，减少甚至避免掏心现象的发生。
[0036]作为优选，刀翼本体轮廓线的局部凸起形状相似或相同，亦可以不相似或不相同。作为优选，至少50%数量的刀翼本体轮廓线的局部凸起形状相似或相同。显然，在该方案中50%的比例可能会导致一个非整数的结果，此时，需要进行圆整。例如，钻头总共有5个刀翼本体轮廓线，那么50 %就是2.5，圆整为2个刀翼本体轮廓线。
[0037]作为优选，局部凸起的形状可以为类似抛物线形，梯形，圆形，椭圆形等等，亦可以为它们之间的组合，如图9所示。
[0038]作为优选，所有刀翼本体轮廓线局部凸起的高度不低于8mm。
[0039]作为优选，所有刀翼本体轮廓线整体或大部分外凸的高度不低于8mm。
[0040]上述方案中，首先对凸起区域的界点作如下阐述:对于整体外凸的区域，其凸起界点应分别为刀翼本体轮廓线靠近钻头心部的端点以及刀翼本体轮廓线冠部与保径区域的分界点，如图10(a)中所示的点322;对于大部分外凸或局部凸起的区域，若整个凸起居于同一条平滑曲线的两个波谷之间，那么这两个波谷必有一条公切线以及分别两个切点，这两个切点即为其凸起界点，如图10(b)中所示的点322;若整个凸起两端为不同曲线段的非光滑连接点，则此连接点即作为该凸起的界点，如图1O (c)中所示的点322;若某个凸起的一侧为具有波谷的连续平滑曲线，另一侧为前文所述的曲线段非光滑连接点，则该连接点首先作为其界点之一，另一界点即为自该点向凸起另一侧平滑曲线段波谷处所作切线的切点，如图10(d)中所示的点322。据此，某凸起(包括整体外凸、大部分外凸以及局部凸起)的宽度定义为该凸起两侧界点连线之长度，如图10中所示的W，其高度则定义为凸起曲线上的点至两侧界点连线的最远距离，如图10中所示的H，凸起曲线上取得该最远距离的点即为该凸起的顶点。需要说明的是，由于凸起的形状可以有很多的变化情况，上述定义虽然只是针对有限的几种凸起形状做出的，但其基本精神同样适用于不同形状凸起(包括整体外凸、大部分外凸以及局部凸起)的其它情况。本专利全文中涉及凸起的区域(包括整体外凸、大部分外凸以及局部凸起)的计算均按此方法，不再重复。
[0041]作为优选，异廓刀翼在钻头冠顶区域或鼻部区域的局部凸起高度大于其他区域。
[0042]在钻头穿越夹层、砾石层等不均质地层条件时，钻头的鼻部、肩部往往承载大量破岩载荷、功耗，使得这些部位的切削齿快速磨损，进而使钻头过早失效。该方案中，通过增高钻头冠顶区域或鼻部区域的局部凸起，不仅提升了钻头在这些部位的岩石吃入能力，也增加了其磨损长度，从而在提升钻进效率的基础上延长了钻头寿命。
[0043]作为优选，至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，所述各曲线之间至少有一个局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本体轮廓线之间布置于相重合局部凸起的第一组切削齿相互错开。
[0044]作为优选，至少有一个刀翼同时具有前置刀翼本体轮廓线和至少一条后置刀翼本体轮廓线，前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线。优选，局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。
[0045]上述方案实质上是将两个异步刀翼的切削结构合并在一个刀翼体上。该方案中，同一刀翼上沿两条不同的刀翼本体轮廓线设置有至少两排切削齿，因此可以不增加刀翼数量的条件下，增加钻头的布齿密度，强化钻头的异步切削结构，同时也利于扩大钻头的流道，更充分、有效地利用钻头工作空间，提高钻头的综合性能。
[0046]作为优选，所述刀翼上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。
[0047]该方案中，相对于刀翼本体轮廓线其出露高度小于或等于零的第二组切削齿和空槽(包括内置齿和内置表镶齿等)以混合的方式同时布置于刀翼体，不仅能大大增加刀翼的磨损长度，也有效利用了刀翼体空间，在确保钻进比压的同时，进一步地延长了钻头寿命。
[0048]作为优选，刀翼本体轮廓线上整体或大部分外凸或局部凸起对应的刀翼区域内布置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。
[0049]该方案中，由于刀翼体的局部凸起钻进比压高，切削齿布置数量较少，因此相对普通刀翼更容易磨损，这部分刀翼体磨损后，该区域设置空槽可使已磨损的切削齿在外部载荷下迅速脱离刀翼体，进而暴露出空槽以及第二组切削齿，对已磨损区域进行修复，在保证了钻头使用寿命的基础上，对钻头切削岩石的能力进行了更新。
[0050]同样地，作为优选，盘刀上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组盘刀切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组盘刀切削齿。
[0051 ]作为优选，对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相切。
[0052]作为优选，对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线部分重合。
[0053]作为优选，至少有一个盘刀的盘刀体外缘轮廓线为具有至少三个局部凸起的曲线，形成具有波浪形或星形的盘刀体外缘轮廓。
[0054]上述方案中，局部凸起的界点均与固定刀翼上局部凸起的定义相同，但其宽度可以表示为两个界点之间的角度，如图15所示。设置在局部凸起的盘刀盘刀齿，位于同一圆周上，如图，15、26及27。
[0055]作为优选，钻头本体上设有独立的轮掌，盘刀安装在轮掌上，与轮掌形成转动连接。
[0056]作为优选，轮掌与刀翼成为一体，盘刀设置在刀翼前端或/和后端;该方案中，将盘刀切削单元直接结合到固定刀翼上，节省了盘刀原本的支承结构。此外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。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。
[0057]作为优选，刀翼上开设有盘刀槽，盘刀安装在盘刀槽内形成双侧支撑。该方案中，形成双支持结构，在节省了钻头空间的基础上，能够提高轴承的承载能力，同时盘刀轴的受力更均衡。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。
[0058]作为优选，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。
[0059]前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案;且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0060]名词解释:
[0061]切削齿的出露高度:是指切削齿刃的最高点到刀翼本体轮廓线上的距离。出露高度可以是正、是负，也可以等于零，当切削齿刃暴露于刀翼本体之外时，齿的出露高度为正值。
[0062]第一组切削齿:布置于刀翼体布齿面上出露高度大于零的切削齿。
[0063]第二组切削齿:布置于刀翼上，且相对于刀翼本体轮廓线出露高度小于或等于零的切削齿。内镶齿以及内置表镶齿等等均属于第二组切削齿。第二组盘刀切削齿概念参照该概念。
[0064]内镶齿:相对于刀翼本体轮廓线出露高度小于等于零的切削齿，切削齿除了切削工作平面以外的其它表面(主要是侧面和底部端面)与刀翼体全面接触，并依靠这种接触关系实现切削齿的固结。即切削齿完全镶嵌在刀翼体或钻头体内，如图24b所示。
[0065]空槽:设置于第一组切削下方的刀翼体上，可以为贯通槽，也可为非贯通的盲槽。空槽的作用一是可以起到减小钻头磨损后刀翼本体所承担的对切削岩石不利的无效钻压，二是为内置表镶齿提供了布齿空间。
[0066]内置表镶齿:固定于刀翼体上设置的空槽内，并且其齿刃出露于其所在空槽表面的切削齿。当内置表镶齿前方的第一组切削齿和刀翼本体完全磨损后，内置表镶齿能像第一组切削齿那样以表镶齿的高比压方式切削岩石，使钻头的切削效率得到一定程度的恢复。内置表镶齿不像内镶齿那样完全嵌入在刀翼体内，如图24a所示。空槽的设计使得施加于内置表镶齿的钻压不被其周围的刀翼体吸收，亦即内置表镶齿的比压不因附近刀翼体的存在而明显降低，使得其工作条件与第一组切削齿一致或接近，亦即空槽内切削齿附近的刀翼体不参与接触岩石，从而使内置表镶齿工作时以表镶形式切削岩石，因而其钻进比压相对第一组切削齿而言没有明显降低，在保证切削齿吃入能力的同时，提高钻头的使用寿命O
[0067]盘刀可视为能相对钻头体旋转运动的刀翼，故内置齿、内置表镶齿同样可以类似方式设置在盘刀体上。
[0068]布齿轴面或轴面:通过钻头中心轴线的平面，主要用于表达钻头上各切削齿的径向和轴向位置，以及切削齿对井底岩石的覆盖情况，以及井底的基本轮廓特征。
[0069]井底覆盖图:当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将所有主切削齿的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。
[0070]钻头切削轮廓线:在井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头切削轮廓线。该曲线表征了钻头所钻出井底的基本轮廓特征。
[0071]刀翼切削轮廓线:在钻头的井底覆盖图中，仅将某个指定刀翼上的切削齿表示出来，而将其它刀翼上的切削齿隐去，就形成了该刀翼的轴面布齿图。在刀翼的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线即为该刀翼的切削轮廓线。
[0072]刀翼本体轮廓线:在定义布齿轴面内，若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个空间曲面，该空间曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线。
[0073]前置、后置刀翼本体轮廓线:若将两个或更多的各自具有刀翼本体轮廓线的相邻刀翼合并为同一刀翼，则合并后的刀翼体上就会出现多条刀翼本体轮廓线，这种情况下，沿钻头旋转方向最前沿的称为前置刀翼本体轮廓线，其余均为后置刀翼轮廓线。同一刀翼体上的相邻刀翼本体轮廓线之间也可设置流道、水眼以及喷嘴等必要结构。
[0074]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0075](I)本发明复合钻头中固定刀翼的本体轮廓线的不相同，可以有效调节钻头的布齿密度，提高钻头适应地层的范围以及持续钻进能力。
[0076](2)本发明复合钻头盘刀上的切削齿与固定刀翼上的切削齿在井底共同作用形成交叉网状的井底模式，有利于切削齿对岩石的有效吃入。盘刀上的切削齿交替工作减少或避免了固定齿钻头因少数切削齿失效带来的钻头早期失效，延长了钻头使用寿命。
[0077](3)本发明沿刀翼本体轮廓线布置的切削齿在井底覆盖图中形成多级切削结构，能够增加钻头的轴向磨损体积，延长钻头的使用寿命。在第一级切削齿发生磨损后，而暴露在外的次级切削齿能够快速参与切削，并保持钻进的高比压状态。
[0078](4)本发明技术方案中钻头的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线不完全相同，而是部分重合或接触，其他区域不接触。本发明中这种具有异步切削特征的的刀翼，在承担的钻压相同时，相比于具有同步切削特征的刀翼，作用于岩石的比压明显高。异步刀翼数越多，这种提升比压的效用(简称增压效用)越显著。
[0079](5)刀翼本体轮廓线由凸起部和凹陷部交替连接而成时。刀翼有凸起部与凹陷部的存在，增加钻头的排肩空间，减少岩肩在切削齿附近的堆积，有利于切削齿的散热与冷却，减少切削齿的热磨损。
[0080](6)本发明减少钻头对地层条件的敏感性，拓宽单一钻头对地层的适应范围(从软地层到硬地层)，在软地层中，凸起及附近的切削齿可以视为一个大的切削元件来刮切地层，获得较高的机械钻速和钻井效率。在硬地层中，依靠全程高比压和轴向多层可磨损体积，获得较高的机械钻速和使用寿命。
[0081](7)本发明技术能够对复合钻头局部薄弱的区域进行加强，使得复合钻头的可持续钻进能力得到进一步提高。
【附图说明】
[0082]图1为本发明第一实施例的钻头结构示意图；
[0083]图2为现有钻头的布齿覆盖图；
[0084]图3为本发明中重叠区域和不重叠区域的原理示意图；
[0085]图4为本体轮廓线整体外凸或大部分外凸的结构示意图；
[0086]图5为刀翼的本体轮廓线为整体外凸的单峰曲线且不同刀翼的凸起部分的顶点在同一钻头轴面内相互错开的结构示意图；
[0087]图6为凸起沿径向与钻头切削轮廓线方向错开的示意图；
[0088]图7为本发明中刀翼本体轮廓线共同覆盖区域、重合点、重合区域以及不重合区域的示意图。
[0089]图8为本体轮廓线局部凸起的结构示意图；
[0090]图9为本体轮廓线具有多个局部凸起且凸起形状不同的结构示意图；
[0091]图10是本发明中凸起界点以及凸起宽度、凸起高度的定义示意图；
[0092]图11为图1的刀翼本体轮廓线在覆盖图中的形状；
[0093]图12为图1各刀翼的布齿图；
[0094]图13为图1的总体覆盖图；
[0095]图14为本发明第二实施例的结构示意图；
[0096]图15为图14的盘刀端面形状；
[0097]图16为图14的覆盖图；
[0098]图17为本发明第三实施例的结构示意图；
[0099]图18为图17的俯视图；
[0100]图19为本发明第四实施例的结构示意图；
[0101]图20为本发明第五实施例的结构示意图；
[0102]图21为图20的井底覆盖图；
[0103]图22、23为本发明第六实施例的结构示意图；
[0104]图24为本发明中内镶齿与内置表镶齿的区别示意图；
[0105]图25为本发明中不同内置表镶齿的区别示意图；
[0106]图26、27为本发明第六实施例钻头上盘刀的结构示意图；
[0107]图28为本发明第七实施例各刀翼的布齿图；
[0108]图中:1、钻头本体；11、钻头切削轮廓线;2、盘刀;21、轮掌;3、刀翼;31、刀翼切削轮廓线;32、刀翼的本体轮廓线;321、刀翼本体轮廓线的凸起部分;322、凸起界点;323、凸起顶点；33、刀翼布齿面;41、第一组切削齿;42a、内置表镶齿;42b、内镶齿;5、空槽;61、水眼或喷嘴;8、盘刀齿;81a为盘刀内置表镶齿、81b为盘刀内镶齿。
【具体实施方式】
[0109]下列非限制性实施例用于说明本发明。
[0110]实施例一
[0111]如图1、11、12、13所示，一种具有异步切削原理的盘刀式钻头，包括钻头本体I，延伸至钻头本体I的若干刀翼3，相对钻头本体I转动连接的盘刀2，以及布置在钻头本体I上的水眼或喷嘴61，钻头本体I上有轮掌21，盘刀2安装在轮掌21上，与轮掌21形成转动连接，盘刀2由盘刀体与安设在其外缘的盘刀齿8组成，刀翼3上设置有若干个第一组切削齿41，刀翼3布齿面33上设置凹窝用以固定第一组切削齿41，在刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴61，至少有一个刀翼3的本体轮廓线32(可以包含前置刀翼本体轮廓线和后置刀翼本体轮廓线)与至少另外一个刀翼3的本体轮廓线32在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。所述第一组切削齿41和盘刀齿8可以为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。
[0112]刀翼3的本体轮廓线可以是仅有一个整体或大部分外凸的单峰曲线，如图4所示，也可以是如图5所示的具有多个局部凸起的多峰曲线，其中，以图2、4为例，标记为R的水平方向为钻头径向，标记为Z的竖直方向为钻头轴向，本专利中钻头覆盖图、刀翼本体轮廓线图等在钻头轴面内表示的示意图中所指的钻头径向、轴向均应如此理解，不再赘述。以钻头的钻进方向为纵坐标轴，径向为横坐标轴。整体或大部分外凸是指单个刀翼本体轮廓线上的整段或大部分(外凸部分宽度与钻头半径之比大于1/2)是一条呈外凸形的曲线，该曲线由一个或多个外凸曲线段与一个或多个直线段连接而成。现有roc钻头的本体轮廓曲线一般是由一个圆弧段和与之光滑连接的另一个不同的圆弧段或直线段构成(如图4中的虚线所示)，其外凸的顶部区域被称为钻头的“冠顶”区域或鼻部区域。现有PDC钻头所常用的本体轮廓曲线主要包括以下几种类型(不计与钻头规径相接处的小倒角):双锥型:直线(内锥)+圆弧(鼻部)+直线(外肩部)；单圆弧型:直线(内锥)+圆弧(鼻部和外肩部)；双圆弧型:直线(内锥)+圆弧(鼻部)+圆弧(外肩部)。这几类轮廓曲线都属于整体或大部分外凸的情况，更具体地说，均为整体外凸的单峰曲线。如图4(a)、图4(b)所示，其中图4(a)中所示的刀翼本体轮廓线为整体外凸的曲线，图4(b)中所示的刀翼本体轮廓线为大部分外凸的曲线，标号32c的曲线为现有技术中常规刀翼的本体轮廓线，在此以虚线形式标出，以便凸显本发明中所述的整体或大部分外凸刀翼本体轮廓线的特征。图5所示的几种情况是钻头各刀翼本体轮廓线整体或大部分外凸部分的顶点的径向位置不相同的参考例。
[0113]本发明中的局部凸起，是指设置在单个刀翼本体轮廓线上局部区域(凸起部分宽度与钻头半径之比小于等于1/2)的凸起部分321，每一个凸起部分称为一个局部凸起。构成局部凸起的曲线可以是光滑曲线，也可以是非光滑曲线。如图9(a)、(b)、(c)中所示的几种情况，其中标号32c的曲线为现有技术中常规刀翼的本体轮廓线，以虚线形式标出，以便凸显本发明中所述的具有多个局部凸起的刀翼本体轮廓线的特征。作为示例，刀翼3的本体可以是仅有一个整体或大部分外凸的单峰曲线，如图3、4、5所示，且凸起顶点323相互错开，如图3、5所示。当刀翼本体由多个局部凸起组成时，局部凸起的形状可以是连续的类抛物线如图9(a)，也可以是多段曲线及圆弧组成的凸包形状曲线，如图9(b)，还可以是矩形，如图9(C)，此外凸起的截面形状还可以是梯形、椭圆形，菱形、正方形等折线形状的凸起，以及其他形状的曲线形式，在此仅列出其中较为典型的部分形式。
[0114]作为示例，当刀翼3是具有多个局部凸起321的多峰曲线时，局部凸起的曲线可以是光滑曲线，也可以是非光滑曲线。在覆盖图中，各刀翼3在钻头径向上相互错开，如图11所示。图13为图1的井底覆盖图，图12为各个刀翼3的覆盖图，从图中容易看出，各刀翼3的本体轮廓线32相互独立，且各刀翼3的切削轮廓线32与钻头的切削轮廓线11仅在部分区域或点重合，各个刀翼3均具有异步切削功能。且在井底覆盖图中形成了交叠覆盖(多级切削结构)，特别是在局部凸起321，暴露在刀翼体3外的切削齿相互交叠。当率先与地层接触的切削齿磨损后，暴露在外的次级切削结构中的切削齿将很快参与切削，钻头钻进全过程都是尚比压，有利于钻头机械钻速的提尚。本方案中，也允许各刀翼本体轮廊线曲线上的凸起部分在钻头的径向位置重合。
[0115]盘刀2转动连接在独立牙掌21上，钻进时盘刀2上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩，并在井底形成螺旋线的刮痕，而设置在固定刀翼3上的切削齿在井底形成同心圆状的刮痕，两套刮痕在井底共同形成交叉网状的井底模式，有利用切削齿吃入地层，提高破岩效率。因此，本发明在复合钻头在延长钻头的使用寿命的同时，提高破岩效率。
[0116]作为上述实施方案的进一步改进，同一刀翼3同时具备一条刀翼本体轮廓线和至少一条后置刀翼轮廓线，且沿刀翼本体轮廓线和刀翼附加轮廓线固定有总共至少两排第一组切削齿41。
[0117]实施例二
[0118]如图14所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于:盘刀2包含至少三个部凸起321，形成波浪形或星形盘刀，如图15所示。图16为图14的覆盖图(为清晰看到刀翼本体轮廓线，和盘刀体外缘轮廓线，仅给出了两个刀翼的布齿情况)。
[0119]实施例三
[0120]如图17、18所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，盘刀2直接固定在刀翼3上，且设置在刀翼3的前侧面，而实施例一或二，设置盘刀的轮掌21独立的设置在了钻头本体上。本实施例中，盘刀直接设置在刀翼体上，节约了钻头宝贵的空间位置，而且盘刀2并不替代刀翼3上的布齿情况，即不减少钻头总的金刚石布齿体积。正如本领域的研究人员所熟知的，盘刀2还可以是在刀翼3设置在刀翼3的后侧面，以及在刀翼3体的前后侧面均设置盘刀。
[0121]实施例四
[0122]如图19所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，固定刀翼3上开设有盘刀槽22，盘刀2设置在盘刀槽22中，形成双侧支撑。该结构下，盘刀切削单元所占的空间体积大大缩小，盘刀2的止推面设置在位于固定刀翼3上的盘刀槽22的后侧面，有利于保障轴承的性能；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。
[0123]实施例五
[0124]如图20、21所示，本实施例与实施例一至四基本相同，不同之处在于，至少有两个刀翼的本体轮廓线32为具有局部凸起321的曲线，且各曲线的不重合区域分布于钻头的内径向三分之二区域。曲线是具有多个凸起部分321的多峰曲线，沿着刀翼本体轮廓线32布齿，在心部区域形成多级切削结构。对于复合钻头来讲，在复杂钻井条件下，心部区域相对薄弱，容易造成切削齿的早期失效，进而造成钻头的失效。本发明能够很好的加强心部区域的切削能能力和使用寿命，进而延长钻头的使用寿命。
[0125]实施例六
[0126]如图22-25所示，本实施例与实施例一至五基本相同，不同之处在于，刀翼3上布置有第二组切削齿。在本发明中，凸起部分321布置的第一组切削齿41，是首先与地层接触的切削齿，也最先磨损的切削齿。在凸起部分321布置内镶齿42a，能够进一步增加切削齿的可磨损体积，进而延长钻头寿命，如图24b所示。此外，刀翼上还可以布置另一种形式的第二组切削齿(内置表镶齿42b)，内置表镶齿42b设置在空槽5内，如图24a所示。其中，空槽5可以是如图25(a)中贯穿刀翼前后侧面的通槽，也可以是如图25(b)中凹入刀翼前侧面的凹槽。作为进一步优选，刀翼3的凸起部分321(局部凸起)及其附近区域设置有空槽5及内置表镶齿42a，作为钻头的第二组切削齿，如图22、23所示。同样的盘刀切削上也可以设置盘刀内镶齿81a或盘刀内置表镶齿81b，如图26、27所示。
[0127]实施例七
[0128]如图28所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于:所述刀翼3的本体轮廓线32为具有多个凸起部分321(局部凸起)的多峰曲线，不同刀翼的局部凸起在同一钻头轴面内相互错开，且对应于刀翼本体轮廓线局部凸起的刀翼切削轮廓线与钻头切削轮廓线相切。上述任一刀翼的本体轮廓线32都不相同，所述刀翼3的本体轮廓线32上至少有两个局部凸起，局部凸起的高度大于等于2_。
[0129]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。
【主权项】
1.一种适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，包括钻头本体，延伸自钻头本体若干个刀翼，相对钻头本体转动连接的盘刀，以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，盘刀由盘刀体和设置于其外缘的盘刀齿组成，其特征在于:至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。2.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:至少有两个刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各曲线外凸区域顶点沿钻头径向的径向位置不同。3.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。4.如权利要求3所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之一半径以外的径向区域。5.如权利要求3所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头径向三分之二半径以内的径向区域。6.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:所述刀翼上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。7.如权利要求2至6中任一权利要求所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:刀翼本体轮廓线上整体或大部分外凸或局部凸起对应的刀翼区域内布置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。8.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:至少有一个盘刀的盘刀体外缘轮廓线为具有三个或三个以上局部凸起的曲线。9.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:钻头本体上设有独立的轮掌，盘刀安装在轮掌上，与轮掌形成转动连接;或者，轮掌与刀翼成为一体，盘刀设置在刀翼前端或/和后端；或者，刀翼上开设有盘刀槽，盘刀安装在盘刀槽内形成双侧支撑。10.如权利要求1所述的适用于难钻地层的盘刀式复合钻头，其特征在于:盘刀上设置有至少一个出露高度小于或等于零的第二组切削齿，或者至少一个空槽或/和固定于空槽内的第二组切削齿。
【文档编号】E21B10/43GK106014266SQ201610630906
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月2日
【发明人】杨迎新, 张春亮, 戚清亮, 林敏 , 黄奎林, 王吉
【申请人】西南石油大学, 成都为石油科技有限公司, 成都为一石油科技有限公司