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，具体的讲涉及一种单牙轮钻头。
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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿(切削齿)对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的切削齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头牙轮上的切削齿一部分(牙轮前端)始终与井底接触破岩，一部分切削齿轮换与井底接触破岩,这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区(牙轮前端，如图5的21)和交替接触区(如图5的22)。单牙轮钻头钻进过程中牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断地变化：牙轮恒接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～180°之间变化。这使单牙轮钻头上无法直接应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片(PDC齿)等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于聚晶金刚石复合片(PDC齿)是由本体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮切效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前本体在后。如果PDC齿在工作过程中直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是单牙轮钻头的致命弱点，切削齿易磨损严重影响了单牙轮钻头的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于：提出一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，以提高单牙轮钻头的破岩效率和使用寿命。本发明目的通过下述技术方案来实现：一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，包括钻头体和牙轮，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮上设置有切削齿，牙轮上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿，PDC组合齿由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体和覆盖本体支撑面60％以上区域的聚晶金刚石层构成(优选由本体和覆盖本体整个支撑面的聚晶金刚石层构成)，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层紧密贴合，并由外侧的两本体夹持呈四层夹心结构，且靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度均小于中间聚晶金刚石层厚度的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度均大于中间聚晶金刚石层厚度的3倍；PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75-90°。聚晶金刚石复合片又称PDC齿(PolycrystallineDiamondCompact)或PDC复合片，由聚晶金刚石层和本体两部分组成(参考图6)。PDC齿采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成。金刚石微粉形成PDC齿的聚晶金刚石层(厚度一般在0.5-3mm之间)，硬质合金基片成为PDC齿的本体。PDC齿既具有金刚石的高硬度、高耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。PDC齿适合于以刮切的方式工作，由于PDC齿的聚晶金刚石层的硬度和耐磨性远远高于硬质合金材料的本体，因此PDC齿在刮切工作时具有自锐性，即聚晶金刚石层的磨损速度明显慢于本体，使PDC齿的切削刃(硬而耐磨的聚晶金刚石层)始终保持锐利状态。PDC齿刮切工作时，起主要刮切作用的是聚晶金刚石层。PDC齿的聚晶金刚石层硬而脆，本体相对软但具有很好的抗冲击韧性，因此PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前本体在后进行刮切(参考图7)，即本体处在聚晶金刚石层的后部推持支撑着聚晶金刚石层。如果PDC齿在工作过程中反向运动，本体在前聚晶金刚石层在后进行刮切，聚晶金刚石层直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂或脱落，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。本专利中，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线，是指垂直于PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的直线。牙轮轮廓曲面，是指在设置切削齿前，原牙轮实体表面(曲面)。牙轮轮廓曲面某点处的法线，是指垂直于该点切平面的直线。牙轮上的PDC组合齿设置点，是指在设置PDC组合齿前，原牙轮表面上用以设置切削齿的定位(参考)点。轴平面是指过牙轮轴线的平面；过PDC组合齿设置点的轴平面是指既过PDC组合齿设置点又过牙轮轴线的平面，即由PDC组合齿设置点和牙轮轴线确定的平面。本专利中将两颗聚晶金刚石层相贴合的PDC齿形成的PDC组合齿设置在单牙轮钻头的牙轮上，其较现有技术的有益效果是：1、本专利单牙轮钻头上的PDC组合齿由两颗聚晶金刚石层相贴合的PDC齿构成，PDC组合齿的聚晶金刚石层处在两PDC齿的硬质合金本体的中间，形成前后都有硬质合金本体中间是聚晶金刚石层的组合齿。PDC组合齿在刮切破岩过程中，无论组合齿相对岩石的刮切方向如何，各PDC齿的聚晶金刚石层均不会像普通单颗PDC齿那样使本体在前聚晶金刚石层在后刮切岩石。PDC组合齿的两颗PDC齿的聚晶金刚石层是相互紧密贴合的，当一颗PDC齿的本体在前聚晶金刚石层在后时，另一颗PDC齿的聚晶金刚石层将在前而本体在后，刮切过程中总有本体在后推持支撑着聚晶金刚石层。这样，无论切削齿相对岩石的运动方向如何改变，PDC组合齿都不会像单颗独立的PDC齿那样发生聚晶金刚石层的崩裂或脱落。另外，牙轮上的PDC组合齿由两颗PDC齿组合构成，其耐磨性远远高于普通牙轮钻头上采用的硬质合金齿。因此，PDC组合齿应用在单牙轮钻头的牙轮上将能明显提高钻头牙齿的耐磨性，进而提高钻头的使用寿命。2、本专利的PDC组合齿采用两颗PDC齿组合而成的四层夹心结构(本体-聚晶金刚石层-聚晶金刚石层-本体)，可以直接采用现有PDC齿直接组合而成，最为简单高效。根据本专利前述内容，本领域技术人员可知，作为本专利结构的一种容易想到的替代：三层夹心结构(本体-聚晶金刚石层-本体)，这种结构可以想到的两种实现方式，一种是直接整体成型，这种方案理论上可以实现，但由于实际加工过程过于困难，几乎无法实现，无法具备本专利在产业上应用的显著便利高效优势；另一种是现有PDC齿与单独本体的组合，同样地，需要额外设计加工一个单独的本体，无法具备本专利在产业上应用的显著便利高效优势。这是因为，PDC齿的聚晶金刚石层与单独的本体直接贴合，当PDC齿反向刮切时，单独本体为PDC齿的聚晶金刚石层提供的是接触式的机械推力，单独本体与聚晶金刚石层未形成紧密融合，PDC齿的聚晶金刚石层受反向作用力刮切磨损时，聚晶金刚石层的磨损脱落与单独的PDC齿反向刮切时的磨损脱落类似。单独本体只能给聚晶金刚石层机械推力，而不能提供保持作用。而本专利由两颗PDC齿组合而成，无论切削齿朝那个方向运动，组合齿总有一颗PDC齿为聚晶金刚石层在前本体在后的顺向刮切，该齿的本体为两颗PDC齿提供推持力的同时，还能为自身的聚晶金刚石层提供保持力，因为本体与聚晶金刚石层是通过化学的、物理的反应后结合在一起的，其相互融合渗透，本体与聚晶金刚石层之间具有化学键的作用力。本体对聚晶金刚石层的这种保持力使PDC齿磨损缓慢，组合齿的一颗PDC齿缓慢磨损会减缓另一颗齿的磨损，从而提高整颗组合齿的性能和寿命。此外，作为一种变形，曾有在单颗PDC齿的本体圆柱面上设置少量聚晶金刚石，聚晶金刚石陷入本体的深度在2mm以内，小于圆柱直径的五分之一，本体圆柱面上设置的聚晶金刚石距本体端面上的聚晶金刚石层的距离(沿PDC齿圆柱轴向)大于2mm，但这种方案很快被淘汰。原因是：这种PDC齿的圆柱面上设置少量的聚晶金刚石，为的是减缓PDC齿在研磨性强的地层中的磨损速度，但由于圆柱面上的聚晶金刚石与本体端面上聚晶金刚石层必须设置一段距离(大于2mm，为端面上的聚晶金刚石层提供有效的本体，避免聚晶金刚石层无足够的本体支撑和保持强度)，较大的距离使PDC齿的承压面大大增大，而PDC齿能高效刮切破岩的前提是PDC齿能先吃入(侵入)岩石，该方案使PDC齿无法有效吃入地层，同时也抵消了PDC齿的自锐功能，降低了PDC齿的破岩效率，因此使用效果不佳，很快被淘汰。本专利的PDC组合齿由两颗聚晶金刚石层紧密贴合的PDC齿构成，能避免上述问题，且简单高效。3、PDC齿在刮切工作时具有良好的自锐性，聚晶金刚石层的磨损速度明显慢于本体。PDC组合齿由两颗聚晶金刚石层相贴合的PDC齿构成，PDC组合齿的中间硬，耐磨性高，两边的本体相对软，耐磨性弱，这便于PDC组合齿的中间出刃，使PDC组合齿能始终保持中间金刚石的良好出露。单牙轮钻头上的切削齿在钻头破岩工作过程中，切削齿相对岩石之间的刮切方向在不断变化(牙轮恒接触区上的切削齿刮切破岩时相对岩石的刮切方向在0～360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切破岩时相对岩石的刮切方向在0～180°之间变化)，牙轮上的硬质合金齿在刮切方向不断变化的过程中齿顶菱角会被磨圆钝化，刮切效率降低。PDC组合齿用于单牙轮上，无论切削齿的刮切方向如何变化，其都能保持齿顶自锐，金刚石出露刮切破岩，使齿顶始终保持锐利状态避免钝化，其相对硬质合金齿更易于侵入岩石、更易于刮切破岩。因此，单牙轮钻头的牙轮上使用PDC组合齿能明显提高钻头使用寿命的同时，提高钻头切削齿的刮切效率和钻头的破岩效率。特别是本专利中组合齿靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度均小于中间聚晶金刚石层厚度的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度均大于中间聚晶金刚石层厚度的3倍，由此组合齿形成纵断面轮廓上尖下宽的形式。与牙轮固结的下部两侧本体层厚度均远大于聚晶金刚石层，为聚晶金刚石层提供了更好的稳固力，而作为朝向井底的工作部位的上部，其两侧本体层又均非常薄(乃至极限厚度逼近零)使得组合齿在井底工作时，尖部两侧的本体层很薄，组合齿吃入(侵入)岩石时的比压高，易于吃入岩石，也有利于本体的较快磨损而出露出中间的聚晶金刚石层，使得聚晶金刚石层能尽快出露而有效地吃入地层，并利用PDC齿的自锐性能提高刮切效率。4、由于单牙轮钻头上的切削齿在钻头体旋转及牙轮自身旋转的复合运动下相对岩石刮切运动，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断变化。本专利中，PDC组合齿设置在牙轮上时，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75-90°之间。即组合齿贴合面的法线与设置点处的牙轮轮廓曲面的法线垂直或接近垂直，也即组合齿的聚晶金刚石层贴合面与设置点处的牙轮轮廓曲面的法线平行或接近平行。这样能确保牙轮上的组合齿在刮切方向不断变化的复杂运动下，组合齿的聚晶金刚石层始终以垂直或接近于垂直的方向侵入(吃入)岩石进行刮切破岩(类似于图7中PDC齿的刮切方式)，组合齿的聚晶金刚石层与两侧的本体能同时磨损，且磨损方向沿着聚晶金刚石层贴合面的方向(垂直于聚晶金刚石层贴合面的法线方向)。其能使组合齿充分利用PDC良好的刮切性能和自锐性。若非上述设置方式，PDC组合齿将会先磨损某一侧本体，待本体磨损之后，然后再磨损聚晶金刚石层，这将无法利用PDC齿优良的刮切性能和自锐性，相反还会降低单牙轮钻头的破岩效率。因此，本专利能充分利用PDC齿的优点，提高钻头性能。5、单牙轮钻头只有一个牙轮，易于小井眼化，本应是深井、超深井钻井中很好的钻井工具，但由于单牙轮钻头现有的切削齿耐磨性差，刮切破岩效率较低，限制了单牙轮钻头的应用效果，因此在钻井施工中已慢慢很少使用单牙轮钻头了。本专利的PDC齿以聚晶金刚石层相贴合的方式形成PDC组合齿，使极适合于以刮切形式破岩的PDC齿能应用在单牙轮钻头上，提高了钻头的破岩效率和使用寿命，这将扩宽单牙轮钻头的使用范围，增强单牙轮钻头在钻井中(特别是深井中)的应用价值。同时，因为单牙轮钻头主要是刮切破岩，单牙轮上的切削齿在井底刮切很长的时间和距离(交替接触区上的切削齿)再切出井底或一直在井底刮切(恒接触区上的切削齿)，单牙轮钻头与PDC组合齿的结合，能够更适合PDC组合齿作用的发挥；而其他多牙轮钻头或牙轮与其他切削结构复合的复合钻头，由于牙轮主要是冲压破岩，PDC齿不适合于冲压破岩，PDC组合齿的作用无法充分发挥。作为选择，本专利的牙轮为球状。作为选择，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角为90°(即两法线垂直)。作为选择，PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面之间的夹角在45-90°；进一步地，PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面之间的夹角在60-90°；更进一步地，PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面之间的夹角在75-90°；特别地，PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面垂直。本专利的PDC组合齿在牙轮上可以有各种布置方向/角度，牙轮上的切削齿在井底刮切的距离很长，且刮切过程中切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断地变化，PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面夹角较大或垂直时，PDC组合齿在井底刮切岩石的刮切量(刮切岩石的体积)比较小夹角时大，其中聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面的夹角接近90°或垂直时的布置方向/角度最佳，能够最大化发挥PDC组合齿的刮切能力。作为选择，PDC组合齿设置在牙轮的恒接触区上。该方案中，单牙轮钻头破岩工作过程中，牙轮恒接触区上的切削齿始终与井底接触破岩，其磨损速度快于其他区域上的切削齿。牙轮的恒接触区上设置PDC组合齿将能明显提高该区域切削齿的耐磨性和刮切效率，从而提高钻头的使用寿命和破岩效率。作为选择，PDC组合齿设置在牙轮的交替接触区上。该方案中，DC组合齿设置在牙轮的交替接触区上将能明显提高该区域切削齿的耐磨性和刮切效率。作为选择，PDC组合齿的两侧本体的外侧被斜切，形成上窄下宽的楔形结构的PDC组合齿。该方案中，上窄下宽的楔形结构使PDC组合齿的上部更窄(薄)更尖锐，有利于PDC组合齿侵入岩石提高钻头破岩效率。作为选择，PDC组合齿的两侧本体的外侧被内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。该方案中，PDC组合齿的两端本体被内凹曲线切除，使PDC组合齿的上部更尖锐，有利于PDC组合齿侵入岩石提高钻头破岩效率。同时，两端本体被内凹曲线切除的PDC组合齿，从齿顶往下齿厚的增加缓慢。当PDC组合齿有磨损时，两侧本体内凹切除能减缓切削齿齿厚增大的速度，使磨损后的切削齿能持续保持较薄的齿顶厚，保持切削齿侵入岩石的能力，有利于提高钻头的破岩效率。作为进一步选择，PDC组合齿的两侧本体被多段曲线组合而成的内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。作为另一进一步选择，PDC组合齿的两侧本体被由曲线和直线组合而成的内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。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；以及本发明的各非冲突选择之间以及和其他选择可以任意组合，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。附图说明图1为本发明实施例1的结构示意图；图2为本发明实施例1的PDC组合齿结构示意图；图3为本发明实施例2的PDC组合齿的结构示意图；图4为本发明实施例3的PDC组合齿的结构示意图；图5为单牙轮钻头的牙轮与井底岩石接触时的接触区域划分示意图；图6为常规PDC齿结构示意图；图7为常规PDC齿正常刮切破岩时的示意图；图中：1、钻头体，2、牙轮，21、恒接触区，22、交替接触区，3、PDC组合齿；31、本体，32、聚晶金刚石层；4、岩石。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1：参考图1、2所示，一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，包括钻头体1和牙轮2，牙轮2与钻头体1为转动连接，牙轮2上设置有切削齿，牙轮2上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿3，作为优选，牙轮2上的切削齿全部为PDC组合齿3(参考图1所示)；PDC组合齿3由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体31和覆盖本体31整个支撑面的聚晶金刚石层32构成(即图中聚晶金刚石层32覆盖本体31整个端面)，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层32紧密贴合，并由外侧的两本体31夹持呈四层夹心结构，且靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，参考图2所示，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度W1均小于中间聚晶金刚石层厚度W3的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度W2均大于中间聚晶金刚石层厚度W3的3倍；作为优选，如本实施例所示，PDC组合齿的两侧本体31的外侧被斜切，形成上窄下宽的楔形结构的PDC组合齿。PDC组合齿设置在牙轮上时，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75-90°之间。实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：PDC组合齿的两侧本体31的外侧被内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。作为选择，参考图3所示，PDC组合齿的两侧本体31被多段曲线组合而成的内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：PDC组合齿的两侧本体31的外侧被内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。作为选择，参考图4所示，PDC组合齿的两侧本体31被由曲线和直线组合而成的内凹曲线切除，形成上窄下宽结构的PDC组合齿。实施例4：参考图5所示，本实施例与实施例1至4基本相同，其区别在于：PDC组合齿设置在牙轮2的恒接触区21(牙轮与井底始终接触的区域)上，或者，PDC组合齿设置在牙轮2的交替接触区22(牙轮与井底交替接触的区域)上。实施例5：本实施例与实施例1至4基本相同，其区别在于：PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面垂直(即PDC组合齿相对图1中的PDC组合齿旋转90°，图1中的PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面平行或重合)。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。