一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头

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，特别是涉及一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头。

背景技术：

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％。

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。

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、横向和轴向振动剧烈。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。

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：

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头，以解决钻头在复杂难钻地层、复杂振动特别是定向钻进、复合钻进等工况下，钻头切削齿因冲击导致快速失效的问题，以起到保护切削齿的目的，从而延长钻头的使用寿命。特别是解决在定向钻井中现有pdc钻头抗冲击能力不足，同时扭矩波动大，定向钻进性能不佳的的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头，包括钻头体以及从钻头体延伸出的刀翼，所述刀翼上设置有切削齿，在钻头上至少设置一个缓冲模块，所述缓冲模块与钻头体转动连接，所述缓冲模块的缓冲部相对于缓冲模块回转轴线偏心设置；

当处于初始位置的所述缓冲模块的缓冲部承受来自地层岩石的冲击力时，缓冲部吸收冲击载荷，减少刀翼切削齿的冲击力，对切削齿起到缓冲作用；

所述缓冲模块的缓冲部在与井底岩石接触的受力作用下，以转动方式相对于切削齿进行收缩趋势运动，以减少或避免缓冲模块对切削齿侵入深度的影响；

所述缓冲模块的缓冲部在与井底岩石脱离接触或在接触阻力矩小于复位扭矩时，在复位机构作用下，以转动方式向缓冲部的初始位置转动，实现相对于切削齿进行伸出趋势运动，缓冲部相对于切削齿的位置升高，为切削齿后续再次受到的冲击起到缓冲作用。复位机构包括两种类型：一种是以弹簧作为储能元件，缓冲部在弹簧力或力矩的驱动下做复位运动。另一种是液压复位结构或液压复位装置，液压复位装置有两种结构型式，其一是直线往复运动复位结构，其二是转动复位结构。液压复位结构通常也需要弹簧提供复位驱动力或力矩，在液压复位结构的液压回路中设置有小孔径单向阀和大孔径单向阀，在缓冲部的缓冲过程中，小孔径单向阀开启，大孔径单向阀关闭，液体行程阻力大，可以实现更好的缓冲效果。而在复位行程中，大孔径单向阀开启，液体阻力小，能实现快速复位。

上述方案中，根据地层条件实现缓冲模块与钻头切削齿间的相对高度调节，达到减弱因冲击或振动造成的切削齿过早失效的目的，增强钻头在硬地层钻进的工作寿命，而且正常钻进时，缓冲模块不会像固定缓冲节那样影响钻头切削齿的侵入能力和切削效率。

作为优选，所述缓冲模块设置在刀翼上，且与刀翼转动连接。

作为优选，所述缓冲模块在初始位置时，所述缓冲模块的缓冲部最高点与切削齿齿刃最高点之间的高度差h为：-d≤h≤d，d为切削齿的直径。

作为优选，所述缓冲模块包括转动体和缓冲齿，所述转动体可转动的安装于刀翼的基孔内，所述缓冲齿相对于转动体的回转轴线偏心设置而形成缓冲部，所述转动体与设置在钻头上的复位机构连接，以使缓冲模块受外力发生转动后且在外力消失时的自动复位。

作为优选，所述缓冲齿镶嵌固定在转动体上，或者所述缓冲齿可自由旋转地连接在转动体上，或者所述缓冲齿与转动体为一体结构。

上述方案中，缓冲齿可以以过盈配合、焊接、螺纹连接等方式固定在转动体上，可根据地层情况和钻头结构需要，方便的更换不同类型的缓冲齿；缓冲齿还可以采用与转动体一体的结构设计，加工方便；缓冲齿采用在转动体上转动连接的方式，可减小缓冲齿与岩石之间的摩擦，降低缓冲齿的磨损速率，延长缓冲模块的使用寿命。

作为优选，所述缓冲齿为球形齿、楔形齿、锥形齿或pdc齿。

作为优选，在所述缓冲齿的表面设置有耐磨层。

上述方案中，耐磨层可增加缓冲齿的耐磨性，提高缓冲齿的使用寿命。

作为优选，在所述转动体与基孔之间设置有壳体，所述壳体固定于刀翼上，所述转动体安设于壳体内，所述转动体与壳体形成转动连接。

作为优选，所述缓冲模块安设于pdc切削结构与包括可运动切削结构在内的其它切削结构相复合的钻头上。

上述方案中，其他可活动破岩结构可以为牙轮破岩结构、盘刀破岩结构、冲击破岩结构或他们之间的至少两种破岩结构的组合。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。

作为优选，所述缓冲模块的前倾角大小范围为0°＜α≤60°,偏转角的取值范围为-60°≤β≤60°。

上述方案中，由于缓冲模块具有一定的倾角，且缓冲齿相对于转动体轴线为偏心设置，缓冲模块整体呈现一边高而另一边低的状态。当钻头初始钻进时，由于岩石对缓冲齿的摩擦，缓冲齿与转动体从自由状态绕转动体轴线旋转，即缓冲齿从最低一侧的自由状态向最高一侧运动，同时复位机构积蓄能量。当钻头钻遇不均质地层或脆性较大的地层时，钻头向上跳起，缓冲模块的缓冲部与地层之间的摩擦降低，即摩擦力提供的旋转扭矩低于复位机构提供的复位扭矩，所述复位机构释放积蓄的弹性能，使转动体和缓冲齿向自由状态回转，缓冲齿与钻头固定切削齿之间的相对高度减小。当钻头向井底回落时，缓冲齿可以对钻头回轮时产生的冲击起到吸收冲击力的作用，从而达到缓冲的效果，避免了钻头切削齿切削深度瞬间过大的情况。之后，钻头正常钻进时，复位机构在岩石的摩擦下带动转动体旋转，缓冲齿相对于钻头刀翼而言，有向刀翼内缩进的过程，同时复位机构又重新积蓄能量，如此循环，便实现了钻头切削齿切削深度的自适应调节。

作为优选，所述复位机构为扭簧。

上述方案中，通过扭簧作为转动体受力旋转后的复位机构，在转动体旋转过程中，采用扭簧积蓄能量，而且充分利用扭簧随变形的增加阻力越大的特性，提高缓冲效果，并且在受力消失后，能够进行快速复位，以实现为下一次冲击缓解作为准备。

作为优选，所述缓冲模块的转动体在转动的同时沿轴向作伸缩运动。

上述方案中，利用缓冲模块的轴向伸缩，实现根据地层性质和切削齿工作状态自动调节缓冲齿和切削齿之间的相对高度，从而达到吸收钻头冲击井底时的钻压，避免切削齿因冲击而造成的损坏，延长钻头工作寿命的目的。

作为优选，所述转动体上设置有螺旋槽，在所述转动体轴向移动的路径上设置有与螺旋槽对应配合的凸起。

上述方案中，通过转动体上螺旋槽的设置，对缓冲模块在刀翼上的安装角度的严格要求程度降低，方便钻头加工。正常钻进时，缓冲齿在井底岩石的摩擦下旋转时，带动转动体的旋转，转动体在旋转的同时可以沿着螺旋槽爬升，进而实现缓冲齿的伸出量降低。与此同时，由于复位机构的设置，转动体的旋转可以使复位机构积蓄能量。当钻头钻遇不均质或脆性较大的地层发生跳动时，缓冲齿与地层岩石之间的摩擦降低，复位机构积蓄的能量使转动体向相反方向旋转并沿螺旋槽的的轨道运动，伸出量增加，当钻头向井底回落时，缓冲齿可以对钻头回轮时产生的冲击起到吸收冲击力的作用，从而达到缓冲的效果，避免了钻头切削齿切削深度瞬间过大的情况。之后，钻头正常钻进时，缓冲齿在岩石的摩擦下带动转动体旋转，缓冲齿与切削齿的相对高度减小，同时复位机构又重新积蓄能量，如此循环，便实现了钻头切削齿切削深度的自适应调节。

作为优选，所述复位机构为扭簧、压缩弹簧或液压复位结构。

上述方案中，利用扭簧、压缩弹簧或液压复位结构能够实现缓冲模块的快速复位。

作为优选，复位机构与缓冲部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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、钻头上的缓冲模块可自动调节与切削齿之间的高度，正常钻进时不影响切削齿的侵入能力，保持钻头较快的机械钻速；当钻头受到冲击载荷时，缓冲模块的缓冲部能够快速恢复到初始位置，有效吸收钻头的冲击载荷，避免钻头因较大冲击导致的切削齿失效，延长钻头寿命。

2、在定向井钻井过程中，钻头是以类似铣削的方式工作，钻头各刀翼轮流作用于地层岩石，在这种情况下，以轴向伸缩方式实现缓冲部与切削齿之间高度调节的方式，由于在钻头与岩石互作用的一侧，该结构方式的缓冲部与岩石不能起到有效的接触作用，也就难以发挥缓冲作用。而本专利中提到的缓冲模块通过与岩石之间的摩擦，以旋转的方式实现与切削齿之间相对高度的调节，在定向井钻井中可发挥有效的缓冲作用。

3、缓冲齿除了可绕缓冲模块轴线公转外，还可以绕自身轴线进行自转，可减小缓冲齿与地层之间的摩擦作用，延长缓冲模块的的使用寿命。

附图说明

本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中

图1为本发明提供的具有自适应缓冲模块的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为缓冲模块的侧转角及前倾角定义示意图。

图4为实施例1中缓冲模块工作位置示意图。

图5为实施例1中缓冲模块工作位置的另一示意图。

图6为缓冲齿的力臂变化示意图。

图7为定向钻井中钻头工作姿态示意图。

图8为定向钻井中钻头刀翼跨度示意图。

图9为缓冲模块上安设pdc齿的结构示意图。

图10为缓冲齿为球形pdc齿平镶结构示意图。

图11为缓冲齿为镶齿结构示意图。

图12为二级缓冲部为凸起环形示意图。

图13为缓冲模块在刀翼上相对切削齿安设位置的示意图。

图14为缓冲模块安设于刀翼的延伸支座上的结构示意图。

图15为刀翼延伸支座为悬臂梁的结构示意图。

图16为刀翼延伸支座为相邻两刀翼的连接体示意图。

图17为活动结构为盘刀破岩结构示意图。

图18为活动结构为冲击破岩结构示意图。

图19为活动结构为牙轮破岩结构示意图。

图20为缓冲齿相对于转动体可自由旋转的结构示意图。

图21为实施例2中提供的缓冲模块结构示意图。

图22为实施例3中提供的缓冲模块结构示意图。

图23为实施例4中提供的缓冲模块结构示意图。

图24为实施例5中提供的缓冲模块结构示意图。

图25为实施例6中提供的具有液压复位功能的缓冲模块结构示意图。

图26为实施例7中提供的缓冲模块结构示意图。

图27为实施例8中提供的缓冲模块结构示意图。

图28为具有齿轮齿条啮合的缓冲模块结构示意图。

其中，91为钻头中心线，911为井筒中心线，1为刀翼，10为刀翼内流道，11为基孔，101为第一刀翼，102为第二刀翼，103为第三刀翼，104为第四刀翼，105为第五刀翼，106为固定缓冲模块，110为刀翼延伸支座，2为切削齿，3为缓冲模块，301为壳体，302为转动体，3021为外盖板，3022为旋转支撑座，3023为螺钉，3024为耐磨支撑，303为复位机构，304为缓冲齿，3041为二级缓冲部，305为滚珠，306为方向基准线，307为螺旋槽，308为凸起，309为空腔，310为密封圈，311为缓冲模块的旋转轴线，5为液压装置，501为第一腔室，502为第二腔室，503为中间阀座，504为第一单向阀(小孔径单向阀)，505为第二单向阀(大孔径单向阀)，506为储能元件，507为复位活塞，508为齿轮，509为齿条，6为盘刀破岩结构，7为冲击破岩结构，8为牙轮破岩结构，9为弯螺杆，910为钻头，912为钻头体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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。

在本发明实施例的描述中，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，或者是该发明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，或者是该发明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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明实施例的描述中，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发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

本发明提供一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头，包括钻头体912以及从钻头体912延伸出的刀翼1，所述刀翼1上设置有切削齿2，在钻头910上至少设置一个缓冲模块3，所述缓冲模块3与钻头体912转动连接，所述缓冲模块3的缓冲部相对于缓冲模块3回转轴线偏心设置。

当处于初始位置的所述缓冲模块3的缓冲部承受来自地层岩石的冲击力时，缓冲部吸收冲击载荷，减少刀翼切削齿2的冲击力，对切削齿2起到缓冲作用。

所述缓冲模块3的缓冲部在与井底岩石接触的受力作用下，以转动方式相对于切削齿2进行收缩趋势运动，以减少或避免缓冲模块3对切削齿2侵入深度的影响。

所述缓冲模块3的缓冲部在与井底岩石脱离接触或在接触阻力矩小于复位扭矩时，在复位机构303作用下，以转动方式向缓冲部的初始位置转动，实现相对于切削齿2进行伸出趋势运动，缓冲部相对于切削齿的位置升高，为切削齿2后续再次受到的冲击起到缓冲作用。

如图1所示，为本发明实施例提供的钻头结构示意图。具体地，如图2至5所示，所述缓冲模块3包括转动体302和缓冲齿304，在所述缓冲齿304的表面设置有耐磨层，所述转动体302可转动的安装于刀翼1的基孔11内，在所述转动体302与基孔11之间设置有壳体301，所述壳体301固定于刀翼1上，所述转动体302安设于壳体301内，所述转动体302与壳体301形成转动连接，所述复位机构303设置在壳体301与转动体302之间，所述转动体302与设置在壳体301内的复位机构303连接，以使缓冲模块3受外力发生转动后且在外力消失时的自动复位，所述缓冲齿304相对于转动体302的回转轴线偏心设置而形成缓冲部，即缓冲齿的最高点不在转动体的轴线上。

如图4所示，所述壳体301与转动体302之间的复位机构303为扭簧，所述壳体301与转动体302之间通过滚珠305实现轴向方向的固定。

当钻头整体不与岩石接触时，缓冲模块所在的位置称为初始位置，所述缓冲模块3在初始位置时，所述缓冲模块3的缓冲部最高点与切削齿2齿刃最高点之间的高度差h为：-d≤h≤d，d为切削齿2的直径。

其中，以缓冲模块在初始位置时的姿态定义几个概念，具体为：

初始位置时，缓冲齿304与切削齿2之间的相对高度h可有三种方式，即：缓冲齿304高于切削齿2，缓冲齿304与切削齿2平齐，缓冲齿304低于切削齿2。如图4所示，为缓冲齿304高于切削齿2布置。

如图2所示，o为钻头的中心点，o1为缓冲模块3的定位中心点，o2为缓冲部的中心点。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，该平面称为过该点的轴线平面或轴平面。那么，如图3所示，在过缓冲模块3中心点o1的轴平面内，将钻头冠部轮廓线过缓冲模块中心点o1的法线称为缓冲模块的方向基准线306。

如图3所示，缓冲模块3的方向基准线306与钻头中心线91的夹角称为缓冲模块3的法向角γ，法向角γ的符号以图示方向为正，在钻头内锥处为负。缓冲模块3的旋转轴线311与方向基准线306之间的夹角称为缓冲模块的偏转角β，β的取值范围为-60°≤β≤60°。

参照图3，从a向看，缓冲模块3的旋转轴线311与方向基准线306之间的夹角称为缓冲模块的前倾角，前倾角α的符号以图示方向为正，缓冲模块的前倾角大小范围为0°＜α≤60°。

参照图2，连接钻头中心点o与缓冲模块3中心点o1形成直线o1m，过o1点做o1m的垂线o1n，o1n的指向与钻头旋转方向相同。连接缓冲模块3中心点o1与缓冲齿304中心点o2，则o102与o1n线之间的夹角定义为缓冲模块3的工作角k。k的取值范围为0°＜k≤180°。

需要说明的是，根据缓冲模块3的本身结构设计需要，缓冲模块3可以以图示方向绕o1点顺时针旋转，也可以以图示方向绕o1点逆时针旋转，无论是顺时针旋转还是逆时针旋转，k的正值取值都与缓冲模块3的旋转方向一致。

参照图4和图5，当钻头与井底岩石接触时，切削齿2刮切岩石，缓冲模块3上安设的偏心缓冲齿304与岩石产生摩擦，由于缓冲齿304安设于可旋转的转动体302上，在摩擦力的作用下，缓冲齿304旋转，带动转动体302旋转。缓冲模块3安设时具有前倾角α，因此，当转动体302旋转时，缓冲齿304与切削齿2之间的高度发生变化，同时转动体302的旋转带动扭簧转动并使扭簧积蓄弹性能。正常钻进时，缓冲齿304在地层岩石的摩擦下旋转到位置k，如图1中刀翼1上缓冲模块3的位置。此时切削齿2承担大部分钻压，而缓冲齿304几乎不承担钻压，切削齿2吃入深度较深，具有相对较高的切削岩石的能力，钻头具有较快的机械钻速。当钻头钻遇不均质地层或脆性比较大的地层时，钻头产生轴向方向的冲击振动而发生上下跳动。当钻头沿井筒向上跳动时，缓冲齿304有脱离井底趋势，缓冲齿304与岩石之间的摩擦降低，扭簧积蓄的弹性能释放，使转动体302从位置k向自由状态位置方向回转，即缓冲齿304相对于切削齿2有伸出趋势。钻头回落时产生的冲击能量或冲击载荷可以被伸出的缓冲齿304吸收，从而达到降低切削齿2冲击载荷的目的，保护切削齿，延长切削齿寿命。

另一方面，如图6所示为缓冲齿304的初始位置，此时缓冲齿304对缓冲模块中心之间的力臂为l，随着缓冲齿304的旋转，力臂l逐渐增大。力臂l的逐渐增大，缓冲齿304与岩石之间的摩擦力对缓冲模块中心的力矩呈从小到大的趋势，这样缓冲齿304的旋转速度对应呈从慢到快的变化规律。缓冲齿304回复原位起到缓冲作用时，由于缓冲齿304初始旋转速度慢，缓冲效果不会马上消失，缓冲作用会持续一定时间，随后进入稳定钻进前，缓冲齿304旋转速度加快，从而不影响切削齿2的正常侵入刮切。

特别地，在定向钻井过程中，钻头的运动姿态如图7所示。由于钻头910上部带有弯螺杆9，钻头中心线91与井筒中心线911不重合，两者存在夹角ε，即钻头91除了绕钻头中心线91自转速度ω2外，还具有绕井筒中心线911的公转速度ω1，此时井眼直径比钻头直径大。由于井眼直径的扩大，在定向钻井时，钻头91只有一侧与井壁接触，存在钻头刀翼1轮流切削井壁的情况，如图8所示。当从一个刀翼接触井壁切换到另外一个刀翼接触井壁时，由于相邻刀翼之间存在一定的跨度s，钻头91会受到刀翼1切换过程中的冲击载荷。冲击载荷极易导致钻头外部切削齿的快速失效。然而，为了增加造斜效果，还不能降低钻头的侧向切削的能力。因此，在钻头上增加本申请中的缓冲模块，即可以减弱刀翼切换过程中存在的冲击，还不影响冲击过后切削齿的侧切能力。

因此，缓冲模块的工作过程可以分为三个阶段：

第一是缓冲阶段，也即刀翼承受冲击的初始阶段。此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。

第二是缓冲效应(或限制吃深效应)锐减阶段。此阶段中，缓冲部处于向最低位旋转的中后期，限制吃深效应显著降低，直至达到最低位。第三是稳定阶段。此时缓冲部处于最低位，限制吃深效应最弱，相应刀翼处于稳定切削阶段。

第三是复位阶段。刀翼切削齿的切削深度逐渐减小，缓冲部逐渐向与井底脱离接触方向运动，此时，缓冲部在扭簧的作用下快速复位。

进一步的，切削齿2可以为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，材料包括人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

转动体302上的缓冲齿304为球形齿、锥形齿、楔形齿、pdc齿等。如图9所示，为缓冲齿304为常规pdc齿的结构示意图。pdc齿的尺寸可以采用大尺寸的pdc齿，如直径大于23mm的齿。用常规pdc齿作为缓冲齿时，其切削齿的前倾角q有两种安装方式：第一种是q取0°，这种前倾角方式的pdc齿，其整个齿柱侧面都可以与岩石接触，接触面积大，可承受更大的冲击载荷。第二种是q取比刀翼1上切削齿2更大的前倾角，如大于30°，前倾角越大，金刚石齿面与岩石的接触面积越大，一是可以增加冲击接触面积，二是利用金刚石层耐磨性强的特点，延长缓冲齿的寿命。

缓冲齿304还可以采用球形pdc齿平镶的方式安设，如图10所示，充分利用了金刚石的耐磨性和球形齿较钝的特点，吸收冲击载荷能力强，耐磨性进一步提高。根据对缓冲作用效果的需求，缓冲齿304亦可用锥球pdc齿或尖锥形pdc齿平镶的方式。

缓冲齿304可以以过盈配合、焊接、螺纹连接等方式固定在转动体上，如图11所示，为缓冲齿304以过盈配合方式固定在转动体302上的结构示意图。

如图11和12所示，所述转动体302上除具有缓冲齿304外，还具有二级缓冲部3041，所述二级缓冲部3041为球形齿、锥形齿、楔形齿、pdc齿等，如图11中的二级缓冲部3041为球形齿示意图。所述二级缓冲部3041可以通过过盈配合、焊接、螺纹连接等方式固定在转动体上。所述二级缓冲部3041还可以为其他不规则的环状凸台，如图12所示。这里二级缓冲部3041最高点低于缓冲齿304的最高点。当切削齿2吃入深度过大时，缓冲齿304缓冲效果较弱，增加本方案中的二级缓冲部3041可辅助增强缓冲模块的缓冲效果。

对于缓冲模块在钻头上的安设位置，缓冲模块可以安设于切削齿所在的刀翼上，还可以安设于钻头的独立刀翼上。以图13中的五刀翼钻头为例，图13中的第二刀翼102即为缓冲模块3安设于钻头的独立刀翼上。

对于缓冲模块安设于切削齿所在的刀翼上的情形，亦有几种安设方式，以图13中的五刀翼钻头为例：①缓冲模块安设于该刀翼上切削齿的后方，如图13中，第四刀翼104上安设的缓冲模块3；②缓冲模块安设于刀翼上切削齿的前方，如图13中，第三刀翼103上安设的缓冲模块3；③缓冲模块与切削齿并列安装，如图13中，第一刀翼101上安设的缓冲模块3。上述安设方式，可以有一种安设方式，也可以有几种安设方式的组合。除此之外，上述安设方式还可以与固定的缓冲模块组合安设，如图13中，第五刀翼105上安设的固定缓冲模块106，固定缓冲模块106可以为锥形齿、球形齿或其他钝形齿。

其中，缓冲模块3还可以安设于刀翼延伸支座110上，如图14所示。该方案中，刀翼延伸支座110可以为向刀翼前端延伸，也可以为向刀翼后端延伸，图14中给出了刀翼延伸支座110为向刀翼1前端延伸的示意图。刀翼延伸支座110可以与钻头本体连接在一起，如图15所示，也可以不与钻头本体连接，即刀翼延伸支座110与刀翼1之间形成悬臂梁的结构形式，如图16所示。刀翼延伸支座110可以为两相邻刀翼之间的连接体，如图16所示中，第一刀翼101和第二刀翼102之间的刀翼延伸支座110。

缓冲模块还可以安设于pdc切削结构与包括可运动切削结构在内的其它切削结构相复合的钻头上。可运动切削结构可以为如图17所示的盘刀破岩结构6，或者如图18所示的冲击破岩结构7，或者如图19所示的牙轮破岩结构8，或者有至少两种活动破岩结构。

在本实施例中，所述缓冲齿304镶嵌固定在转动体302上。

除此以外，缓冲模块3的缓冲齿304相对于转动体302可自由旋转。这里给出缓冲齿304可自由旋转的一种结构，如图20所示，具体地，转动体302由外盖板3021、旋转支撑座3022、螺钉3023和耐磨支撑3024组成。相比镶固于转动体302上的缓冲齿304而言，可自由旋转的缓冲齿304，可降低缓冲齿304与岩石之间因摩擦而产生的快速磨损失效，提高缓冲齿工作寿命。

实施例2

如图21所示，与实施例1的不同之处在于：所述缓冲模块3的转动体302在转动的同时沿轴向作伸缩运动。

在本实施例中，所述转动体302上设置有螺旋槽307，在所述转动体302轴向移动的路径上设置有与螺旋槽307对应配合的凸起308。

具体地，壳体301内壁设置有与转动体302上的螺旋槽307对应的凸起308，壳体301与转动体302之间安设有复位机构303，缓冲模块3通过壳体301与刀翼1形成固定连接。自由状态下，螺旋槽307的最高端与凸起308接触，即螺旋槽307的最高端起到限制转动体302旋转位置的作用。其中，复位机构303可以为轴向复位弹簧，当偏心缓冲齿304与井底岩石作用时，偏心缓冲齿304与转动体302旋转，由于螺旋槽307和凸起308的存在，转动体302在旋转的同时，还可以产生沿缓冲模块轴线方向的轴向运动，转动体302向壳体301内部缩进。与此同时，转动体302挤压设置在转动体302和壳体301之间的轴向复位弹簧，轴向复位弹簧积蓄能量。当钻头产生振动而脱离井底岩石时，轴向复位弹簧释放能量，轴向复位弹簧推动转动体302沿螺旋槽307从壳体301伸出，有恢复到初始位置的趋势。由于缓冲齿304的伸出运动，当钻头回落至井底时，偏心缓冲齿304承压，从而对钻头起到缓冲作用，保护切削齿。

该实施例中，由于有螺旋槽307和凸起308的存在，缓冲模块3的前倾角可以设置为0°，降低了加工和安装难度。

该实施例中，轴向复位弹簧为压缩弹簧、高弹性橡胶元件，也可以为扭簧，扭簧的扭转回复力可以使转动体302向自由状态位置回复的更快，及时起到吸收冲击载荷的作用。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，其区别在于，复位机构为液压装置。

如图22所示，液压装置包括第一腔室501、第二腔室502、中间阀座503、第一单向阀504、第二单向阀505、储能元件506及复位活塞507。第一腔室501内有液压油。初始钻进时，缓冲齿304在地层岩石摩擦力的作用下旋转，带动转动体302旋转，转动体302沿螺旋槽307向上移动，与此同时，转动体302压缩第一腔室501内的液压油通过较小直径的第一单向阀504流入第二腔室502，第二腔室502的液压油推动复位活塞507移动并压缩储能元件506，使储能元件506积蓄能量，在此过程中，转动体302的旋转速度较小；当钻头稳定钻进时，缓冲齿304处于稳定平衡状态。当钻头钻遇不均质地层或脆性较大的地层时，钻头发生上下跳动，钻头跳起时，缓冲齿304与地层之间的摩擦力降低，稳定平衡工作状态被打破，压缩的储能元件506释放能量，推动复位活塞507压缩第二腔室502内的液压油，使其通过较大直径的第二单向阀505快速进入第一腔室501，第一腔室501内的液压油推动转动体302向相反方向快速旋转，从而实现缓冲齿304的快速复位。

实施例4

本实施例与实施例3基本相同，其区别在于，第二腔室502与钻头外部钻井液相通。

如图23所示，钻井液通过刀翼内流道10从第二单向阀505进入第一腔室501，推动转动体302处于自由状态。当开始钻井时，缓冲齿304在岩石摩擦作用下沿螺旋槽307进行旋转，并克服第一腔室501内的压力向壳体301内移动，第一单向阀504打开，将钻井液排出，直至钻头稳定钻进时，内外压力平衡。若钻头发生上下振动，缓冲齿304与岩石之间摩擦力和压力变小，使得第一腔室501内液体压力与钻头外钻井液压力的平整状态被打破，外部钻井液压力大于第一腔室501内的钻井液压力，钻井液推动直径更大的第二单向阀505，进入第一腔室501，推动转动体302沿螺旋槽307旋转和向壳体301外快速伸出，进而起到吸收冲击压力的目的。

实施例5

如图24所示，缓冲模块3的壳体301与转动体302之间设置有空腔309，空腔中安设有复位机构303,壳体301与转动体301之间设置有密封圈310。壳体301与转动体302上开设有滚道槽，壳体与转动体之间通过滚珠305实现轴向方向的固定约束。缓冲齿304在岩石摩擦作用下旋转，带动转动体302进行旋转，转动体302挤压空腔309内的复位机构303并积蓄弹性能。当摩擦力降低时，储存的弹性能释放，推动转动体302和缓冲齿304向初始位置旋转。作为选择，复位机构303为压缩弹簧。该方案中壳体301与转动体302之间的台阶面还可以起到限位的作用。

实施例6

该实施例与实施例5基本相同，不同之处在于，如图25所示，复位机构303为液压装置5。

液压装置5包括第一腔室501、第二腔室502、中间阀座503，第一单向阀504、第二单向阀505、储能元件506及复位活塞507。第一腔室501内有液压油。初始钻进时，缓冲齿304在地层岩石摩擦力的作用下旋转时，带动转动体302旋转，转动体302压缩第一腔室501内的液压油通过较小直径的第一单向阀504流入第二腔室502，第二腔室502的液压油推动复位活塞507移动并压缩储能元件506，使储能元件506积蓄能量，在此过程中，转动体302的旋转速度较小；当钻头稳定钻进时，缓冲齿304处于稳定平衡状态。当钻头钻遇不均质地层或脆性较大的地层时，钻头发生上下跳动，钻头跳起时，缓冲齿304与地层之间的摩擦力降低，稳定平衡工作状态被打破，压缩的储能元件506释放能量，推动复位活塞507压缩第二腔室502内的液压油，使其通过较大直径的第二单向阀505快速进入第一腔室501，第一腔室501内的液压油推动转动体302向相反方向快速旋转，从而实现缓冲齿304的快速复位。

具体地，储能元件506可以为压缩弹簧，也可以为碟簧。

该方案中，液压复位装置的第一单向阀504和第二单向阀505的阀孔也可以开设在端面，使其与外部腔室或流道相通。

实施例7

该实施例与实施例6基本相同，区别在于，为了提高转动体302和缓冲齿304的复位速度，同时开设两个第一腔室501内并对应设置两个液压装置5，也可在其中一个第一腔室中设置有压缩弹簧，如图26所示。

实施例8

该实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，缓冲齿304与转动体302为一体结构，壳体301与刀翼1为一体式结构，即转动体302直接安设于刀翼1上，两者之间设置有密封圈310，如图27所示。

实施例9

如图28所示，该实施例与实施例1、实施例3基本相同，其不同之处在于，转动体302上设置有齿轮508，齿轮508通过与齿条509啮合与液压装置5连接。转动体302的旋转，通过其上的齿轮508驱动齿条509移动，并与液压装置之间的液体相互作用，液压装置5的工作过程与实施例3基本相同。除液压装置外，该方案中，齿条509还可以与压缩弹簧、高弹性橡胶或其他高弹性材料元件连接，实现复位效果。

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。