本實用新型屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石鉆頭。

背景技術(shù)：

金剛石鉆頭是鉆井工程中其中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，根據(jù)其切削元件的不同，主要包括PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭。

PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復(fù)合片(簡稱PDC齒或切削齒)作為切削元件來剪切和破碎巖石。PDC鉆頭在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，因此其在油氣井的鉆進中得到廣泛使用。

PDC齒雖然硬度高，但抗沖擊能力和抗熱磨損能力的限制，PDC鉆頭在硬地層、高研磨性地層、嚴重不均質(zhì)地層(軟硬交錯夾層、含礫巖層等)鉆進時，很容易導(dǎo)致復(fù)合片的快速磨損失效，而最典型的失效形式之一就是復(fù)合片金剛石層的沖擊崩損，復(fù)合片的崩損使鉆頭的切削效率和工作壽命均大大降低。復(fù)合片崩損的主要原因是來自井底巖石的沖擊力，除了巖石不均質(zhì)帶來的沖擊以外，在更多的情況下，切削齒承受的沖擊力來自鉆頭的振動，特別是橫向振動。通常，鉆頭上最容易發(fā)生復(fù)合片崩損的位置是鉆頭上切削速度比較高的冠頂以及冠頂以外的徑向區(qū)域。鉆頭上局部徑向區(qū)域內(nèi)切削齒的過度磨損后會在刀翼本體上產(chǎn)生環(huán)槽，環(huán)槽一旦出現(xiàn)，鉆頭的切削能力即基本喪失。

除了PDC鉆頭以外，孕鑲金剛石鉆頭也是一種重要的鉆頭種類，這種鉆頭以孕含在胎體式刀翼體或切削齒中的大量金剛石微小顆粒(即金剛石微切削刃)形成的基本切削刃構(gòu)成切削元件，鉆頭的破巖原理與砂輪的磨削原理相仿，即暴露在鉆頭表面的金剛石微粒以磨削或微切削的方式切削井底巖石，并伴隨著金剛石微粒的逐漸“磨鈍”、脫落以及其支撐材料的不斷磨蝕，新的金剛石磨粒不斷出刃繼續(xù)工作。孕鑲金剛石鉆頭的這種“磨削”原理，決定了它的應(yīng)用對象主要為高硬度、強研磨性等不適宜用PDC鉆頭的難鉆甚至極難鉆地層，且一般在高轉(zhuǎn)速下才能達到相對較好的破巖效果。將金剛石微粒孕含在胎體式刀翼體中所形成的切削元件稱為刀翼孕鑲體或刀翼孕鑲塊(簡稱孕鑲體或孕鑲塊)，孕含在切削齒中所形成的切削元件則稱為孕鑲切削齒(簡稱孕鑲齒)。孕鑲體自身構(gòu)成了孕鑲金剛石鉆頭刀翼體的一部分，屬于孕鑲鉆頭基本的切削結(jié)構(gòu)，而孕鑲齒則通常為固結(jié)在刀翼孕鑲體上的附加切削結(jié)構(gòu)。孕鑲齒固結(jié)在刀翼孕鑲體上的方式一般有立式、臥式和立臥組合式三種，通常采用燒結(jié)和釬焊實現(xiàn)固結(jié)。在刀翼孕鑲體上增設(shè)孕鑲齒，既有助于改善孕鑲鉆頭在鉆遇軟地層時的適應(yīng)性，更能顯著增加孕鑲金剛石鉆頭切削結(jié)構(gòu)的工作壽命。孕鑲體、孕鑲齒以及孕鑲體與孕鑲齒的各種組合，均可形成鉆頭的孕鑲切削元件，鉆頭上所有的孕鑲切削元件構(gòu)成了鉆頭的孕鑲切削結(jié)構(gòu)。在難鉆甚至極難鉆地層條件下，其它各種類的鉆頭都存在牙齒壽命短的問題，而孕鑲鉆頭切削元件的耐磨性極強，能達到相對較長的工作壽命。由于孕鑲鉆頭的工作轉(zhuǎn)速往往很高，所以，保持鉆頭在工作過程中的運動穩(wěn)定性，盡量減小鉆頭的振動(特別是橫向振動)，對于保障鉆頭的工作壽命十分重要。

冠部輪廓形狀是金剛石鉆頭非常重要的結(jié)構(gòu)特征，鉆頭的冠部輪廓線也稱切削輪廓線，既能宏觀反映切削元件在鉆頭上的分布位置特征，也能直接反映鉆頭切削出的井底的基本形狀特征。金剛石鉆頭的冠部輪廓線通常是一條光滑曲線，呈拋物線狀，包括內(nèi)錐、冠頂(鼻部)、外錐、肩部和保徑五部分。當(dāng)外部載荷使鉆頭有發(fā)生水平平移的趨勢時，鉆頭中心區(qū)域的內(nèi)錐或外錐的巖壁對鉆頭施加以與其水平移動方向相反的作用力，以抑制鉆頭的橫向移動,有益于提高鉆頭穩(wěn)定性。

在導(dǎo)向鉆進中，常常會出現(xiàn)鉆進軌跡發(fā)生“漂移”的現(xiàn)象，其本質(zhì)是由于鉆頭橫向位移方向與鉆頭所受到的橫向力方向不一致所導(dǎo)致的力學(xué)效應(yīng)。PDC鉆頭通常容易有向左漂移的趨勢，原因在于當(dāng)鉆頭在偏離井眼中心條件下工作時，鉆頭上切削齒的受力是很不均衡的，在偏離方向一側(cè)，鉆頭冠頂以外的切削齒更貼近井底以及井壁的巖石，故其切削力更大；而在背離偏離方向一側(cè)，冠頂以外的切削齒與井底以及井壁巖石的距離變遠，故其切削力將會顯著減小甚至脫離接觸。對鉆頭冠頂以內(nèi)的切削齒而言，其接觸狀態(tài)規(guī)律與冠頂以外的切削齒剛好相反，切削力增大的是在背離偏離方向一側(cè)的內(nèi)錐切削齒，而在偏離方向一側(cè)，內(nèi)錐上牙齒的切削力是減小的，甚至可能脫離與巖石的接觸。圖28、29是鉆頭的這種牙齒切削力規(guī)律的示意圖，圖中F₁、F₂、F₃、F₄、F₅為鉆頭產(chǎn)生的致漂力，所有左漂力合成F_fg1，所有右漂力合成F_fg2，F(xiàn)_n為導(dǎo)向力。從圖中可以看到，鉆頭外錐切削齒的橫向合力方向與內(nèi)錐切削齒的橫向合力方向相反，而且外錐橫向力大于內(nèi)錐橫向力。這兩個力的差值就產(chǎn)生了使鉆進軌跡發(fā)生漂移的鉆頭漂移力。顯然，要減小漂移趨勢，就要減小漂移力，也就是要減小兩個相反方向橫向力的差值。

由其破巖原理所決定，各類金剛石鉆頭都有一個共同的弱點，即鉆井過程中破碎井底巖石后形成的巖屑尺寸很細小，其中孕鑲金剛石鉆頭的巖屑更是極細，基本呈粉末狀。這個弱點在一定程度上限制了金剛石鉆頭的應(yīng)用。因為地下巖層復(fù)雜多變，鉆井過程中常常需要通過井下上返的巖屑來分析、判斷地層的巖性信息，過于細小的巖屑將使這種分析和判斷的準確性受到嚴重影響。

假設(shè)鉆頭上有一個通過鉆頭軸線和鉆頭上某一點的剖切平面(稱之為過該點的軸線平面或軸面)。當(dāng)鉆頭在鉆進速度為零的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時，切削元件的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削元件的軸面輪廓線，將所有切削元件的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有切削單元的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線，被稱為鉆頭切削輪廓線，鉆頭切削輪廓線反映了鉆頭鉆出的井底的基本形狀特征。鉆頭本體輪廓線是井底覆蓋圖中反映鉆頭本體的位置曲線，其是金剛石鉆頭的一條重要特征曲線。鉆頭布齒面是指以鉆頭軸線為旋轉(zhuǎn)中心，鉆頭本體輪廓線為旋轉(zhuǎn)半徑旋轉(zhuǎn)一周后與鉆頭本體相交而成的曲面。

在PDC鉆頭中，PDC切削齒的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為PDC切削齒的軸面輪廓線，將所有PDC切削齒的軸面輪廓線匯集在一起形成PDC鉆頭的井底覆蓋圖，做一條與所有PDC切削齒的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線，為PDC鉆頭的切削輪廓線。

在孕鑲金剛石鉆頭中，如果切削元件全為刀翼孕鑲體(西瓜皮式孕鑲鉆頭)，將刀翼孕鑲體輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為孕鑲切削單元的軸面輪廓線，將所有刀翼孕鑲體軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有刀翼孕鑲體的軸面輪廓線包絡(luò)曲線，被稱為孕鑲鉆頭切削輪廓線，這樣孕鑲鉆頭的切削輪廓線與鉆頭本體輪廓線基本一致，為同一曲線；如果切削單元包括刀翼孕鑲體、孕鑲塊(孕鑲齒)，孕鑲齒則通常為固結(jié)在刀翼孕鑲體上的附加切削結(jié)構(gòu)，孕鑲齒固結(jié)在刀翼孕鑲體上的方式一般有立式、臥式和立臥組合式三種，通常采用燒結(jié)和釬焊實現(xiàn)固結(jié)，將刀翼孕鑲體、孕鑲齒的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為孕鑲切削單元的軸面輪廓線，將所有刀翼孕鑲體、孕鑲齒的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有孕鑲齒的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線，被稱為孕鑲鉆頭切削輪廓線，做一條所有刀翼孕鑲體的包絡(luò)曲線，被稱為孕鑲鉆頭的本體輪廓線。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于：提供一種金剛石鉆頭，以降低鉆頭的切削能耗，提升鉆頭破巖效率，同時抑制鉆頭橫向振動，有效減少鉆頭切削齒的沖擊失效，提升鉆頭在定向鉆井中的抗漂移能力，并產(chǎn)生較大尺寸的巖屑，改善地質(zhì)錄井質(zhì)量，提高實鉆條件下對井下地層信息分析和判斷的準確性。

本實用新型目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

現(xiàn)有技術(shù)的金剛石鉆頭，通常包括鉆頭本體，以及延伸自鉆頭本體的若干個刀翼，在刀翼上設(shè)置有切削元件，本專利的金剛石鉆頭的區(qū)別在于，鉆頭上具有至少一個圍繞鉆頭中心的環(huán)形空白帶，且在環(huán)形空白帶位置的各刀翼向內(nèi)凹，形成周向貫通的凹槽(以下將這種環(huán)形空白帶位置的刀翼凹槽簡稱為“凹槽”)。本專利的鉆頭上的環(huán)形空白帶在井底工作中將在井底形成對應(yīng)的凸起的環(huán)形巖脊，鉆頭上的環(huán)形空白帶與井底凸起的巖脊相互匹配，并以井底巖脊的尺寸作為環(huán)形空白帶尺寸的定義基礎(chǔ)：凸起巖脊的寬度為環(huán)形空白帶的寬度W，凸起巖脊最高點到巖脊根部的平均距離為環(huán)形空白帶的高度H，如圖4所示，由于刀翼上位于環(huán)形空白帶附近的切削元件的存在，鉆頭本體刀翼的凹槽略寬于環(huán)形空白帶。

本專利中，鉆頭在井底工作時，在空白帶的凹槽區(qū)域形成環(huán)形巖脊，巖脊兩側(cè)原本受到的巖石的約束得以解除，因此巖脊自身的強度顯著下降，相當(dāng)于孤立的“墻體”,無論是采用壓碎、刮切(剪切)還是沖擊破碎方式，其所需的破碎能耗都將大幅度降低，而且其破碎方式更趨向于體積性的破碎。節(jié)省出的能量可用于增強鉆頭上其它切削齒的破巖效果，從而提高鉆頭的破巖效率。另一方面，鉆頭本體刀翼上的凹槽能抑制鉆頭的橫向移動，從而減小鉆頭的橫向振動，提高鉆頭的穩(wěn)定性。此外，鉆頭刀翼凹槽(特別是端口及側(cè)壁上的切削齒)能起到減小鉆頭漂移力的作用，鉆頭在導(dǎo)向鉆井中的漂移趨勢可以得到更好的抑制。

作為選擇，刀翼上設(shè)置的切削元件為孕鑲切削元件。本專利應(yīng)用的金剛石鉆頭，其刀翼上設(shè)置的切削元件可以是PDC切削元件，也可以為孕鑲切削元件，優(yōu)選孕鑲切削元件，這樣的鉆頭能在高研磨性、高硬度地層中鉆進，拓寬鉆頭使用范圍。

作為選擇，在環(huán)形空白帶區(qū)域設(shè)置有第二切削元件?，F(xiàn)有技術(shù)的刀翼上設(shè)置切削元件外，本專利還可以進一步在環(huán)形空白帶區(qū)域設(shè)置切削元件，并將設(shè)置在環(huán)形空白帶區(qū)域的切削元件稱之為第二切削元件?；蛘咭部梢詫F(xiàn)有技術(shù)設(shè)置在刀翼上的切削元件稱之為“主切削元件”，如背景技術(shù)中所述，其可以為獨立切削齒亦可以為鉆頭本體刀翼的部分，而將設(shè)置在環(huán)形空白帶區(qū)域的切削元件對應(yīng)稱之為“副切削元件”或“第二切削元件”。由于環(huán)形空白帶貫穿了刀翼以及刀翼之間的區(qū)域，因而第二切削元件可以設(shè)置在刀翼上的凹槽區(qū)域，也可以設(shè)置在刀翼之間的排屑槽區(qū)域，如設(shè)置獨立牙掌結(jié)構(gòu)、本體上凸起的小刀翼等等。該方案中，環(huán)形空白帶的存在將形成環(huán)形凸起的巖脊，在環(huán)形空白帶區(qū)域設(shè)置有第二切削元件，能夠顯著提升鉆頭的破巖效率。

作為進一步選擇，第二切削元件設(shè)置在刀翼凹槽的側(cè)壁和/或頂部。該方案中，在環(huán)形空白帶位置的鉆頭刀翼體內(nèi)凹，形成周向貫通的凹槽，刀翼凹槽由凹槽側(cè)壁與凹槽頂部組成，如圖4所示。第二切削元件設(shè)置在刀翼凹槽的側(cè)壁和/或頂部(凹槽頂部即對凹槽本身而言的槽底)，對凸起的巖脊進行破碎，同時對刀翼上布置于鉆頭凹槽區(qū)域的切削元件進行加強，避免局部區(qū)域失效而導(dǎo)致整只鉆頭不能有效的鉆進巖石。

作為另一進一步選擇，第二切削元件為固定切削齒，和/或能與鉆頭本體發(fā)生相對運動的運動切削元件，運動切削元件上具有一個或多個切削齒。該方案中，若第二切削元件為固定切削齒，這樣鉆頭沒有活動元件，減小掉齒事故發(fā)生，有利于減小鉆井周期；若第二切削元件既包含固定切削元件又包含運動切削元件，鉆頭以動靜復(fù)合的方式破碎巖石，提高鉆頭破巖效率。

作為進一步選擇，運動切削元件為能與鉆頭本體發(fā)生相對滑動的切削元件。該方案中，在第二切削元件的上方設(shè)置或連接有壓力或沖擊力發(fā)生裝置，所產(chǎn)生的沖擊力(如由沖錘的慣性產(chǎn)生的沖擊力)作用于第二切削元件，使得第二切削元件能與鉆頭本體發(fā)生相對滑動，第二切削元件將沖擊力傳遞到空白帶的巖脊上，使巖脊在不分擔(dān)鉆壓的條件下得以高效破碎(低能耗體積破碎)。

作為另一進一步選擇，運動切削元件為能與鉆頭本體發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的牙輪，牙輪上設(shè)置有由若干個切削齒構(gòu)成的齒圈。該方案中，優(yōu)選至少一個牙輪上部分或全部齒圈位置一一對應(yīng)各環(huán)形空白帶，牙輪切削齒以交替作用的方式破碎凸起環(huán)形巖脊，有益于切削齒的冷卻，提高切削齒的壽命，同時以滾動代替滑動，降低鉆頭扭矩，提高鉆頭鉆進穩(wěn)定性，特別是在定向井中鉆頭的降扭效果更為明顯。

作為另一進一步選擇，第二切削元件的固定切削齒為圓形齒、橢圓齒、錐形齒、楔形齒、球形齒等或者多種齒形的組合。該方案中，不同形狀的切削齒與不同的地層相互匹配，從而拓寬鉆頭適用范圍。

作為另一進一步選擇，第二切削元件的固定切削齒為PDC復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。

作為選擇，所述鉆頭上設(shè)置有兩個或兩個以上的環(huán)形空白帶。該方案中，鉆頭本體鉆頭上設(shè)置有兩個或兩個以上的環(huán)形空白帶，這樣鉆頭主切削元件的破碎體積減少，比壓增加，破碎效率提高。

作為選擇，鉆頭上設(shè)置有一個或若干個牙輪，其中至少1個牙輪的牙齒覆蓋區(qū)域包含井底環(huán)形空白帶，且至少1個牙輪的牙齒覆蓋區(qū)域包含部分井底環(huán)形空白帶以外的區(qū)域。該方案中，刀翼-牙輪復(fù)合鉆頭中，1個牙輪的牙齒覆蓋區(qū)域包含井底的環(huán)形空白帶，至少1個牙輪的牙齒覆蓋區(qū)域包含部分井底環(huán)形空白帶以外的區(qū)域，充分利用鉆頭上布齒空間，在提高復(fù)合鉆頭的切削效率的同時延長鉆頭壽命。

作為選擇，鉆頭上設(shè)置有至少一個牙輪，該牙輪上的切削齒均布置于環(huán)形空白帶以外的井底區(qū)域。該方案中，刀翼-牙輪復(fù)合鉆頭的固定刀翼上設(shè)置環(huán)形空白帶，且空白帶不在牙輪覆蓋區(qū)域內(nèi)，這樣提高復(fù)合鉆頭在固定刀翼區(qū)域的鉆進效率且能提高復(fù)合鉆頭的穩(wěn)定性。

作為選擇，鉆頭上的環(huán)形空白帶位于鉆頭四分之一半徑徑向以外區(qū)域。環(huán)形空白帶的中線在鉆頭徑向覆蓋區(qū)域的徑向位置為L，鉆頭的半徑為R，如圖4所示。該方案中，即L≥1/4R，針對不同巖石地層情況和鉆井方式，將環(huán)形空白帶設(shè)置于鉆頭四分之一半徑以外的徑向區(qū)域，可以擴大鉆頭的使用范圍。特別地，可將環(huán)形空白帶設(shè)置在更容易造成鉆頭切削齒磨損的冠頂和/或冠頂以外的徑向區(qū)域，以增加該區(qū)域內(nèi)低能耗體積破碎的巖石體積，更大程度地提升鉆頭工作效果。

作為選擇，鉆頭上的環(huán)形空白帶寬度W取值范圍為R/3≥W≥3mm，R為鉆頭半徑。該方案中，限定環(huán)形空白帶的寬度W范圍能夠提高鉆頭的破巖效率，若環(huán)形空白帶的寬度過小，由于巖石的脆性特征可能不能形成環(huán)形巖脊，若環(huán)形空白帶的寬度過大，鉆頭破巖效率降低。

作為選擇，鉆頭上的環(huán)形空白帶在井底形成的巖脊的高寬比不小于0.5。該方案中，即H/W≥0.5，針對不同巖石性質(zhì)，限定環(huán)形空白帶巖脊高寬比，從而提高鉆頭破巖效率。

作為選擇，凹槽側(cè)壁至少有1側(cè)輪廓線與鉆頭軸線不平行。該方案中，凹槽側(cè)壁的輪廓線與鉆頭軸線不平行，有益于在凹槽側(cè)壁上設(shè)置更多的副切削元件，保證凹槽的切削壽命，從而延長鉆頭的整體壽命。

前述本實用新型主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實用新型可采用并要求保護的方案；且本實用新型，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本實用新型所要保護的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

本實用新型的有益效果：

1、鉆頭在井底工作時，在空白帶的凹槽區(qū)域形成環(huán)形巖脊，巖脊兩側(cè)原本受到的巖石的約束得以解除，因此巖脊自身的強度顯著下降，其所需的破碎能耗都將大幅度降低，節(jié)省的能量可用于增強鉆頭上其它切削齒的破巖效果，從而有利于提高鉆頭破巖效率。

2、在鉆頭環(huán)形空白區(qū)域能實現(xiàn)巖石低功效的體積破碎，形成較大的巖石碎屑，相對于常規(guī)金剛石鉆頭形成較小、較細的巖屑，更能有利于通過巖屑分析獲取地層巖性信息，判斷地質(zhì)層位。

3、當(dāng)外載使鉆頭有發(fā)生橫向運動的趨勢時，井底上凸起的巖脊能對鉆頭施加以與其橫向運動趨勢方向相反的約束或作用力，以抑制鉆頭的橫向移動，從而減小鉆頭的橫向振動，提高鉆頭的穩(wěn)定性，有效減少鉆頭切削齒的沖擊和偏磨失效。

4、鉆頭在鉆井中形成多個環(huán)形巖脊，與井底的側(cè)向接觸面更多，使得鉆頭的抗漂移控制參數(shù)增加，有利于增強鉆頭抗漂移能力。

附圖說明

圖1為本實用新型專利的鉆頭工作示意圖；

圖2為本實用新型專利的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2俯視圖；

圖4為凹槽上設(shè)置有副切削元件的鉆頭的工作示意圖；

圖5凹槽位置在內(nèi)錐部示意圖；

圖6凹槽位置在外錐部示意圖；

圖7為有2個凹槽且具有擠壓齒微取心結(jié)構(gòu)的鉆頭示意圖；

圖8為有2個凹槽且具有中心錐齒微取心結(jié)構(gòu)的鉆頭示意圖；

圖9有2個尺寸不同的凹槽且主切削元件為孕鑲刀翼的鉆頭示意圖；

圖10為圖9鉆頭的俯視圖；

圖11為主切削元件為孕鑲體的孕鑲鉆頭示意圖；

圖12為主切削元件為孕鑲體、孕鑲豎齒孕鑲鉆頭示意圖；

圖13為主切削元件為孕鑲體、孕鑲豎齒、孕鑲臥齒的孕鑲鉆頭示意圖；

圖14為具有沖擊副切削元件的孕鑲鉆頭示意圖；

圖15為具有沖擊副切削元件鉆頭示意圖；

圖16為具有沖擊副切削元件且副切削元件不在刀翼上的鉆頭示意圖；

圖17為運動副切削元件為牙掌牙輪切削結(jié)構(gòu)的復(fù)合鉆頭示意圖；

圖18為圖17徑向覆蓋示意圖；

圖19為運動副切削元件為牙掌牙輪切削結(jié)構(gòu)且其中一個牙輪只覆蓋破碎凹槽區(qū)域鉆頭示意圖；

圖20為19徑向覆蓋示意圖；

圖21為牙輪設(shè)置刀翼凹槽的鉆頭示意圖

圖22為牙輪設(shè)置刀翼凹槽的鉆頭覆蓋圖

圖23為刀翼凹槽在復(fù)合鉆頭靠近內(nèi)錐的復(fù)合鉆頭示意圖

圖24為凹槽1側(cè)輪廓線與鉆頭軸線不平行

圖25為刀翼中設(shè)置有內(nèi)鑲齒的鉆頭示意圖

圖26為刀翼中設(shè)置有內(nèi)置表鑲齒的鉆頭示意圖

圖27為刀翼中設(shè)置有內(nèi)置表鑲齒的單個刀翼示意圖

圖28為常規(guī)金剛石鉆頭橫向運動時與井壁和井底巖石相作用的示意圖

圖29為本實用新型鉆頭橫向運動時與井壁和井底巖石相作用的示意圖

其中1-鉆頭本體、2-固定刀翼、21-孕鑲刀翼、22-孕鑲臥齒、23-孕鑲豎齒、24-金剛石顆粒、3-主切削元件、31-固定副切削元件、32-運動副切削元件、33-牙輪切削齒、41-內(nèi)鑲齒、42-內(nèi)置表鑲齒、5鉆頭本體輪廓線、6-鉆頭布齒曲面、7-凹槽、8-噴嘴，9-巖石、10-凸起巖脊、11-牙掌、12-牙輪。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本實用新型。

如圖1、2、3所示，一種金剛石鉆頭，包括鉆頭本體1，以及延伸自鉆頭本體1的若干個刀翼2，在刀翼2上設(shè)置有切削元件3，鉆頭上具有至少一個圍繞鉆頭中心的環(huán)形空白帶(圖1中為5個環(huán)形空白帶，圖2、3中為1個環(huán)形空白帶，優(yōu)選至少2個環(huán)形空白帶，如圖7-10中為2個環(huán)形空白帶)，在環(huán)形空白帶位置的刀翼2向內(nèi)凹，形成周向貫通的凹槽7，凹槽7由側(cè)壁和頂部構(gòu)成。鉆頭上的多個環(huán)形空白帶在刀翼2上形成多個凹槽7，優(yōu)選至少2個凹槽，且其中1個凹槽位于鉆頭中心，如圖7、8所示。作為優(yōu)選，凹槽7側(cè)壁至少有1側(cè)輪廓線與鉆頭軸線不平行，如圖24所示。

參考圖4所示，環(huán)形空白帶的中線在鉆頭徑向覆蓋區(qū)域的徑向位置為L，鉆頭的半徑為R，環(huán)形空白帶的高度為H，環(huán)形空白帶寬度為W。作為優(yōu)選，鉆頭上的環(huán)形空白帶位于鉆頭四分之一半徑徑向以外區(qū)域，即L≥1/4R。鉆頭上的環(huán)形空白帶寬度W取值范圍為R/3≥W≥3mm。鉆頭上的環(huán)形空白帶巖脊的高(H)寬(W)比不小于0.5，即H/W≥0.5。

刀翼上設(shè)置的切削元件可以是PDC切削元件，如圖1-8所示，也可以為孕鑲切削元件，如圖9-14所示。刀翼2上設(shè)置的切削元件3可以是如現(xiàn)有技術(shù)通常一般，布置于刀翼2前側(cè)的普通PDC齒，例如圖1-3，還可以進一步地：刀翼2上設(shè)有內(nèi)鑲齒41(相對于刀翼本體輪廓線出露高度小于等于零的切削齒，切削齒除了切削工作平面以外的其它表面(主要是側(cè)面和底部端面)與刀翼體全面接觸，并依靠這種接觸關(guān)系實現(xiàn)切削齒的固結(jié))，作為后備切削齒，如圖25所示，與常規(guī)鉆頭相比，軸向可磨損體積增加，能顯著增加鉆頭的使用壽命；或者，刀翼2上設(shè)內(nèi)置表鑲齒42(固定于刀翼體上設(shè)置的空槽內(nèi)，并且其齒刃出露于其所在空槽表面的切削齒，空槽設(shè)置于刀翼體內(nèi)，可以為貫通槽，也可為非貫通的盲槽)，作為后備切削齒，如圖26、27所示，在增加鉆頭軸向可磨損體積的同時，使后備齒在切削地層時獲得高比壓，吃入能力增強；還可以普通PDC齒、內(nèi)鑲齒41和內(nèi)置表鑲齒42的各種組合。

由于環(huán)形空白帶貫穿了刀翼2以及刀翼2之間的區(qū)域，因而第二切削元件(副切削元件)可以位于刀翼2上的凹槽7區(qū)域，如圖2-4所示，也可以位置刀翼2之間的排屑槽內(nèi)，如圖16、17所示。第二切削元件(副切削元件)位于刀翼2上的凹槽7區(qū)域時，如圖2-13所示，第二切削元件(副切削元件)優(yōu)選設(shè)置在刀翼凹槽7的側(cè)壁和/或頂部。

第二切削元件可以為固定切削齒(稱之為固定副切削元件31)，和/或能與鉆頭本體1發(fā)生相對運動的運動切削元件(稱之為運動副切削元件32)，運動副切削元件32上具有一個或多個切削齒,如圖9、10所示。

其中固定副切削元件31的切削齒可以為圓形齒、橢圓齒、錐形齒、楔形齒、球形齒等或者多種齒形的組合，如圖2、3、5、6、8、9、10所示。固定副切削元件可以是PDC復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒，或者前述齒的組合。

其中運動副切削元件32可以為能與鉆頭本體1發(fā)生相對滑動的切削元件，如圖14、15、16所示，例如，在該運動副切削元件32的上方設(shè)置或連接有壓力或沖擊力發(fā)生裝置，所產(chǎn)生的沖擊力(如由沖錘的慣性產(chǎn)生的沖擊力)作用于運動副切削元件32，使得運動副切削元件32能與鉆頭本體1發(fā)生相對滑動。

運動副切削元件32還可以為能與鉆頭本體1發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的牙輪12，牙輪12上設(shè)置有由若干個牙輪切削齒33構(gòu)成的齒圈，如圖17-23所示。優(yōu)選牙輪12設(shè)置在獨立的牙掌11上，如圖17-20所示，或優(yōu)選牙輪12設(shè)置在鉆頭刀翼21上，如圖21、22所示。優(yōu)選至少一個牙輪12上部分或全部齒圈位置一一對應(yīng)各環(huán)形空白帶，圖19-20中，雙齒圈的牙輪12上各齒圈分別與2個環(huán)形空白帶對應(yīng)，而三齒圈的牙輪12則與2個環(huán)形空白帶錯開。作為優(yōu)選，鉆頭上設(shè)置有一個或若干個牙輪12，其中至少1個牙輪12的牙齒覆蓋區(qū)域包含井底的環(huán)形空白帶，且至少1個牙輪的牙齒覆蓋區(qū)域包含部分井底環(huán)形空白帶以外的區(qū)域，如圖17、18所示。或者，鉆頭上設(shè)置有至少一個牙輪12，該牙輪上的牙輪切削齒33均布置于環(huán)形空白帶以外的井底區(qū)域，如圖23所示。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。