一種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸至鉆頭本體的若干個(gè)刀翼，相對(duì)鉆頭本體轉(zhuǎn)動(dòng)連接的盤(pán)刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，盤(pán)刀由盤(pán)刀體和設(shè)置在其上的盤(pán)刀齒組成，至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)特征可使鉆頭以異步切削方式工作，不僅能增加鉆頭的縱向磨損長(zhǎng)度，延長(zhǎng)鉆頭壽命，而且能使鉆頭在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程都處于高比壓鉆進(jìn)狀態(tài)，增強(qiáng)鉆頭侵入巖石的能力，從而使鉆頭在難鉆地層的鉆速和壽命都得到提高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明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、盾構(gòu)及非開(kāi)挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鉆進(jìn)鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有roc鉆頭和牙輪鉆頭。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、能自銳的聚晶金剛石復(fù)合片來(lái)剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長(zhǎng)，鉆進(jìn)成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用。現(xiàn)有的以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個(gè)刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個(gè)切削元件(對(duì)roc鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合片或roc齒)。但當(dāng)鉆遇硬地層時(shí)，PDC鉆頭的鼻部和肩部上的切削齒很難有效吃入地層，從而大大降低了機(jī)械鉆速。
[0003]西南石油大學(xué)提交的中國(guó)專(zhuān)利“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”(專(zhuān)利號(hào):201010229371.9)中首次將I3DC齒作為主切削元件設(shè)置在了具有大偏移角(偏移角a為20° <
a I ^90°)的轉(zhuǎn)輪(該大偏移角的轉(zhuǎn)輪即本申請(qǐng)所稱(chēng)的盤(pán)刀，本申請(qǐng)中的偏移角和軸傾角與上述專(zhuān)利中相同)上，同時(shí)也設(shè)置了裝有固定切削齒的固定切削單元(包括刀翼結(jié)構(gòu))。兩套切削單元不同的運(yùn)動(dòng)模式形成交叉網(wǎng)狀的井底，這種交叉切削的破巖方式較大的提高了鉆頭的機(jī)械鉆速。
[0004]但是，在包括上述專(zhuān)利技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)中，固定切削齒所在的刀翼均按照同步切削原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即每個(gè)刀翼上不同徑向位置的切削齒同時(shí)或同步(或基本同時(shí)、基本同步)進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始切削井底巖石，并同時(shí)開(kāi)始發(fā)生磨損。新鉆頭在理想工作狀態(tài)下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩(wěn)定鉆進(jìn)狀態(tài))鉆削巖石時(shí)，同時(shí)參與刮切巖石的所有切削齒均為主切削齒，主切削齒是鉆頭破碎巖石的主要切削元件，通常被設(shè)置在各刀翼的前側(cè)，以利于達(dá)到更好的冷卻和清洗效果。除了切削齒以外，還可根據(jù)需要在鉆頭上設(shè)置后備切削齒(即當(dāng)主切削齒磨損到一定程度后才投入工作的切削齒，如后排齒等)和輔助切削結(jié)構(gòu)(主要指幫助主切削齒破巖的結(jié)構(gòu)，如錐齒，或保護(hù)切削齒作用的緩沖結(jié)構(gòu)，如緩沖節(jié)或緩沖齒等)O
[0005]在鉆頭設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)任意確定一個(gè)通過(guò)鉆頭中心軸線(xiàn)的平面作為布齒軸面(亦簡(jiǎn)稱(chēng)為軸面)，鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置均能在該軸面上得到準(zhǔn)確的表達(dá)。當(dāng)鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削齒的齒刃輪廓線(xiàn)與軸面相交形成交線(xiàn)，該交線(xiàn)為切削齒的軸面輪廓線(xiàn)，再將鉆頭上所有主切削齒(或若干指定刀翼或盤(pán)刀上的所有主切削齒)的軸面輪廓線(xiàn)匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼或盤(pán)刀的軸面布齒圖)。因?yàn)檩S面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對(duì)井底巖石的徑向覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡(jiǎn)稱(chēng)覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。
[0006]在鉆頭的井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線(xiàn)相切的外包絡(luò)曲線(xiàn)，即為鉆頭的切削輪廓線(xiàn)(也即鉆頭的冠部輪廓線(xiàn))，如圖2所示，為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)roc鉆頭的井底覆蓋圖，其中，標(biāo)記為R的水平方向?yàn)殂@頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向?yàn)殂@頭軸向，標(biāo)號(hào)11的曲線(xiàn)即為現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭的切削輪廓線(xiàn)。
[0007]在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個(gè)指定刀翼或盤(pán)刀上的切削齒表示出來(lái)，而將其它刀翼或盤(pán)刀上的切削齒隱去，就形成了該刀翼或盤(pán)刀的軸面布齒圖。在刀翼或盤(pán)刀的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線(xiàn)相切的外包絡(luò)曲線(xiàn)，該包絡(luò)線(xiàn)則稱(chēng)之為該刀翼或盤(pán)刀的切削輪廓線(xiàn)。刀翼的切削輪廓線(xiàn)反映了當(dāng)?shù)兑砩现髑邢鼾X分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區(qū)域)時(shí)，該刀翼所獨(dú)立切削出的井底的基本或理想輪廓形狀特征。
[0008]若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，則對(duì)某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線(xiàn)將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個(gè)以鉆頭中心軸線(xiàn)為軸線(xiàn)的回轉(zhuǎn)曲面，該回轉(zhuǎn)曲面與軸面的交線(xiàn)即為刀翼的本體輪廓線(xiàn)，如圖2或11所示，其中標(biāo)號(hào)為32的曲線(xiàn)，即為刀翼的本體輪廓線(xiàn)。通常情況下，由于布置在刀翼布齒面上的主切削齒的出露高度是相同或相近的(臨近規(guī)徑面的區(qū)域除外)，所以刀翼的切削輪廓線(xiàn)與其本體輪廓線(xiàn)的形狀基本呈平行狀態(tài)，僅在臨近規(guī)徑的區(qū)域可能有明顯差異。因此，基于實(shí)現(xiàn)同步切削原理的需要，現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭各個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)是互相重合或基本重合的。換言之，理論上鉆頭各刀翼的本體輪廓線(xiàn)均在同一個(gè)以鉆頭中心軸線(xiàn)為軸線(xiàn)的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都是相同的一條曲線(xiàn)或相同曲線(xiàn)上的一段。這種特征可稱(chēng)之為鉆頭各刀翼本體輪廓線(xiàn)的一致性或共線(xiàn)性。顯然，這種一致性或共線(xiàn)性不僅存在于各刀翼的本體輪廓線(xiàn)，而且對(duì)各刀翼的切削輪廓線(xiàn)也是成立的。正是這一結(jié)構(gòu)特征，使得固結(jié)在鉆頭各刀翼上的主切削齒能夠同時(shí)或同步切削井底巖石，進(jìn)而形成井筒。
[0009]現(xiàn)有的具有同步切削原理的PDC鉆頭(包括具有盤(pán)刀的PDC鉆頭)在面對(duì)復(fù)雜難鉆地層(高硬度、高研磨性乃至含礫石層、夾層等不均質(zhì)地層)時(shí)，不僅鉆進(jìn)效率受到限制，其工作壽命也不理想。其主要原因是:第一，為了保證鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時(shí)能夠具備較強(qiáng)的吃入或侵入巖石表面的能力，就需要采用尺寸(直徑)較小的切削齒，然而小直徑切削齒的出露高度小，可磨損高度顯著低于大直徑切削齒，但此時(shí)切削齒的磨損速度卻更快，因此就形成了一個(gè)難鉆地層鉆頭設(shè)計(jì)中難以解決的矛盾:若采用大直徑切削齒，切削齒難以侵入巖石(特別是發(fā)生一定程度磨損以后)，鉆頭破巖效率低;若采用小直徑切削齒，切削齒的工作壽命又不夠。第二，鉆頭在硬地層、不均質(zhì)地層中鉆進(jìn)時(shí)切削齒常常受到較強(qiáng)的沖擊載荷，易發(fā)生少量甚至個(gè)別切削齒的脫落、斷裂、碎裂、金剛石層的崩裂等快速失效現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，將引發(fā)臨近區(qū)域切削齒因工作負(fù)荷增加而導(dǎo)致的連鎖失效，繼而產(chǎn)生環(huán)切現(xiàn)象，即鉆頭在該徑向區(qū)域內(nèi)的切削齒的出露部分被全部或大部分磨掉，并進(jìn)而在鉆頭各刀翼本體上磨出環(huán)形槽。環(huán)切現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，鉆頭上各刀翼的本體均直接與巖石形成面接觸，即便刀翼上的切削齒尚未全部磨完，但由于比壓嚴(yán)重降低，所以鉆頭的破巖效率會(huì)顯著下降。所以，當(dāng)鉆頭上磨出環(huán)槽后，一般就認(rèn)為鉆頭已喪失或接近喪失切削能力，不僅不能再入井使用，嚴(yán)重時(shí)甚至連修復(fù)(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于:提出一種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，能顯著提升鉆頭在復(fù)雜應(yīng)用條件、難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質(zhì)性等地層條件下的工作性能。
[0011 ]本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0012]—種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的若干個(gè)刀翼，相對(duì)鉆頭本體轉(zhuǎn)動(dòng)連接的盤(pán)刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，盤(pán)刀由盤(pán)刀體和設(shè)置于其外緣的盤(pán)刀齒組成，至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域(或稱(chēng)為異廓區(qū)域)，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域(或稱(chēng)為同廓區(qū)域)。
[0013]對(duì)于本發(fā)明所涉及的鉆頭本體、刀翼、刀翼布齒面、水眼、噴嘴、刀翼本體輪廓線(xiàn)，乃至第一組切削齒，為本領(lǐng)域公知的概念，在此不做贅述，可以參考如圖1、圖14、圖17、圖18、圖19及圖20所示，為本發(fā)明鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為鉆頭本體、2為盤(pán)刀(即【背景技術(shù)】所述大偏移角的轉(zhuǎn)輪)、21為輪掌、8為盤(pán)刀齒、3為刀翼、33為刀翼布齒面、41為第一組切削齒、61為水眼或噴嘴;如圖11所示，為本發(fā)明中各刀翼本體輪廓線(xiàn)示意圖(圖11為圖1鉆頭各刀翼本體輪廓線(xiàn)在覆蓋圖中形狀和位置)，其中，32為刀翼本體輪廓線(xiàn)。
[0014]在現(xiàn)有的技術(shù)中，鉆頭上所有刀翼的本體輪廓線(xiàn)均在同一個(gè)以鉆頭中心軸線(xiàn)為軸線(xiàn)的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都屬于相同的一條曲線(xiàn)，或各為相同曲線(xiàn)上的一段。但在本發(fā)明中，各刀翼可以具有獨(dú)立的、不隸屬于同一回轉(zhuǎn)曲面的刀翼本體輪廓線(xiàn)，且至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)具有不重合區(qū)域(以下稱(chēng)為異廓區(qū)域)和重合點(diǎn)或重合區(qū)域(以下統(tǒng)稱(chēng)為同廓區(qū)域，包含重合點(diǎn)和重合區(qū)域)。
[0015]值得說(shuō)明的是，刀翼的覆蓋范圍(也即刀翼的徑向切削工作范圍或區(qū)域)是指刀翼上最內(nèi)側(cè)切削齒與最外側(cè)切削齒之間的徑向范圍。也可以用刀翼輪廓線(xiàn)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的徑向范圍作為刀翼的覆蓋范圍。本文中所述的共同覆蓋范圍，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上刀翼相重疊的(即共同負(fù)責(zé)的)徑向工作區(qū)域，如圖7(a)雙向箭頭所指區(qū)域的共同覆蓋范圍a和圖7(b)所示的雙向箭頭所指區(qū)域的共同覆蓋范圍b，其中圖7(a)所示為同一鉆頭上一個(gè)長(zhǎng)刀翼(主刀翼)和一個(gè)短刀翼(副刀翼)的本體輪廓線(xiàn)示意圖，圖7(b)所示為同一鉆頭上兩個(gè)長(zhǎng)刀翼(主刀翼)的本體輪廓線(xiàn)示意圖，顯然，圖7(a)和圖7(b)所表示刀翼共同覆蓋范圍是不同的。進(jìn)一步地，各刀翼本體輪廓線(xiàn)在其共同覆蓋范圍內(nèi)的重合點(diǎn)可以是各曲線(xiàn)的交點(diǎn)，也可以是曲線(xiàn)之間的切點(diǎn)，如圖7(a)中陰影部分34所示的交點(diǎn)和切點(diǎn)；各刀翼本體輪廓線(xiàn)在其共同覆蓋范圍內(nèi)的重合區(qū)域即為各刀翼本體輪廓線(xiàn)重合或基本重合的部分，如圖7(a)、圖7(b)中陰影部分34所示的重合區(qū)域;另一方面，在共同覆蓋范圍內(nèi)，刀翼本體輪廓線(xiàn)上除開(kāi)重合點(diǎn)和重合區(qū)域(亦稱(chēng)為同廓區(qū)域)的部分即為刀翼本體輪廓線(xiàn)的不重合區(qū)域(亦稱(chēng)為異廓區(qū)域)。除重合點(diǎn)外，不重合區(qū)域以及重合區(qū)域的寬度定義為其沿鉆頭徑向所占寬度。
[0016]刀翼上的第一組切削齒通常沿著刀翼的本體輪廓線(xiàn)布置，并形成相應(yīng)的刀翼切削輪廓線(xiàn)。按以上所述，現(xiàn)有鉆頭技術(shù)中，各個(gè)的刀翼切削輪廓線(xiàn)在井底覆蓋圖中重合為同一曲線(xiàn)，同時(shí)，這條曲線(xiàn)也是整個(gè)鉆頭的切削輪廓線(xiàn)，且與刀翼的本體輪廓線(xiàn)平行或基本平行。而本發(fā)明中具有若干不重合區(qū)域的各刀翼本體輪廓線(xiàn)將會(huì)自然形成具有若干不重合區(qū)域的刀翼切削輪廓線(xiàn)，如圖3所示，由兩個(gè)刀翼組成的鉆頭覆蓋圖中區(qū)域P是重合區(qū)域，區(qū)域N是不重合區(qū)域。另一方面，按照前文所述的定義內(nèi)容，鉆頭切削輪廓線(xiàn)實(shí)際上就是各刀翼切削輪廓線(xiàn)在同一軸面內(nèi)的率先與地層接觸區(qū)域的疊加，如圖3、12、21標(biāo)號(hào)11即為鉆頭切削輪廓線(xiàn)，標(biāo)號(hào)31為刀翼切削輪廓線(xiàn)。綜合起來(lái)，若某一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)與其他刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)具有若干個(gè)異廓區(qū)域和若干個(gè)同廓區(qū)域，則該刀翼的切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)在部分區(qū)域不重合(稱(chēng)為異步切削區(qū)域，以下簡(jiǎn)稱(chēng)異步區(qū)域)，而在另一部分區(qū)域(包括一個(gè)點(diǎn)或一段曲線(xiàn))相重合或基本重合(稱(chēng)為同步切削區(qū)域，以下簡(jiǎn)稱(chēng)同步區(qū)域)。顯然，刀翼本體輪廓線(xiàn)的異廓區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線(xiàn)的異步區(qū)域，同廓區(qū)域則與同步區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
[0017]在工作原理上，具有異步區(qū)域的刀翼相比常規(guī)同步切削刀翼的不同之處在于:刀翼上并非所有齒同時(shí)參與工作，而是僅有部分切削齒(同步區(qū)域的切削齒)參與工作，等這些切削齒磨損到一定程度以后，其它區(qū)域(異步區(qū)域的切削齒)的切削齒才能接觸到巖石并開(kāi)始切削巖石工作。顯然，具有這種切削齒分階段工作特點(diǎn)的刀翼稱(chēng)之為異步切削刀翼(簡(jiǎn)稱(chēng)異步刀翼)，在承擔(dān)的鉆壓相同時(shí)，相比于具有現(xiàn)有技術(shù)(刀翼上不同徑向位置的切削齒均同時(shí)或同步的參與切削巖)，作用于巖石的比壓高。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱(chēng)增壓效用)越顯著，如果鉆頭全部刀翼都采用具有異步切削特點(diǎn)的刀翼，其增壓效用更加突出，十分有利于提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力。對(duì)于常規(guī)鉆頭而言，刀翼切削輪廓與鉆頭切削輪廓相互重合或基本重合，刀翼上不同徑向位置的切削齒均同時(shí)或同步的參與切削巖石稱(chēng)之為同步切削。包含異步刀翼的鉆頭稱(chēng)為異步切削鉆頭(簡(jiǎn)稱(chēng)異步鉆頭)。
[0018]如果鉆頭上某異步刀翼的切削輪廓線(xiàn)上只有單個(gè)點(diǎn)或者單個(gè)很窄的區(qū)域與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相重合或基本重合，則意味著該刀翼的切削輪廓線(xiàn)在這個(gè)點(diǎn)或者很窄區(qū)域所在的位置上是外凸的，而刀翼其他位置的切削輪廓線(xiàn)則相對(duì)鉆頭切削輪廓線(xiàn)內(nèi)凹，顯然，只有在凸起部位的切削齒是從一開(kāi)始就工作，隨著這個(gè)或這些齒的不斷磨損，刀翼上處于內(nèi)凹部位的切削齒才逐漸開(kāi)始接觸并切削巖石。同樣，如果某異步刀翼的切削輪廓線(xiàn)上有若干個(gè)點(diǎn)或若干相互間斷的局部區(qū)域與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相重合，則該刀翼的切削輪廓線(xiàn)在這些位置是局部外凸的，而其余區(qū)域則相對(duì)鉆頭切削輪廓線(xiàn)內(nèi)凹，故在鉆頭的鉆進(jìn)過(guò)程之初，只有這些外凸部位的切削齒在切削巖石，其余內(nèi)凹部位的切削齒則在外凸部位切削齒磨損至一定程度后才逐漸進(jìn)入切削巖石的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)同一刀翼上不同部位切削齒的分階段工作。顯然，異步刀翼實(shí)質(zhì)上就是具有局部切削特征的刀翼，當(dāng)?shù)兑沓袚?dān)的鉆壓相同時(shí)，這種刀翼在局部切削區(qū)域內(nèi)作用于巖石的比壓明顯高過(guò)常規(guī)刀翼。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱(chēng)增壓效用)越顯著。如果鉆頭全部刀翼都采用異步刀翼，則此時(shí)鉆頭可稱(chēng)為全異步鉆頭，其增壓效用更加突出，十分有利于提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力。
[0019]與前述內(nèi)容相應(yīng)，異步刀翼上參與初始切削的局部區(qū)域，其切削輪廓線(xiàn)是外凸的，相應(yīng)位置的刀翼本體輪廓線(xiàn)自然也外凸，如圖8所示。進(jìn)一步，刀翼本體輪廓線(xiàn)上具有多個(gè)局部凸起時(shí)，使刀翼本體輪廓呈現(xiàn)峰巒起伏狀的形狀特征，如圖9、12、22、23所示。對(duì)兩個(gè)本體輪廓形狀不相同的異步刀翼而言，刀翼上的局部凸起越多，則在其共同覆蓋區(qū)域之內(nèi)，兩刀翼本體輪廓線(xiàn)之間的交叉或相交點(diǎn)就越多。若將鉆頭上多個(gè)異步刀翼的局部凸起位置交錯(cuò)分布，就能利用相互交疊的多個(gè)局部凸起完成對(duì)井底部分甚至全部徑向區(qū)域的覆蓋。在鉆井過(guò)程中，只要鉆頭上的凸起部分未被磨平，增壓效應(yīng)就不同程度地存在著。此外，局部凸起的高度可以顯著地高于切削齒的直徑(圓齒)或工作高度(非圓齒)，高差越大，不僅刀翼的增壓切削作用時(shí)效越長(zhǎng)，另一方面刀翼本體輪廓線(xiàn)的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，自然地同一刀翼上的布齒區(qū)域就越大，切削齒數(shù)量也就越多，齒數(shù)增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配，從而在增加了刀翼鉆進(jìn)比壓的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了異步鉆頭的工作壽命。
[0020]本發(fā)明中，通過(guò)刀翼本體輪廓線(xiàn)可以有效調(diào)節(jié)鉆頭的布齒密度，提高鉆頭適應(yīng)地層的范圍以及持續(xù)鉆進(jìn)能力。按本發(fā)明方案形成的梯次布齒可有效增加鉆頭的軸向可磨損體積，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。根據(jù)中國(guó)專(zhuān)利“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”(專(zhuān)利號(hào):201010229371.9)所述，鉆進(jìn)時(shí)盤(pán)刀上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線(xiàn)的刮痕，而設(shè)置在固定刀翼上的切削齒在井底形成同心圓狀的刮痕，兩套刮痕在井底共同形成交叉網(wǎng)狀的井底模式，有利用切削齒吃入地層，提高破巖效率。因此，本發(fā)明在復(fù)合鉆頭在延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命的同時(shí)，提高破巖效率。
[0021]因此，根據(jù)以上對(duì)本發(fā)明目的和原理的闡述，可以理解和確認(rèn)的是，本發(fā)明所界定的“刀翼的本體輪廓線(xiàn)與其他刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域(或稱(chēng)為異廓區(qū)域)”不應(yīng)該做絕對(duì)的理解，即不應(yīng)該把現(xiàn)有技術(shù)中可能存在的，某些無(wú)意識(shí)下或偶然下或出于與本發(fā)明毫不相關(guān)的其他目的下導(dǎo)致的刀翼的本體輪廓線(xiàn)與其他刀翼的本體輪廓線(xiàn)存在較小程度的不重合涵蓋在內(nèi)；本領(lǐng)域技術(shù)人員基于前述本發(fā)明目的和原理的闡述，根據(jù)掌握的現(xiàn)有技術(shù)、公知常識(shí)，對(duì)于所述“不重合區(qū)域”的程度顯然能夠正確理解，無(wú)需特別予以界定;通常而言，為了較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的“提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力”目的，這個(gè)不重合區(qū)域占整個(gè)共同覆蓋范圍區(qū)域的比例宜不小于25%。
[0022]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為整體或大部分外凸的曲線(xiàn)，且所述各曲線(xiàn)外凸部分頂點(diǎn)沿鉆頭徑向的徑向位置不相同。
[0023]本方案中，刀翼本體輪廓線(xiàn)外凸區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上僅有一部分對(duì)應(yīng)于刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相重合的區(qū)域(同步區(qū)域)；而刀翼本體輪廓線(xiàn)上的其余區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)不重合的區(qū)域(異步區(qū)域)。兩個(gè)刀翼外凸部分的頂點(diǎn)的徑向位置不相同，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以使刀翼切削輪廓線(xiàn)在頂點(diǎn)相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相重合，此時(shí)兩個(gè)刀翼頂點(diǎn)及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的切削齒(同步區(qū)域除外)暫不參加切削工作。這樣，作用在初始工作切削齒上的比壓高于常規(guī)鉆頭，有利于提高鉆頭侵入巖石的能力。本方案中，本體輪廓線(xiàn)均為整體或大部分外凸的曲線(xiàn)實(shí)際上是單峰曲線(xiàn)，即刀翼本體輪廓線(xiàn)上僅存在一個(gè)凸起，如圖4所示。圖4(a)中所示的刀翼本體輪廓線(xiàn)為整體外凸的曲線(xiàn)，圖4(b)中所示的刀翼本體輪廓線(xiàn)為大部分外凸的曲線(xiàn)，標(biāo)號(hào)32c的曲線(xiàn)為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線(xiàn)，在此以虛線(xiàn)形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線(xiàn)的特征。盡管刀翼本體輪廓為單峰曲線(xiàn)，若各刀翼本體輪廓曲線(xiàn)的局部凸起沿鉆頭徑向相互錯(cuò)開(kāi)，則這些刀翼仍然能具備異步區(qū)域。
[0024]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線(xiàn)部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0025]與前述方案中僅有單個(gè)整體或大部分外凸的刀翼本體輪廓線(xiàn)不同，本方案中的刀翼本體輪廓線(xiàn)具有多個(gè)局部凸起，因此，各局部凸起的分布可以有不同的情況，如圖6所示。其中，圖6(a)所示為各局部凸起沿鉆頭徑向分布，且不同刀翼本體輪廓線(xiàn)上局部凸起沿鉆頭徑向(圖中箭頭A方向)部分或全部錯(cuò)開(kāi)；圖6(b)所示為各局部凸起沿鉆頭切削輪廓線(xiàn)分布，且不同刀翼本體輪廓線(xiàn)上局部凸起沿鉆頭切削輪廓線(xiàn)(圖中箭頭B方向)部分或全部錯(cuò)開(kāi)。值得說(shuō)明的是，圖6(a)和圖6(b)中所表示的局部凸起分布以及錯(cuò)開(kāi)方式僅為兩種較為典型的分布方式，但并不局限于該兩種方式。
[0026]上述方案中，刀翼本體輪廓線(xiàn)為具有一個(gè)或多個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以使刀翼切削輪廓線(xiàn)在局部凸起的頂點(diǎn)相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相重合，此時(shí)各刀翼局部凸起的頂點(diǎn)及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的切削齒(同步區(qū)域除外)暫不參加切削工作。這樣的結(jié)構(gòu)使鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，同一時(shí)刻刀翼上只有局部凸起的頂部的部分切削齒接觸井底，減小了鉆頭與巖石的接觸面積，切削齒上的比壓高于常規(guī)鉆頭，使鉆頭能有效的吃入地層；即使鉆頭發(fā)生磨損，造成部分切削齒被破壞，仍然會(huì)有其余未被磨損的部分切削齒相繼接觸井底，投入切削工作，保證鉆頭鉆進(jìn)全過(guò)程都是尚比壓，有利于鉆頭機(jī)械鉆速的提尚。
[0027]其次，起伏的刀翼本體輪廓線(xiàn)不僅使得同一刀翼本體輪廓線(xiàn)上的切削齒分階段參與破巖，也使其布齒長(zhǎng)度更長(zhǎng)，自然地同一刀翼上的布齒數(shù)量就更多，齒數(shù)增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配，從而在增加了刀翼鉆進(jìn)比壓的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了鉆頭的工作壽命。特別是刀翼的本體輪廓線(xiàn)上的局部凸起相互錯(cuò)開(kāi)，具有較佳的布齒效果，即可以形成局部凸起的交叉覆蓋(也可以理解為在縱向形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)，如圖13，以及圖21的心部區(qū)域)，明顯延長(zhǎng)切削齒的可磨損長(zhǎng)度。且在交叉覆蓋區(qū)域的切削齒仍然為暴露在刀翼外的表鑲齒，可保持鉆進(jìn)時(shí)的高比壓。此外，本方案中，也允許各曲線(xiàn)上的局部凸起在鉆頭的徑向位置重合。同時(shí)，刀翼上有若干個(gè)局部凸起的存在，增加了鉆頭的排肩空間，減少巖肩在切削齒附近的堆積，有利于切削齒的散熱與冷卻，減少切削齒的熱磨損，從另一方面提升了鉆頭的工作性能。
[0028]作為優(yōu)選，至少有40%數(shù)量的刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0029]上述方案中，異廓的刀翼數(shù)量若保持在一定比例范圍，能夠更好、更科學(xué)地發(fā)揮異廓刀翼的異步切削作用。顯然，在該方案中40%的比例可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非整數(shù)的結(jié)果，此時(shí)，根據(jù)常識(shí)的理解，需要進(jìn)行圓整:例如，鉆頭總共有6個(gè)刀翼，那么40%就是2.4，圓整為2個(gè)刀翼。
[0030]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)的不重合區(qū)域?qū)挾戎辽僬笺@頭半徑的四分之一。
[0031]上述方案中，異步區(qū)域范圍若保持在一定比例，能夠更好地發(fā)揮鉆頭的異步切削作用。增加異步區(qū)域的長(zhǎng)度能夠讓鉆頭各個(gè)區(qū)域內(nèi)切削齒的壽命相互匹配，達(dá)到降低鉆進(jìn)成本的目的。
[0032]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區(qū)域。
[0033]對(duì)于roc鉆頭而言，在外部三分之一區(qū)域，切削齒磨損速度較快。采用上述方案，異步區(qū)域能覆蓋鉆頭上切削齒失效速度快的區(qū)域，從而顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度、增加切削結(jié)構(gòu)侵入巖石的能力，提升鉆頭壽命，降低鉆進(jìn)成本。
[0034]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之二半徑以?xún)?nèi)的徑向區(qū)域。
[0035]在某些特殊工況下，如復(fù)合鉆井過(guò)程中，鉆頭運(yùn)動(dòng)條件復(fù)雜，不僅存在橫向振動(dòng)，而且存在擺振，且鉆頭可能處于與井眼中心線(xiàn)不平行的工作狀態(tài)。對(duì)于本發(fā)明復(fù)合鉆頭而言，在外部區(qū)域由盤(pán)刀與固定刀翼的共同工作區(qū)域，而心部區(qū)域相對(duì)比較薄弱，在這種條件下，鉆頭內(nèi)部區(qū)域的切削齒容易因偏載而發(fā)生快速磨損。由于PDC鉆頭的內(nèi)部區(qū)域齒數(shù)較少，所以，一旦個(gè)別齒失效，很容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)切失效現(xiàn)象的發(fā)生，這種失效現(xiàn)象俗稱(chēng)“掏心”現(xiàn)象。該方案中，將異步區(qū)域布置在鉆頭三分之二半徑以?xún)?nèi)的區(qū)域，能夠顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度，從而延長(zhǎng)了 PDC鉆頭在復(fù)合鉆井等特殊復(fù)雜工況下的使用壽命，減少甚至避免掏心現(xiàn)象的發(fā)生。
[0036]作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線(xiàn)的局部凸起形狀相似或相同，亦可以不相似或不相同。作為優(yōu)選，至少50%數(shù)量的刀翼本體輪廓線(xiàn)的局部凸起形狀相似或相同。顯然，在該方案中50%的比例可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非整數(shù)的結(jié)果，此時(shí)，需要進(jìn)行圓整。例如，鉆頭總共有5個(gè)刀翼本體輪廓線(xiàn)，那么50 %就是2.5，圓整為2個(gè)刀翼本體輪廓線(xiàn)。
[0037]作為優(yōu)選，局部凸起的形狀可以為類(lèi)似拋物線(xiàn)形，梯形，圓形，橢圓形等等，亦可以為它們之間的組合，如圖9所示。
[0038]作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線(xiàn)局部凸起的高度不低于8mm。
[0039]作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線(xiàn)整體或大部分外凸的高度不低于8mm。
[0040]上述方案中，首先對(duì)凸起區(qū)域的界點(diǎn)作如下闡述:對(duì)于整體外凸的區(qū)域，其凸起界點(diǎn)應(yīng)分別為刀翼本體輪廓線(xiàn)靠近鉆頭心部的端點(diǎn)以及刀翼本體輪廓線(xiàn)冠部與保徑區(qū)域的分界點(diǎn)，如圖10(a)中所示的點(diǎn)322;對(duì)于大部分外凸或局部凸起的區(qū)域，若整個(gè)凸起居于同一條平滑曲線(xiàn)的兩個(gè)波谷之間，那么這兩個(gè)波谷必有一條公切線(xiàn)以及分別兩個(gè)切點(diǎn)，這兩個(gè)切點(diǎn)即為其凸起界點(diǎn)，如圖10(b)中所示的點(diǎn)322;若整個(gè)凸起兩端為不同曲線(xiàn)段的非光滑連接點(diǎn)，則此連接點(diǎn)即作為該凸起的界點(diǎn)，如圖1O (c)中所示的點(diǎn)322;若某個(gè)凸起的一側(cè)為具有波谷的連續(xù)平滑曲線(xiàn)，另一側(cè)為前文所述的曲線(xiàn)段非光滑連接點(diǎn)，則該連接點(diǎn)首先作為其界點(diǎn)之一，另一界點(diǎn)即為自該點(diǎn)向凸起另一側(cè)平滑曲線(xiàn)段波谷處所作切線(xiàn)的切點(diǎn)，如圖10(d)中所示的點(diǎn)322。據(jù)此，某凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的寬度定義為該凸起兩側(cè)界點(diǎn)連線(xiàn)之長(zhǎng)度，如圖10中所示的W，其高度則定義為凸起曲線(xiàn)上的點(diǎn)至兩側(cè)界點(diǎn)連線(xiàn)的最遠(yuǎn)距離，如圖10中所示的H，凸起曲線(xiàn)上取得該最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)即為該凸起的頂點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，由于凸起的形狀可以有很多的變化情況，上述定義雖然只是針對(duì)有限的幾種凸起形狀做出的，但其基本精神同樣適用于不同形狀凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的其它情況。本專(zhuān)利全文中涉及凸起的區(qū)域(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的計(jì)算均按此方法，不再重復(fù)。
[0041]作為優(yōu)選，異廓刀翼在鉆頭冠頂區(qū)域或鼻部區(qū)域的局部凸起高度大于其他區(qū)域。
[0042]在鉆頭穿越夾層、礫石層等不均質(zhì)地層條件時(shí)，鉆頭的鼻部、肩部往往承載大量破巖載荷、功耗，使得這些部位的切削齒快速磨損，進(jìn)而使鉆頭過(guò)早失效。該方案中，通過(guò)增高鉆頭冠頂區(qū)域或鼻部區(qū)域的局部凸起，不僅提升了鉆頭在這些部位的巖石吃入能力，也增加了其磨損長(zhǎng)度，從而在提升鉆進(jìn)效率的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了鉆頭壽命。
[0043]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，所述各曲線(xiàn)之間至少有一個(gè)局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本體輪廓線(xiàn)之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯(cuò)開(kāi)。
[0044]作為優(yōu)選，至少有一個(gè)刀翼同時(shí)具有前置刀翼本體輪廓線(xiàn)和至少一條后置刀翼本體輪廓線(xiàn)，前置刀翼本體輪廓線(xiàn)和后置刀翼本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)。優(yōu)選，局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線(xiàn)部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0045]上述方案實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)異步刀翼的切削結(jié)構(gòu)合并在一個(gè)刀翼體上。該方案中，同一刀翼上沿兩條不同的刀翼本體輪廓線(xiàn)設(shè)置有至少兩排切削齒，因此可以不增加刀翼數(shù)量的條件下，增加鉆頭的布齒密度，強(qiáng)化鉆頭的異步切削結(jié)構(gòu)，同時(shí)也利于擴(kuò)大鉆頭的流道，更充分、有效地利用鉆頭工作空間，提高鉆頭的綜合性能。
[0046]作為優(yōu)選，所述刀翼上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。
[0047]該方案中，相對(duì)于刀翼本體輪廓線(xiàn)其出露高度小于或等于零的第二組切削齒和空槽(包括內(nèi)置齒和內(nèi)置表鑲齒等)以混合的方式同時(shí)布置于刀翼體，不僅能大大增加刀翼的磨損長(zhǎng)度，也有效利用了刀翼體空間，在確保鉆進(jìn)比壓的同時(shí)，進(jìn)一步地延長(zhǎng)了鉆頭壽命。
[0048]作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線(xiàn)上整體或大部分外凸或局部凸起對(duì)應(yīng)的刀翼區(qū)域內(nèi)布置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。
[0049]該方案中，由于刀翼體的局部凸起鉆進(jìn)比壓高，切削齒布置數(shù)量較少，因此相對(duì)普通刀翼更容易磨損，這部分刀翼體磨損后，該區(qū)域設(shè)置空槽可使已磨損的切削齒在外部載荷下迅速脫離刀翼體，進(jìn)而暴露出空槽以及第二組切削齒，對(duì)已磨損區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，在保證了鉆頭使用壽命的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆頭切削巖石的能力進(jìn)行了更新。
[0050]同樣地，作為優(yōu)選，盤(pán)刀上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組盤(pán)刀切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組盤(pán)刀切削齒。
[0051 ]作為優(yōu)選，對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線(xiàn)局部凸起的刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相切。
[0052]作為優(yōu)選，對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線(xiàn)局部凸起的刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)部分重合。
[0053]作為優(yōu)選，至少有一個(gè)盤(pán)刀的盤(pán)刀體外緣輪廓線(xiàn)為具有至少三個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，形成具有波浪形或星形的盤(pán)刀體外緣輪廓。
[0054]上述方案中，局部凸起的界點(diǎn)均與固定刀翼上局部凸起的定義相同，但其寬度可以表示為兩個(gè)界點(diǎn)之間的角度，如圖15所示。設(shè)置在局部凸起的盤(pán)刀盤(pán)刀齒，位于同一圓周上，如圖，15、26及27。
[0055]作為優(yōu)選，鉆頭本體上設(shè)有獨(dú)立的輪掌，盤(pán)刀安裝在輪掌上，與輪掌形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
[0056]作為優(yōu)選，輪掌與刀翼成為一體，盤(pán)刀設(shè)置在刀翼前端或/和后端;該方案中，將盤(pán)刀切削單元直接結(jié)合到固定刀翼上，節(jié)省了盤(pán)刀原本的支承結(jié)構(gòu)。此外由于直接采用了固定刀翼作為支承結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的盤(pán)刀軸和盤(pán)刀的結(jié)構(gòu)及其結(jié)合形式都將發(fā)生巨大的變化。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)副可以直接設(shè)于固定刀翼內(nèi)，盤(pán)刀的體積(特別是厚度)可以大大縮小。
[0057]作為優(yōu)選，刀翼上開(kāi)設(shè)有盤(pán)刀槽，盤(pán)刀安裝在盤(pán)刀槽內(nèi)形成雙側(cè)支撐。該方案中，形成雙支持結(jié)構(gòu)，在節(jié)省了鉆頭空間的基礎(chǔ)上，能夠提高軸承的承載能力，同時(shí)盤(pán)刀軸的受力更均衡。因此，本發(fā)明盤(pán)刀軸承系統(tǒng)與現(xiàn)有同等尺寸的軸承系統(tǒng)相比可靠性和安全性更高，壽命更長(zhǎng)。
[0058]作為優(yōu)選，所述切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、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。
[0059]前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案;且本發(fā)明，(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)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。
[0060]名詞解釋:
[0061]切削齒的出露高度:是指切削齒刃的最高點(diǎn)到刀翼本體輪廓線(xiàn)上的距離。出露高度可以是正、是負(fù)，也可以等于零，當(dāng)切削齒刃暴露于刀翼本體之外時(shí)，齒的出露高度為正值。
[0062]第一組切削齒:布置于刀翼體布齒面上出露高度大于零的切削齒。
[0063]第二組切削齒:布置于刀翼上，且相對(duì)于刀翼本體輪廓線(xiàn)出露高度小于或等于零的切削齒。內(nèi)鑲齒以及內(nèi)置表鑲齒等等均屬于第二組切削齒。第二組盤(pán)刀切削齒概念參照該概念。
[0064]內(nèi)鑲齒:相對(duì)于刀翼本體輪廓線(xiàn)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(shí)現(xiàn)切削齒的固結(jié)。即切削齒完全鑲嵌在刀翼體或鉆頭體內(nèi)，如圖24b所示。
[0065]空槽:設(shè)置于第一組切削下方的刀翼體上，可以為貫通槽，也可為非貫通的盲槽?？詹鄣淖饔靡皇强梢云鸬綔p小鉆頭磨損后刀翼本體所承擔(dān)的對(duì)切削巖石不利的無(wú)效鉆壓，二是為內(nèi)置表鑲齒提供了布齒空間。
[0066]內(nèi)置表鑲齒: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。當(dāng)內(nèi)置表鑲齒前方的第一組切削齒和刀翼本體完全磨損后，內(nèi)置表鑲齒能像第一組切削齒那樣以表鑲齒的高比壓方式切削巖石，使鉆頭的切削效率得到一定程度的恢復(fù)。內(nèi)置表鑲齒不像內(nèi)鑲齒那樣完全嵌入在刀翼體內(nèi)，如圖24a所示。空槽的設(shè)計(jì)使得施加于內(nèi)置表鑲齒的鉆壓不被其周?chē)牡兑眢w吸收，亦即內(nèi)置表鑲齒的比壓不因附近刀翼體的存在而明顯降低，使得其工作條件與第一組切削齒一致或接近，亦即空槽內(nèi)切削齒附近的刀翼體不參與接觸巖石，從而使內(nèi)置表鑲齒工作時(shí)以表鑲形式切削巖石，因而其鉆進(jìn)比壓相對(duì)第一組切削齒而言沒(méi)有明顯降低，在保證切削齒吃入能力的同時(shí)，提高鉆頭的使用壽命O
[0067]盤(pán)刀可視為能相對(duì)鉆頭體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的刀翼，故內(nèi)置齒、內(nèi)置表鑲齒同樣可以類(lèi)似方式設(shè)置在盤(pán)刀體上。
[0068]布齒軸面或軸面:通過(guò)鉆頭中心軸線(xiàn)的平面，主要用于表達(dá)鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置，以及切削齒對(duì)井底巖石的覆蓋情況，以及井底的基本輪廓特征。
[0069]井底覆蓋圖:當(dāng)鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削齒的齒刃輪廓線(xiàn)與軸面相交形成交線(xiàn)，該交線(xiàn)為切削齒的軸面輪廓線(xiàn)，再將所有主切削齒的軸面輪廓線(xiàn)匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖。因?yàn)檩S面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對(duì)井底巖石的覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡(jiǎn)稱(chēng)覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。
[0070]鉆頭切削輪廓線(xiàn):在井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線(xiàn)相切的外包絡(luò)曲線(xiàn)，即為鉆頭切削輪廓線(xiàn)。該曲線(xiàn)表征了鉆頭所鉆出井底的基本輪廓特征。
[0071]刀翼切削輪廓線(xiàn):在鉆頭的井底覆蓋圖中，僅將某個(gè)指定刀翼上的切削齒表示出來(lái)，而將其它刀翼上的切削齒隱去，就形成了該刀翼的軸面布齒圖。在刀翼的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線(xiàn)相切的外包絡(luò)曲線(xiàn)，該包絡(luò)線(xiàn)即為該刀翼的切削輪廓線(xiàn)。
[0072]刀翼本體輪廓線(xiàn):在定義布齒軸面內(nèi)，若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，則對(duì)某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線(xiàn)將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個(gè)空間曲面，該空間曲面與軸面的交線(xiàn)即為刀翼的本體輪廓線(xiàn)。
[0073]前置、后置刀翼本體輪廓線(xiàn):若將兩個(gè)或更多的各自具有刀翼本體輪廓線(xiàn)的相鄰刀翼合并為同一刀翼，則合并后的刀翼體上就會(huì)出現(xiàn)多條刀翼本體輪廓線(xiàn)，這種情況下，沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向最前沿的稱(chēng)為前置刀翼本體輪廓線(xiàn)，其余均為后置刀翼輪廓線(xiàn)。同一刀翼體上的相鄰刀翼本體輪廓線(xiàn)之間也可設(shè)置流道、水眼以及噴嘴等必要結(jié)構(gòu)。
[0074]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0075](I)本發(fā)明復(fù)合鉆頭中固定刀翼的本體輪廓線(xiàn)的不相同，可以有效調(diào)節(jié)鉆頭的布齒密度，提高鉆頭適應(yīng)地層的范圍以及持續(xù)鉆進(jìn)能力。
[0076](2)本發(fā)明復(fù)合鉆頭盤(pán)刀上的切削齒與固定刀翼上的切削齒在井底共同作用形成交叉網(wǎng)狀的井底模式，有利于切削齒對(duì)巖石的有效吃入。盤(pán)刀上的切削齒交替工作減少或避免了固定齒鉆頭因少數(shù)切削齒失效帶來(lái)的鉆頭早期失效，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命。
[0077](3)本發(fā)明沿刀翼本體輪廓線(xiàn)布置的切削齒在井底覆蓋圖中形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)，能夠增加鉆頭的軸向磨損體積，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。在第一級(jí)切削齒發(fā)生磨損后，而暴露在外的次級(jí)切削齒能夠快速參與切削，并保持鉆進(jìn)的高比壓狀態(tài)。
[0078](4)本發(fā)明技術(shù)方案中鉆頭的刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)不完全相同，而是部分重合或接觸，其他區(qū)域不接觸。本發(fā)明中這種具有異步切削特征的的刀翼，在承擔(dān)的鉆壓相同時(shí)，相比于具有同步切削特征的刀翼，作用于巖石的比壓明顯高。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱(chēng)增壓效用)越顯著。
[0079](5)刀翼本體輪廓線(xiàn)由凸起部和凹陷部交替連接而成時(shí)。刀翼有凸起部與凹陷部的存在，增加鉆頭的排肩空間，減少巖肩在切削齒附近的堆積，有利于切削齒的散熱與冷卻，減少切削齒的熱磨損。
[0080](6)本發(fā)明減少鉆頭對(duì)地層條件的敏感性，拓寬單一鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍(從軟地層到硬地層)，在軟地層中，凸起及附近的切削齒可以視為一個(gè)大的切削元件來(lái)刮切地層，獲得較高的機(jī)械鉆速和鉆井效率。在硬地層中，依靠全程高比壓和軸向多層可磨損體積，獲得較高的機(jī)械鉆速和使用壽命。
[0081](7)本發(fā)明技術(shù)能夠?qū)?fù)合鉆頭局部薄弱的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，使得復(fù)合鉆頭的可持續(xù)鉆進(jìn)能力得到進(jìn)一步提高。
【附圖說(shuō)明】
[0082]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0083]圖2為現(xiàn)有鉆頭的布齒覆蓋圖；
[0084]圖3為本發(fā)明中重疊區(qū)域和不重疊區(qū)域的原理示意圖；
[0085]圖4為本體輪廓線(xiàn)整體外凸或大部分外凸的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0086]圖5為刀翼的本體輪廓線(xiàn)為整體外凸的單峰曲線(xiàn)且不同刀翼的凸起部分的頂點(diǎn)在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯(cuò)開(kāi)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0087]圖6為凸起沿徑向與鉆頭切削輪廓線(xiàn)方向錯(cuò)開(kāi)的示意圖；
[0088]圖7為本發(fā)明中刀翼本體輪廓線(xiàn)共同覆蓋區(qū)域、重合點(diǎn)、重合區(qū)域以及不重合區(qū)域的示意圖。
[0089]圖8為本體輪廓線(xiàn)局部凸起的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0090]圖9為本體輪廓線(xiàn)具有多個(gè)局部凸起且凸起形狀不同的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0091]圖10是本發(fā)明中凸起界點(diǎn)以及凸起寬度、凸起高度的定義示意圖；
[0092]圖11為圖1的刀翼本體輪廓線(xiàn)在覆蓋圖中的形狀；
[0093]圖12為圖1各刀翼的布齒圖；
[0094]圖13為圖1的總體覆蓋圖；
[0095]圖14為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0096]圖15為圖14的盤(pán)刀端面形狀；
[0097]圖16為圖14的覆蓋圖；
[0098]圖17為本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0099]圖18為圖17的俯視圖；
[0100]圖19為本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0101]圖20為本發(fā)明第五實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0102]圖21為圖20的井底覆蓋圖；
[0103]圖22、23為本發(fā)明第六實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0104]圖24為本發(fā)明中內(nèi)鑲齒與內(nèi)置表鑲齒的區(qū)別示意圖；
[0105]圖25為本發(fā)明中不同內(nèi)置表鑲齒的區(qū)別示意圖；
[0106]圖26、27為本發(fā)明第六實(shí)施例鉆頭上盤(pán)刀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0107]圖28為本發(fā)明第七實(shí)施例各刀翼的布齒圖；
[0108]圖中:1、鉆頭本體；11、鉆頭切削輪廓線(xiàn);2、盤(pán)刀;21、輪掌;3、刀翼;31、刀翼切削輪廓線(xiàn);32、刀翼的本體輪廓線(xiàn);321、刀翼本體輪廓線(xiàn)的凸起部分;322、凸起界點(diǎn);323、凸起頂點(diǎn)；33、刀翼布齒面;41、第一組切削齒;42a、內(nèi)置表鑲齒;42b、內(nèi)鑲齒;5、空槽;61、水眼或噴嘴;8、盤(pán)刀齒;81a為盤(pán)刀內(nèi)置表鑲齒、81b為盤(pán)刀內(nèi)鑲齒。
【具體實(shí)施方式】
[0109]下列非限制性實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。
[0110]實(shí)施例一
[0111]如圖1、11、12、13所示，一種具有異步切削原理的盤(pán)刀式鉆頭，包括鉆頭本體I，延伸至鉆頭本體I的若干刀翼3，相對(duì)鉆頭本體I轉(zhuǎn)動(dòng)連接的盤(pán)刀2，以及布置在鉆頭本體I上的水眼或噴嘴61，鉆頭本體I上有輪掌21，盤(pán)刀2安裝在輪掌21上，與輪掌21形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，盤(pán)刀2由盤(pán)刀體與安設(shè)在其外緣的盤(pán)刀齒8組成，刀翼3上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒41，刀翼3布齒面33上設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒41，在刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴61，至少有一個(gè)刀翼3的本體輪廓線(xiàn)32(可以包含前置刀翼本體輪廓線(xiàn)和后置刀翼本體輪廓線(xiàn))與至少另外一個(gè)刀翼3的本體輪廓線(xiàn)32在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。所述第一組切削齒41和盤(pán)刀齒8可以為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、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。
[0112]刀翼3的本體輪廓線(xiàn)可以是僅有一個(gè)整體或大部分外凸的單峰曲線(xiàn)，如圖4所示，也可以是如圖5所示的具有多個(gè)局部凸起的多峰曲線(xiàn)，其中，以圖2、4為例，標(biāo)記為R的水平方向?yàn)殂@頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向?yàn)殂@頭軸向，本專(zhuān)利中鉆頭覆蓋圖、刀翼本體輪廓線(xiàn)圖等在鉆頭軸面內(nèi)表示的示意圖中所指的鉆頭徑向、軸向均應(yīng)如此理解，不再贅述。以鉆頭的鉆進(jìn)方向?yàn)榭v坐標(biāo)軸，徑向?yàn)闄M坐標(biāo)軸。整體或大部分外凸是指單個(gè)刀翼本體輪廓線(xiàn)上的整段或大部分(外凸部分寬度與鉆頭半徑之比大于1/2)是一條呈外凸形的曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)由一個(gè)或多個(gè)外凸曲線(xiàn)段與一個(gè)或多個(gè)直線(xiàn)段連接而成。現(xiàn)有roc鉆頭的本體輪廓曲線(xiàn)一般是由一個(gè)圓弧段和與之光滑連接的另一個(gè)不同的圓弧段或直線(xiàn)段構(gòu)成(如圖4中的虛線(xiàn)所示)，其外凸的頂部區(qū)域被稱(chēng)為鉆頭的“冠頂”區(qū)域或鼻部區(qū)域。現(xiàn)有PDC鉆頭所常用的本體輪廓曲線(xiàn)主要包括以下幾種類(lèi)型(不計(jì)與鉆頭規(guī)徑相接處的小倒角):雙錐型:直線(xiàn)(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+直線(xiàn)(外肩部)；單圓弧型:直線(xiàn)(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部和外肩部)；雙圓弧型:直線(xiàn)(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+圓弧(外肩部)。這幾類(lèi)輪廓曲線(xiàn)都屬于整體或大部分外凸的情況，更具體地說(shuō)，均為整體外凸的單峰曲線(xiàn)。如圖4(a)、圖4(b)所示，其中圖4(a)中所示的刀翼本體輪廓線(xiàn)為整體外凸的曲線(xiàn)，圖4(b)中所示的刀翼本體輪廓線(xiàn)為大部分外凸的曲線(xiàn)，標(biāo)號(hào)32c的曲線(xiàn)為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線(xiàn)，在此以虛線(xiàn)形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線(xiàn)的特征。圖5所示的幾種情況是鉆頭各刀翼本體輪廓線(xiàn)整體或大部分外凸部分的頂點(diǎn)的徑向位置不相同的參考例。
[0113]本發(fā)明中的局部凸起，是指設(shè)置在單個(gè)刀翼本體輪廓線(xiàn)上局部區(qū)域(凸起部分寬度與鉆頭半徑之比小于等于1/2)的凸起部分321，每一個(gè)凸起部分稱(chēng)為一個(gè)局部凸起。構(gòu)成局部凸起的曲線(xiàn)可以是光滑曲線(xiàn)，也可以是非光滑曲線(xiàn)。如圖9(a)、(b)、(c)中所示的幾種情況，其中標(biāo)號(hào)32c的曲線(xiàn)為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線(xiàn)，以虛線(xiàn)形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的具有多個(gè)局部凸起的刀翼本體輪廓線(xiàn)的特征。作為示例，刀翼3的本體可以是僅有一個(gè)整體或大部分外凸的單峰曲線(xiàn)，如圖3、4、5所示，且凸起頂點(diǎn)323相互錯(cuò)開(kāi)，如圖3、5所示。當(dāng)?shù)兑肀倔w由多個(gè)局部凸起組成時(shí)，局部凸起的形狀可以是連續(xù)的類(lèi)拋物線(xiàn)如圖9(a)，也可以是多段曲線(xiàn)及圓弧組成的凸包形狀曲線(xiàn)，如圖9(b)，還可以是矩形，如圖9(C)，此外凸起的截面形狀還可以是梯形、橢圓形，菱形、正方形等折線(xiàn)形狀的凸起，以及其他形狀的曲線(xiàn)形式，在此僅列出其中較為典型的部分形式。
[0114]作為示例，當(dāng)?shù)兑?是具有多個(gè)局部凸起321的多峰曲線(xiàn)時(shí)，局部凸起的曲線(xiàn)可以是光滑曲線(xiàn)，也可以是非光滑曲線(xiàn)。在覆蓋圖中，各刀翼3在鉆頭徑向上相互錯(cuò)開(kāi)，如圖11所示。圖13為圖1的井底覆蓋圖，圖12為各個(gè)刀翼3的覆蓋圖，從圖中容易看出，各刀翼3的本體輪廓線(xiàn)32相互獨(dú)立，且各刀翼3的切削輪廓線(xiàn)32與鉆頭的切削輪廓線(xiàn)11僅在部分區(qū)域或點(diǎn)重合，各個(gè)刀翼3均具有異步切削功能。且在井底覆蓋圖中形成了交疊覆蓋(多級(jí)切削結(jié)構(gòu))，特別是在局部凸起321，暴露在刀翼體3外的切削齒相互交疊。當(dāng)率先與地層接觸的切削齒磨損后，暴露在外的次級(jí)切削結(jié)構(gòu)中的切削齒將很快參與切削，鉆頭鉆進(jìn)全過(guò)程都是尚比壓，有利于鉆頭機(jī)械鉆速的提尚。本方案中，也允許各刀翼本體輪廊線(xiàn)曲線(xiàn)上的凸起部分在鉆頭的徑向位置重合。
[0115]盤(pán)刀2轉(zhuǎn)動(dòng)連接在獨(dú)立牙掌21上，鉆進(jìn)時(shí)盤(pán)刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線(xiàn)的刮痕，而設(shè)置在固定刀翼3上的切削齒在井底形成同心圓狀的刮痕，兩套刮痕在井底共同形成交叉網(wǎng)狀的井底模式，有利用切削齒吃入地層，提高破巖效率。因此，本發(fā)明在復(fù)合鉆頭在延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命的同時(shí)，提高破巖效率。
[0116]作為上述實(shí)施方案的進(jìn)一步改進(jìn)，同一刀翼3同時(shí)具備一條刀翼本體輪廓線(xiàn)和至少一條后置刀翼輪廓線(xiàn)，且沿刀翼本體輪廓線(xiàn)和刀翼附加輪廓線(xiàn)固定有總共至少兩排第一組切削齒41。
[0117]實(shí)施例二
[0118]如圖14所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于:盤(pán)刀2包含至少三個(gè)部凸起321，形成波浪形或星形盤(pán)刀，如圖15所示。圖16為圖14的覆蓋圖(為清晰看到刀翼本體輪廓線(xiàn)，和盤(pán)刀體外緣輪廓線(xiàn)，僅給出了兩個(gè)刀翼的布齒情況)。
[0119]實(shí)施例三
[0120]如圖17、18所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，盤(pán)刀2直接固定在刀翼3上，且設(shè)置在刀翼3的前側(cè)面，而實(shí)施例一或二，設(shè)置盤(pán)刀的輪掌21獨(dú)立的設(shè)置在了鉆頭本體上。本實(shí)施例中，盤(pán)刀直接設(shè)置在刀翼體上，節(jié)約了鉆頭寶貴的空間位置，而且盤(pán)刀2并不替代刀翼3上的布齒情況，即不減少鉆頭總的金剛石布齒體積。正如本領(lǐng)域的研究人員所熟知的，盤(pán)刀2還可以是在刀翼3設(shè)置在刀翼3的后側(cè)面，以及在刀翼3體的前后側(cè)面均設(shè)置盤(pán)刀。
[0121]實(shí)施例四
[0122]如圖19所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，固定刀翼3上開(kāi)設(shè)有盤(pán)刀槽22，盤(pán)刀2設(shè)置在盤(pán)刀槽22中，形成雙側(cè)支撐。該結(jié)構(gòu)下，盤(pán)刀切削單元所占的空間體積大大縮小，盤(pán)刀2的止推面設(shè)置在位于固定刀翼3上的盤(pán)刀槽22的后側(cè)面，有利于保障軸承的性能；同等尺寸的該結(jié)構(gòu)軸承比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)軸承的壽命更長(zhǎng)，可靠性和安全性更高。
[0123]實(shí)施例五
[0124]如圖20、21所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一至四基本相同，不同之處在于，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)32為具有局部凸起321的曲線(xiàn)，且各曲線(xiàn)的不重合區(qū)域分布于鉆頭的內(nèi)徑向三分之二區(qū)域。曲線(xiàn)是具有多個(gè)凸起部分321的多峰曲線(xiàn)，沿著刀翼本體輪廓線(xiàn)32布齒，在心部區(qū)域形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)合鉆頭來(lái)講，在復(fù)雜鉆井條件下，心部區(qū)域相對(duì)薄弱，容易造成切削齒的早期失效，進(jìn)而造成鉆頭的失效。本發(fā)明能夠很好的加強(qiáng)心部區(qū)域的切削能能力和使用壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。
[0125]實(shí)施例六
[0126]如圖22-25所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一至五基本相同，不同之處在于，刀翼3上布置有第二組切削齒。在本發(fā)明中，凸起部分321布置的第一組切削齒41，是首先與地層接觸的切削齒，也最先磨損的切削齒。在凸起部分321布置內(nèi)鑲齒42a，能夠進(jìn)一步增加切削齒的可磨損體積，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭壽命，如圖24b所示。此外，刀翼上還可以布置另一種形式的第二組切削齒(內(nèi)置表鑲齒42b)，內(nèi)置表鑲齒42b設(shè)置在空槽5內(nèi)，如圖24a所示。其中，空槽5可以是如圖25(a)中貫穿刀翼前后側(cè)面的通槽，也可以是如圖25(b)中凹入刀翼前側(cè)面的凹槽。作為進(jìn)一步優(yōu)選，刀翼3的凸起部分321(局部凸起)及其附近區(qū)域設(shè)置有空槽5及內(nèi)置表鑲齒42a，作為鉆頭的第二組切削齒，如圖22、23所示。同樣的盤(pán)刀切削上也可以設(shè)置盤(pán)刀內(nèi)鑲齒81a或盤(pán)刀內(nèi)置表鑲齒81b，如圖26、27所示。
[0127]實(shí)施例七
[0128]如圖28所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于:所述刀翼3的本體輪廓線(xiàn)32為具有多個(gè)凸起部分321(局部凸起)的多峰曲線(xiàn)，不同刀翼的局部凸起在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯(cuò)開(kāi)，且對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線(xiàn)局部凸起的刀翼切削輪廓線(xiàn)與鉆頭切削輪廓線(xiàn)相切。上述任一刀翼的本體輪廓線(xiàn)32都不相同，所述刀翼3的本體輪廓線(xiàn)32上至少有兩個(gè)局部凸起，局部凸起的高度大于等于2_。
[0129]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體若干個(gè)刀翼，相對(duì)鉆頭本體轉(zhuǎn)動(dòng)連接的盤(pán)刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，盤(pán)刀由盤(pán)刀體和設(shè)置于其外緣的盤(pán)刀齒組成，其特征在于:至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。2.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為整體或大部分外凸的曲線(xiàn)，且所述各曲線(xiàn)外凸區(qū)域頂點(diǎn)沿鉆頭徑向的徑向位置不同。3.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線(xiàn)均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線(xiàn)，且所述曲線(xiàn)之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線(xiàn)部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。4.如權(quán)利要求3所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述曲線(xiàn)之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區(qū)域。5.如權(quán)利要求3所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述曲線(xiàn)之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭徑向三分之二半徑以?xún)?nèi)的徑向區(qū)域。6.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述刀翼上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。7.如權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:刀翼本體輪廓線(xiàn)上整體或大部分外凸或局部凸起對(duì)應(yīng)的刀翼區(qū)域內(nèi)布置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。8.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:至少有一個(gè)盤(pán)刀的盤(pán)刀體外緣輪廓線(xiàn)為具有三個(gè)或三個(gè)以上局部凸起的曲線(xiàn)。9.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:鉆頭本體上設(shè)有獨(dú)立的輪掌，盤(pán)刀安裝在輪掌上，與輪掌形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接;或者，輪掌與刀翼成為一體，盤(pán)刀設(shè)置在刀翼前端或/和后端；或者，刀翼上開(kāi)設(shè)有盤(pán)刀槽，盤(pán)刀安裝在盤(pán)刀槽內(nèi)形成雙側(cè)支撐。10.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的盤(pán)刀式復(fù)合鉆頭，其特征在于:盤(pán)刀上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。
【文檔編號(hào)】E21B10/43GK106014266SQ201610630906
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月2日
【發(fā)明人】楊迎新, 張春亮, 戚清亮, 林敏 , 黃奎林, 王吉
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué), 成都為石油科技有限公司, 成都為一石油科技有限公司