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、盾構(gòu)及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鉆進鉆頭。

背景技術(shù)：

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PDC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)合片來剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，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刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個切削元件(對PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡稱復(fù)合片或PDC齒)。但當(dāng)鉆遇硬地層時，PDC鉆頭的鼻部和肩部上的切削齒很難有效吃入地層，從而大大降低了機械鉆速。

西南石油大學(xué)提交的中國專利“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”(專利號：201010229371.9)中首次將PDC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|≤90°)的轉(zhuǎn)輪(該大偏移角的轉(zhuǎn)輪即本申請所稱的盤刀，本申請中的偏移角和軸傾角與上述專利中相同)上，同時也設(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動模式形成交叉網(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械鉆速。

但是，在包括上述專利技術(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行設(shè)計，即每個刀翼上不同徑向位置的切削齒同時或同步(或基本同時、基本同步)進入工作狀態(tài)，開始切削井底巖石，并同時開始發(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)定鉆進狀態(tài))鉆削巖石時，同時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，或保護切削齒作用的緩沖結(jié)構(gòu)，如緩沖節(jié)或緩沖齒等)。

在鉆頭設(shè)計過程中，通常會任意確定一個通過鉆頭中心軸線的平面作為布齒軸面(亦簡稱為軸面)，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旋轉(zhuǎn)時，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線， 該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將鉆頭上所有主切削齒(或若干指定刀翼或盤刀上的所有主切削齒)的軸面輪廓線匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼或盤刀的軸面布齒圖)。因為軸面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對井底巖石的徑向覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。

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相切的外包絡(luò)曲線，即為鉆頭的切削輪廓線(也即鉆頭的冠部輪廓線)，如圖2所示，為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)PDC鉆頭的井底覆蓋圖，其中，標(biāo)記為R的水平方向為鉆頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向為鉆頭軸向，標(biāo)號11的曲線即為現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭的切削輪廓線。

在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個指定刀翼或盤刀上的切削齒表示出來，而將其它刀翼或盤刀上的切削齒隱去，就形成了該刀翼或盤刀的軸面布齒圖。在刀翼或盤刀的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，該包絡(luò)線則稱之為該刀翼或盤刀的切削輪廓線。刀翼的切削輪廓線反映了當(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，該刀翼所獨立切削出的井底的基本或理想輪廓形狀特征。

若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則對某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面，該回轉(zhuǎn)曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線，如圖2或11所示，其中標(biāo)號為32的曲線，即為刀翼的本體輪廓線。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與其本體輪廓線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，基于實現(xiàn)同步切削原理的需要，現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭各個刀翼的本體輪廓線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均在同一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都是相同的一條曲線或相同曲線上的一段。這種特征可稱之為鉆頭各刀翼本體輪廓線的一致性或共線性。顯然，這種一致性或共線性不僅存在于各刀翼的本體輪廓線，而且對各刀翼的切削輪廓線也是成立的。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或同步切削井底巖石，進而形成井筒。

現(xiàn)有的具有同步切削原理的PDC鉆頭(包括具有盤刀的PDC鉆頭)在面對復(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，不僅鉆進效率受到限制，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時能夠具備較強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，但此時切削齒的磨損速度卻更快， 因此就形成了一個難鉆地層鉆頭設(shè)計中難以解決的矛盾：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)地層中鉆進時切削齒常常受到較強的沖擊載荷，易發(fā)生少量甚至個別切削齒的脫落、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)重時甚至連修復(fù)(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于：提出一種適用于難鉆地層的盤刀式復(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。

本實用新型目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種適用于難鉆地層的盤刀式復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的若干個刀翼，相對鉆頭本體轉(zhuǎn)動連接的盤刀，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，盤刀由盤刀體和設(shè)置于其外緣的盤刀齒組成，至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個不重合區(qū)域(或稱為異廓區(qū)域)，以及至少一個重合點或重合區(qū)域(或稱為同廓區(qū)域)。

對于本實用新型所涉及的鉆頭本體、刀翼、刀翼布齒面、水眼、噴嘴、刀翼本體輪廓線，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，為本實用新型鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為鉆頭本體、2為盤刀(即背景技術(shù)所述大偏移角的轉(zhuǎn)輪)、21為輪掌、8為盤刀齒、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，為本實用新型中各刀翼本體輪廓線示意圖(圖11為圖1鉆頭各刀翼本體輪廓線在覆蓋圖中形狀和位置)，其中，32為刀翼本體輪廓線。

在現(xiàn)有的技術(shù)中，鉆頭上所有刀翼的本體輪廓線均在同一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都屬于相同的一條曲線，或各為相同曲線上的一段。但在本實用新型 中，各刀翼可以具有獨立的、不隸屬于同一回轉(zhuǎn)曲面的刀翼本體輪廓線，且至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)同時具有不重合區(qū)域(以下稱為異廓區(qū)域)和重合點或重合區(qū)域(以下統(tǒng)稱為同廓區(qū)域，包含重合點和重合區(qū)域)。

值得說明的是，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起點與終點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，是指兩個或兩個以上刀翼相重疊的(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長刀翼(主刀翼)和一個短刀翼(副刀翼)的本體輪廓線示意圖，圖7(b)所示為同一鉆頭上兩個長刀翼(主刀翼)的本體輪廓線示意圖，顯然，圖7(a)和圖7(b)所表示刀翼共同覆蓋范圍是不同的。進一步地，各刀翼本體輪廓線在其共同覆蓋范圍內(nèi)的重合點可以是各曲線的交點，也可以是曲線之間的切點，如圖7(a)中陰影部分34所示的交點和切點；各刀翼本體輪廓線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)，刀翼本體輪廓線上除開重合點和重合區(qū)域(亦稱為同廓區(qū)域)的部分即為刀翼本體輪廓線的不重合區(qū)域(亦稱為異廓區(qū)域)。除重合點外，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。

刀翼上的第一組切削齒通常沿著刀翼的本體輪廓線布置，并形成相應(yīng)的刀翼切削輪廓線。按以上所述，現(xiàn)有鉆頭技術(shù)中，各個的刀翼切削輪廓線在井底覆蓋圖中重合為同一曲線，同時，這條曲線也是整個鉆頭的切削輪廓線，且與刀翼的本體輪廓線平行或基本平行。而本實用新型中具有若干不重合區(qū)域的各刀翼本體輪廓線將會自然形成具有若干不重合區(qū)域的刀翼切削輪廓線，如圖3所示，由兩個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，鉆頭切削輪廓線實際上就是各刀翼切削輪廓線在同一軸面內(nèi)的率先與地層接觸區(qū)域的疊加，如圖3、12、21標(biāo)號11即為鉆頭切削輪廓線，標(biāo)號31為刀翼切削輪廓線。綜合起來，若某一個刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)同時具有若干個異廓區(qū)域和若干個同廓區(qū)域，則該刀翼的切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線在部分區(qū)域不重合(稱為異步切削區(qū)域，以下簡稱異步區(qū)域)，而在另一部分區(qū)域(包括一個點或一段曲線)相重合或基本重合(稱為同步切削區(qū)域，以下簡稱同步區(qū)域)。顯然，刀翼本體輪廓線的異廓區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線的異步區(qū)域，同廓區(qū)域則與同步區(qū)域相對應(yīng)。

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始切削巖石工作。顯然，具有這種切削齒分階段工作特點的刀翼稱之為異步切削刀翼(簡稱異步刀翼)，在承擔(dān)的鉆壓相同時，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(簡稱增壓效用)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或同步的參與切削巖石稱之為同步切削。包含異步刀翼的鉆頭稱為異步切削鉆頭(簡稱異步鉆頭)。

如果鉆頭上某異步刀翼的切削輪廓線上只有單個點或者單個很窄的區(qū)域與鉆頭切削輪廓線相重合或基本重合，則意味著該刀翼的切削輪廓線在這個點或者很窄區(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則相對鉆頭切削輪廓線內(nèi)凹，顯然，只有在凸起部位的切削齒是從一開始就工作，隨著這個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始接觸并切削巖石。同樣，如果某異步刀翼的切削輪廓線上有若干個點或若干相互間斷的局部區(qū)域與鉆頭切削輪廓線相重合，則該刀翼的切削輪廓線在這些位置是局部外凸的，而其余區(qū)域則相對鉆頭切削輪廓線內(nèi)凹，故在鉆頭的鉆進過程之初，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入切削巖石的過程，從而實現(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，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常規(guī)刀翼。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡稱增壓效用)越顯著。如果鉆頭全部刀翼都采用異步刀翼，則此時鉆頭可稱為全異步鉆頭，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。

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，其切削輪廓線是外凸的，相應(yīng)位置的刀翼本體輪廓線自然也外凸，如圖8所示。進一步，刀翼本體輪廓線上具有多個局部凸起時，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。對兩個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)，兩刀翼本體輪廓線之間的交叉或相交點就越多。若將鉆頭上多個異步刀翼的局部凸起位置交錯分布，就能利用相互交疊的多個局部凸起完成對井底部分甚至全部徑向區(qū)域的覆蓋。在鉆井過程中，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效越長，另一方面刀翼本體輪廓線的長度也越長，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比壓的基礎(chǔ)上延長了異步鉆頭的工作壽命。

本實用新型中，通過刀翼本體輪廓線可以有效調(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)鉆進能力。按本實用新型方案形成的梯次布齒可有效增加鉆頭的軸向可磨損體積，延長鉆頭的使用壽命。根據(jù)中國專利“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”(專利號：201010229371.9)所述，鉆進時盤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，本實用新型在復(fù)合鉆頭在延長鉆頭的使用壽命的同時，提高破巖效率。

因此，根據(jù)以上對本實用新型目的和原理的闡述，可以理解和確認(rèn)的是，本實用新型所界定的“刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個不重合區(qū)域(或稱為異廓區(qū)域)”不應(yīng)該做絕對的理解，即不應(yīng)該把現(xiàn)有技術(shù)中可能存在的，某些無意識下或偶然下或出于與本實用新型毫不相關(guān)的其他目的下導(dǎo)致的刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線存在較小程度的不重合涵蓋在內(nèi)；本領(lǐng)域技術(shù)人員基于前述本實用新型目的和原理的闡述，根據(jù)掌握的現(xiàn)有技術(shù)、公知常識，對于所述“不重合區(qū)域”的程度顯然能夠正確理解，無需特別予以界定；通常而言，為了較好地實現(xiàn)本實用新型的“提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力”目的，這個不重合區(qū)域占整個共同覆蓋范圍區(qū)域的比例宜不小于25％。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線，且所述各曲線外凸部分頂點沿鉆頭徑向的徑向位置不相同。

本方案中，刀翼本體輪廓線外凸區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上僅有一部分對應(yīng)于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相重合的區(qū)域(同步區(qū)域)；而刀翼本體輪廓線上的其余區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線不重合的區(qū)域(異步區(qū)域)。兩個刀翼外凸部分的頂點的徑向位置不相同，在設(shè)計時就可以使刀翼切削輪廓線在頂點相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線相重合，此時兩個刀翼頂點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，本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線實際上是單峰曲線，即刀翼本體輪廓線上僅存在一個凸起，如圖4所示。圖4(a)中所示的刀翼本體輪廓線為整體外凸的曲線，圖4(b)中所示的刀翼本體輪廓線為大部分外凸的曲 線，標(biāo)號32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，在此以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本實用新型中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線的特征。盡管刀翼本體輪廓為單峰曲線，若各刀翼本體輪廓曲線的局部凸起沿鉆頭徑向相互錯開，則這些刀翼仍然能具備異步區(qū)域。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯開。

與前述方案中僅有單個整體或大部分外凸的刀翼本體輪廓線不同，本方案中的刀翼本體輪廓線具有多個局部凸起，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上局部凸起沿鉆頭徑向(圖中箭頭A方向)部分或全部錯開；圖6(b)所示為各局部凸起沿鉆頭切削輪廓線分布，且不同刀翼本體輪廓線上局部凸起沿鉆頭切削輪廓線(圖中箭頭B方向)部分或全部錯開。值得說明的是，圖6(a)和圖6(b)中所表示的局部凸起分布以及錯開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。

上述方案中，刀翼本體輪廓線為具有一個或多個局部凸起的曲線，在設(shè)計時就可以使刀翼切削輪廓線在局部凸起的頂點相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線相重合，此時各刀翼局部凸起的頂點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)使鉆頭在鉆進過程中，同一時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，保證鉆頭鉆進全過程都是高比壓，有利于鉆頭機械鉆速的提高。

其次，起伏的刀翼本體輪廓線不僅使得同一刀翼本體輪廓線上的切削齒分階段參與破巖，也使其布齒長度更長，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比壓的基礎(chǔ)上延長了鉆頭的工作壽命。特別是刀翼的本體輪廓線上的局部凸起相互錯開，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切削結(jié)構(gòu)，如圖13，以及圖21的心部區(qū)域)，明顯延長切削齒的可磨損長度。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，可保持鉆進時的高比壓。此外，本方案中，也允許各曲線上的局部凸起在鉆頭的徑向位置重合。同時，刀翼上有若干個局部凸起的存在，增加了鉆頭的排屑空間，減少巖屑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。

作為優(yōu)選，至少有40％數(shù)量的刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個局部凸起沿鉆頭徑向部分或全部相互錯開。

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％的比例可能會導(dǎo)致一個非整數(shù)的結(jié)果，此時，根據(jù)常識的理解，需要進行圓整：例如，鉆頭總共有6個刀翼，那么40％就是2.4，圓整為2個刀翼。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線的不重合區(qū)域?qū)挾戎辽僬笺@頭半徑的四分之一。

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)域的長度能夠讓鉆頭各個區(qū)域內(nèi)切削齒的壽命相互匹配，達(dá)到降低鉆進成本的目的。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區(qū)域。

對于PDC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，降低鉆進成本。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之二半徑以內(nèi)的徑向區(qū)域。

在某些特殊工況下，如復(fù)合鉆井過程中，鉆頭運動條件復(fù)雜，不僅存在橫向振動，而且存在擺振，且鉆頭可能處于與井眼中心線不平行的工作狀態(tài)。對于本實用新型復(fù)合鉆頭而言，在外部區(qū)域由盤刀與固定刀翼的共同工作區(qū)域，而心部區(qū)域相對比較薄弱，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“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內(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。

作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線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％的比例可能會導(dǎo)致一個非整數(shù)的結(jié)果，此時，需要進行圓整。例如，鉆頭總共有5個刀翼本體輪廓線，那么50％就是2.5，圓整為2個刀翼本體輪廓線。

作為優(yōu)選，局部凸起的形狀可以為類似拋物線形，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。

作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線局部凸起的高度不低于8mm。

作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線整體或大部分外凸的高度不低于8mm。

上述方案中，首先對凸起區(qū)域的界點作如下闡述：對于整體外凸的區(qū)域，其凸起界點應(yīng)分別為刀翼本體輪廓線靠近鉆頭心部的端點以及刀翼本體輪廓線冠部與保徑區(qū)域的分界點，如圖10(a)中所示的點322；對于大部分外凸或局部凸起的區(qū)域，若整個凸起居于同一條平滑曲線的兩個波谷之間，那么這兩個波谷必有一條公切線以及分別兩個切點，這兩個切點即為其凸起界點，如圖10(b)中所示的點322；若整個凸起兩端為不同曲線段的非光滑連接點，則此連接點即作為該凸起的界點，如圖10(c)中所示的點322；若某個凸起的一側(cè)為具有波谷的連續(xù)平滑曲線，另一側(cè)為前文所述的曲線段非光滑連接點，則該連接點首先作為其界點之一，另一界點即為自該點向凸起另一側(cè)平滑曲線段波谷處所作切線的切點，如圖10(d)中所示的點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)界點連線之長度，如圖10中所示的W，其高度則定義為凸起曲線上的點至兩側(cè)界點連線的最遠(yuǎn)距離，如圖10中所示的H，凸起曲線上取得該最遠(yuǎn)距離的點即為該凸起的頂點。需要說明的是，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)的計算均按此方法，不再重復(fù)。

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。

在鉆頭穿越夾層、礫石層等不均質(zhì)地層條件時，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，進而使鉆頭過早失效。該方案中，通過增高鉆頭冠頂區(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，也增加了其磨損長度，從而在提升鉆進效率的基礎(chǔ)上延長了鉆頭壽命。

作為優(yōu)選，至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，所述各曲線之間至少有一個局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本體輪廓線之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯開。

作為優(yōu)選，至少有一個刀翼同時具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線，前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線。優(yōu)選，局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯開。

上述方案實質(zhì)上是將兩個異步刀翼的切削結(jié)構(gòu)合并在一個刀翼體上。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，強化鉆頭的異步切削結(jié)構(gòu)，同時也利于擴大鉆頭的流道，更充分、有效地利用鉆頭工作空間，提高鉆頭的綜合性能。

作為優(yōu)選，所述刀翼上設(shè)置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。

該方案中，相對于刀翼本體輪廓線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)以混合的方式同時布置于刀翼體，不僅能大大增加刀翼的磨損長度，也有效利用了刀翼體空間，在確保鉆進比壓的同時，進一步地延長了鉆頭壽命。

作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線上整體或大部分外凸或局部凸起對應(yīng)的刀翼區(qū)域內(nèi)布置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。

該方案中，由于刀翼體的局部凸起鉆進比壓高，切削齒布置數(shù)量較少，因此相對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，進而暴露出空槽以及第二組切削齒，對已磨損區(qū)域進行修復(fù)，在保證了鉆頭使用壽命的基礎(chǔ)上，對鉆頭切削巖石的能力進行了更新。

同樣地，作為優(yōu)選，盤刀上設(shè)置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組盤刀切削齒，或者至少一個空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組盤刀切削齒。

作為優(yōu)選，對應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。

作為優(yōu)選，對應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線部分重合。

作為優(yōu)選，至少有一個盤刀的盤刀體外緣輪廓線為具有至少三個局部凸起的曲線，形成具有波浪形或星形的盤刀體外緣輪廓。

上述方案中，局部凸起的界點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界點之間的角度，如圖15所示。設(shè)置在局部凸起的盤刀盤刀齒，位于同一圓周上，如圖，15、26及27。

作為優(yōu)選，鉆頭本體上設(shè)有獨立的輪掌，盤刀安裝在輪掌上，與輪掌形成轉(zhuǎn)動連接。

作為優(yōu)選，輪掌與刀翼成為一體，盤刀設(shè)置在刀翼前端或/和后端；該方案中，將盤刀切削單元直接結(jié)合到固定刀翼上，節(jié)省了盤刀原本的支承結(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)有的盤刀軸和盤刀的結(jié)構(gòu)及其結(jié)合形式都將發(fā)生巨大的變化。軸承轉(zhuǎn)動副可以直接設(shè)于固定刀翼內(nèi)，盤刀的體積(特別是厚度)可以大大縮小。

作為優(yōu)選，刀翼上開設(shè)有盤刀槽，盤刀安裝在盤刀槽內(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，同時盤刀軸的受力 更均衡。因此，本實用新型盤刀軸承系統(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。

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。

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。

名詞解釋：

切削齒的出露高度：是指切削齒刃的最高點到刀翼本體輪廓線上的距離。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，齒的出露高度為正值。

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。

第二組切削齒：布置于刀翼上，且相對于刀翼本體輪廓線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。第二組盤刀切削齒概念參照該概念。

內(nèi)鑲齒：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)。即切削齒完全鑲嵌在刀翼體或鉆頭體內(nèi)，如圖24b所示。

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)的對切削巖石不利的無效鉆壓，二是為內(nèi)置表鑲齒提供了布齒空間。

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?？詹鄣脑O(shè)計使得施加于內(nèi)置表鑲齒的鉆壓不被其周圍的刀翼體吸收，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)置表鑲齒工作時以表鑲形式切削巖石，因而其鉆進比壓相對第一組切削齒而言沒有明顯降低，在保證切削齒吃入能力的同時，提高鉆頭的使用壽命。

盤刀可視為能相對鉆頭體旋轉(zhuǎn)運動的刀翼，故內(nèi)置齒、內(nèi)置表鑲齒同樣可以類似方式設(shè)置在盤刀體上。

布齒軸面或軸面：通過鉆頭中心軸線的平面，主要用于表達(dá)鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置，以及切削齒對井底巖石的覆蓋情況，以及井底的基本輪廓特征。

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旋轉(zhuǎn)時，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線，該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將所有主切削齒的軸面輪廓線匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖。因為軸面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對井底巖石的覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。

鉆頭切削輪廓線：在井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，即為鉆頭切削輪廓線。該曲線表征了鉆頭所鉆出井底的基本輪廓特征。

刀翼切削輪廓線：在鉆頭的井底覆蓋圖中，僅將某個指定刀翼上的切削齒表示出來，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相切的外包絡(luò)曲線，該包絡(luò)線即為該刀翼的切削輪廓線。

刀翼本體輪廓線：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旋轉(zhuǎn)，則對某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個空間曲面，該空間曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線。

前置、后置刀翼本體輪廓線：若將兩個或更多的各自具有刀翼本體輪廓線的相鄰刀翼合并為同一刀翼，則合并后的刀翼體上就會出現(xiàn)多條刀翼本體輪廓線，這種情況下，沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向最前沿的稱為前置刀翼本體輪廓線，其余均為后置刀翼輪廓線。同一刀翼體上的相鄰刀翼本體輪廓線之間也可設(shè)置流道、水眼以及噴嘴等必要結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于：

(1)本實用新型復(fù)合鉆頭中固定刀翼的本體輪廓線的不相同，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)鉆進能力。

(2)本實用新型復(fù)合鉆頭盤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，有利于切削齒對巖石的有效吃入。盤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)切削齒失效帶來的鉆頭早期失效，延長了鉆頭使用壽命。

(3)本實用新型沿刀翼本體輪廓線布置的切削齒在井底覆蓋圖中形成多級切削結(jié)構(gòu)，能夠增加鉆頭的軸向磨損體積，延長鉆頭的使用壽命。在第一級切削齒發(fā)生磨損后，而暴露在外的次級切削齒能夠快速參與切削，并保持鉆進的高比壓狀態(tài)。

(4)本實用新型技術(shù)方案中鉆頭的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線不完全相同，而是部分重合或接觸，其他區(qū)域不接觸。本實用新型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，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(簡稱增壓效用)越顯著。

(5)刀翼本體輪廓線由凸起部和凹陷部交替連接而成時。刀翼有凸起部與凹陷部的存在，增加鉆頭的排屑空間，減少巖屑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。

(6)本實用新型減少鉆頭對地層條件的敏感性，拓寬單一鉆頭對地層的適應(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大的切削元件來刮切地層，獲得較高的機械鉆速和鉆井效率。在硬地層中，依靠全程高比壓和軸向多層可磨損體積，獲得較高的機械鉆速和使用壽命。

(7)本實用新型技術(shù)能夠?qū)?fù)合鉆頭局部薄弱的區(qū)域進行加強，使得復(fù)合鉆頭的可持續(xù)鉆進能力得到進一步提高。

附圖說明

圖1為本實用新型第一實施例的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有鉆頭的布齒覆蓋圖；

圖3為本實用新型中重疊區(qū)域和不重疊區(qū)域的原理示意圖；

圖4(a)、(b)為本體輪廓線整體外凸或大部分外凸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)、(b)為刀翼的本體輪廓線為整體外凸的單峰曲線且不同刀翼的凸起部分的頂點在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯開的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6(a)、(b)為凸起沿徑向與鉆頭切削輪廓線方向錯開的示意圖；

圖7(a)、(b)為本實用新型中刀翼本體輪廓線共同覆蓋區(qū)域、重合點、重合區(qū)域以及不重合區(qū)域的示意圖。

圖8為本體輪廓線局部凸起的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9(a)-(c)為本體輪廓線具有多個局部凸起且凸起形狀不同的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10(a)-(d)是本實用新型中凸起界點以及凸起寬度、凸起高度的定義示意圖；

圖11為圖1的刀翼本體輪廓線在覆蓋圖中的形狀；

圖12(a)-(h)為圖1各刀翼的布齒圖；

圖13為圖1的總體覆蓋圖；

圖14為本實用新型第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15為圖14的盤刀端面形狀；

圖16為圖14的覆蓋圖；

圖17為本實用新型第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖18為圖17的俯視圖；

圖19為本實用新型第四實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖20為本實用新型第五實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖21為圖20的井底覆蓋圖；

圖22、23為本實用新型第六實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖24(a)、(b)為本實用新型中內(nèi)鑲齒與內(nèi)置表鑲齒的區(qū)別示意圖；

圖25(a)、(b)為本實用新型中不同內(nèi)置表鑲齒的區(qū)別示意圖；

圖26、27為本實用新型第六實施例鉆頭上盤刀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖28(a)-(h)為本實用新型第七實施例各刀翼的布齒圖；

圖中：1、鉆頭本體；11、鉆頭切削輪廓線；2、盤刀；21、輪掌；3、刀翼；31、刀翼切削輪廓線；32、刀翼的本體輪廓線；321、刀翼本體輪廓線的凸起部分；322、凸起界點；323、凸起頂點；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、盤刀齒；81a為盤刀內(nèi)置表鑲齒、81b為盤刀內(nèi)鑲齒。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本實用新型。

實施例一

如圖1、11、12、13所示，一種具有異步切削原理的盤刀式鉆頭，包括鉆頭本體1，延伸至鉆頭本體1的若干刀翼3，相對鉆頭本體1轉(zhuǎn)動連接的盤刀2，以及布置在鉆頭本體1上的水眼或噴嘴61，鉆頭本體1上有輪掌21，盤刀2安裝在輪掌21上，與輪掌21形成轉(zhuǎn)動連接，盤刀2由盤刀體與安設(shè)在其外緣的盤刀齒8組成，刀翼3上設(shè)置有若干個第一組切削齒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，至少有一個刀翼3的本體輪廓線32(可以包含前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線)與至少另外一個刀翼3的本體輪廓線32在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個不重合區(qū)域，以及至少一個重合點或重合區(qū)域。所述第一組切削齒41和盤刀齒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。

刀翼3的本體輪廓線可以是僅有一個整體或大部分外凸的單峰曲線，如圖4所示，也可以是如圖5所示的具有多個局部凸起的多峰曲線，其中，以圖2、4為例，標(biāo)記為R的水平方向為鉆頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向為鉆頭軸向，本專利中鉆頭覆蓋圖、刀翼本體輪廓線圖等在鉆頭軸面內(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 鉆頭的鉆進方向為縱坐標(biāo)軸，徑向為橫坐標(biāo)軸。整體或大部分外凸是指單個刀翼本體輪廓線上的整段或大部分(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，該曲線由一個或多個外凸曲線段與一個或多個直線段連接而成?，F(xiàn)有PDC鉆頭的本體輪廓曲線一般是由一個圓弧段和與之光滑連接的另一個不同的圓弧段或直線段構(gòu)成(如圖4中的虛線所示)，其外凸的頂部區(qū)域被稱為鉆頭的“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主要包括以下幾種類型(不計與鉆頭規(guī)徑相接處的小倒角)：雙錐型：直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+直線(外肩部)；單圓弧型：直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部和外肩部)；雙圓弧型：直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+圓弧(外肩部)。這幾類輪廓曲線都屬于整體或大部分外凸的情況，更具體地說，均為整體外凸的單峰曲線。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為整體外凸的曲線，圖4(b)中所示的刀翼本體輪廓線為大部分外凸的曲線，標(biāo)號32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，在此以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本實用新型中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線的特征。圖5所示的幾種情況是鉆頭各刀翼本體輪廓線整體或大部分外凸部分的頂點的徑向位置不相同的參考例。

本實用新型中的局部凸起，是指設(shè)置在單個刀翼本體輪廓線上局部區(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，每一個凸起部分稱為一個局部凸起。構(gòu)成局部凸起的曲線可以是光滑曲線，也可以是非光滑曲線。如圖9(a)、(b)、(c)中所示的幾種情況，其中標(biāo)號32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本實用新型中所述的具有多個局部凸起的刀翼本體輪廓線的特征。作為示例，刀翼3的本體可以是僅有一個整體或大部分外凸的單峰曲線，如圖3、4、5所示，且凸起頂點323相互錯開，如圖3、5所示。當(dāng)?shù)兑肀倔w由多個局部凸起組成時，局部凸起的形狀可以是連續(xù)的類拋物線如圖9(a)，也可以是多段曲線及圓弧組成的凸包形狀曲線，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、正方形等折線形狀的凸起，以及其他形狀的曲線形式，在此僅列出其中較為典型的部分形式。

作為示例，當(dāng)?shù)兑?是具有多個局部凸起321的多峰曲線時，局部凸起的曲線可以是光滑曲線，也可以是非光滑曲線。在覆蓋圖中，各刀翼3在鉆頭徑向上相互錯開，如圖11所示。圖13為圖1的井底覆蓋圖，圖12為各個刀翼3的覆蓋圖，從圖中容易看出，各刀翼3的本體輪廓線32相互獨立，且各刀翼3的切削輪廓線32與鉆頭的切削輪廓線11僅在部分區(qū)域或點重合，各個刀翼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，暴露在外的次級切削結(jié)構(gòu)中的切削齒將很快參與切削，鉆頭鉆進 全過程都是高比壓，有利于鉆頭機械鉆速的提高。本方案中，也允許各刀翼本體輪廓線曲線上的凸起部分在鉆頭的徑向位置重合。

盤刀2轉(zhuǎn)動連接在獨立牙掌21上，鉆進時盤刀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，本實用新型在復(fù)合鉆頭在延長鉆頭的使用壽命的同時，提高破巖效率。

作為上述實施方案的進一步改進，同一刀翼3同時具備一條刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼輪廓線，且沿刀翼本體輪廓線和刀翼附加輪廓線固定有總共至少兩排第一組切削齒41。

實施例二

如圖14所示，本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于：盤刀2包含至少三個部凸起321，形成波浪形或星形盤刀，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，和盤刀體外緣輪廓線，僅給出了兩個刀翼的布齒情況)。

實施例三

如圖17、18所示，本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于，盤刀2直接固定在刀翼3上，且設(shè)置在刀翼3的前側(cè)面，而實施例一或二，設(shè)置盤刀的輪掌21獨立的設(shè)置在了鉆頭本體上。本實施例中，盤刀直接設(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)置盤刀。

實施例四

如圖19所示，本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于，固定刀翼3上開設(shè)有盤刀槽22，盤刀2設(shè)置在盤刀槽22中，形成雙側(cè)支撐。該結(jié)構(gòu)下，盤刀切削單元所占的空間體積大大縮小，盤刀2的止推面設(shè)置在位于固定刀翼3上的盤刀槽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，可靠性和安全性更高。

實施例五

如圖20、21所示，本實施例與實施例一至四基本相同，不同之處在于，至少有兩個刀 翼的本體輪廓線32為具有局部凸起321的曲線，且各曲線的不重合區(qū)域分布于鉆頭的內(nèi)徑向三分之二區(qū)域。曲線是具有多個凸起部分321的多峰曲線，沿著刀翼本體輪廓線32布齒，在心部區(qū)域形成多級切削結(jié)構(gòu)。對于復(fù)合鉆頭來講，在復(fù)雜鉆井條件下，心部區(qū)域相對薄弱，容易造成切削齒的早期失效，進而造成鉆頭的失效。本實用新型能夠很好的加強心部區(qū)域的切削能能力和使用壽命，進而延長鉆頭的使用壽命。

實施例六

如圖22-25所示，本實施例與實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。在本實用新型中，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，能夠進一步增加切削齒的可磨損體積，進而延長鉆頭壽命，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。同樣的盤刀切削上也可以設(shè)置盤刀內(nèi)鑲齒81a或盤刀內(nèi)置表鑲齒81b，如圖26、27所示。

實施例七

如圖28所示，本實施例與實施例一基本相同，其區(qū)別在于：所述刀翼3的本體輪廓線32為具有多個凸起部分321(局部凸起)的多峰曲線，不同刀翼的局部凸起在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯開，且對應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。上述任一刀翼的本體輪廓線32都不相同，所述刀翼3的本體輪廓線32上至少有兩個局部凸起，局部凸起的高度大于等于2mm。

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)。