一种复合刮切式金刚石钻头

摘要

本发明公开了一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼和盘刀，钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。本发明能够充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削区域的几何空间，同时提出固定切削齿切削轮廓的协调性设计方法，能拓宽盘刀切削齿与固定切削齿共同切削岩石的井底区域，提升钻头的破岩效率。

权利要求

1.一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼和盘刀，所述固定刀翼一体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述固定刀翼上布置有固定切削齿，所述盘刀通过盘刀支座安装在钻头体上，或者直接安装在固定刀翼上，并通过盘刀轴与盘刀支座或固定刀翼形成转动连接，盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀上设置有由盘刀切削齿组成的盘刀切削齿圈，其特征在于：钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线依照以下方法确定：(1)根据盘刀的直径和盘刀基准点，盘刀的偏移角、轴倾角，按照下式计算，得到盘刀的切削齿圈轮廓线：

式中：Rc为盘刀基准点的定位半径，Hc为为盘刀基准点的定位高度；α为盘刀的偏移角，β为盘刀的轴倾角，rc为盘刀切削齿圈轮廓线上任意一点在位置坐标系中的坐标，(r,h)为该点在钻头坐标系内任一钻头轴面内的坐标，ε为盘刀的外轮廓线参数方程的极角参数；

(2)在计算得到的盘刀切削齿圈轮廓线上所选取的工作段作为盘刀的切削轮廓线，将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线；所述两切削轮廓基本吻合是指0mm<不重合度≤3mm，所述两切削轮廓吻合是指不重合度＝0mm；且在共同切削区域内，盘刀切削轮廓线各点到固定切削齿切削轮廓线的最大法向距离，定义为该区域内两轮廓线的不重合度。

2.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：至少有一个盘刀的直径不小于钻头半径的50％，其工作区域角不小于90°，该盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/3，且钻头的冠顶区域包含在该共同切削区域之内。

3.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀，两个盘刀的切削轮廓线相吻合或基本吻合；所述直径基本相同指两者相差幅度不超过钻头直径的1％，径向位置基本相同指两盘刀中心点距离不超过钻头直径的1％。

4.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀，两个盘刀的切削轮廓线相吻合或基本吻合，且两盘刀的偏移角不相等和/或两盘刀上切削齿的侧转角不相等；所述直径基本相同指两者相差幅度不超过钻头直径的1％，径向位置基本相同指两盘刀中心点距离不超过钻头直径的

1％。

5.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：至少有两个盘刀设置在钻头的不同径向位置，且钻头的切削轮廓线在这两个盘刀与固定切削齿共同切削的区域呈外凸形状。

6.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：在同一盘刀轴上设置有至少两个能独立旋转的盘刀。

7.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：在钻头同一径向范围内设置有位于同一盘刀上的至少两个齿圈，或位于至少两个不同盘刀上的至少两个齿圈，该径向范围内的刀翼固定切削齿切削轮廓线与其中一个齿圈的切削轮廓线相吻合或基本吻合，或为位于两条齿圈切削轮廓线之间的曲线。

8.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：在钻头同一径向范围内设置有位于同一盘刀上的至少两个齿圈，或位于至少两个不同盘刀上的至少两个齿圈，该径向范围内的刀翼固定切削齿切削轮廓线与其中一个齿圈的切削轮廓线相吻合或基本吻合，两个齿圈的切削轮廓线之间具有不大于最小盘刀切削齿直径的1/5的距离。

9.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：所述刀翼固定切削齿与盘刀切削齿圈共同切削区域的切削轮廓线的长度之和不小于钻头切削轮廓线总长度的2/5，或者，刀翼固定切削齿与盘刀切削齿圈共同切削区域的切削轮廓线的径向宽度之和不小于钻头半径的1/3。

10.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：所述刀翼上设置储油孔，储油孔内安装有储油囊，润滑油或润滑脂加注在储油囊中，通过油孔与盘刀轴承腔连通安装在刀翼保径块的顶部斜面上开设的储油孔中，或者储油囊安装在刀翼保径块的保径工作面上开设的储油孔中。

说明书

一种复合刮切式金刚石钻头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于地面钻进的钻头，更具体的讲，本发明涉及一种复合刮切式金刚石钻头。

背景技术

[0002] 钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。三牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是当今钻井工程中使用得最多的钻头。

[0003] 三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩。现有三牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。

[0004] PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片剪切和破碎岩石。由于PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，在油气井的钻进中得到广泛使用。

[0005] 冠部轮廓(亦称切削轮廓)是钻头重要的结构特征之一，与钻头布齿密度、工作受力及水力结构紧密相关。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部(冠顶区域)、外锥、肩部和保径五部分。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(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓指在井底覆盖图中，所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。同样，牙轮钻头也具有独立的切削轮廓。钻头切削轮廓反映钻头在井底刮切岩石的工作状态，为提高钻头的钻进性能，研究人员对钻头的切削轮廓开展了大量的研究，取得了一定效果。

[0006] 中国专利“适应于钻高研磨性地层的PDC钻头”(专利号：200810139793.X)中，布置在固定刀翼上的切削齿，在钻头轴向上呈两层布置，形成平行或者近似平行的两套切削轮廓。其目的在于不降低机械钻速的基础上，延长在高研磨性地层中的使用寿命。自2009年美国贝壳休斯公司牙轮—PDC复合钻头技术的开发成功，国内外研究单位与生产企业开始对复合钻头进行研究，并开发具有自主知识产权的专利产品。贝壳休斯公司在近年来相继向美国以及世界知识产权组织提交了多份专利申请，其中美国专利“Hybrid bit with variable exposure”(专利号：US 8336646 B2)中，针对牙轮切削单元的切削轮廓与固定切削单元的切削轮廓进行了几种匹配设计。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号：201010229371.9)中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮(该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀)上，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元(包括刀翼结构)。大偏移角的安装使盘刀切削单元上的PDC齿在井底形成螺旋线的刮痕，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式。但盘刀切削单元的切削轮廓线是一条既非圆亦非椭圆的复杂曲线，必须采用特殊的设计方法才能保障固定刀翼与盘刀在预定井底区域内共同切削岩石。该专利技术方案中并未涉及该问题，且在钻头切削结构、盘刀轴承系统等方面存在不足或缺陷，使其技术效果受到明显限制。

[0007] 此外，作为现有钻头技术的重要内容，钻头牙齿按照破岩机理主要分为三大类：第一类为压碎型牙齿，主要包括由硬质合金制造的球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿等，多用在牙轮钻头上通过冲击压碎作用破岩；第二类为刮切型牙齿，主要包括由聚晶金刚石等超硬材料层和硬质合金基体共同构成的切削齿，其中以PDC切削齿为代表，通过切削齿工作面的刮切作用破岩；第三类为磨削型牙齿，以孕镶齿为代表，通过牙齿内部不断出露的超硬材料颗粒对岩石的磨削作用破岩。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于：提出一种复合刮切式金刚石钻头，能够充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削区域的几何空间，同时提出固定切削齿切削轮廓的协调性设计方法，能拓宽盘刀切削齿与固定切削齿共同切削岩石的井底区域，提升钻头的破岩效率。

[0009] 本发明目的通过下述技术方案来实现：

[0010] 一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，还可包括独立的盘刀支座，所述固定刀翼和盘刀支座延伸自钻头体形成一体式结构，或固定在钻头体上，所述固定刀翼上布置有固定切削齿，所述盘刀设置在盘刀支座和/或固定刀翼上，并通过盘刀轴与盘刀支座或固定刀翼形成转动连接，当所有盘刀均设置在固定刀翼上时，则钻头上取消盘刀支座。盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀上设置有由盘刀切削齿组成的盘刀切削齿圈。钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线依照以下方法确定：

[0011] (1)根据盘刀的直径和和盘刀基准点，盘刀的偏移角、轴倾角，按照下式计算，得到盘刀的齿圈轮廓线。其中盘刀参数的确定属于现有技术，本领域技术人员可以根据需要进行设定：对于盘刀在钻头上的位置设定，若钻头主要用于夹层岩石的破碎，则盘刀应考虑设置在钻头冠顶及附近区域，对该区域的固定切削结构进行加强；若钻头主要用在硬地层或高研磨性地层中，则应考虑将盘刀设置在钻头的外锥区域。另一方面，对于盘刀的尺寸设定，若盘刀设置于钻头芯部或内锥区域，则应该取较小的半径值，若盘刀设置于钻头冠顶或外锥区域，则应取较大的半径值；

[0012]

[0013]

[0014] 式中：Rc为盘刀基准点的定位半径，Hc为为盘刀基准点的定位高度；α为盘刀的偏移角，β为盘刀的轴倾角，rc为盘刀切削齿圈轮廓线半径，(x1,y1,z1)为盘刀切削齿圈轮廓线上任意一点在位置坐标系(直角坐标系)中的坐标，(r,h)为该点在钻头坐标系(圆柱坐标系)任一钻头轴面内的坐标，ε为盘刀的外轮廓线参数方程的极角(即盘刀切削齿圈轮廓线上特定点与O1点连线与坐标轴O1R1的夹角)，如图5所示；

[0015] (2)在计算得到的盘刀切削齿圈轮廓线上所选取的工作段(在确立了盘刀各项参数的基础上，根据设计要求在盘刀切削齿圈轮廓线上人为选取的一段曲线，如图7-17中所示的D或D1、D2、D3区域所对应的部分盘刀切削齿圈轮廓线)作为盘刀的切削轮廓线，将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。

[0016] 上述结构中，所述盘刀的偏移角α＝tan-1(s/c)，其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图2所示，AB为钻头中心轴线，CD为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面A1，A2是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面A1的平面，A3是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面A1的平面。盘刀上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，同一盘刀上布置于同一圈切削齿的集合称为一个盘刀切削齿圈，同一盘刀上可以设置一个或多个齿圈，且各齿圈直径不一定相等(盘刀体形状不一定为沿自身轴线为等直径的柱体)。在本发明中，若同一盘刀上有多个齿圈，则盘刀的各项几何参数(包括盘刀直径、盘刀基准平面、盘刀基准点、盘刀偏移角、盘刀轴倾角等)以该盘刀上某一选定齿圈为准；若同一盘刀上仅存在单一齿圈，则自然地以该齿圈为准。盘刀切削齿圈上各切削齿定位点所在的平面A4为盘刀基准平面，盘刀基准平面A4与盘刀轴线CD的交点E为盘刀基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。盘刀基准距c即为盘刀基准点E到平面A2的距离，盘刀移轴距s即为钻头轴线AB与盘刀极轴面A1之间的距离。沿钻头轴线从盘刀向钻头接头螺纹方向看(即逆钻头钻进方向看)时，盘刀的偏移角α为直线EF与平面A3之间的夹角，即有偏移角 α的取值为0～90°之间(含0°和90°)。根据盘刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是负值。盘刀偏移角正负号的规定为：沿与钻头钻进相反的方向看，并使E点位于平面A3的下方，若E点处于A2平面的左侧，则偏移角为正(如图3所示)，反之为负。若E点在A3平面上，偏移角等于0°；若E点在A2平面上，则偏移角等于90°(或-90°)。当偏移角的绝对值等于90°时，正偏移和负偏移的效果相同。另一方面，盘刀的轴倾角β即为盘刀轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。

[0017] 为便于理解，现对盘刀偏移角α的定义进行更直接地描述，如图3所示，在经过盘刀基准点E且垂直于钻头轴线的平面内，过E点作EF的垂线ET，则直线ET与盘刀轴线在该平面内投影直线的夹角即为盘刀偏移角，其正负可通过右手定则确定：使右手拇指指向钻头钻进方向，其余四指握住E点，若ET沿四指方向旋转α后与盘刀轴线的投影线重合，则偏移角α为正，反之则为负。

[0018] 此外，作为影响盘刀切削运动的重要参数，盘刀切削齿的前倾角δ和侧转角γ的定义如下：如图6所示，在过某盘刀齿工作面中心点且垂直于盘刀轴线的平面上，设盘刀轴线与该平面交点为O1，盘刀齿工作面中心点为N1，以O1为圆心，O1N1为半径在平面内作圆，则此圆称为该盘刀的齿心圆，进一步，在N1点作齿心圆切线，记为N1F，如图6(a)所示。在经过盘刀齿轴线和O1N1的剖面内，盘刀齿的轴线与过N1点且垂直于O1N1的平面之间的夹角定义为盘刀切削齿的前倾角δ，如图6(b)所示；又，在任一垂直于O1N1的平面内，盘刀齿轴线的投影与盘刀体轴线的投影之间的夹角即为盘刀切削齿的侧转角γ，如图6(c)所示。从另一个角度上看，可将盘刀齿自原始位置(无前倾、无侧转)绕N1F旋转的角度定义为盘刀切削齿的前倾角δ，进而，在具备前倾角的基础上，进一步使该盘刀齿绕O1N1旋转，该旋转角度即为盘刀切削齿的侧转角γ。其中，将盘刀齿绕N1F顺时针旋转的所得的前倾角δ规定为正(如图6(b)所示，前倾角δ的定义与金属切削中恰好相反，金属切削的负前角，在PDC齿的切削中为正前角)；将盘刀齿绕O1N1顺时针旋转所得的侧转角γ规定为正(图6(c)所示即为正)，反之为负。

[0019] 在本发明中，盘刀可以设置于固定刀翼上，也可以设置于独立的盘刀支座上。固定刀翼可以是钻头体的一部分，也可以通过焊接等方式固结在钻头体上，盘刀安装在盘刀轴上，或与盘刀轴为一体，盘刀通过盘刀轴与固定刀翼形成转动连接。同理，盘刀与盘刀支座、盘刀支座与钻头体也有同样的连接形式。刀翼与盘刀支座的区别在于，支座只起支承盘刀的作用，其上不设置切削齿或附加设置有少量切削齿但不承担主要切削任务。此外，将盘刀直接设置到固定刀翼上，可以节省盘刀原本的支承结构(即盘刀支座)。

[0020] 在上述设计方法中，如图4所示，O为钻头中心轴线，K为盘刀切削外轮廓，A1至A3为上述平面，A5为过盘刀基准点E且平行于A2的平面，A2与A5的距离即为基准距c，A6为过盘刀参考点E且过钻头中心线的轴平面。盘刀切削齿圈各个切削齿齿刃上，离盘刀基准点E最远的点所构成的轮廓线称为盘刀的齿圈轮廓线(以下简称齿圈轮廓线)。齿圈轮廓线上的任意一点P绕钻头中心线进行周向投影得到该点在过盘刀参考点E的轴平面A6上的点P’，同理将整个齿圈轮廓线向轴平面A6上进行周向投影便得到了在轴平面内的盘刀切削轮廓线(称为盘刀切削轮廓)。特别地，同一盘刀轴上具有两个及以上盘刀或同一盘刀上具有两个及以上盘刀切削齿圈时，固定切削齿切削轮廓线根据选定盘刀上的选定齿圈切削轮廓线确定，或根据两个齿圈切削轮廓线之间的曲线确定。

[0021] 在盘刀直径、盘刀基准点E位置、盘刀偏移角、盘刀轴倾角确定后，在轴平面内的盘刀切削轮廓线可以根据公式(1)和(2)得到。式中：α为偏移角；β为轴倾角；Rc为基准点E的定位半径；Hc为为基准点E的定位高度；ε为盘刀的外轮廓线参数方程的极角参数；(x1,y1,z1)为齿圈轮廓线上任意一点在位置坐标系中的坐标。如图5所示，为钻头的坐标系统，ORH是钻头圆柱坐标系，OH轴通过钻头中心线并指向钻头的钻进方向，K为盘刀切削外轮廓。盘刀切削齿圈中心点的坐标(Rc,θc,Hc)代表了盘刀在中心点(或参考点E)O1钻头上的空间位置。位置坐标系O1X1Y1，平面X1O1Z1为过盘刀切削齿圈中心O1的轴线平面；坐标轴O1Z1平行于钻头坐标系的OH轴，且与OH轴的指向相同；O1Y1轴指向O1点的周向线速度方向。从图中可以看出盘刀切削轮廓在轴平面内是非圆、非椭圆的复杂曲线。在得到盘刀切削轮廓后，在同一轴平面内根据盘刀切削轮廓线对固定切削齿切削轮廓进行协调性设计。在同一轴面内将盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓汇集在一起就是复合钻头的井底覆盖图，如图7所示。盘刀切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线的共同切削区域是指在预定的径向区域内，固定切削齿切削轮廓与盘刀切削轮廓虽然不重合或不完全重合，但比较贴近，且不重合度在预定范围之内。其中，同一盘刀轴上具有两个及以上盘刀或同一盘刀上具有两个及以上盘刀切削齿圈时，盘刀切削齿圈切削轮廓线在共同切削区域内选定齿圈轮廓线各点到另一齿圈切削轮廓线的法向距离(自选定齿圈切削轮廓线上的任一点作法向线，沿该法向线到另一齿圈切削轮廓线的距离)，定义为盘刀切削齿圈之间的最小间距，如图14中所标示的d0；另一方面，在共同切削区域内，盘刀切削轮廓线各点到固定切削齿切削轮廓线的最大法向(盘刀切削轮廓线在对应点的法线方向)距离，定义为该区域内两轮廓线的不重合度，如图8所示的d，该法向距离越大，该区域内两轮廓线之间的不重合度越大，不吻合程度越高。如图8、9、10或11所示，钻头半径的径向区域MN的距离为D，钻头半径为R，在给定的径向区域MN内盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓的不重合度为d。不重合度范围的预定值取决于对固定切削齿、盘刀切削齿的切削深度匹配的设计要求，一般不大于3mm，更多情况下不大于2mm。本发明中规定：当不重合度预定值在0mm(不含)至3mm(含)之间时，称两切削轮廓吻合基本吻合，特别地，当该预定值为零时，则称两切削轮廓吻合。在给定的径向区域MN内，盘刀切削齿与刀翼上固定切削齿的轴向高度差较小，能够同时参与井底岩石的切削，或在切削齿磨损到一定程度后同时参与井底岩石的切削。本申请所述盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度(即D)不小于钻头半径的1/4，即该盘刀径向区域MN的距离D≥1/4R。

[0022] 作为优选，在钻头同一径向范围内设置有位于同一盘刀上的至少两个齿圈，或位于至少两个不同盘刀上的至少两个齿圈，该径向范围内的刀翼固定切削齿切削轮廓线与其中一个齿圈的切削轮廓线相吻合或基本吻合，或为位于两条齿圈切削轮廓线之间的曲线。

[0023] 进一步，两个齿圈的切削轮廓线之间具有不大于最小盘刀切削齿直径的1/5的距离。

[0024] 作为优选，至少有一个盘刀的直径不小于钻头半径的50％，其工作区域角不小于90°，该盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/3，且钻头的冠顶区域包含在该共同切削区域之内。

[0025] 进一步，至少有一个盘刀的直径不小于钻头半径的60％，其工作区域角不小于90°，且该盘刀的切削轮廓线的长度不小于钻头切削轮廓线总长度的40％。

[0026] 上述方案中，工作区域角是指盘刀上某齿圈切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线共同工作段(共同切削岩石段)曲线两端点与该齿圈中心点连线所成的夹角，如图7至图12中所示的θ角。另一方面，钻头切削轮廓线总长度是指钻头在钻进过程中完全覆盖井底的钻头冠部轮廓线长度，该长度越大，则井底面积越大，如图7-17中所示的钻头半径R区域所对应的钻头切削轮廓线的长度。

[0027] 作为优选，刀翼固定切削齿与盘刀切削齿圈共同切削区域的切削轮廓线的长度之和不小于钻头切削轮廓线总长度的2/5，或者，刀翼固定切削齿与盘刀切削齿圈共同切削区域的切削轮廓线的径向宽度之和不小于钻头半径的1/3。

[0028] 作为优选，在共同切削区域内，盘刀切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线基本吻合，其不重合度不大于3mm。

[0029] 进一步，在共同切削区域内，盘刀切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线基本吻合，其不重合度不大于2mm。

[0030] 进一步，在共同切削区域内，盘刀切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线基本吻合，其的不重合度不大于1mm。

[0031] 上述方案中，在共同切削区域内两种切削轮廓之间的距离较小，吻合程度较高，两种切削结构上的切削齿越容易共同作用与井底岩石，在这方面有利于钻头破岩效率的提高。在本优选方式中，两种切削轮廓的匹配关系有几种较佳的形式：1、如图8所示，在共同切削区域MN内，盘刀切削轮廓在钻头钻进方向低于固定切削齿切削轮廓，且固定切削齿切削轮廓和盘刀切削轮廓在该区域内为等距曲线(平行曲线)。钻头工作钻进过程中，在钻头切削齿没有磨损或磨损较少时，切削轮廓较低的盘刀先不参与破岩工作。随着钻头继续工作，当其他切削齿磨损到一定程度时，切削轮廓较低的盘刀将参与破岩，即其作为后备盘刀，对钻头磨损状态下的切削能力作后备弥补，使钻头有更持久的工作能力；2、在共同切削区域MN内，盘刀切削轮廓和固定切削齿切削轮廓为等距曲线，且盘刀切削轮廓在钻头钻进方向高于固定切削齿切削轮廓，如图9所示。由于盘刀上的切削齿是交替工作的，不仅有效工作时间明显少于固定切削齿切削结构中的切削齿，而且冷却、散热条件比较好，不易发生热磨损，所以，在同等切削载荷条件下，盘刀切削齿的磨损速度明显慢于固定切削结构中的切削齿。当盘刀的切削轮廓高于固定切削结构的其他切削轮廓时，在相同钻压下，盘刀切削齿所分担的工作负荷较大，有利于帮助固定切削结构中的切削齿吃入、破碎岩石，且当钻遇硬夹层等不均质地层时，盘刀切削齿最先接触硬岩层交界面，能对固定切削齿形成有效保护，从而使切削齿的磨损更加均衡，有利于延长钻头寿命，提高钻进速度；3，如图10，为在共同切削区域MN内两种切削轮廓是除盘刀切削轮廓线的等距曲线以外的其它曲线。在保证吻合度的情况下，在钻进方向允许盘刀切削轮廓的一部分低于固定切削齿切削轮廓，一部分盘刀切削轮廓高于固定切削齿切削轮廓。

[0032] 进一步，在共同切削区域内盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓完全吻合(不重合度为0mm)。

[0033] 上述方案中，盘刀切削齿圈的切削轮廓与固定切削齿切削轮廓在共同切削区域MN内不重合度为0mm，能使得盘刀切削齿圈上的切削齿与固定刀翼上的切削齿同时接触井底，共同作用与井底岩石，提升钻头的破岩效率，如图7所示。

[0034] 作为优选，钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同(直径基本相同通常指两者相差幅度不超过钻头直径的1％，径向位置基本相同通常指两盘刀中心点距离不超过钻头直径的1％，以下相同，不再重复)的盘刀，两个盘刀的切削轮廓线相吻合或基本吻合。

[0035] 作为优选，钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀，两个盘刀的切削轮廓线相吻合或基本吻合，，且两盘刀的偏移角不相等和/或两盘刀上切削齿的侧转角不相等。

[0036] 上述方案中，通过对不同盘刀设置不同的偏移角，或者对不同盘刀上的切削齿设置不同的侧转角，不仅可以避免相同或基本相同径向位置的两个盘刀的切削齿发生“追踪”(切削齿轨迹单一，寻旧迹切削)现象，还可以促进复合钻头的交叉刮切作用，提高钻头的破岩效率和切削性能。

[0037] 作为优选，钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同的盘刀，两个盘刀的切削轮廓线相吻合或基本吻合，且两盘刀的偏移方向相反。

[0038] 上述方案中，两盘刀的偏移方向相反即将两盘刀的偏移角设置为一正一负，使得两盘刀产生的刮切轨迹为两个反方向的类螺旋或涡旋轨迹，配合固定切削齿的同心圆切削轨迹，在同一个复合钻头上实现了超过两个方向的交叉刮切。相比前一优选方案，该方案从另外一个角度促进了复合钻头的交叉刮切作用，提高钻头的破岩效率和切削性能。

[0039] 作为优选，至少有两个盘刀同时设置在同一固定刀翼的不同径向位置，如图15、图16所示，同时至少有一个盘刀设置在另一固定刀翼上，且不同刀翼上的盘刀在同一钻头轴面内沿钻头径向相互错开布置，如图17。

[0040] 进一步，至少有两个盘刀设置在钻头的不同径向位置，且固定切削齿切削轮廓线在这两个盘刀与固定切削齿共同切削的区域呈外凸形状。

[0041] 上述方案，如图15所示，固定切削齿切削轮廓可以是一整条平滑曲线，也可以如图16所示，固定切削齿在共同切削区域的切削轮廓完全根据盘刀切削轮廓确定，亦即固定切削齿切削轮廓线在这两个盘刀与固定切削齿共同切削的区域呈外凸形状，其余区域通过直线连接。其中D1、D2分别为不同径向位置盘刀切削与固定切削齿的共同切削区域,L为两相邻共同区域之间的间距(两个共同区域以上标记为L1、L2等)。需要注意的是，固定切削齿切削轮廓线与不同盘刀的共同区域之间可以有明显地过渡区域，即间距L(或L1、L2等)大于零；也可以没有过渡区域即间距L(或L1、L2等)等于零。

[0042] 作为优选，至少有一个盘刀的盘刀上布置有至少两个切削齿圈。

[0043] 进一步，同一盘刀上可仅设置同种类型的牙齿，如压碎型、刮切型、磨削型牙齿中的任意一种，同一盘刀上也可以同时设置上述不同类型的牙齿组合。

[0044] 进一步，所述同一盘刀上不同齿圈的直径不同。

[0045] 上述方案中，在一个盘刀上布置有至少两各切削齿圈，这样可以实现两个方面的益处：第一，当两排切削齿圈均为主切削齿时，显著增加了盘刀切削齿在井底工作区域内的覆盖密度，使交叉刮切的效果更加明显，井底不规则岩脊密度增加，使井底岩石具有更高的应力，降低了盘刀切削齿的工作负荷，因此可使钻头在难钻地层的工作性能得到改善。第二，两排齿圈中的一圈为盘刀上的主切削齿，另一圈为后备切削齿，这样便于在高布齿密度条件下实现同一盘刀上的主切削结构和后备切削结构的设置，增强钻头的可持续钻进能力。第三，若同一盘刀上的多个齿圈具有不同直径，则同一盘刀的多个切削轮廓线(由该盘刀上不同齿圈所确定)与固定切削齿切削轮廓线在共同切削区域内可以形成不同的匹配关系，从而使钻头在同一盘刀上实现不同切削效果的相互补充。

[0046] 作为优选，在同一盘刀轴上设置有至少两个能独立旋转的盘刀，且两盘刀上的切削齿侧转角可以不同。

[0047] 上述方案中，一方面，同一盘刀轴设置两个可独立旋转的盘刀，在空间不大幅增加的情况下增加了盘刀数量，提高了盘刀切削齿布齿密度，另一方面，两盘刀上切削齿侧转角不同可以使盘刀以不同转速(配合盘刀轴安装位置，甚至可能达到相反方向旋转的目的)自转，从而使复合钻头实现多方向交叉刮切的效果。

[0048] 作为优选，盘刀与盘刀所在的固定刀翼上的主切削齿在钻头旋转方向上独立设置，盘刀设置在主切削齿的前侧或后侧区域。

[0049] 上述方案中，固定刀翼上的主切削齿是指在钻头旋转方向上，分布于刀翼前面与顶面的交汇区域的固定切削齿。固定切削齿设置在刀翼前缘能使切削齿得到更好的清洗和冷却效果，所产生的岩屑能直接进入刀翼之间的水槽，更易于随钻井液等循环流体及时上返，这对钻头的性能起着至关重要的作用。盘刀与固定刀翼的独立设置具体是指盘刀切削齿在结构形式上并不替代固定刀翼上的主切削齿。盘刀切削齿不占据固定刀翼上切削齿的布齿空间，不会直接影响固定切削齿的布齿设计，固定切削结构的工作能力可得到保障，既有利于增强并延续钻头切削齿的交叉刮切破岩效果，也有利于保障主切削齿的清洗和冷却条件。

[0050] 进一步，所述盘刀轴的一端与刀翼固定联接或成为一体，所述盘刀套装在盘刀轴的另一端上形成转动连接。

[0051] 进一步，所述盘刀轴的一端与盘刀固定联接或成为一体，另一端与固定刀翼形成转动连接。

[0052] 作为优选，所述固定刀翼上开设有盘刀槽，盘刀设置在所述固定刀翼体上的盘刀槽中，所述盘刀与盘刀轴形成转动连接，盘刀轴的两端与固定刀翼形成固定连接。

[0053] 作为优选，所述固定刀翼上开设有盘刀槽，盘刀设置在所述固定刀翼体上的盘刀槽中，所述盘刀轴的两端与固定刀翼形成转动连接，且盘刀轴与盘刀形成固定连接或成为一体式结构。

[0054] 作为优选，所述固定刀翼上开设有盘刀槽，盘刀设置在所述固定刀翼体上的盘刀槽中，所述盘刀轴的两端与固定刀翼形成转动连接，且盘刀轴与盘刀也形成转动连接。

[0055] 上述方案中，在盘刀与盘刀轴形成转动连接的同时，盘刀轴与刀翼体也形成转动连接。如图42所示，在工作时，盘刀所有的转速分别由盘刀与盘刀轴、以及盘刀轴与刀翼这两两套运动共同分担，使得各运动副之间的转速更低，同时盘刀轴所受部分载荷能够直接传递给刀翼，在这方面能够该结构比现有结构的轴承承载能力更强，盘刀轴的受力更均衡，轴的强度更高，轴承的寿命更长。在盘刀的后方还可以设置固定切削齿，使交叉刮切破岩效果更好。

[0056] 作为优选，盘刀设置在独立的盘刀支座上，盘刀与盘刀轴的一端形成转动连接，盘刀轴的另一端与盘刀支座形成固定连接或成为一体式结构。

[0057] 作为优选，盘刀设置在独立的盘刀支座上，盘刀与盘刀轴的一端形成固定连接或成为一体式结构，盘刀轴的另一端与盘刀支座形成转动连接。

[0058] 作为优选，钻头上同时设置有刀翼、盘刀和牙轮三种切削结构。

[0059] 上述方案中，刀翼切削轮廓依然按照上述轮廓协调性设计方法确定，牙轮切削轮廓则在此基础上进一步确定。

[0060] 进一步，所述牙轮可直接或通过牙掌等支撑结构设置在钻头体上，且牙轮小端朝向钻头外侧，大端朝向钻头内侧，形成反装牙轮的结构形式。

[0061] 作为优选，盘刀轴上设有轴向定位结构或装置可以为滚珠定位、卡簧定位、销钉定位以及它们之间的组合。

[0062] 作为优选，刀翼切削齿为为PDC齿、锥形牙齿、楔形牙齿、勺形牙齿、孕镶齿，或为它们之间的组合。

[0063] 作为优选，盘刀切削齿为PDC齿、锥形牙齿、楔形牙齿、勺形牙齿、孕镶齿，或为它们之间的组合。

[0064] 作为优选，刀翼上设置储油孔，储油孔内安装有储油囊，润滑油或润滑脂加注在储油囊中，通过油孔与盘刀轴承腔连通安装在刀翼保径块的顶部斜面上开设的储油孔中，或者储油囊安装在刀翼保径块的保径工作面上开设的储油孔中。

[0065] 上述方案中，在刀翼上设置储油补偿系统，使轴承在长时间的重载工况下得到充分的润滑，避免轴承的胶合失效，提高轴承的工作稳定性，进而延长轴承的工作寿命。

[0066] 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；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。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。

[0067] 本发明的有益效果：

[0068] 1.采用固定切削齿轮廓的协调性设计方法，能拓宽盘刀切削齿与固定切削齿共同切削岩石的井底区域，从而使更多的盘刀切削齿、固定切削齿同时接触井底，共同作用于井底岩石，在更宽的范围内实现交叉刮切，提升钻头的破岩效率。

[0069] 2.盘刀切削齿不占据固定刀翼上主切削齿的布齿空间，不会直接影响主切削齿的布齿设计，尤其不会减少主切削齿的数量，固定切削结构的工作能力可得到保障，既有利于增强并延续钻头切削齿的交叉刮切破岩效果，又有利于延长钻头固定切削齿的寿命，主切削齿的清洗和冷却条件也能得到有效的保障。

[0070] 3.在保障固定切削齿切削轮廓与盘刀切削轮廓相协调的条件下，将不同盘刀上的切削齿设置成不同的侧转角，可以使盘刀具有不同的转速，既有利于避免盘刀切削齿寻旧迹切削，又有助于增进交叉刮切破岩效果。

[0071] 4.同一盘刀上具有多个直径不同的齿圈时，同一盘刀的多个切削轮廓线与固定切削齿切削轮廓线在共同切削区域内可以形成不同的匹配关系，从而使钻头在同一盘刀上实现不同切削效果的相互补充。

[0072] 5.在刀翼上设置储油补偿装置，能够有效利用刀翼体的空间，使盘刀、盘刀轴、刀翼之间的轴承得到良好润滑，减少磨损。

[0073] 6.盘刀通过盘刀轴与刀翼上设置的盘刀轴孔连接在刀翼上，制造工艺简单，成本低。

附图说明

[0074] 图1为本发明中复合刮切式金刚石钻头的结构示意图；

[0075] 图2为本发明中盘刀的移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β等几何位置参数的示意图；

[0076] 图3为本发明中盘刀为正移轴、正偏移时的几何位置及其参数s、c、α在钻头坐标系中沿钻头轴线钻进反方向的俯视图；

[0077] 图4为本发明中盘刀的齿圈轮廓线在钻头轴面内形成切削轮廓线的原理示意图；

[0078] 图5为本发明中盘刀与钻头位置关系示意图；

[0079] 图6为本发明中盘刀切削齿在盘刀上的方位参数示意图；

[0080] 图7为本发明中盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓汇集而成的复合钻头井底覆盖图；

[0081] 图8为本发明中共同切削区域MN内，盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓为平行曲线(固定切削齿切削轮廓是盘刀切削轮廓的法向平移曲线)，且盘刀切削轮廓沿钻进方向低于固定切削齿切削轮廓的示意图；

[0082] 图9为本发明中共同切削区域MN内，盘刀切削轮廓与固定切削齿切削轮廓为平行曲线(固定切削齿切削轮廓是盘刀切削轮廓的轴向平移曲线)，且盘刀切削轮廓沿钻进方向高于固定切削齿切削轮廓的示意图；

[0083] 图10为本发明中共同切削区域MN内，部分盘刀切削轮廓沿钻进方向高于固定切削齿切削轮廓的示意图；

[0084] 图11为本发明中共同切削区域MN内，两种切削轮廓不吻合、不平行、也不交叉的其他曲线的示意图；

[0085] 图12为本发明中共同切削区域MN拓展至钻头肩部区域的示意图；

[0086] 图13为本发明中一种切削轮廓线匹配情况示意图；

[0087] 图14为本发明中一种切削轮廓线匹配情况示意图；

[0088] 图15为本发明中固定切削齿切削轮廓分别与不同钻头径向位置的两个盘刀切削轮廓吻合的示意图，其中固定切削齿切削轮廓线为平滑曲线；

[0089] 图16为本发明中固定切削齿切削轮廓分别与不同钻头径向位置的两个盘刀切削轮廓吻合的示意图，其中固定切削齿切削轮廓线为多条首尾连接的曲线；

[0090] 图17为本发明中固定切削齿切削轮廓分别与不同钻头径向位置的三个盘刀切削轮廓吻合的示意图；

[0091] 图18为本发明中盘刀设置在盘刀支座上的示意图；

[0092] 图19为本发明中盘刀设置在盘刀支座上且盘刀支座上设置固定切削齿的结构示意图；

[0093] 图20为本发明中盘刀设置在主切削齿前侧区域的钻头结构示意图；

[0094] 图21为本发明中盘刀设置在主切削齿后侧区域的钻头结构示意图；

[0095] 图22为本发明中盘刀同时设置在主切削齿前侧和后侧区域的钻头结构示意图；

[0096] 图23为本发明中盘刀上设置有多排切削齿，且盘刀位于固定刀翼前方时的钻头俯视图；

[0097] 图24为本发明中盘刀设置在盘刀槽中形成双侧支撑的钻头结构示意图；

[0098] 图25为图24的俯视图；

[0099] 图26为本发明中盘刀设置在盘刀槽中形成双侧支撑，且盘刀上的切削齿为锥形齿的钻头结构示意图；

[0100] 图27为本发明中盘刀设置在盘刀槽中形成双侧支撑，且盘刀上的切削齿为锥形齿和PDC齿相间布置的钻头结构示意图；

[0101] 图28为本发明中盘刀布置于两刀翼之间的其中一种结构结构示意图；

[0102] 图29为本发明中盘刀布置于两刀翼之间的其中一种结构结构示意图；

[0103] 图30为本发明中两个盘刀同时设置在同一固定刀翼前侧不同钻头径向区域的钻头结构示意图；

[0104] 图31为本发明中两个盘刀同时设置在同一固定刀翼前侧不同钻头径向区域，且固定切削齿切削轮廓为与其上盘刀的切削轮廓相协调的起伏曲线的钻头结构示意图；

[0105] 图32为本发明中两个盘刀布置在刀翼后侧的不同钻头径向区域，且固定切削齿切削轮廓为与其上盘刀的切削轮廓相协调的起伏曲线的钻头结构示意图；

[0106] 图33为本发明中刀翼前后两侧的不同钻头径向区域均设置有两个盘刀，且固定切削齿切削轮廓为与其上盘刀的切削轮廓相协调的起伏曲线的钻头结构示意图；

[0107] 图34为本发明中同时设置有刀翼、盘刀和牙轮的钻头结构示意图；

[0108] 图35为本发明中同时设置有刀翼、盘刀和牙轮，且牙轮反装的钻头结构局部示意图；

[0109] 图36为本发明中刀翼切削元件为孕镶体的钻头覆盖图；

[0110] 图37为本发明中盘刀切削元件为孕镶体的示意图；

[0111] 图38为本发明中盘刀与盘刀轴固结，盘刀轴与固定刀翼转动连接，且盘刀设置于固定刀翼前侧区域的示意图；

[0112] 图39为本发明中盘刀轴与固定刀翼固定连接，盘刀套装在盘刀轴上形成转动连接，且盘刀设置于固定刀翼前侧区域的示意图；

[0113] 图40为本发明中盘刀设置在盘刀槽中与固定刀翼形成转动连接，盘刀与盘刀轴转动连接，盘刀轴与固定刀翼固定连接，且盘刀轴的轴向定位为卡簧的示意图；

[0114] 图41为本发明中盘刀设置在盘刀槽中，盘刀与盘刀轴形成固定连接，盘刀轴与固定刀翼形成转动连接，且盘刀轴的轴向定位为滚珠锁紧定位的示意图；

[0115] 图42为本发明中盘刀设置在盘刀槽中，盘刀与盘刀轴、盘刀轴与固定刀翼之间均为转动连接，且盘刀的后侧也设置有固定切削齿的示意图；

[0116] 图43为本发明同一盘刀上布置的两圈相同PDC齿的示意图；

[0117] 图44为本发明同一盘刀上布置的两圈相同锥形齿的示意图；

[0118] 图45为本发明同一盘刀上布置的前排锥形齿后排PDC齿的示意图；

[0119] 图46为本发明同一盘刀上布置的前排PDC齿后排锥形齿的示意图；

[0120] 图47为本发明同一盘刀轴上设置两个相互独立盘刀的示意图；

[0121] 图48为本发明的盘刀偏移角不相等时的示意图；

[0122] 图49为本发明同一钻头上正负偏移盘刀的示意图；

[0123] 图50为本发明中具有正偏移盘刀钻头所形成的井底模式示意图和同时具有正、负偏移盘刀钻头所形成的井底模式示意图；

[0124] 图51为本发明固定刀翼上开设有储油补偿孔；

[0125] 图52为图51中储油囊的G-G局部剖视图。

具体实施方式

[0126] 下列非限制性实施例用于说明本发明。

[0127] 实施例1：

[0128] 如图1、图18、图20所示：一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体1、固定刀翼4、盘刀2，还可包括独立的盘刀支座3，所述固定刀翼4和盘刀支座3延伸自钻头体1，或固定在钻头体1上，所述固定刀翼4上布置有固定切削齿41，所述盘刀2设置在盘刀支座3和/或固定刀翼4上，并通过盘刀轴6与盘刀支座3和/或固定刀翼4形成转动连接，当所有盘刀2均设置在固定刀翼4上时，则钻头1上取消盘刀支座3，盘刀2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀2的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀2上设置有由盘刀切削齿21组成的盘刀切削齿圈，钻头上至少有一个盘刀(优选全部)与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线盘刀切削齿圈的切削轮廓线确定。

[0129] 对于同一钻头具有两个及以上盘刀的情况，不同的盘刀可完全设置在盘刀支座上，固定刀翼上只有固定切削齿，如图18所示(其中图18(a)为本实施例钻头的结构示意图，图18(b)为该钻头的俯视图)；或完全设置在固定刀翼上，固定刀翼上同时具备固定切削齿和盘刀切削齿，如图20所示；也可以分别设置于盘刀支座和固定刀翼上。

[0130] 当盘刀2设置在盘刀支座3上时，盘刀2与盘刀支座3的转动连接形式包括两种情况：盘刀2与盘刀轴6的一端形成固定连接或成为一体式结构，盘刀轴6的另一端与盘刀支座3形成转动连接；盘刀2与盘刀轴6的一端形成转动连接，盘刀轴6的另一端与盘刀支座3形成固定连接或成为一体式结构。

[0131] 当盘刀2设置在固定刀翼4上时，盘刀2与其所在的固定刀翼4上的主切削齿在钻头旋转方向上相互独立设置，且盘刀设置在主切削齿的前侧。盘刀与固定刀翼4形成转动连接有两种较优方案：一是盘刀2与盘刀轴6固定连接或成为一体，盘刀轴6与固定刀翼4形成转动连接，且转动副设置在固定刀翼4内，如图37所示；二是盘刀轴6与固定刀翼4固定连接或成为一体，盘刀2通过盘刀轴6套装在固定刀翼4的轴颈上并形成转动连接，如图39所示。该结构方案中，盘刀2上的切削齿21在结构形式上并不替代固定刀翼4上的主切削齿41，亦即盘刀切削齿21不占据固定刀翼4上切削齿41的布齿空间，不会直接影响固定刀翼4上的布齿设计，固定切削结构的工作能力可得到保障，既有利于增强并延续钻头切削齿的交叉刮切破岩效果，也有利于保障主切削齿的清洗和冷却条件。该方案钻头在钻进时，盘刀切削齿21在刀翼切削齿41的前方形成螺旋轨迹刮痕，固定刀翼4上的切削齿41在盘刀切削齿21的后方工作，在盘刀切削齿21斜向刮切后的井底上按照同心圆轨迹刮切岩石，从而实现两套切削齿对岩石的交叉刮切效果。同时，采用这种结构，盘刀的止推面(止推轴承工作面)可以设置在固定刀翼4的前面(前侧面)区域，有利于保障轴承的性能。

[0132] (1)设定盘刀的直径和盘刀在钻头上的径向位置，设定盘刀的轴倾角、偏移角；

[0133] (2)按照公式(1)、(2)计算得到盘刀的齿圈轮廓线；

[0134] (3)在计算得到的盘刀切削齿圈轮廓线上选取工作段作为盘刀的切削轮廓线，将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。

[0135] 在共同切削区域内盘刀与固定切削齿的切削轮廓吻合程度越高，越有利于钻头破岩效率的提高。在较高吻合度情况下，两种切削轮廓有几种典型的匹配关系：

[0136] 1、如图7所示，在共同切削区域MN内，盘刀切削轮廓8与固定切削齿切削轮廓9相吻合，钻进时两种切削结构上的切削齿同时接触井底，共同作用与井底岩石。

[0137] 2、如图8所示，在共同作用区域MN内，两种切削轮廓为为等距曲线(平行曲线)，且盘刀切削轮廓8在钻头钻进方向低于固定切削齿切削轮廓9，即作为后备切削盘刀。在钻进初期盘刀2先不参与破岩工作。随着钻头继续工作，当其他切削齿磨损到一定程度时，切削轮廓较低的盘刀2将参与破岩，对钻头磨损状态下的切削能力作后备弥补，使钻头有更持久的工作能力。

[0138] 3、如图9所示，在共同作用区域MN内，两种切削轮廓为为等距曲线(平行曲线)，且盘刀切削轮廓8在钻头钻进方向高于固定切削齿切削轮廓9。盘刀切削齿21交替破岩的工作方式使其具有较好的工况。当盘刀的切削轮廓8高于固定切削结构的其他切削轮廓时，盘刀切削齿21有对井底岩石与破碎的效果，有助于固定切削结构中的切削齿41吃入、破碎岩石。特别地，当钻遇不均质地层时，盘刀切削齿21最先接触交界面，能对固定切削齿41形成有效保护，从而使切削齿的磨损更加均衡，有利于延长钻头寿命。

[0139] 4、如图10所示，在共同切削区域MN内，两种切削轮廓有交叉，即在钻进方向允许盘刀切削轮廓8的一部分低于固定切削齿切削轮廓9，在其他部分盘刀切削轮廓8高于固定切削齿切削轮廓9。这种匹配方案，有利于减低钻头的加工制造成本，并提高加工效率，缩短产品的生产周期。

[0140] 5、如图11所示，为除上述几种特殊匹配关系之外的其他匹配方案。在给定的区域MN内，在保证吻合度要求的情况下，两种切削轮廓在轴平面内既不是平行曲线也不相交。

[0141] 6、如图12所示，在上述匹配方案的基础上，钻头冠顶的共同切削区域MN可拓宽至钻头肩部区域。

[0142] 实施例2:

[0143] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：盘刀设置在独立的盘刀支座上，盘刀支座的冠部轮廓依据PDC钻头刀翼体轮廓设计，且在该冠部区域布置固定切削齿，形成固定切削结构，如图19所示，其中图19(a)为本实施例中钻头的结构示意图，标号31的零件为盘刀支座上的固定切削齿，图19(b)为该钻头的俯视图。值得注意的是，盘刀支座上布置了固定切削齿，从而形成了功能上与刀翼相同的固定切削结构，但不能将其与刀翼混淆。在加工制造过程中，刀翼体通常作为延伸自钻头体的一部分并一体加工成型，而盘刀支座则因为具有轴承结构而无法实现与钻头本体一体加工，通常盘刀支座都需要单独加工，再通过焊接等手段固结于钻头本体。

[0144] 实施例3:

[0145] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：盘刀设置在主切削齿后侧，如图21所示，轴承的承载面设置在刀翼的后侧。盘刀亦可同时设置在主切削齿前侧和后侧，如图22所示。

[0146] 实施例4:

[0147] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：盘刀设置在刀翼前侧或后侧，至少有一个盘刀上布置有至少两个切削齿圈，如图23所示。

[0148] 实施例5:

[0149] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：同一盘刀上具有多个不同直径的齿圈，且在共同切削范围内，不同齿圈所确定的切削轮廓线8均与固定切削齿切削轮廓线9吻合，如图13所示。

[0150] 实施例6:

[0151] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：同一盘刀上具有多个不同直径的齿圈，且在共同切削范围内，盘刀上仅有一个齿圈所确定的切削轮廓线8与固定切削齿切削轮廓线9在共同切削范围内吻合，其余一齿圈所确定的切削轮廓线8平行且高于固定切削齿切削轮廓线9，另一齿圈所确定的切削轮廓线8平行且低于固定切削齿切削轮廓线9，如图14所示。

[0152] 实施例7:

[0153] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定刀翼4上设有盘刀槽，盘刀槽设置在主切削齿后侧，盘刀设置于盘刀槽内，盘刀轴6的两端与固定刀翼4连接，盘刀2通过盘刀轴6与固定刀翼4形成转动连接，如图24、25所示。与实施例1相同，盘刀的设置并不占据固定切削结构上主切削齿的布齿空间。该结构下，盘刀所占的空间体积大大缩小，盘刀2的止推面(止推轴承工作面)设置在位于固定刀翼4上的盘刀槽的后侧面，有利于保障轴承的性能；同等尺寸的该结构轴承比现有结构轴承的寿命更长，可靠性和安全性更高。盘刀2通过盘刀轴6与固定刀翼4形成转动连接的方式有多种，较佳的连接方式包括有：1、如图40所示，盘刀
2与盘刀轴6形成转动连接，而盘刀轴与固定刀翼形成固定连接(盘刀轴6通过键、花键、过盈配合、等方式与固定刀翼固结)；2、如图41所示，盘刀轴6的两端均与固定刀翼4转动连接，而盘刀与盘刀轴形成固定联接(如通过键、花键、过盈配合等方式)；3、如图42所示，盘刀2与盘刀轴6转动连接，盘刀轴6的两端均与固定刀翼4转动连接。在工作时，盘刀2所有的转速分别由盘刀2与盘刀轴6、以及盘刀轴6与固定刀翼4这两套运动共同分担，使得各运动副之间的转速更低，同时盘刀轴6所受部分载荷能够直接传递给刀翼4，在这方面能够该结构比现有结构的轴承承载能力更强，盘刀轴6的受力更均衡，轴的强度更高，轴承的寿命更长。在上述三种典型转动连接方式中，盘刀轴6的轴向定位方式亦有多种形式，如图40所示其轴向为卡簧71定位，图41中为滚珠72锁定定位，正如本领域研究人员所熟知的，轴向定位也可以为卡簧71和滚珠72锁定定位的组合。

[0154] 本实施例结构方案中，固定刀翼的切削轮廓线9的确定方法以及两种切削轮廓的匹配关系与实施例1中相同，其中较佳匹配方案如图7、8、9、10、11和12所示。

[0155] 实施例8:

[0156] 本实施例与实施例7基本相同，其区别在于：在盘刀槽的后侧的刀翼体上设置有固定切削齿41，其可以为主切削齿，亦可为后备切削齿，如图42所示。当其为主切削齿时，可以显著提高钻头的布齿密度，延长钻头的使用寿命，特别在钻遇复杂、难钻地层时，其有益效果更加明显。当其为后备切削齿时，钻进初期先不参与破岩，但盘刀切削齿21和主切削齿有一定磨损后参与切削，有利于提高钻头的可持续钻进能力。

[0157] 实施例9:

[0158] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：盘刀设置在两相邻刀翼之间，盘刀轴一端设置在延伸自盘刀前侧刀翼体的盘刀支座上，另一端设置在盘刀后侧的刀翼体上，如图28所示，其中，盘刀前侧的盘刀支座为前侧刀翼体的一部分。需要明确的是，本实施例中两刀翼体之间布置盘刀的空间与实施例7、8中的盘刀槽不同，盘刀槽为某个刀翼体上所开设的供盘刀布置的空间，并未贯通至钻头本体，而两刀翼间的盘刀布置空间则贯通至钻头本体，从而形成完整的流道，更有利于排屑。

[0159] 本实施例结构方案中，固定刀翼的切削轮廓线9的确定方法以及两种切削轮廓的匹配关系与实施例1中相同，其中较佳匹配方案如图7、8、9、10、11和12所示。

[0160] 实施例10:

[0161] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：盘刀设置在两相邻刀翼之间，盘刀轴的两端分别设置在盘刀前、后侧的刀翼体上。如图29所示，其中，图29(a)为本实施例的结构示意图，图29(b)为本实施例的俯视图。值得注意的是本实施例与实施例9的区别在于，实施例9中的盘刀前侧支座为其前侧刀翼体的一部分，本实施例中的盘刀前侧支撑结构为具有流道和切削结构的独立刀翼。

[0162] 本实施例结构方案中，固定刀翼的切削轮廓线9的确定方法以及两种切削轮廓的匹配关系与实施例1中相同，其中较佳匹配方案如图7、8、9、10、11和12所示。

[0163] 实施例11:

[0164] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：钻头体1上至少有三个盘刀，至少有两个盘刀同时设置在同一固定刀翼4的不同径向区域，至少有一个盘刀设置在另一固定刀翼4上，且不同刀翼4上的盘刀在同一钻头轴面内沿钻头径向相互错开布置，如图30所示。与实施例1类似，盘刀可通过不同的连接方案与所在固定刀翼形成转动连接。一方面，在单个刀翼上设置多个盘刀，可使钻头在刀翼轮廓协调设计的基础上大幅度地拓宽盘刀切削齿与固定切削齿的共同切削范围，使交叉刮切作用在单个盘刀与固定刀翼协调区域的基础上进一步拓宽；另一方面，将不同刀翼上的盘刀沿钻头径向错开布置，可使不同刀翼上盘刀切削齿所形成的螺旋刮切范围相互覆盖，避免交叉切削的盲区，从而实现钻头径向区域内交叉切削区域的连续覆盖，充分利用交叉切削作用对钻头工作性能的提升。

[0165] 本实施例中，固定刀翼的切削轮廓线9的确定方法以及两种切削轮廓的匹配关系与实施例1中相同，其中较佳匹配方案如图7、8、9、10、11和12所示。同一刀翼上的多个盘刀可同时设置于刀翼前侧或后侧的不同径向区域，也可以分别设置于刀翼前侧和后侧的不同径向区域，与实施例1、2类似；也可以同时设置于刀翼上的盘刀槽内，与实施例3、4类似。

[0166] 实施例12:

[0167] 本实施例与实施例11基本相同，其区别在于：固定切削齿在共同切削区域的切削轮廓完全根据盘刀切削轮廓确定，亦即固定切削齿切削轮廓线在这两个盘刀与固定切削齿共同切削的区域呈外凸形状，如图31所示。在本实施例中，首先，与盘刀切削单元相适应的起伏固定切削齿切削轮廓线进一步增加了固定切削齿与盘刀切削齿的共同作用区域，扩大了交叉刮切范围；第二，局部外凸刀翼上的部分切削齿接触井底，减小了切削齿与岩石的接触面积，切削齿产生高比压，使钻头有效的吃入地层；第三，钻头即使有磨损的情况下，仍然仅有部分切削齿接触井底，使得钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，有利于钻头在高强度、高研磨性地层机械钻速的提高。

[0168] 实施例13:

[0169] 本实施例与实施例12基本相同，其区别在于：盘刀设置于固定刀翼的后侧，如图32所示。

[0170] 实施例14:

[0171] 本实施例与实施例12基本相同，其区别在于：盘刀同时设置于固定刀翼的前侧和后侧，如图33所示。

[0172] 实施例15：

[0173] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：钻头上同时设置有刀翼、盘刀和牙轮(标号5，牙轮齿标号51)三种切削结构，牙轮通过牙掌52设置在钻头本体1上，如图34所示。其中，刀翼切削轮廓依然按照上述轮廓协调性设计方法确定，牙轮切削轮廓则在此基础上进一步进行确定。

[0174] 实施例16：

[0175] 本实施例与实施例15基本相同，其区别在于：钻头上所设置的牙轮小端朝向钻头外侧(即朝向井壁7)，大端朝向钻头内侧(即朝向钻头心部)，亦即牙轮以反装形式直接或通过牙掌52设置在钻头本体1上，如图35所示。

[0176] 实施例17:

[0177] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：盘刀上的切削齿可以为PDC齿、锥形牙齿、楔形牙齿或勺形牙齿，或为以上几种齿形的组合。如图26所示，盘刀上切削齿为锥形牙齿(标号21)。锥形牙齿具有较强的抗冲击能力，在钻遇硬地层时，其在井底的运动刮切轨迹，对岩石形成损伤，这有利于固定切削齿的破岩，同时能起到缓冲作用，保护固定切削齿，减少甚至避免过载或冲击损坏。

[0178] 实施例18：

[0179] 本实施例与实施例17基本相同，其区别在于：盘刀上的切削齿为相互间隔布置的PDC齿(标号21a)与锥形牙齿(标号21b)。其中，盘刀上布置的锥形牙齿的作用与实施例17中类似，在刮切损伤岩石的同时起到缓冲作用，从而避免固定切削齿和盘刀上的PDC齿受到过载或冲击损坏。

[0180] 实施例19：

[0181] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：刀翼上的切削元件为孕镶体。如图36所示，与PDC切削齿刀翼轮廓的设计相同，孕镶体刀翼轮廓的设计也需按照上述轮廓协调性设计方法确定。

[0182] 实施例20：

[0183] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：盘刀上的切削元件为孕镶体。其中盘刀上的孕镶体可为相互独立的孕镶齿，如图37(a)、图37(b)所示；也可以是连成一体的孕镶结构，如图37(c)、图37(d)所示

[0184] 实施例21:

[0185] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：同一盘刀轴上设置一个盘刀，同一盘刀上设置至少两个齿圈，如图43、44、45、46所示。其中，两圈切削齿可以同为PDC齿，如图43所示；也可以同为锥形齿，如图41所示；也可以是一圈PDC齿，一圈锥形齿，如图45和图46所示。

[0186] 实施例22:

[0187] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：同一盘刀轴上设置至少两个相互独立的盘刀，各盘刀与盘刀轴以及各盘刀互相之间可相对转动，如图47所示。

[0188] 实施例23:

[0189] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：盘刀的止推装置设置于盘刀轴后端，如图43、44、45、46所示。其中，盘刀通过滚珠等装置将轴向载荷传递给盘刀轴，盘刀支座或刀翼的轴孔端面即为盘刀轴的止推面，承担来自盘刀的轴向载荷，实际情况中，由于轴孔端面的加工难度大，可在盘刀轴和轴孔端面之间加装垫片以降低加工难度。

[0190] 实施例24:

[0191] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：钻头上至少设置有两个盘刀，其中至少有一个盘刀的偏移角与其它盘刀的偏移角不相等，如图48所示，α1≠α2。进一步地，不同的盘刀2的直径亦可以不相等。

[0192] 实施例25:

[0193] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：钻头上同时设置有正、负偏移角的盘刀，如图49所示，其中α1为正，α2为负。正偏移盘刀产生的切削轨迹通常为由外向内发展的螺旋状曲线，如图50(a)所示，负偏移盘刀产生的切削轨迹则通常为由内向外发展的螺旋状曲线，正负偏移盘刀同时存在时，形成的网状井底如图50(b)所示。在固定切削齿同心圆轨迹的基础上，显然，根据图50中的(a)、(b)两图的比较可知，两套切削轨迹又相互交叉，所形成的网状井底形貌比单独具备正偏移或负偏移盘刀时更加密集，交叉切削作用更加明显，因而可进一步发挥复合刮切式金刚石钻头特殊结构带来的性能优势。

[0194] 实施例26:

[0195] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：当盘刀偏移角85°≤|α|≤90°，盘刀轴倾角0°≤|β|≤15°时，盘刀切削齿侧转角0°≤|λ|≤15°。当盘刀偏移角α接近
90°时，盘刀的旋转状态处于临界状态，或正转或反转，更多情况下为不转。为切削齿设置侧转角，可使盘刀获得足够的动力旋转。

[0196] 实施例27：

[0197] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：当盘刀偏移角85°≤|α|≤90°，盘刀轴倾角β＝0°时，盘刀切削齿侧转角0°≤|λ|≤10°。

[0198] 实施例28:

[0199] 本实施例与实施例1、7、9、11基本相同，其区别在于：当盘刀偏移角70°≤|α|＜85°，盘刀轴倾角0°≤|β|≤15°时，盘刀切削齿侧转角0°≤|λ|≤25°。

[0200] 实施例29:

[0201] 如图51、52所示：设置有盘刀2的固定刀翼4上安装储油补偿系统。储油补偿系统能使在长时间重载工况下的轴承得到充分的润滑，避免轴承的胶合失效，提高轴承的工作稳定性，进而延长轴承的工作寿命。如图所示，刀翼上设置储油孔10，储油孔内安装有储油囊11，润滑油或润滑脂加注在储油囊11中，通过储油孔10与盘刀轴承腔连通安装在刀翼保径块的顶部斜面上开设的储油孔10中，或者储油囊11安装在刀翼保径块的保径工作面上开设的储油孔10中。

[0202] 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。