CN105507809B - 一种交变轨迹切削破岩工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交变轨迹切削破岩工具，包括有钻头总成和外壳体组；所述外壳体组内设置有万向轴总成、螺杆马达总成和旁通阀总成；所述钻头总成安装在下壳体下端部，构成转动连接，并且又与万向轴总成通过螺纹固定连接；所述钻头体上固定有切削齿。其特征在于：所述钻头体的回转轴线与外壳体组的回转轴线间形成轴倾角α，使外壳体组的公转与钻头体的自转相复合，实现所述切削齿的交变轨迹切削运动；所述万向轴总成直接与钻头体固定连接。本发明的有益效果包括：能够实现切削齿稳定、可靠的交变轨迹切削运动，可显著提高钻头在硬岩层吃入能力，提高破岩效率；同时简化了“钻头‑螺杆钻具”组成结构，提高了钻井安全性，降低了钻井工具成本。

Description

一种交变轨迹切削破岩工具

技术领域：

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种破岩工具(包含钻头工具)。

背景技术：

PDC钻头是一种钻井破岩工具，它具有钻井安全性高、结构形式灵活性以及以剪切破岩的形式高效破岩等技术优势，据统计目前在世界范围内钻井总进尺数的80％以上都是由PDC钻头完成的，占有绝对的重要地位。常规固定切削齿PDC钻头在井底的运动轨迹均为圆形，每颗齿都沿着各自固定的旋转轨迹做刮切运动(同轨迹刮切)。无论是现场钻头钻进和失效形式，还是室内可钻性实验都能够反映出PDC钻头在这一运动状态下的地层吃入能力影响着钻头的破岩效率，特别是在深部难钻地层，这一影响更为显著。其主要表现在：①在软、硬交替地层中钻进时容易发生断齿、崩齿、复合片层脱落等牙齿失效现象的发生；②随着切削齿的磨损，与岩石的互作用接触赫兹应力急剧降低，进而使钻头的地层吃入能力下降，机械钻速显著降低；③地层对PDC钻头结构个性化设计要求高，地层适应性不强。

螺杆钻具是目前广泛使用的一种井下动力钻具，为一种容积式马达。它的主要工作原理是通过高流速、大排量、高压强的钻井液的流动，使螺杆钻具转子与定子之间的密闭空间发生移动或变化，从而实现连续旋转运动的执行机构。目前螺杆钻具在油气钻井工程中广泛应用，其技术优势主要体现在两个方面：其一是螺杆钻具下部可设置一弯外壳，使它所驱动的钻头回转轴线与钻柱系统的回转轴线偏转一定角度，易于实现定向造斜或稳斜钻进，对于实现特殊复杂的井身轨迹钻进十分重要；其二是在大位移定向井、水平井钻进时，钻柱系统与井壁大量接触并产生强大的摩擦力，使地面转盘或顶驱的转动扭矩难以有效传递至钻头，而通过钻井液流动获得驱动力的螺杆钻具可在井底产生强大的扭矩并驱动钻头有效钻进。

在2010年前后，西南石油大学钻头研究所提出了认为“钻头通过交叉刮切的运动形式，可有效提高破岩效率”的学术观点，其理论依据包括两个方面：其一是钻头通过交叉刮切在牙齿的切削方向上自然形成了“凸起”(岩脊)，因而牙齿能够自然吃入岩石，钻头钻进的有效性必将显著提高；其二是深部地层岩石受孔隙压、围压以及覆盖压等压力环境作用下，具有强烈的“压实效应”。而钻头通过交叉刮切形成“凸起”，其局部压力环境发生显著变化，抗剪强度和抗拉强度必将显著降低，从而使其更容易发生体积破碎，进而提高了钻头的钻进效率。该学术观点无论是室内全钻头实验，还是现场“复合钻进”工程实践均已验证了其正确性和合理性。

在上述学术观点的引导下，中国专利CN 201010229371.9公开了“一种以切削方式破岩的复合钻头”，提出了一种将镶装有PDC齿等高强度切削齿的转轮与固定刀翼相间布置的复合钻头。其中转轮为一种被动旋转切削结构，在地层岩石的反作用力条件下实现“缓慢交替切削过程”，两套复合切削结构能够在井底岩石上形成网状破碎区域，具有破岩效率高，磨损均匀，钻头使用寿命长等优点。中国专利CN 201010614370.6公开了“一种复合式单牙轮钻头”，在常规单牙轮钻头的基础上将牙轮分成两部分，一部分为“恒接触切削破岩”的下部轮尖部分与轴颈固定，另一部分“交替接触切削破岩”的上部轮体绕轴颈被动旋转。该发明专利一方面在轮尖部分固定金刚石类切削齿，可有效提高钻头的耐磨性和切削效率；另一方面轮尖部切削齿的同心圆形破碎带与轮体部分的“人”字形网状破碎带可实现部分交叉作用，形成交叉切削破岩效果，可进一步提高破岩效果。中国专利CN 20130545668.X公开了“一种单牙轮复合钻头”，在钻头体上设置有固定切削结构和装有切削齿的转动切削结构。其中转动切削结构为一设置有轴颈的牙轮，并在钻头体上设置有轴承孔，牙轮通过轴颈与轴承孔形成转动连接。这两套切削结构同样可以实现井底复杂的交叉网状刮切，有利于切削齿吃入地层岩石，提高破岩效率。

中国专利CN 201410426491.6：“可实现偏心摆动旋转的PDC钻头工具”和CN201410426030.9：“一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具”分别公开了两种将钻头体直接安装在井下动力钻具的传动轴上，实现了井下动力钻具与钻头的有机结合，并使钻头具备了“主动交变轨迹切削运动”的能力。前者利用内啮合的摆线齿廓结构输出交变轨迹运动，后者利用摆线轮与针轮相啮合同样可以输出交变轨迹运动。上述两份专利除可实现钻头的交叉刮切破岩方式外，其显著特点是：将钻头的“被动”交叉刮切运动转变为“主动”交叉刮切运动，其运动规律可由自身结构特点(工具啮合轮廓线形状等)，以及井下动力钻具工作转速所决定，与地层岩石性质的变化、钻柱振动等因素影响关系不大，因此其“交变轨迹切削运动”能够稳定、可靠的得以实现。

发明内容：

本发明的发明目的在于：针对常规固定切削齿PDC钻头存在的不足，提供一种钻井破岩工具，该工具可使钻头实现主动的交变轨迹切削运动。它具有运动形式稳定、可靠，可显著提高钻头的破岩效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种交变轨迹切削破岩工具，包括有有钻头总成和外壳体组。所述外壳体组由下壳体、中壳体和上壳体组成；所述外壳体组内设置有万向轴总成、螺杆马达总成和旁通阀总成。所述钻头总成中的钻头体上固定有切削齿，构成破岩工具的切削结构，并且在钻头体上设置有轴颈，在轴颈内部设置有螺纹结构；所述下壳体下部设置有轴承孔，并与钻头体上的轴颈相配合，构成转动连接；所述万向轴总成安装在下壳体内部，其下接头与所述轴颈内的螺纹结构相配合，构成固定连接；所述万向轴的上接头与所述马达总成的转子下部相配合，构成固定连接；所述马达总成安装在所述中壳体内部，且所述中壳体内部设置有所述马达总成的定子结构；所述旁通阀总成安装在所述上壳体内部；所述上壳体、中壳体与壳体依次首尾连接固定。本发明专利的特征在于：所述钻头体的回转轴线与所述外壳体组的回转轴线形成夹角α(轴倾角)，所述万向轴总成直接与所述钻头体固定连接。

钻头在地层中破岩钻进必须具备三个条件：一是能够有效传递钻压，使钻头吃入岩石；二是能够有效传递扭矩，使钻头剪切破碎岩石；三是能够建立钻井液循环通路。在本发明专利所采用的技术方案中，钻压的传递可通过钻柱系统专递给上、中、下壳体，然后通过下壳体上的轴承孔底面与钻头体上轴颈的顶面相配合所构成的运动副传递给钻头体，也可以通过下壳体上轴承孔顶面与钻头体上轴颈的底面相配合所构成的运动副传递钻头体，也可以两者共同作用将钻压传递给钻头体。扭矩的传递有两部分构成：一部分是钻井液螺杆马达总成，进而通过万向轴直接传递给钻头体；另外一部分是钻柱系统的旋转带动中壳体旋转，进而通过“转子-定子运动机构”传递给钻头体，相当于复合钻井中的扭矩传递。钻井液循环通路先是由钻柱系统内孔流动至螺杆马达转子、定子之间的缝隙腔，再由万向轴总成中下接头上的导流孔进入到钻头体的中心流道，再通过钻头喷嘴进入钻井环空，进而上返至地面。

本发明专利的技术关键有两个方面：第一，钻头体回转轴线与外壳体的回转轴线形成夹角α，假设外壳体回转转速为零(公转)，钻头体上切削齿的运动轨迹线为同心圆，并且所在平面与外壳体的径向平面存在夹角α；假设钻头体自转转速为零，那么钻头体上切削齿的运动轨迹线为在外壳体径向平面上的同心圆。当公转转速与自转转速都不为零时，当前切削齿的运动轨迹为一空间复杂曲线，它必然与其他切削齿(或自身)的上一圈(或下一圈)的运动轨迹相交，即形成了所述的“交变轨迹切削运动”。第二，钻头体直接与螺杆马达总成的转子连接，其自转动力由工具内部驱动，而非岩石的反作用力驱动。这就将钻头体的“被动旋转”变为“主动旋转”，其运动规律可由自身结构特点(螺杆马达“头数”、轴倾角α等)所决定，与地层岩石性质的变化、钻柱振动等因素影响关系不大，因此其“交变轨迹切削运动”能够稳定、可靠的得以实现。

本发明专利所实现的有益效果包括：

1、通过外壳体组的公转和钻头体的自转所组成的复合运动，能够实现钻头体上切削齿的交变轨迹切削运动，并且运动规律稳定、可靠。因此可显著提高钻头在硬岩层吃入能力，进而提高破岩效率。

2、钻头体直接与万向轴连接，简化了“钻头-螺杆钻具”组成结构，提高了钻井安全性，降低了钻井工具成本。

3、本发明在工作时，钻头体的运动为非偏心运动，周向上钻头体(切削齿分布)与岩石接触对称性较好，所产生的横向不平衡力小，且在个性化设计时容易控制，使钻头具有较好的稳定性。

4、钻头为实心式结构件，强度高，不容易开裂或破损失效。

5、实心结构的牙轮水力结构设计更为灵活，特别是可实现多喷嘴水力结构的优化设计，提高携岩及切削齿冷却能力。

6、该钻头体结构具有更高的布齿面积，特别是有利于提高钻头心部和保径的布齿密度，提高钻头的使用寿命。

7、该钻头体的外肩和保径部分的切削齿能够实现非连续切削破岩，有利于降低切削齿的热磨损，提高钻头的工作寿命。

8、该钻头体所拥有的圆弧轮廓径向布齿曲线，使其在导向钻进条件下切削齿与井底岩石接触程度高，稳定性好，对上部造斜工具施加的侧弯矩响应性能好，造斜率高。

作为选择，所述轴倾角α的取值范围为0°≤|α|<90°。

作为进一步选择，所述轴倾角α的取值范围为0°≤|α|≤45°。

作为更进一步选择，所述轴倾角α的取值范围为0°≤|α|≤15°。

作为选择，所述钻头体的布齿轮廓线为圆弧线。

作为选择，所述钻头体上设置有至少一个喷嘴。

作为选择，所述下壳体上固定有主动切削齿和被动保径齿。

作为选择，所述万向轴总成中的下接头上开有导流孔。

作为选择，所述钻头体为由粉末冶金材料部分和金属材料部分组合而成。

作为选择，所述切削齿为为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

作为进一步选择，所述钻头体上的所述切削齿为聚晶金刚石复合片(即PDC齿)。

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。如本发明中，各选择可以和主方案及其他选择任意组合，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，在此不做穷举。

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为本发明中实施例一的结构组成图。

图2为本发明中实施例一的钻头总成结构图。

图3为图1的A-A向剖视图。

图4为本发明中实施例一的钻头体三维结构图。

图5为本发明中实施例一的万向轴总成结构图。

图6为本发明中实施例一的一种刀翼形状图。

图7为本发明中实施例一的第二种刀翼形状图。

图8为本发明中实施例一的第三种刀翼形状图。

图9为本发明中实施例二的下壳体三维结构图

图10为本发明中实施例三中的钻头体结构图

图11为本发明中实施例四的下壳体与中壳体连接结构图。

图12为本发明中实施例五的结构图。

图13为本发明的运动原理示意图。

图14为常规PDC钻头的切削齿轨迹线图。

图15为本发明的切削齿轨迹线图。

图16为本发明的切削齿轨迹线图。

图17为本发明的切削齿轨迹线图。

图18为本发明的切削齿轨迹线图。

图19为本发明中实施例一切削齿与岩石接触关系示意图。

图20为本发明中实施例一布齿轮廓面与对应井底对比图。

图中标记：1-钻头总成；2-万向轴总成；3-螺杆马达总成；4-旁通阀总成；51-下壳体；52-中壳体；53-上壳体；11-钻头体；11a-钻头体粉末冶金材料部分；11b-钻头体金属材料部分；121-刀翼；122-主切削齿；1221-保径齿；13-储油装置；131-润滑油孔；141-塞销；142-止推轴承；143-轴向密封件；144-径向密封件；145-锁紧轴承；146-径向轴承；151-中心喷嘴；152-边喷嘴；16-连接螺纹；17-钻头体回转轴线；18-轴颈；21-万向轴杆；22-万向轴下接头；221-万向轴下接头连接螺纹；222-万向轴下接头旁通孔；23-万向轴上接头；231-万向轴上接头连接螺纹；511-下壳体轴承孔；5121-下壳体上的主动保径齿；5122-下壳体上的被动耐磨齿；513-下壳体回转轴线；521-中壳体回转轴线；6a-连续接触布齿区域；6b-交替接触布齿区域；α-钻头体回转轴线与下壳体回转轴线夹角——轴倾角，以下也称为“偏转特征角”；β-下壳体回转轴线与中壳体回转轴线夹角，以下称为“工具体弯角”；7a-钻头体布齿轮廓面；7b-对应井底环带。

具体实施方式：

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一：

如图1至图8，图13至图20所示，本发明的一种交变轨迹切削破岩工具，它由钻头总成1、万向轴总成2、螺杆马达总成3、旁通阀总成4、下壳体51、中壳体52以及上壳体53组成。钻头总成包括有钻头体11、轴承系统、密封系统，润滑系统。在钻头体11上设置有若干刀翼121，在刀翼121上固定有主切削齿122和保径齿1221，作为本发明的切削结构。在钻头体11上还设置有一个中心喷嘴151和若干个边喷嘴152，以及刀翼间的流道共同构成了钻头体11的水力结构。

其中：钻头总成1的轴承系统包括有径向轴承146，主要承受钻头体11的径向力，使钻头体11能够周向灵活旋转。所述的径向轴承146可以为滚动轴承，或滑动轴承，或滚滑复合轴承。止推轴承142主要承受钻头体11的轴向力(也即钻头的钻压)，为破岩工具的持续钻进提供必要条件。所述的止推轴承142可以为滚动轴承，或滑动轴承，或滚滑复合轴承。锁紧轴承145一般为滚动轴承，其中的滚动体通过下壳体51上开的安装孔进入滚道，并通过塞销141定位。锁紧轴承145的主要作用与常规牙轮钻头类似，即锁紧钻头体11与下壳体51，使之构成转动连接，且能够防止钻头体11脱落。钻头总成1的密封系统包括有两部分，一部分位于轴颈18的下根部，主要为径向密封件144，用于防止钻柱系统环空的循环物质进入轴承系统；另一部分位于轴颈18的上端部，主要为轴向密封件143，用于防止工具内部的循环物质进入轴承系统。所述的径向密封件144和轴向密封件143可以为橡胶密封件(密封结构)，金属密封件(密封结构)或者其他类型的普通牙轮钻头上所使用的密封件或密封结构。钻头总成1的润滑系统包括有储油装置13、润滑油孔131等，其功能是为轴承系统提供良好的润滑环境，进而提高轴承系统的工作性能。

钻头在地层中破岩钻进必须具备三个条件：一是能够有效传递钻压，使钻头吃入岩石。在本实施例中，钻柱系统所提供的钻压通过下上壳体53、中壳体52，传递至下壳体51，并通过下壳体51上的轴承孔511的底面，经止推轴承142传递至钻头体11，使钻头体11上的切削结构能够有效吃入地层岩石。在上述方案中，也可以通过下壳体51上轴承孔511顶面与钻头体11上轴颈18的底面间设置止推轴承，并传递钻压。也可以两者共同作用将钻压传递给钻头体。二是能够有效传递扭矩，为切削结构剪切破岩提供动力。在本实施例中，扭矩的传递有两部分构成，一部分是钻井液推动螺杆马达总成3旋转，进而通过万向轴总成2直接传递给钻头体11；另外一部分是钻柱系统的旋转带动中壳体52旋转，进而经“转子-定子运动副”传递给钻头体11，相当于复合钻井中的扭矩传递。三是能够建立钻井液循环通路。在本实施例中，钻井液循环通路先是由钻柱系统内孔流动至螺杆马达转子、定子之间的缝隙腔，再由万向轴总成2中下接头22上的导流孔222进入到钻头体11的中心流道，再通过钻头体11上的中心喷嘴151或边喷嘴152进入钻井环空，进而上返至地面。

在本实施例中，所述钻头体11上的刀翼121的形状可以为直刀翼(如图6所示)，也可以为圆弧刀翼(如图7所示)，也可以为螺旋刀翼(如图8所示)，也可以为由上述刀翼形状组合而成。在常规PDC钻头切削结构设计时，一个重点内容为切削齿的周向布齿设计，它与刀翼的形状有着密切关系。所谓刀翼的形状是指在钻头体的俯视图中，刀翼的形状轨迹线。一般情况下，各刀翼上的切削齿都是沿着这条轨迹线布置的。需要指出的是，不同的刀翼形状对钻头的布齿密度，其他辅助切削结构(如后备齿、保持节、内镶二级齿等)，以及钻头的力学稳定性等。因此本实施例中的切削结构包含现有公开或公认PDC钻头切削结构设计中的所有特征。

在本实施例中，所述旁通阀总成4与现有常规螺杆钻具的旁通阀总成基本相同，所述螺杆马达总成3与现有常规螺杆钻具的螺杆马达总成基本相同。

在本实施例中的独创性结构特征主要有三个方面：其一是钻头体11回转轴线17与下壳体51回转轴线513偏转一定的角度α(轴倾角)；其二是万向轴总成2的下接头22直接与钻头体11连接；其三是钻头体11上设置有轴颈18，而轴承孔511设置在下壳体51上，两者相互配合并构成转动连接。

下面结合本实施例，进一步展开叙述本发明的有益效果，主要体现在以下几个方面：

第一、本发明能够实现钻头体11上切削齿122稳定、可靠的交变轨迹切削运动，可显著提高钻头在硬岩层吃入能力，进而提高破岩效率。如图13所示，下壳体51随钻柱系统绕回转轴线513旋转(破岩工具的公转)，同时钻头体11在螺杆马达总成3的带动下，绕自身回转轴线17旋转(破岩工具的自转)。假设自转转速为0，公转转速为60转/分，则钻头上切削齿的运动轨迹为定半径的圆形，该运动轨迹与常规PDC钻头理想工作条件下的运动轨迹相同，如图14所示。假设公转转速为60转/分，自转转速为60转/分，钻头吃入深度为3mm/转，偏转特征角α为15°，如本发明所述破岩工具公转1圈，则可形成如图15所示的切削齿运动轨迹线。从该轨迹线中可以明显看出，切削齿实际上以空间曲线的形式旋转两圈，其中粗实线为第一圈轨迹，细实线为第二圈轨迹，并且这两圈轨迹在箭头所指方向点上具有一个轨迹线交点。当本发明所述破岩工具以公转转速60转/分，自转转速为120转/分，钻头吃入深度为3mm/转，偏转特征角α为15°时，则可形成如图16所示的切削齿运动轨迹线。从该轨迹线中可以明显看出，切削齿实际上以空间曲线的形式旋转三圈，并且形成了四个轨迹线交点。在本实施例中，偏转特征角α的不同，对切削齿运动轨迹线的影响很大，图17为α＝8°时的井底轨迹线，图18为α＝15°时的井底轨迹线。从以上两个轨迹线图可以看出，两条线的轨迹交角不同，在一定切削宽度条件下的切削区域重叠长度也不同，这对切削齿切削角度和切削载荷的变化将产生重大影响。另外，采用钻头体直接与螺杆马达总成的转子连接的传动方案，使钻头体自转的动力来自于工具内部驱动，而非岩石的反作用力驱动。这就将钻头体的“被动旋转”变为“主动旋转”，其运动规律可由自身结构特点(螺杆马达“头数”、轴倾角α等)所决定，与地层岩石性质的变化、钻柱振动等因素影响关系不大，其“交变轨迹切削运动”能够稳定、可靠的得以实现。特别是对应井底的心部区域也能够实现良好的交变轨迹切削运动，可有效提高钻头的工作性能。

第二、钻头体直接与万向轴连接，简化了“钻头-螺杆钻具”组成结构，提高了钻井安全性，降低了钻井工具成本。“钻头+螺杆钻具”的钻具组合是目前深井、复杂结构井常用的一种钻具组合方式。但是常规螺杆钻具设置有传动轴总成结构，它包括有径向轴承组、推力轴承组、轴承座、传动杆以及轴承密封结构等，装配零件多，结构复杂。且由于井下工作条件十分恶劣，容易导致传动轴总成中的轴承脱落、径向间隙过大、传动杆断裂等井下事故的发生。在本实施方案中，使万向轴总成直接与钻头体连接，直接取消了常规螺杆钻具中的传动轴总成，大大降低了下部钻具组合的失效概率，提高了钻井安全性。

第三、在本实施例中，钻头体的运动为非偏心运动，钻头体横向不平衡力小，稳定性好。中国专利CN 201410426491.6：“可实现偏心摆动旋转的PDC钻头工具”和CN201410426030.9：“一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具”所实施的方案都是使钻头体产生偏心运动，钻头体上切削齿的分布与岩石周向接触对称性不好，容易引入很大的横向不平衡力，使钻头的工作稳定性变差。而本实施方案中，钻头体下部球面结构上切削齿与井底岩石的周向接触对称性好，综合横向不平衡力系数小，且在切削结构优化布齿设计时容易控制。而上部球面结构主要以保径齿为主，对岩石的吃入不深，所产生的横向不平衡力小。

第四、在本实施例中，钻头体为实心式结构件，强度高、安全性好。常规牙轮钻头在牙轮内部设置有轴承孔，且由于外部布齿面结构和内部阶梯状轴承孔结构都较为复杂，壳体厚度薄，且容易产生应力集中。因此常规牙轮钻头中的牙轮壳体强度不高，容易产生开裂或破损失效。而本实施例中，除中心流道外，从刀翼底部至中心流道间均为实心式结构，强度高，不容易发生钻头体破损。

第五、在本实施例中，具有实心式结构的钻头体喷嘴布置灵活，易于实现钻头体水力结构的优化设计。常规牙轮钻头(单牙轮钻头)紧能在钻头体上设置中心喷嘴，且其尺寸受轴颈尺寸和强度的严格限制，水力结构设计不灵活。而本实施例中，可在非中心区域设置边喷嘴，如图2、图4所示。且其喷嘴的直径、喷射角度和数量等，可根据钻头体的切削结构灵活设计，可使其获得良好的冷却、携岩、辅助破岩等高效水力结构特性。

第六、在本实施例中，由于偏转特征角α的存在，使钻头体上特定区域的布齿轮廓面7a大于对应于切削齿覆盖的井底环带7b，如图20所示。本实施例较常规PDC钻头具有更大的布齿面积，特别是有利于提高钻头心部和保径区域的布齿密度，提高钻头的综合使用寿命。

第七、在本实施例中，由于偏转特征角α的存在，可将钻头体11的布齿轮廓面分为连续接触布齿区域6a和交替接触布齿区域6b，如图19所示。钻头体的外肩部和保径部正处于所述的交替接触布齿区域6b，当位于该区域的切削齿接近或达到与井壁相接触的位置时，便参与刮切井壁岩石，如图中保径齿1221；当脱离该位置时，切削齿便不再参与刮切井壁岩石，如图中保径齿(1221)。布置在交替接触布齿区域6b的切削齿，能够更为有利的实现切削齿的高效冷却效果，降低了切削齿热磨损程度，提高了使用寿命。

第八、在本实施例中，具有圆球面布齿切削结构的破岩工具，导向钻进时力学稳定性好，造斜能力高。钻头体11布齿面轮廓为圆球面，当进行定向造斜钻进时，切削齿与井底岩石接触程度高，稳定性好；同时对上部造斜工具施加的侧弯矩响应性能好，造斜率高。

实施例二：

如图9所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述下壳体51上的外圆周面上设置有主动保径齿5121或被动保径齿5122，或由主动保径齿5121和被动保径齿5122组合而成的保径布齿结构。所述主动保径齿5121和被动保径齿5122优先采用聚晶金刚石复合片齿，也可以采用硬质合金切削齿、孕镶金刚石切削齿、具有金刚石层的复合齿或其他石油天然气、地矿钻井工程中所使用的破岩钻头用切削齿。

实施例二所提出的结构方案，可进一步丰富本发明的保径切削结构，使其具有更强的保径能力和钻进稳定性，从而进一步提高本发明的综合工作性能。

实施例三：

如图10所示，本实施例与实施例二基本相同，其区别在于：所述钻头体11使用两种不同材料的部分构成，分别为下部具有刀翼结构特征的粉末冶金材料部分11a，和上部具有轴颈结构特征的金属材料部分11b。

粉末冶金材料(如“WC-Co”硬质合金等)是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。在PDC钻头制造中，常用粉末冶金材料制作钻头的本体结构，具有硬度高、耐磨性好、抗冲蚀能力强等优点。具有该材料特征的PDC钻头常用于高硬度、高研磨性致密地层中使用。在本实施例中，钻头体11下部带有刀翼结构特征的部分11a采用粉末冶金材料，可使本发明中的切削结构具有强度高、耐磨性好、抗冲蚀能力强等优点；钻头体11上部带有轴颈结构特征的部分11b采用金属材料，可便于通过机械加工的方法使轴颈外表面获得较高的几何精度，也便于进行热处理，以改善其机械性能。

实施例四：

如图11所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述中壳体52的几何轴线521与所述下壳体51的几何轴线513偏转了一个工具体弯角β。本实施例可更好的实现造斜钻进与稳斜钻进。所述工具体弯角β取值范围为：0<β≤5°

实施例五：

如图12所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述偏转特征角α＝0°。本实施例与常规油气钻井工程中的“钻头-螺杆钻具”组合所能够实现的功能相同，但相较而言本实施例没有常规螺杆钻具的“轴承组”结构，进而提高了钻井安全性，降低了工具制造与维护成本。

Claims (10)

1.一种交变轨迹切削破岩工具，包括有钻头总成(1)和外壳体组；所述外壳体组由下壳体(51)、中壳体(52)和上壳体(53)组成；所述外壳体组内设置有万向轴总成(2)、螺杆马达总成(3)和旁通阀总成(4)；所述钻头总成(1)中的钻头体(11)安装在下壳体(51)的下端部，构成转动连接，并且又与万向轴总成(2)的下接头(22)通过螺纹(221)固定连接；所述钻头体(11)上固定有切削齿(122)；其特征在于：所述钻头体(11)的回转轴线(17)与下壳体(51)的回转轴线(513)间形成轴倾角α，使外壳体组的公转与钻头体(11)的自转相复合，实现所述切削齿(122)的交变轨迹切削运动。

2.如权利要求1所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述钻头体(11)上设置有轴颈(18)，在所述轴颈(18)内部设置有螺纹结构(16)并且与万向轴总成(2)中的下接头(22)通过螺纹(221)固定连接。

3.如权利要求1所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述轴倾角α的取值范围为0°≤α＜90°。

4.如权利要求3所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述轴倾角α的取值范围为0°≤α≤45°。

5.如权利要求2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述下壳体(51)下部设置有轴承孔(511)，并与所述钻头体(11)上的所述轴颈(18)相配合，并形成转动连接。

6.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述钻头体(11)的布齿轮廓线为圆弧线。

7.如权利要求6中所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述钻头体(11)上设置有至少一个喷嘴(152)。

8.如权利要求1或5所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述下壳体(51)上固定有主动切削齿(5121)和被动保径齿(5122)。

9.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述万向轴总成(2)中的下接头(22)上开有导流孔(222)。

10.如权利要求1或2中所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于：所述钻头体(11)为由粉末冶金材料部分(11a)和金属材料部分(11b)组合而成。