一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头

摘要

本发明公开了一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，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，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，所述钻头体上设置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齿，所述盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼上，所述盘刀与所述固定刀翼形成转动连接。本发明能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。

说明书

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，具体的讲涉及一种钻头。 

背景技术

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。 

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。 

现今，无运动部件、耐磨且寿命长的PDC（聚晶金刚石复合片）钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片（即PDC齿，亦简称齿）按照一定的规律布置并固结在钻头体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。喷射孔又称喷嘴，可以是直接设置在钻头体上的固定式喷嘴，也可以是安装在钻头上的可替换式喷嘴。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元，称为刀翼（齿座为刀翼体或固定刀翼）。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的外流道。这种钻头为刀翼式PDC钻头。刀翼式PDC钻头是PDC钻头的主要结构类型。 

在理想工作条件（即钻头中心线与井眼中心线重合的条件）下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有四方面的缺点： 

第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象（当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象）的发生。

第二，钻头上个别齿的失效（齿的脱落、断裂或过度磨损等）会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。 

第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域（特别是钻头半径的外1/3区域）的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。 

第四，增加钻头上的切削齿数量可以减小切削齿的工作负荷，因而能够有效降低切削齿的磨损速度，提高钻头的工作寿命，但同时也会降低钻头的钻岩效率。 

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，钻头上既设置了装有切削齿的转轮（亦可称为盘刀），也设置了装有固定切削齿的固定切削结构（包括刀翼结构）。这种复合式钻头结合了可旋转的转轮切削结构和装有固定切削齿的固定切削结构各自的优点，同时互补增益产生了新的效果，总体上具有极好的技术效果。但在进一步的研究中发现，这种钻头结构具有如下缺点：装有切削齿的转轮和装有固定切削齿的固定切削结构，虽然能各自独立地发挥效果，但其转轮及其支承结构必须是钻头体上一个独立的切削结构单元，因此在钻头上占据的空间相对较大，在布齿空间极为有限的条件下，空间的浪费在很大程度上就意味着钻头性能的牺牲，这对于钻头切削结构的设计是十分不利的。上述缺陷的存在阻碍了该本具有极好技术效果的方案的实际应用。 

发明内容

本发明的目的在于：提出一种刀翼上具有可旋转盘刀结构的钻头，能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。 

本发明目的通过下述技术方案来实现： 

一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，所述钻头体上设置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齿，所述盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼上，所述盘刀与所述固定刀翼形成转动连接。

上述结构中，所述盘刀的偏移角α= ，其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图3、图4、图5、图6、图7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，盘刀外排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=，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（如图6、图7），若E点处于A2平面的左侧，则偏移角为正（如图6所示），反之为负（如图7所示）。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。 

盘刀的偏移角α=，|α|越大盘刀上的切削齿在井底的刮切效果越明显。盘刀的偏移角α的范围在20°≤|α|≤90°时，均能实现钻头钻进时盘刀上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩。 

本发明中盘刀切削结构，即盘刀以及固结于其上的盘刀切削齿构成盘刀切削结构。 

在本发明中，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，盘刀切削单元的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。在现有技术中，经过这么多年的发展，几种基础单元（如固定刀翼、牙轮、转轮等切削单元等）的基本架构已定型，由此存在一种惯性思维，即使为了实现不同的效果进行各种复合，复合后的各种不同的单元结构通常都是各自独立的结构，且为了相互间不影响对方效果的实现，人们通常也不会将不同的切削结构进行直接结合。在本申请中，打破了这种惯性思维，将盘刀切削单元直接结合到固定切削单元的固定刀翼上，节省了盘刀切削单元原本的支承结构(即轮掌)。 

作为优选方式，所述盘刀设置于固定刀翼的前侧和/或后侧，所述盘刀切削单元的盘刀轴的一端与盘刀固定连接，另一端与固定刀翼转动连接，且转动副位于固定刀翼内。 

本申请中，打破现有技术中复合的各种不同的单元结构都是各自独立结构的惯性思维，将盘刀切削单元直接结合到固定切削单元的固定刀翼上，节省了盘刀切削单元原本的支承结构。但是，这一突破性的结合，在原本料想中的节省支承结构空间基础上，获得了预料外的更大更多的有益效果：由于直接采用了固定刀翼作为支承结构，现有的盘刀轴和盘刀的结构及其结合形式都将发生巨大的变化。原有的盘刀支承结构，如图1所示，出于保障轮掌的强度、刚度的需要必须使轮掌具备足够的几何尺寸，因而轮掌的体积较大。而且，盘刀的轴向宽度尺寸要求比较大，否则，轴承的接触面宽度窄，轴承系统的受力状态不佳，易导致轴承偏磨。而直接采用固定刀翼作为支承结构后，单侧支承时，如图2所示，轮掌被彻底取消，轴承转动副可以直接设于固定刀翼内，盘刀的体积（特别是厚度）可以大大缩小。 

作为优选方式，所述固定刀翼上设有盘刀槽，所述盘刀设置于盘刀槽内，所述盘刀轴的两端或一端与固定刀翼连接，所述盘刀通过盘刀轴与所述固定刀翼形成转动连接。 

上述方案中，固定刀翼上由刀翼顶端向根部方向开设有盘刀槽，盘刀槽可位于固定切削齿齿排的前方，也可位于固定切削齿齿排的后方。该方案在原本料想中的节省支承结构空间基础上，获得了预料外的更大更多的有益效果： 

现有技术中不管是常见的三牙轮钻头还是中国专利201010229371.9“一种以切削方式破岩的复合式钻头”等，其轴承均为单支承结构，轴承的轴颈一端固接在钻头体的牙掌上，另一端为自由端，即轴颈为单端固定的悬臂梁结构，牙轮套装在牙掌的轴颈上与钻头体形成转动连接。由于轴颈一端为自由端，为防止钻头工作时牙轮轴向窜动和脱落，在轴颈和牙轮孔之间设置有轴向锁定装置（如滚珠锁定装置），轴向锁定装置需在轴颈和牙轮孔内加工环形槽，环形槽的存在影响了轴颈和牙轮的强度和轴承耐磨能力，减短了轴承的使用寿命。其二，即便在轴承结构中设置转轮的轴向锁定装置，仍然存在因轴向锁定装置失效而导致转轮脱落的可能，转轮脱落事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响。其三，轴与轴承座之间只能选择一体式结构，限制了轴承系统的结构形式。上述缺点在相当程度上对钻头的工作性能造成了不利影响。

而本方案中，将盘刀设置于盘刀槽内，具有以下效果： 

第一，盘刀切削单元的支承结构和盘刀本身体积都可大大缩小，由此节约了宝贵的钻头空间，为钻头性能的优化打下坚实基础。特别是在针对较硬等难钻地层的钻头设计时，该结构形式能为钻头提供更多的布齿空间和布齿方式选择，为提高难钻地层的钻头性能和寿命提供了便利。而且，该结构能使钻头结构更紧凑，钻头更易于小尺寸化，便于满足深井、小井眼的钻井应用。

第二，在刀翼上设置了大偏移角盘刀切削单元，通过盘刀切削齿的交替工作，能显著减轻现有PDC钻头切削齿的热磨损、提高钻头破岩效率。 

第三，盘刀切削齿在钻头布齿面上所处的位置相当于刀翼上一排固定切削齿的位置，也即盘刀切削齿相当于替代了刀翼上的一排固定切削齿，所以盘刀切削单元基本没有占用额外的布齿空间。 

第四，固定刀翼上的盘刀槽的侧面能对盘刀起到轴向止推和限位的作用，且此时盘刀切削单元的结构特点是直径较大的盘刀位于直径较小的盘刀轴的中部，这种结构与盘刀槽结构相结合，能很好地起到防止盘刀脱落的作用。因此，能取消常规盘刀轴承中设置的轴向锁定装置，有利于提高轴承的强度和耐磨能力；当轴承尺寸相同时，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；因此，本发明盘刀轴承系统与现有同等尺寸的轴承系统相比可靠性和安全性更高，寿命更长。 

第五，与现有技术相比，由于盘刀切削单元采用两侧支承结构，省去了现有技术中与轴颈自由端对应的盘刀壳体的厚度，同时也省去了为避免盘刀体与固定翼干涉而留的间隙（此间隙一般较大），使钻头上盘刀切削单元与固定切削结构的结合更紧凑，节约了钻头上宝贵而有限的空间，为钻头的布齿与结构设计进一步提供了便利。 

第六，本发明能更有效地实现固定切削结构与盘刀切削单元的结合，在井底形成交叉切削区域和网状的井底形貌，达到更好的减缓切削齿磨损速度，改善切削齿对岩石的吃入以及显著提高钻头破岩效率的效果。 

第七，本发明钻进时所需的钻压小，轴承所受载荷小，且载荷波动幅度低；钻头的轮体速比低，故轴承相对转动缓慢、发热少；该结构比现有结构的轴承承载能力强，盘刀轴的受力更均衡，轴的强度更高。所以，本发明的轴承工作寿命长于同等规格的三牙轮钻头。 

作为优选方式，盘刀与盘刀轴转动连接，盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接。 

上述方案中，该连接方式中盘刀与盘刀轴之间有转动轴承，盘刀轴两端与固定刀翼之间也有转动轴承，盘刀相对固定刀翼的旋转速度是盘刀相对盘刀轴的旋转速度与盘刀轴相对固定刀翼相对旋转速度之和，该方案有利于减小盘刀与盘刀轴之间轴承及盘刀轴与固定刀翼之间轴承的相对转动速度，有利于减缓轴承的磨损，延长轴承使用寿命。 

作为优选方式，盘刀轴的至少一端与固定刀翼固定连接，且盘刀与盘刀轴转动连接。 

上述方案中，盘刀轴的一端与固定刀翼固定连接，另一端接触连接（既非固定连接，也非转动连接，相接触的两者，固定刀翼只需能够实现对盘刀轴支承、限定避免移位即可，如最简单地在固定刀翼上设置一个恰好容纳盘刀轴插入的孔）；或者，盘刀轴的两端均与固定刀翼固定连接，如盘刀轴的两端可通过键、花键或过盈配合等方式固定在固定刀翼的轴孔中，盘刀能在盘刀轴上转动。该连接方式中转动轴承设在盘刀与盘刀轴之间，有利于轴承的加工，较轴承设在固定刀翼与盘刀轴之间的制造工艺性要好。 

作为优选方式，所述盘刀切削单元的盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接，且盘刀与盘刀轴固定连接。 

作为优选方式，所述固定刀翼上，在盘刀前和/或后分别布置至少一排固定切削齿。 

作为优选方式，固定刀翼上由刀翼顶端向根部方向开设有2个盘刀槽，其中1个盘刀槽位于固定切削齿齿排的前方，另一个盘刀槽位于固定切削齿齿排的后方， 2个盘刀槽中各安装1个盘刀。 

作为优选方式，所述钻头体上还设置有独立的固定刀翼及其固定切削齿构成的独立的固定切削结构。 

上述方案中，所述独立的固定刀翼是指其上未结合有盘刀切削单元的固定刀翼，以与前述结合有盘刀切削单元的固定刀翼区分。独立的固定切削结构与盘刀切削单元相结合，在井底岩石上形成更复杂的切削轨迹，其效果是在井底形成交叉切削区域和网状的井底形貌。 

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀在钻头上的径向位置与其它盘刀的径向位置不相同。 

上述方案中，不同径向位置的盘刀在井底覆盖的区域将不同，能合理分配盘刀破岩的工作区域。 

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个，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。 

上述方案中，不同偏移角的盘刀其切削齿在井底的刮切轨迹线的几何特征不同，不同刮切轨迹线的彼此接合能够实现切削齿对岩石的交叉刮切。 

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀为正偏移，至少有一个盘刀为负偏移。 

上述方案中，钻头上同时存在正偏移盘刀切削单元和负偏移盘刀切削单元，正、负偏移盘刀切削单元分别在井底形成从外向内和从内向外的螺旋形切削轨迹，两套切削轨迹相互交叉，形成网状井底形貌。普通轮式钻头的盘刀切削单元偏移角方向均相同，盘刀上的切削齿在井底刮切出方向相同的“平行”螺旋形刮痕（刮痕之间不交叉）。方向不相同，能在井底形成交叉刮切的网状破碎，其较普通轮式钻头的井底更凹凸不平，更有利于切削齿吃入地层岩石；网状井底更有利于切削齿刮切破岩，破岩效率更高。而且，正、负偏移盘刀切削单元同时存在时，较盘刀切削单元偏移角方均相同时的交叉刮痕更多、更复杂，井底凹凸不平度更高。这更有利于减少切削齿的连续刮切时间和距离，有利于减轻切削齿的磨损，改善切削齿的冷却效果和热磨损，延长钻头使用寿命。 

作为优选方式，所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓。 

上述方案中，盘刀切削轮廓低于其他切削结构的切削轮廓，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。 

作为优选方式，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置着至少两组盘刀切削齿，其中一组盘刀切削齿的切削轮廓与固定切削结构的切削轮廓相吻合，另一组盘刀切削齿的切削轮廓低于固定切削结构的切削轮廓。 

上述方案中，盘刀上切削轮廓低于固定切削结构切削轮廓的切削齿，钻头工作钻进过程中，当钻头固定切削结构的切削齿没有磨损或磨损较少时，不参与破岩工作。随着钻头继续工作，当这些切削齿磨损到一定程度时，切削轮廓较低的切削齿将参与破岩，即盘刀上的切削齿一部分为主切削齿，另一部分为后备切削齿，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。 

作为优选方式，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有不同直径尺寸的盘刀切削齿。 

上述方案中，不同直径尺寸的切削齿布置在同一盘刀上，一方面有利于增强盘刀切削单元对地层岩石的适应性（通常地层硬度高时宜选用直径较小的切削齿，地层硬度低时宜选用直径较大的切削齿），另一方面便于在同一盘刀上实现主切削结构和后备切削结构（直径大的齿作为主切削齿，直径小的齿作为后备切削齿）的设置。 

作为优选方式，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有至少两圈盘刀切削齿。 

上述方案中，在一个盘刀上布置有至少两圈切削齿，其中一圈齿在前，一圈齿在后，这样可以实现两个方面的益处：第一，两圈齿均为盘刀上的主切削齿，两圈齿在圆周方向交错布置，显著增加了盘刀切削齿在井底工作区域内的覆盖密度，既有利于切除井底上凸起的岩脊，又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。第二，两圈齿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，使钻头在难钻地层有更持久的工作能力。 

作为优选方式，至少有一个盘刀切削单元的盘刀上布置有非圆形轮廓的盘刀切削齿。 

上述方案中，在盘刀上布置有非圆形轮廓的切削齿，非圆形轮廓的切削齿主要有两类，一类是指长度和宽度不相等的切削齿（例如椭圆齿），另一类是指齿刃轮廓上具有尖锐点或尖锐区的切削齿（例如尖圆齿）。前一类切削齿按照其长度方向沿盘刀径向设置，以达到增强盘刀切削齿吃入能力、增加切削齿可磨损长度等目的。后一类切削齿按照尖锐区向外的方式设置在盘刀上，可显著增强盘刀切削齿对岩石的吃入能力。 

附图说明

图1为现有技术盘刀切削单元的盘刀轴与盘刀转动连接的结构示意图； 

图2为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的前侧时的盘刀轴与固定刀翼转动连接的结构示意图；

图3为本发明的盘刀几何位置参数移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β的示意图；

图4为本发明的盘刀与盘刀轴转动连接，盘刀轴的两端均与固定刀翼固定连接时，一个盘刀切削单元的盘刀沿盘刀极轴面的剖视图；

图5为本发明的盘刀与盘刀轴固定连接，盘刀轴的两端均与固定刀翼转动连接时，固定刀翼沿盘刀极轴面的局部剖视图；

图6为本发明盘刀正偏移、偏移角为正值沿钻头轴线俯视时盘刀在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图；

图7为本发明盘刀负偏移、偏移角为负值沿钻头轴线俯视时盘刀在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图；

图8为本发明固定刀翼上设有盘刀槽，盘刀切削单元设置于盘刀槽内，在与盘刀轴一端相连的固定刀翼上设置有单排固定切削齿形成固定切削结构时的钻头结构示意图；

图9为图8所示结构钻头的俯视图（沿钻头轴线从钻头切削结构端向钻头丝扣端看时的示意图）；

图10为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的前侧的示意图；

图11为本发明盘刀切削单元设置于固定刀翼的后侧的示意图；

图12为与图8相比，在固定刀翼上盘刀的前方和后方均设置有单排固定切削齿形成固定切削结构时的俯视图；

图13为本发明固定刀翼上盘刀的前方设置有双排固定切削齿，后方设置有单排固定切削齿时的俯视图；

图14为本发明在每固定刀翼上各设置有一排固定切削齿和两个盘刀切削单元，且两个盘刀偏移角一正一负时的俯视图；

图15为与图14盘刀轴倾角不同时的俯视图；

图16为与图14相比，固定刀翼上布有多排固定切削齿时的俯视图；

图17为与图16相比，固定刀翼上的两个盘刀在钻头上的径向位置不同时的俯视图；

图18为本发明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；

图19为本发明固定刀翼的前后均设置有盘刀切削单元时的钻头俯视图；

图20为本发明钻头体上还设置有独立于盘刀切削单元的固定切削结构时的钻头俯视图；

图21为本发明的盘刀偏移角不相等时的示意图； 

图22为本发明盘刀为正偏移时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图23为本发明盘刀为负偏移时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的网状刮痕示意图；

图24为本发明正、负偏移盘刀切削单元同时存在时，在盘刀切削单元和固定切削结构共同作用下，钻头在井底刮切出的多重交叉刮痕示意图；

图25为本发明一盘刀切削单元的盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓时的示意图；

图26为本发明盘刀上布置有不同直径尺寸的切削齿时的示意图；

图27为本发明盘刀上布置有椭圆形（非圆形轮廓）的切削齿时的示意图；

图28为齿刃轮廓上具有尖锐点或尖锐区的切削齿。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。 

实施例1：

如图3、4、5、6、7所示：一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体1、固定刀翼4、盘刀2，钻头体1上设置有固定刀翼4，固定刀翼4上布有固定切削齿41，盘刀2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，钻头体1上至少有一个由盘刀2与其上的盘刀切削齿21及盘刀轴3所构成的盘刀切削单元，至少有一个盘刀切削单元设置在固定刀翼4上，盘刀2与固定刀翼4形成转动连接。固定刀翼4上设有盘刀槽，盘刀切削单元设置于盘刀槽内，盘刀轴3的两端或一端与固定刀翼4连接，盘刀2通过盘刀轴3与固定刀翼4形成转动连接。。该结构下盘刀切削单元的体积大大缩小，且盘刀两侧的固定刀翼4能对盘刀起到轴向限位的作用，并能防止盘刀脱落；该结构比现有结构（如图1所示）的轴承承载能力强，盘刀轴3的受力更均衡，轴的强度更高；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3与固定刀翼4形成转动连接，在众多的连接方式中，有几种较佳的连接方式：一是，如图5所示，盘刀2与盘刀轴3固定连接（如盘刀2与盘刀轴3通过键、花键、过盈配合、或盘刀与盘刀轴直接加工为一体等方式固结），盘刀轴3的两端均与固定刀翼4转动连接，即盘刀轴3两端分别与固定刀翼4形成轴承连接，盘刀轴3及其上的盘刀2一起能相对固定刀翼4转动；二是，盘刀2与盘刀轴3转动连接，即盘刀2与盘刀轴3形成轴承连接，盘刀轴3的至少一端与固定刀翼4固定连接，或盘刀轴3的两端均与固定刀翼4固定连接（如图4）。三是，盘刀2与盘刀轴3转动连接，盘刀轴3的两端均与固定刀翼4转动连接。固定刀翼4上，在盘刀2前和/或后分别布置至少一排固定切削齿41。如图8、9、12、13所示，固定刀翼4上设有1排至3排的固定切削齿41，使钻头更适应于在硬度高、研磨性强的难钻地层中钻进使用。如图14所示，固定刀翼4上由刀翼顶端向根部方向开设有2个盘刀槽，其中一个盘刀槽位于固定切削齿41齿排的前方，另一个盘刀槽位于固定切削齿41齿排的后方，两个盘刀槽中各安装一个盘刀。图15所示钻头结构与图14基本相同，但盘刀2的轴倾角不同于图14所示结构。图16所示钻头结构与图14基本相同，同固定刀翼的两盘刀的前后及中间刀翼上均布有固定切削齿41。图17所示钻头结构与图16基本相同，同固定刀翼的两盘刀的极轴面不相同。盘刀切削单元与固定切削齿41相结合将在井底形成网状刮切痕迹，更有利于切削齿的吃入，减缓切削齿磨损速度,及钻头破岩效率的提高。如图22所示，盘刀为正偏移（如图8、9、13所示结构），盘刀切削单元和固定切削齿41在井底刮切出的网状刮痕；正偏移盘刀（如图6）刮切出从外到内的螺旋形刮痕6，固定切削齿刮切出同心圆形刮痕5。如图23所示，为盘刀为负偏移（如图12所示结构）时，盘刀切削单元和固定切削齿41在井底刮切出的网状刮痕；负偏移盘刀（如图7）刮切出从内到外的螺旋形刮痕7，固定切削齿41刮切出同心圆形刮痕5。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：钻头体1上还设置有独立的固定刀翼4及其固定切削齿41构成的独立的固定切削结构。如图12、20所示，设有盘刀切削单元的固定刀翼4上设有2排固定切削齿41，在盘刀切削单元的基础上，钻头体1上还设置有独立于盘刀切削单元的固定切削结构4，增设的固定切削结构4增加了钻头的布齿，使钻头更适于较硬地层的钻进。

实施例3：

本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：钻头体1上同时存在正、负偏移盘刀切削单元。如图14、15、16、17所示，正、负偏移的两盘刀切削单元距离较近，较近盘刀2的盘刀轴3的轴端可共同连接于同一固定刀翼4部分，使钻头结构更加紧凑，在钻头外径一定时，可设置更多的盘刀切削单元和切削齿数量；同时，盘刀切削单元之间的固定刀翼4上及盘刀切削单元两端的固定刀翼4上均可设置固定切削齿41形成固定切削结构。从图中可看出，该实施方式结构紧凑，固定切削齿布齿空间较大，充分利用了钻头有限的空间设置更多的盘刀切削单元。钻头结构更紧凑，钻头更易于小尺寸化，便于满足小井眼的钻井应用。如图24所示，固定切削结构和正、负偏移盘刀切削单元共同作用时，固定切削结构刮切出同心圆形刮痕5，正偏移盘刀刮切出从外到内的螺旋形刮痕6，而负偏移盘刀刮切出从内到外的螺旋形刮痕7，井底形成多重交叉刮切。多重交叉刮切不仅能增强钻头切削齿出入地层的能力，更能明显提高钻头的破岩效率。

实施例4：

如图2、10、11、18、19所示：一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体1、固定刀翼4、盘刀2，钻头体1上设置有固定刀翼4，固定刀翼4上布有固定切削齿41，盘刀2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，钻头体1上至少有一个由盘刀2与其上的盘刀切削齿21及盘刀轴3所构成的盘刀切削单元，至少有一个盘刀切削单元设置在固定刀翼4上，盘刀2与固定刀翼4形成转动连接。盘刀2设置于固定刀翼4的前侧或后侧，盘刀切削单元的盘刀轴3的一端与盘刀2固定连接，另一端与固定刀翼4转动连接，且转动副位于固定刀翼4内。如图10盘刀2设置于固定刀翼4的前侧，如图11盘刀2设置于固定刀翼4的后侧，如图19固定刀翼4的前后两侧均设置有盘刀2。该实施例还可与实施例2结合。

实施例5：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀切削单元的盘刀2的偏移角与其它盘刀切削单元的盘刀2的偏移角不相等，如图21，α₁≠α₂。

实施例6：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀切削单元的盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓。如图25所示，盘刀切削单元的盘刀切削轮廓9低于其他切削轮廓8。

实施例7：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：至少有一个盘刀切削单元的盘刀2上布置有不同直径尺寸的盘刀切削齿21，如图26。

实施例8：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：至少有一个盘刀切削单元的盘刀2上布置有非圆形轮廓的盘刀切削齿21。如图27盘刀2上布置有椭圆形（非圆形）轮廓的盘刀切削齿21。图28为齿刃轮廓上具有尖锐点或尖锐区的盘刀切削齿21（例如尖圆齿）。

实施例9：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：至少有一个盘刀2上布置有至少两圈盘刀切削齿21，如图18盘刀2上布置有两圈盘刀切削齿21。

实施例10：

本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于：盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀2在钻头上的径向位置与其它盘刀2的径向位置不相同。

需要特别声明的是，以上实施例既为本发明的若干优选实施例，同时也是各种可选实施手段，本领域技术人员可知，上述各种可选实施手段可以进行各种可行的自由组合，由此可以产生更多的实施例，其均应在本发明的保护范围内，并用以支持权利要求的保护。 

如，实施例5-10中任意可行的组合均可构成新的实施例。在此不作更多的穷尽举例，本领域技术人员可知其他的更多组合方式。 

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。