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、水文及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種切削元件成對設(shè)置的金剛石鉆頭。

背景技術(shù)：

金剛石鉆頭是鉆井工程中其中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，根據(jù)其切削元件的不同，主要包括PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭。

PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復(fù)合片（簡稱PDC齒或切削齒）作為切削元件來剪切和破碎巖石。PDC鉆頭在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長，鉆進(jìn)成本低，因此其在油氣井的鉆進(jìn)中得到廣泛使用。PDC齒雖然硬度高，但抗沖擊能力和抗熱磨損能力的限制，PDC鉆頭在硬地層、高研磨性地層、嚴(yán)重不均質(zhì)地層（軟硬交錯(cuò)夾層、含礫巖層等）鉆進(jìn)時(shí)，很容易導(dǎo)致復(fù)合片的快速磨損失效，而最典型的失效形式之一就是復(fù)合片金剛石層的沖擊崩損，復(fù)合片的崩損使鉆頭的切削效率和工作壽命均大大降低。復(fù)合片崩損的主要原因是來自井底巖石的沖擊力，除了巖石不均質(zhì)帶來的沖擊以外，在更多的情況下，切削齒承受的沖擊力來自鉆頭的振動，特別是橫向振動。通常，鉆頭上最容易發(fā)生復(fù)合片崩損的位置是鉆頭上切削速度比較高的冠頂以及冠頂以外的徑向區(qū)域。

除了PDC鉆頭以外，孕鑲金剛石鉆頭也是一種重要的鉆頭種類，這種鉆頭以孕含在胎體式刀翼體或切削齒中的大量金剛石微小顆粒（即金剛石微切削刃）形成的基本切削刃構(gòu)成切削元件，鉆頭的破巖原理與砂輪的磨削原理相仿，即暴露在鉆頭表面的金剛石微粒以磨削或微切削的方式切削井底巖石，并伴隨著金剛石微粒的逐漸“磨鈍”、脫落以及其支撐材料的不斷磨蝕，新的金剛石磨粒不斷出刃繼續(xù)工作。

在導(dǎo)向鉆進(jìn)中，鉆頭橫向位移方向與鉆頭橫向力方向不一致時(shí)就會出現(xiàn)“漂移”現(xiàn)象。影響井眼軌跡方位漂移的因素很多，鉆頭因素只是其中的一個(gè)方面。其它如地層性質(zhì)、鉆柱及導(dǎo)向工具的變形、井筒質(zhì)量、鉆井參數(shù)等，都可能在一定程度上對導(dǎo)向鉆進(jìn)的方位穩(wěn)定性造成影響。在諸多影響因素中，鉆頭的影響效應(yīng)是比較顯著的。

假設(shè)鉆頭上有一個(gè)通過鉆頭軸線和鉆頭上某一點(diǎn)的剖切平面（稱之為過該點(diǎn)的軸線平面或軸面）。當(dāng)鉆頭在鉆進(jìn)速度為零的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削元件的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削元件的軸面輪廓線，將所有切削元件的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有切削單元的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線，被稱為鉆頭切削輪廓線，鉆頭切削輪廓線反映了鉆頭鉆出的井底的基本形狀特征。法向角是指切削原件的方向基準(zhǔn)線與鉆頭中心線的夾角，前傾角是指切削元件的方向基準(zhǔn)線與切削元件工作平面的之間夾角，側(cè)轉(zhuǎn)角是指切削元件工作平面上通過切削元件中心點(diǎn)且垂直于方向基準(zhǔn)線的直線與通過軸線平面之間的夾角。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種切削元件成對設(shè)置的金剛石鉆頭，能提高鉆頭吃入地層的能力及破巖效率，提高鉆頭的布齒密度，延長鉆頭的使用壽命，同時(shí)降低鉆頭的扭矩，從而增強(qiáng)鉆頭鉆進(jìn)穩(wěn)定性，特別適用于定向鉆井中。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

現(xiàn)有技術(shù)的金剛石鉆頭，通常包括鉆包括鉆頭體、固定刀翼，在固定刀翼上設(shè)置有切削元件，水孔或者噴嘴等，本專利的金剛石鉆頭的區(qū)別在于：至少有2個(gè)切削元件有偏角，且2個(gè)切削元件在鉆頭上成對設(shè)置。

在鉆頭的俯視中（見圖3），將切削元件的中心點(diǎn)O2與鉆頭中心線點(diǎn)O1相連接，形成直線AB，在平面內(nèi)做通過定位點(diǎn)O2且垂直于直線AB的直線CD，將切削元件繞直線CD，旋轉(zhuǎn)一定角度θ，直線CD與切削元件的軸線夾角即為切削元件的偏角，規(guī)定沿逆時(shí)針方向?yàn)檎粗疄樨?fù)。

本專利中，至少２個(gè)切削元件有偏角，且２個(gè)切削元件在鉆頭上成對設(shè)置，切削元件的法向角、前傾角、側(cè)轉(zhuǎn)角在一定程度會影響切削元件的偏角，但不等同于切削元件的偏角。由于２個(gè)切削元件有偏角，這樣切削元件在鉆頭的徑向覆蓋圖上的投影為類橢圓形，見圖4所示，其中Ｌ１為有偏角切削元件在徑向覆蓋圖徑向距離，Ｌ２為沒有偏角的切削元件在徑向覆蓋圖徑向距離，有偏角的切削元件在徑向覆蓋上區(qū)域范圍減小，這樣可以設(shè)置更多的切削元件，提高鉆頭的布齒密度，從而提高鉆頭的壽命，并且有偏角切削元件的切削面曲率減小，這樣能夠增強(qiáng)切削元件吃入地層的能力，提高鉆頭的破巖效率。

作為選擇，成對切削元件的偏角θ取值范圍5°≤|θ| ≤85°。

上述方案中，成對切削元件的定位半徑、前傾角、側(cè)轉(zhuǎn)角、周向位置角不同，這樣導(dǎo)致切削元件的切削情況、受力情況都不相同，限定切削元件的偏角范圍能顯著改變整個(gè)鉆頭的受力情況，同時(shí)還能針對不同的地層條件和鉆井方式來改變切削元件的偏角，從而拓寬鉆頭的適用范圍。

作為選擇，成對切削元件設(shè)置在同一固定刀翼上，且成對切削元件的偏角相反，即為一正、一負(fù)。

上述方案中，成對切削元件設(shè)置在同一固定刀翼上，且成對切削元件的偏角方向相反，由于偏角的存在，兩個(gè)切削元件的接觸平面不在平行，而成一定夾角，這樣切削元件在接觸平面上的經(jīng)過分解后，能相互抵消一部分切向力，降低鉆頭的扭矩，從而增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性。

作為選擇，成對切削元件設(shè)置在不同的固定刀翼上。

上述方案中，成對切削元件設(shè)置在不同的固定刀翼上，切削元件的周向位置角不同，這樣能減小鉆頭的不平衡力，增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性。將一個(gè)刀翼上的全部切削元件的偏角為同一方向，另一刀翼上的全部切削元件的偏角亦為同一方向，根據(jù)刀翼周向位置角的關(guān)系來確定兩個(gè)刀翼上切削元件的偏角是否相同。

作為選擇，成對切削元件的偏角θ不相等，即θ1≠θ2。

上述方案中，由于切削元件的定位半徑、周向位置角不相同，導(dǎo)致其受力情況也不相同，采用不同的偏角，能保證鉆頭的受力更加均勻。

作為選擇，成對切削元件的偏角θ相等，即θ1=θ2。

上述方案中，當(dāng)成對切削元件在不同的周向位置角上，且成對切削元件在相同的徑向位置，切削元件的偏角相等，能最大程度上減小鉆頭的不平衡力和力矩。

作為選擇，固定切削元件為聚晶金剛石復(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、陶瓷切削齒等等。

本發(fā)明的有益效果：

1、成對的切削元件有偏角，切削元件在鉆頭的徑向覆蓋圖上的投影為類橢圓形，切削元件切削面的曲率減小，這樣能夠增強(qiáng)切削元件吃入地層的能力，提高鉆頭的破巖效率。

2、由于偏角的存在，成對切削元件在徑向覆蓋上區(qū)域范圍減小，這樣可以設(shè)置更多的切削元件，提高鉆頭的布齒密度，從而延長鉆頭的壽命。

3、成對切削元件有了偏角后，其的切削面不在平行，而成一定夾角，切削元件在切削面上的經(jīng)過分解后，能相互抵消一部分切向力，減小鉆頭的不平衡力以及降低鉆頭的扭矩，從而提高鉆頭的穩(wěn)定性，有效減少鉆頭切削齒的沖擊失效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明金剛石鉆頭示意圖

圖2為金剛石鉆頭俯視圖

圖3為切削元件偏角示意圖

圖4為有、無偏角的切削元件在鉆頭徑向覆蓋圖上投影示意圖

圖5為成對切削元件偏角方向相同鉆頭示意圖

圖6為成對切削元件在鉆頭不同刀翼上示意圖

圖中標(biāo)識：1-鉆頭體；2-固定刀翼；3-成對切削元件；31-成對切削元件1；32-成對切削元件2；4-常規(guī)切削元件；5-水孔或者噴嘴。

具體實(shí)施方式

下列非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。

如圖1、2所示，一種切削元件成對設(shè)置的金剛石鉆頭，包括鉆頭體1、固定刀翼2，在固定刀翼上設(shè)置有切削元件4，水孔或者噴嘴5等，其特征在于：至少有2個(gè)切削元件31和32有偏角，且在2個(gè)切削元件鉆頭上成對設(shè)置。

作為優(yōu)選，成對切削元件3的偏角θ取值范圍5°≤|θ| ≤85°，如圖1、2、3所示。

作為優(yōu)選，成對切削元件3設(shè)置在同一固定刀翼2上，且成對切削元件的偏角方向相反，即為一正、一負(fù)，如圖2所示。

作為優(yōu)選，成對切削元件設(shè)置在不同的固定刀翼上，如圖6所示。成對切削元件的偏角方向相同，如圖5所示。

作為優(yōu)選，成對切削元件的偏角θ不相等，即θ1≠θ2，如圖6所示。

作為優(yōu)選，成對切削元件的偏角θ相等，即θ1=θ2，如圖2所示。

作為優(yōu)選，固定切削元件為聚晶金剛石復(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、陶瓷切削齒等等。

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)。