一种具有井下自更新能力的长寿命钻头

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种具有井下自更新能力的长寿命钻头。

背景技术：

1、聚晶金刚石复合片是钻井工程中的钻井工具、破岩工具上使用的切削元件，简称为复合片或pdc齿。常规聚晶金刚石复合片通常由聚晶金刚石层与基体（基体材料通常为硬质合金）在高温高压下复合而成，因此复合片既具有聚晶金刚石层有高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。

2、现有技术中的长寿命pdc钻头，大多是在常规pdc钻头切削齿的基础上增加多排齿（内镶齿等方式），当第一排切削齿的出露高度被磨损殆尽后，第二排切削齿才陆续出露参与切削岩石的工作。显然，当第一排切削齿出露高度为零后，不论新齿是否出露，刀翼本体始终都将会同pdc齿一同参与切削，这将大大减小钻头上局部区域的切削齿比压，削弱了钻头对岩石的吃入能力。现有技术中对延长pdc钻头寿命的手段虽然在一定程度上使钻头更耐用，但同时也使其钻进效率受到了严重影响，并未实现寿命与效率兼顾的效果。

3、此外，在pdc钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面（亦简称为轴面），钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿（或若干指定刀翼上的所有主切削齿）的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图（或若干指定刀翼的轴面布齿图）。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的径向覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线（也即钻头的冠部轮廓线）。另外，若仅将某个指定刀翼上的切削齿表示出来，而将其它刀翼上的切削齿隐去，就形成了该刀翼的轴面布齿图。在刀翼的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼的切削轮廓线。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，即为刀翼轮廓线。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的（临近规径面的区域除外），所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异，因此通常情况下，若要使不同刀翼的切削轮廓线相互匹配、适应，则需要将不同的刀翼轮廓线设计为完全或基本相同的形状，再加上出露高度是相同或相近的布齿方式即可实现。

4、中国专利“一种具有转位刀翼的长寿命pdc钻头”（专利号：cn108086916a）公开了一种具有转位刀翼的长寿命pdc钻头，转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。在初始切削齿被磨损后能够在地面通过远程控制使新的切削齿代替已磨损切削齿继续钻进，从而使钻头在井下就能完成切削结构的单次甚至多次更新，实现“不起钻更新钻头”的效果。该专利技术通过远程控制（投球的方式）来实现刀翼的转动从而实现钻头的切削结构的井底更新，刀翼转动后需要专门限位和锁定机构，这样实现钻头更新方式操作复杂，智能化、自动化程度低，需要人为经验来判断操作。为了克服上述缺陷，提出一种具有井下自更新能力的长寿命钻头。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种具有井下自更新能力的长寿命钻头，依靠液体压力与机械式传动的方式实现棘轮的旋转，从而实现自更新轮的旋转，让自更新齿翻转到刀翼外表面，构成钻头切削结构的一部分，使其具备井下自更新能力，达到延长使用寿命的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

3、一种具有井下自更新能力的长寿命钻头，包括有钻头体和接头，在所述钻头体上设置有固定刀翼和支撑刀翼，在固定刀翼上镶固有主切削齿，在钻头体和接头内部设置有中心流道，其特征在于：在所述支撑刀翼上设置有自更新轮，所述自更新轮上设置有自更新齿，自更新轮通过轮轴与支撑刀翼形成转动连接，自更新轮一端设置有锥形轮；在所述钻头体内部设置有传动轴、棘轮轴、弹簧、滑动销，传动轴一端为锥形轮，另一端为花键槽，传动轴的锥形轮与自更新轮的锥形轮相互啮合，棘轮轴一端为上花键，棘轮轴上设置有棘轮槽，棘轮下端设置有承压面，棘轮轴的上花键与传动轴的花键槽相互配合，滑动销与棘轮槽形成滑动配合，弹簧设置在棘轮轴与传动轴之间，滑动销设置在钻头与接头之间。

4、上述方案中，一种具有井下自更新能力的长寿命钻头，包括有钻头体和接头，在所述钻头体上设置有固定刀翼和支撑刀翼，在固定刀翼上镶固有主切削齿，在钻头体和接头内部设置有中心流道，其特征在于：在所述支撑刀翼上设置有自更新轮，所述自更新轮上设置有自更新齿，自更新轮通过轮轴与支撑刀翼形成转动连接，自更新轮一端设置有锥形轮；在所述钻头体内部设置有传动轴、棘轮轴、弹簧、滑动销，传动轴一端为锥形轮，另一端为花键槽，传动轴的锥形轮与自更新轮的锥形轮相互啮合，棘轮轴一端为上花键，棘轮轴上设置有棘轮槽，棘轮下端设置有承压面，棘轮轴的上花键与传动轴的花键槽相互配合，滑动销与棘轮槽形成滑动配合，弹簧设置在棘轮轴与传动轴之间，滑动销设置在钻头与接头之间。当自更新轮上自更新齿有磨损，钻头表现为机械钻速降低，此时将钻头上提离开井底，使钻头不承受载荷，需要通过加大钻井液的排量，参考图9至图13，钻井液作用在棘轮轴的承压面上，此时滑动销处于上死点，如图9所示；钻井液推动整个棘轮轴向上移动并压缩弹簧，此时滑动销与棘轮轴上的棘轮槽滑动配合，滑动销接触棘轮槽的下斜面，如图10所示；由于棘轮槽上有斜面的存在，斜面就会推动棘轮轴继续做旋转运动，直到滑动销位于棘轮槽下死点，如图11所示；此时减小钻井液排量，在弹簧的作用，棘轮轴向下移动，滑动销逐渐到达棘轮槽上斜面，如图12所示；在斜面作用下推动棘轮轴继续旋转，直到棘轮轴位于棘轮槽的上死点，如图13所示；这样棘轮轴一边移动，一边转动，棘轮轴上端设置有上花键，传动轴花键槽，花键与花键槽相互配合，这样棘轮就可带动传动轴旋转，传动轴上端的锥形轮与自更新轮上的锥形轮相互啮合，带动自更新轮的转动，让自更新齿翻转到刀翼外表面，构成钻头切削结构的一部分，使其具备井下自更新能力，达到延长使用寿命的目的。锥形轮相互啮合可实现自锁，棘轮轴上的棘轮槽也只能单向运动，可实现双重自锁，大大增加自更新轮井底安全性。

5、作为选择，所述钻头体上至少设置有一组支撑刀翼，所述自更新轮的轮轴两端分别与支撑刀翼形成双支撑转动连接。

6、上述方案中，所述钻头体上至少设置有一组支撑刀翼，所述自更新轮的轮轴两端分别与支撑刀翼形成双支撑转动连接，采用双侧支撑转动连接时，能够明显改善轮轴的受力情况，可减小轮轴的直径，这样能提高轮轴的承载能力，即使密封失效，自更新轮产生晃动，也不至于掉落井底。

7、作为选择，在所述钻头体和接头之间设置有滑动销，它通过轴承、安装套构成的组件单元安装固定。

8、上述方案中，在所述钻头体和接头之间设置有滑动销，它通过轴承、安装套构成的组件单元安装固定，滑动销通过轴承与安装套构成的组件单元固定安装，此时滑动销可自转，这样滑动销与棘轮槽接触时候，通过滚动代替滑动，减低摩擦系数，提高棘轮轴的运动效率。

9、作为选择，在所述自更新轮上设置有至少两组自更新齿，每组自更新齿沿着所述自更新轴轴线方向排列。

10、上述方案中，在所述自更新轮上设置有至少两组自更新齿，每组自更新齿沿着所述自更新轴轴线方向排列。自更新轮有至少两组切削齿，说明自更新轮至少可更新一次，这样自更新轮上切削齿组数越多，自更新轮更新次数越多，钻头的使用寿命也会大幅度提升。

11、作为选择，所述自更新轮与轮轴为一体式结构。

12、上述方案中，所述自更新轮与轮轴为一体式结构，这样自更新轮的壳体厚度将大大增加，有效减少现有钻头因壳体开裂或破损等引起转动体脱落掉入井底而产生井下事故。

13、作为选择，所述自更新轮与轮轴为分体结构，自更新轮与轮轴之间形成转动配合关系。

14、上述方案中，所述自更新轮与轮轴为分体结构，自更新轮与轮轴之间形成转动配合关系。 一方面轮轴与支撑刀翼之间固定连接，使结构强度进一步增强；另一方面能够使自更新轮的转动更加灵活，自更新轮与轮轴通过键、花键或过盈配合相连接，轮轴与支撑刀翼转动连接，轮轴与支撑刀翼的转动尺寸可调，轮轴的承载能力将大大增加，延长轮轴系统寿命。

15、作为选择，所述自更新轮上设置有斧形齿、奔驰齿、锥形pdc齿。

16、上述方案中，所述自更新轮上设置有斧形齿、奔驰齿、锥形pdc齿，不同形状的切削齿与不同的地层相互匹配，从而拓宽钻头适用范围。

17、1、自更新齿翻转到刀翼外表面，构成钻头切削结构的一部分，使其具备井下自更新能力，达到延长使用寿命的目的，锥形轮相互啮合可实现自锁，棘轮轴上的棘轮槽也只能单向运动，可实现双重自锁，大大增加自更新轮井底安全性。

18、2、自更新轮的轮轴两端分别与支撑刀翼形成双支撑转动连接，采用双侧支撑转动连接时，能够明显改善轮轴的受力情况，可减小轮轴的直径，这样能提高轮轴的承载能力，即使密封失效，自更新轮产生晃动，也不至于掉落井底。

19、3、钻头体和接头之间设置有滑动销，它通过轴承、安装套构成的组件单元安装固定，滑动销通过轴承与安装套构成的组件单元固定安装，此时滑动销可自转，这样滑动销与棘轮槽接触时候，通过滚动代替滑动，减低摩擦系数，提高棘轮轴的运动效率。

20、4、自更新轮与轮轴为一体式结构，这样自更新轮的壳体厚度将大大增加，有效减少现有钻头因壳体开裂或破损等引起转动体脱落掉入井底而产生井下事故。

21、5、自更新轮上设置有斧形齿、奔驰齿、锥形pdc齿，不同形状的切削齿与不同的地层相互匹配，从而拓宽钻头适用范围。