混合式井下钻井钻头技术领域
本发明涉及一种用于石油、天然气和地质钻井用的混合钻头，尤其涉及一
种混合式井下钻井钻头。
技术背景
在当前的石油钻井中，遇到硬地层或硬夹层时，常用的PDC钻头，主要是
通过PDC齿(聚晶金刚石复合片)的剪切运动方式来实现钻进，在钻头的鼻部
和肩部，由于PDC齿在钻头轮廓上的载荷分布特点，容易过早损坏，造成PDC
钻头的机械钻速变得非常缓慢；而牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，容易使
岩石产生较深的破碎齿坑；但对于软硬夹层较多的地层钻井，不能使岩石产生
体积破碎，故牙轮钻头切削齿的切削效率也较低。另外一方面，当钻头遇到一
些软硬夹层较多的地层时，PDC金刚石钻头的固定切削齿极易受到冲击破损，为
了应对这种情况，申请号为“200880016630.0”的中国专利文献公开了由牙轮
钻头和PDC钻头组合而成的混合钻头，该混合钻头虽有较强的综合性能，但存
在以下的不足：由于牙轮钻头具有的冲击、压碎的破岩机理，牙轮旋转带动自
身多个凿形齿产生的冲击载荷能够有效破碎硬地层；而过高钻压易导致钻头固
定刀翼上复合片(PDC齿)破碎，从而导致钻头机械钻速的降低；该钻头靠近钻
头中心轴线的是PDC切削齿，由于该钻头PDC切削齿靠近钻头轴线中心位置，
回转半径小，切削线速度低，往往切削效率低；且该钻头由PDC切削齿单独切
削钻头中心岩石，承受的载荷较大，在夹层钻进中易出现PDC层破碎或脱落。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种混合式井下钻井钻头。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌和牙轮，所述刀翼
和所述牙掌均与所述钻头本体的上端固定连接，所述牙掌的下端与所述钻头本
体的侧壁固定连接，所述牙轮通过轴颈与所述牙掌的上端可转动连接，所述牙
轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间设置有夹角，所述刀翼上设置有多个
锥形齿或/和圆片剪切齿，所述牙轮上设置有多个凿形齿和平头齿。
优选地，以所述刀翼切削时的旋转方向为前方，所有的所述刀翼中至少包
括一个仅有锥形齿的刀翼，所述仅有锥形齿的刀翼包括前排锥形齿，所述仅有
锥形齿的刀翼的前排锥形齿分布于所述仅有锥形齿的刀翼的轮廓的内锥、鼻部
和台肩部位，所述仅有锥形齿的刀翼的前排锥形齿出露高度大于其它所述刀翼
的前排圆片剪切齿出露高度,且其高度差小于2毫米。
进一步，所述仅有锥形齿的刀翼还包括后排锥形齿，所述仅有锥形齿的刀
翼的后排锥形齿分布于所述仅有锥形齿的刀翼的轮廓的内锥、鼻部和台肩部位，
所述仅有锥形齿的刀翼的前排锥形齿和后排锥形齿之间设置有小于2毫米的高
度差且该前排锥形齿高于该后排锥形齿。
作为优选，所述刀翼的前排锥形齿与切削面之间设置有角度为-17°～
+17°的侧倾角和角度为0～+17°的前倾角，所述后排锥形齿与切削面之间之间
设置有角度为-8°～+8°的前倾角。
作为优选，以所述刀翼切削时的旋转方向为前方，所有的所述刀翼中至少
包括两个前排齿为圆片剪切齿、后排齿为锥形齿的刀翼，所述圆片剪切齿分布
于所述刀翼轮廓的内锥、鼻部、台肩和保径部位，该刀翼后排锥形齿分布于对
应所述刀翼的轮廓的内锥、鼻部和台肩部位；该刀翼的前排圆片剪切齿的出露
高度比后排锥形齿的出露高度大,且其高度差小于2毫米，所述两个刀翼的中
心线在所述钻头本体的圆周方向上的夹角角度为160°～200°。
进一步，所述圆片剪切齿与切削面之间设置有角度为-17°～+35°的后倾
角和角度为-17°～+17°的侧倾角，所述后排锥形齿与切削面之间设置有角度
为-8°～+8°的前倾角。
优选地，所述锥形齿和所述圆片剪切齿均为聚晶金刚石复合齿或由多晶超
研磨材料制造的复合齿，所述凿形齿和所述平头齿为硬质合金齿。
优选地，所述牙轮的数量至少为一个，并且其切削齿的最外轮廓包络线在
所述钻头本体的固定切削齿的最外轮廓包络线之外，且两者之间的距离为0.8～
2.5毫米。
具体地，所述牙轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间的夹角角度为
25°～68°。
本发明的有益效果在于：
1、将牙轮钻头的冲击破碎和混合布齿的刀翼结构钻头的犁削、剪切运动相
结合，实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除钻头在一些特殊
地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少了固定切削齿冲击损坏
的几率，提高钻头切削效率和机械钻速；
2、混合布齿的刀翼结构钻头，增强了钻头本体在粘塑夹层和硬塑性夹层的
钻井效率和切削齿的承载能力；提高了钻头刀翼的寿命，有利于延长混合式钻
井钻头寿命；
3、钻头在工作过程中产生的冲击载荷较多的由牙轮切削齿承受，进一步降
低了PDC复合片的冲击载荷，减少了PDC复合片冲击破损的几率，从而提高钻
头的整体切削效率和机械钻速。
附图说明
图1是传统的混合钻头的俯视图；
图2是传统的混合钻头的侧视图；
图3是传统的混合钻头的切削结构分布侧视图；
图4是本发明所述刀翼与牙轮布置位置的示意图；
图5是本发明所述锥形齿和圆片剪切齿在刀翼轮廓的分布方法和特征的示
意图；
图6是本发明所述实施例一中混合式钻井钻头的俯视图；
图7是本发明所述实施例一中混合式钻井钻头的侧视图；
图8是本发明所述实施例二中混合式钻井钻头的俯视图；
图9是本发明所述实施例三中混合式钻井钻头的俯视图；
图10是本发明所述实施例三中混合式钻井钻头的侧视图；
图11是本发明所述实施例四中混合式钻井钻头的俯视图；
图12是本发明所述各实施例中圆片剪切齿在刀翼上的后倾角变化示意图；
图13是本发明所述各实施例中锥形齿在刀翼上的前倾角变化示意图；
图14是图6中刀翼13的锥形齿和刀翼32的圆片剪切齿的出露高差在同一
半径位置的前后关系图。
图15是描述图14中锥形齿和圆片剪切齿的出露高差示意图，反映了图6
中刀翼13的锥形齿和刀翼32的圆片剪切齿钻井时的轨迹关系。
图16是图8所述实施例中刀翼60上圆片剪切齿和锥形齿的出露高差在同
一半径位置的前后关系图。
图17是描述图16中圆片剪切齿和锥形齿的出露高差示意图,反映了图8
所述实施例中刀翼60上圆片剪切齿和锥形齿的出露高差在钻井时的井底轨迹示
意图。
图18是图11所述实施例中在仅有锥形齿的刀翼上有后排锥形齿，描述在
同一刀翼上前、后排锥形齿的出露高差在同一半径位置的前后关系图。
图19是描述图18中前排锥形齿和后排锥形齿的出露高差示意图,反映了
图11中在同一刀翼113上前、后排锥形齿钻井时形成的井底轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1、图2、图3所示的是申请号为200880016630.0的中国专利文献中的
混合钻头，包括钻头本体5、刀翼200、牙掌300和牙轮100，刀翼200和牙掌
300均与钻头本体5的上端固定连接。图1和图2以不同的方式描述了两刀翼和
双牙轮组合的混合钻头；图3简化描述了牙轮上的切削齿和刀翼上剪切齿的分
布方式，反映了国内外传统混合钻头特点。
为了便于各实施例的描述，各实施例中各部件的标号均按照附图所示的标
注进行描述，下述各实施例中的牙轮、牙掌、刀翼均与图1、图2、图3中的牙
轮100、牙掌300和刀翼200对应。
如图6和图7所示，本发明所述混合式井下钻井钻头包括钻头本体5、前排
有圆片剪切齿的刀翼32和仅有锥形齿的刀翼13、牙掌10和牙轮11；其均与钻
头本体5固定连接，牙掌10的下端与钻头本体5的侧壁固定连接，牙轮11的
轴颈与牙掌10的上端通过轴承转动连接(参看图4)；在图7中牙轮11通过轴
颈与牙掌10的上端可转动连接，牙掌10的下端与钻头本体5的侧壁固定连接；
图4中牙轮11的中轴线4与钻头本体5的中轴线6之间设置有夹角B，图4中
切削齿分布描述了图7牙轮切削齿和前排有圆片剪切齿的刀翼32在刀翼上的分
布方法。在图5中反映了图6前排有圆片剪切齿的刀翼32和仅有锥形齿的刀翼
13在刀翼轮廓的分布方式。在图6和图7中前排有剪切齿的刀翼32和仅有锥形
齿的刀翼13设置有多个圆片剪切齿7和多个锥形齿8，牙轮11上设置有多个凿
形齿3和平头齿2。
通过图6、图8、图9、图11描述反映钻头本体上5至少包括仅有锥形齿的
刀翼13、刀翼53、刀翼83、刀翼113、锥形齿分布于刀翼轮廓的内锥、鼻部和
台肩部位；仅有锥形齿的刀翼13、刀翼53、刀翼83、刀翼113上有后排齿为锥
形齿，每个刀翼至少有一个后排锥形齿(参考图11、图18和图19)；前排锥
形齿和后排锥形齿之间设置有小于2毫米的高度差，以刀翼13、刀翼53、刀翼
83、刀翼113的切削方向为前，刀翼13、刀翼53、刀翼83、刀翼113的前排锥
形齿与切削面之间设置有侧倾角和前倾角，侧倾角的角度为-17°～+17°，前
倾角的角度为0～+17°；通过图18和图19的描述了同一刀翼上设置有前排锥
形齿和后排锥形齿排列方法，仅有锥形齿的刀翼13、刀翼53、刀翼83刀翼113
上有后排齿为锥形齿，每个刀翼至少有一个后排锥形齿；后排锥形齿设置有前
倾角，前倾角的角度为-8°～+8°。
通过图5、图6、图8、图9、图11描述钻头本体5上至少包括两个前排齿
为圆片剪切齿的刀翼32、刀翼52、刀翼60和刀翼132，圆片剪切齿分布于刀翼
轮廓的内锥、鼻部、台肩和保径部位；两个前排齿为圆片剪切齿的刀翼32、刀
翼53、刀翼60和刀翼132在钻头本体5的圆周方向上的夹角角度为160°～
200°。在图8和图11的两个前排齿为圆片剪切齿刀翼60和刀翼132的上有后
排齿为锥形齿，后排锥形齿分布于刀翼轮廓的鼻部到台肩部位，该刀翼的前排
圆片剪切齿的出露高度比后排锥形齿的出露高度大,且其高度差小于2毫米，
以刀翼60和刀翼132切削方向为前，圆片剪切齿与切削面设置有后倾角和侧倾
角，圆片剪切齿的后倾角的角度为-17°～+35°，圆片剪切齿侧倾角的角度为
-17°～+17°；通过图16和图17的描述同一刀翼上设置有前排圆片剪切齿和
后排锥形齿的排列方法，在刀翼60和刀翼132上有后排锥形齿，后排锥形齿设
置有前倾角，前倾角的角度为-8°～+8°。
图4为有圆片剪切齿的刀翼与一个牙轮切削元件布置方法的示意图，其中
包括钻头本体5的中轴线6和牙轮中轴线4有一个夹角B，角度B在25度到68
度之间，牙轮上的牙轮凿形齿3和平头齿2与圆片剪切齿7形成的刮刀的切削
结构在同一平面的分布，牙轮凿形齿3的出露高度大于刀翼上圆片剪切齿7的
高度，高度差在0.8毫米到2.5毫米之间，牙轮上的凿形齿3和平头齿2位于
刀翼轮廓的鼻部和肩部，钻井时既围绕牙轮轴线4自转，又围绕井下钻头的中
心轴线6公转。
图5为圆片剪切齿与锥形齿在刀翼上的分布特征，图中描述了刀翼上圆片
剪切齿和锥形齿投影到一个平面上的分布方法的一个实例：刀翼上锥形齿81分
布于刀翼轮廓的内锥、鼻部和台肩部位；圆片剪切齿85分布于刀翼轮廓的内锥、
鼻部、台肩和保径部位(含有主动保径和被动保径)，圆片剪切齿85位于刀翼
轮廓的主动保径，圆片剪切齿185位于刀翼轮廓的被动保径，刀翼上锥形齿81
和圆片剪切齿85有不同的出露高度，且其高度差小于2毫米，在刀翼轮廓的内
锥、鼻部、台肩部位切削元件的出露高度是变化的，锥形齿81在刀翼轮廓的不
同部位有变化的侧倾角；锥形齿81有侧倾角，侧倾角的变化范围在-17～+17度
之间变化，混合式钻井钻头所有刀翼上圆片剪切齿和锥形齿形成了刀翼轮廓的
全覆盖。
同时本发明的结构应用于多种实例，下面结合附图给出几种实施例。
实施例1：
如图6和图7所示，公开了一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体5,钻
头本体5包括两条仅有锥形齿8的刀翼13和两条其它刀翼32及两个牙掌10，
牙掌10下端与钻头本体5焊接成一体，牙掌10的上端设置轴颈，牙轮11套装
在轴颈上；牙轮11上有成排分布的凿形齿3和平头齿2，牙轮11上的凿形齿3
和平头齿2位于刀翼轮廓的鼻部和肩部，钻井时既围绕牙轮11轴线自转，又围
绕井下钻头的中心轴公转，其中牙轮11轴线与钻头体5的中心线之间有一个角
度在35度在65度之间的夹角，两条仅有锥形齿8的刀翼13和两条设置有前排
圆片剪切齿7的刀翼32，仅有锥形齿8的刀翼13的前排锥形齿8出露高度大于
其它刀翼32的前排圆片剪切齿7的出露高度,且其高度差小于2毫米。在两个
刀翼之间有喷嘴1，图7中的刀翼32有被动保径14，在刀翼32之间有排屑槽9；
钻头本体5上有接头15加工有螺纹，钻井时与井下钻具组合连接在一起。
实施例2：
如图8所示，公开了另一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体5,钻头本
体5包括两条设置有前排圆片剪切齿77的刀翼60和两条仅有锥形齿88的刀翼
83、两个牙掌和两个牙轮61；牙轮61上有成排分布的牙轮凿形齿66和平头齿
63，牙轮上的凿形齿66和平头齿63位于刀翼60轮廓的鼻部和台肩部，其中牙
轮61轴线与井下钻井钻头体5的中心线之间有一个角度在25度到68度之间的
夹角；两个前排布置有圆片剪切齿77的刀翼60上有后排齿，后排齿为锥形齿
75，后排齿锥形齿75在刀翼轮廓的位置分布于刀翼轮廓的鼻部和台肩，在同一
刀翼上前排圆片剪切齿77出露高度大于后排锥形齿75的出露高度，其高度差
为0到2毫米之间；在两个刀翼之间有喷嘴80和排屑槽90。在钻头本体5上至
少有一个刀翼全部布置为锥形齿88；仅有锥形齿88的刀翼83，锥形齿88在刀
翼轮廓的位置分布于刀翼轮廓的内锥、鼻部和台肩，参考图7钻头本体5上的
固定刀翼13有被动保径14；固定刀翼之间有排屑槽9；钻头本体5上有接头15
加工有螺纹，钻井时与井下钻具组合连接在一起。
实施例3：
如图9和图10所示，公开了另一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体5,
钻头本体5包括两条前排有圆片剪切齿44的刀翼52和一条仅有锥形齿45的刀
翼53、两个牙掌33和两个牙轮35，牙掌33一端与钻头本体5焊接成一体，牙
掌33的另一端设置轴颈，牙轮35套装在轴颈上(参考图4)；牙轮35上有成
排分布有凿形齿20和平头齿22，牙轮35上的凿形齿20和平头齿22位于刀翼
轮廓的鼻部和肩部,钻井时既围绕牙轮35轴线自转，又围绕井下钻头的中心轴
公转；其中牙轮35轴线与井下钻井钻头体5中心线之间有一个角度在35度到65
度之间的夹角；钻头本体5上包括两条前排有圆片剪切齿44的刀翼52和一条
仅有锥形齿45的刀翼53，仅有锥形齿45的刀翼53的前排锥形齿出露高度大于
其它刀翼52的前排圆片剪切齿44的出露高度,且其高度差小于2毫米。在两个
刀翼之间有喷嘴21。在图10中固定刀翼53上设置有被动保径39；固定刀翼之
间有排屑槽30；钻头本体5上有接头41加工有螺纹，钻井时与井下钻具组合连
接在一起。
实施例4：
如图11所示，公开了另一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体5,钻头本
体5包括两条前排有圆片剪切齿124的刀翼132和一条仅有锥形齿的刀翼113、
两个牙掌33和两个牙轮115，牙轮115上有牙轮凿形齿128和平头齿126，牙
轮上的凿形齿128和平头齿126位于刀翼轮廓的鼻部和肩部，其中牙轮115轴
线与钻头体5的中心线之间有一个夹角B，角度B在25度在68度之间；钻头本
体5上包括两条前排有圆片剪切齿124的刀翼132上设置有后排齿，后排齿为
锥形齿121；后排锥形齿121在刀翼132轮廓的位置分布于刀翼132轮廓的鼻部
到台肩，在同一刀翼上前排为圆片剪切齿124的出露高度大于后排锥形齿121
的出露高度，高度差的范围在0到2毫米之间；仅有锥形齿的刀翼113包括前
排锥形齿118和后排锥形齿119,刀翼113的前排锥形齿118的出露高度大于该
刀翼113的后排锥形齿119的出露高度,且其高度差小于2毫米。该刀翼113的
前排锥形齿118和后排锥形齿119分布于刀翼轮廓的内锥、鼻部和肩部。在两
个刀翼之间有喷嘴130和排屑槽110；在钻头本体5上至少有一个刀翼113上全
部布置为锥形齿118，锥形齿118在刀翼132轮廓的位置分布于刀翼132轮廓的
内锥、鼻部和台肩。钻头本体5包括两条前排有圆片剪切齿124的刀翼132和
一条仅有锥形齿的刀翼113设置都有被动保径；参看图10，钻头本体5包括纵
向向下延伸的三条固定刀翼都有被动保径39；固定刀翼之间有排屑槽30；钻头
本体5上有接头15加工有螺纹，钻井时与井下钻具组合连接在一起。
上述四个实例中，每一种实例包含有圆片剪切齿的刀翼，圆片剪切齿可以
分布于刀翼轮廓的内锥、鼻部、台肩、主动保径和被动保径。
图12描述了刀翼上圆片剪切齿有不同的后倾角，有正后倾角、0度后倾角
和负后倾角。圆片剪切齿分布在刀翼轮廓的内锥、鼻部、台肩和保径部位；圆
片剪切齿的后倾角是变化的；后倾角的范围在-17～+35度之间变化。
图13描述了锥形齿在刀翼的不同部位有不同的前倾角；包括正前倾角，0
度前倾角和负前倾角。锥形齿分布在刀翼轮廓的内锥、鼻部、台肩部位；前排
锥形齿与切削面之间设置有前倾角，前倾角的角度为0～+17°；后排锥形齿与
切削面之间设置有前倾角，前倾角的角度在-8～+8°之间变化。
图14和图15描述了图6和图9实施例中特点，仅有锥形齿的刀翼13(或
53)和前排圆片剪切齿所在的刀翼32(或52)形成的钻头，在钻井过程切削地
层的工作方式和形成的井底轨迹示意图。圆片剪切齿和锥形齿布置在不同的刀
翼上，锥形齿有正前倾角，圆片剪切齿有正后倾角。锥形齿与圆片剪切齿有高
度差L大于M，其差值在0到2毫米之间。圆片剪切齿与切削面设置有后倾角和
侧倾角，圆片剪切齿的后倾角的角度变化在-17°～+35°之间，圆片剪切齿侧
倾角的角度在-17°～+17°之间变化；锥形齿设置有前倾角；前倾角的角度在
0～+17°之间变化。
图16和图17描述了图8和图11中实施例中刀翼60和刀翼132上前排为
圆片剪切齿，后排为锥形齿，圆片剪切齿和锥形齿在同一刀翼形成的钻头，在
钻井过程切削地层的工作方式和形成的井底轨迹示意图。圆片剪切齿在刀翼的
前排有正后倾角，锥形齿为后排齿有前倾角；圆片剪切齿与切削面设置有后倾
角和侧倾角，圆片剪切齿的后倾角的角度变化在-17°～+35°之间，圆片剪切
齿侧倾角的角度在-17°～+17°变化；后排锥形齿的前倾角的范围在±8度之
间；圆片剪切齿和锥形齿有切深差N，N值在0～2毫米之间。
图18和图19描述了图6、图8、图9和图11中实施例中刀翼13、刀翼53
刀翼83和刀翼132在钻头上为仅有锥形齿的刀翼；在仅有锥形齿刀翼上增加后
排锥形齿，前排锥形齿有正前倾角，后排锥形齿有负前倾角；通过图18和图19
描述了图11中所述仅有锥形齿的刀翼113,包括前排锥形齿118、后排锥形齿119,
在同一刀翼上排列形成的钻头；反映仅有锥形齿的刀翼在钻井过程切削地层的
工作方式和形成的井底轨迹示意图。前排锥形齿切深L1与后排锥形齿切深L2
的差值在0～2毫米之间。
本发明锥形齿和圆片剪切齿中，存在多晶超研磨材料，多晶超研磨材料包
括人造金刚石和天然金刚石颗粒、人造金刚石和天然金刚石单晶和微粒的混合，
含有立方氮化硼等多晶超研磨材料；在实例中，多晶超研磨材料和硬质合金基
体在高温/高压(“HTHP”)的工艺过程中使用的催化剂材料，能够形成希望的
多晶超研磨材料的锥形齿和多晶超研磨材料的圆片剪切齿。
在上述形成多晶超研磨材料的高温/高压(“HTHP”)的工艺过程，在可加
热的高温/高压的压力机中完成。一般高温达1420℃的温度条件下，高压大约在
5.5GPa～7.8GPa之间的高压力条件下；尽管高温/高压(HTHP)工艺的准确操作
参数将根据正在使用的各种材料的具体成分和数量而发生变化。在高温/高压的
压力机中的压力可以在设定的具体恒定的高温/高压(“HTHP”)条件下，维持
大约在50秒～21分钟的时间内，能够形成多晶超研磨材料的锥形齿和多晶超研
磨材料的圆片剪切齿。
本发明的钻头工作时，将牙轮钻头的冲击压入和混合齿刀翼钻头的刮削运
动相结合，牙轮切削齿实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除
钻头在一些特殊地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少固定切
削齿冲击破损的几率，提高钻头切削效率和机械钻速；同时，混合齿刀翼钻头
的布齿结构，补强了混合式钻井钻头刀翼中心的切削能力和适应能力，增强了
混合式钻井钻头在复杂地层和夹层地层中快速钻进的能力，有利于提高混合式
钻井钻头的机械钻速。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术
方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。