本发明与地质物料钻孔用钻头有关，具体有关用于勘探地下烃类埋藏量的这类钻头。 勘探地下烃类埋藏量时，用一个旋转钻头钻凿地下岩层井眼。钻头使用者与制造商发现通过较准确控制钻头压力（WOB）并增高转速（RPM），便可取得高钻进速度。但是随转速的增高，由于钻头的切削部件很很快发生断裂并可能从钻头上崩脱，钻头的有效寿命便急剧的缩短。
已有许多研究工作探讨切削部件的这种损坏的原因。本发明人等过去发现，一个相当部分的破坏力产生于径向不平衡力，该力使钻头围绕一个偏离钻头体几何圆心的中心旋转，以这样的方式使钻头倾向于围绕井眼中心向后回转。当钻头围绕井眼中心向后回转时，这种回转使旋转中心动态地变化。于是切削刃加速向侧边并向后的运动，并承受增大的冲击载荷，从而损坏该切削刃。
进一步讲，在每一个钻头上都有某种程度的切向不平衡钻进力，这些力倾向于将钻头推向钻孔侧边上。假如钻头有正常的切削刃结构，保径齿排则设计成用以切削钻孔边缘。在切削过程中，在保径区附近的各切削刃之间地有效摩擦增大，于是瞬时旋转中心变为不同于钻头几何圆心的某一点。发生这种情况时，一般的结果是钻头开始围绕设计的钻孔中心回转。由于钻头迅速加速所产生的离心力，不论钻头的定向如何，使钻头保径区与钻头孔壁之间一定产生相当大的磨擦，故回转过程便本身自己再生。
已有人提出各种方法及设备，以便消除或减少这种不平衡力，包括利用动态平衡的下部钻杆组合件并将切削刃重新校正以减少不平衡力。
已发展了各种钻头，通过将各切削件调校成多个同半径的切削部件组，每一组构成径向重叠关系，以改进钻进速度。美国专利第4，545，441号中公开了一种这类钻头设计。此外，已有各种尝试，通过改变切削部件的后倾角或侧倾角，或攻角，意即切削部件表面相对于岩层表面指向岩层处的夹角，以提高切削元件的寿命。改变这种后倾角的优点，在1986年12第108卷，第4期《能源技术杂志》、《后倾角对小直径多晶金钢石钻头性能的作用：ANOVA试验》，美国专利第4，660，659号、美国专利第4，440，247号、美国专利第4，186，628号及苏联创作者证书第395，559号中公开过。侧倾角变化的作用公开于Hunnj SPE-10152（1981）中。
在上述论文或专利中，都没有公开或建议专为防止或减少钻头破坏性回转作用的设计。因此，需要有结合着专为防止钻头回转和提高切削部件寿命的特点的钻头设计。
本发明考虑到克服上述缺点，并满足上述需要。具体而言，本发明为用于进行旋转钻进的钻头，该钻头具有大致圆柱形、上端可和转动源连接而下端面一般呈弧形的钻头主体。多个切削部件从下端面向外伸展并包括至少一组切削部件组（本文称为第一组），基本放置在离钻头主体中心轴线的等半径位置上，偏离超出其他切削刃组（称为第二组）的深度外廓。第一切削刃组从下端面伸出一最大距离x。也包括至少有两个其他切削部件，互相间存在径向重叠的关系，并从下端面伸出一最大距离y，其中x＞y。这些其他切削部件中的至少一个切削部件和第一切削部件组内的至少一个切削部件存在着径向重叠的关系。
因为第一切削部件组从钻头表面向外伸展的距离较大，所以第一组切削部件在岩层材料上形成一条槽。凌驾在这槽中的切削部件，有助于防止钻头摇晃或沿钻孔回转，因为任何时候钻头倾向于偏离钻孔中心，在槽的另侧上的切削刃便施加更大的力、使钻头围绕该槽保持对中。其他的切削部件组切削去槽侧的其余岩层材料，从而切削去跨越钻头表面的全部岩层材料以形成钻孔。由于该钻头结合着抵制钻头回转的具体的特点，其钻进的性能及切削部件的寿命都比现有技术的钻头有所改进。
图1为切削刃配置的示意图，为定义的目的示出正负后倾角（侧视图）和侧倾角（俯视图）。
图2为本发明一实施例中钻头下端面的仰视图，该钻头有多个从该下端面上向外伸展的切削部件。
图3为图2中钻头一个半部的概略侧视图，示出切削部件的轮廓与钻出的岩层材料的轮廓。
图4为本发明另一个实施例中的钻头下端面的仰视图，该钻头的端面有多个从该端面向外伸展的切削部件。
如前述，本发明为用以作旋转钻进的一种钻头，其中包括基本为圆柱形的钻头主体，用以和旋转动力源连接。多个切削部件从钻头下端面向外伸展以在岩层材料中形成至少一条槽，该槽有助于防止钻头回转，或沿钻孔摇摆。
在详细讨论本发明的新颖特点之前，为了定义的目的请参看图1，图中所示的具有各种不同后倾角的切削部件的侧视图;而在一个俯视图中，所示为具有各种不同的侧倾角的切削部件。
如图2所示为钻头10，如Geoset，PDC（多晶金钢石组合物钻头）或Stratapak，该钻头包含一个基本上为圆柱形的钻头主体12，其上端有一个如本领域的普通技术人员所熟知的有螺纹或其他相似接头用以与旋转动力源相连接的连接销部件。这种旋转动力源可包括通过钻杆柱与地面的转台或动力水龙头连接，或与井下电机或涡轮机连接。在钻头主体12的边侧或保径部分上和在下端面14上有多个切削部件向外伸展，下面简称该切削部件为切削刃，图中用“C”标志。假如该钻头为“取心钻头”，则将切削刃仅安排成围绕在一个中空部分的一个圈上提供岩石切削;假如为了形成全直径的钻孔，则将切削刃布置在整个表面14上以提供全面积岩石切削。如本领域的普通技术人员所熟知，在钻头体12的上面和内部设有多个流体喷嘴16，以便地面供应源通过钻杆柱供应流体，再通过该喷嘴16向外冲洗切削刃上的岩层材料，同时也冷却切削刃的表面。
本发明的一个主要特点在于，有一个或多个切削刃组，在岩层材料中形成一条或多条圆槽，以防止钻头回转。第一切削刃组至少由两个切削刃形成，在图2及3中标志以C-6至C-10，以任意已知的方法安装在下端面14上。第一组切削刃C-6至C-10基本上放置在离钻头主体12中心轴等半径的位置上。最好第一切削刃组都具有相等的半径，但非必须。第一切削刃组还须有间距地放置在围绕中心轴线的位置处。第一切削刃组最好等间距排列，但并非必须。在图2所示的实施例中，这第一组有五个这种切削刃（C-6至C-10），因此，每个切削刃之间彼此间隔约为72°。并且，图中所示切削刃C-6至C-10有相同的尺寸及相同的侧倾角。然而，切削刃的数目，切削刃的相对尺寸，切削刃的后倾角与侧倾角却可以统一、相异或按需要任意变化，只要第一切削刃组中的各切削刃同时接触在岩层20中形成的槽18的边缘即可。
另一组至少有两个切削刃的切削刃组，诸如切削刃C-1至C-5，围绕钻头主体12的端面14放置，这些切削刃有某种径向重叠关系，这些切削中的至少一个诸如切削刃C-5的切削刃和第一切削刃组（C-6至C-10）中的至少一个切削刃，有径向重叠关系。这切削刃组从端面14伸展一最大距离z。
另一组至少有两个切削刃的切削刃组，诸如C-11及C-15，以比其他切削刃较大的半径安装在钻头主体12的端面14上。这些切削刃有径向重叠关系，而这些切削刃中的至少一个切削刃（例如C-11）和第一切削刃组中的至少一个切削刃有径向重叠关系。这切削刃组从端面14伸展一最大距离y。
在图3所示的实施例中，x＞y;但可按需要使用具有任何尺寸、后倾角的切削刃或其他切削刃配置方式的构形，只要能在岩层材料中形成至少一条槽18即可。此外，可按需要使y大于、等于或小于z。图3所示实例中切削刃C-6至C-10驻留在槽18中，使得当钻头10旋转时，这些切削刃（因基本上等半径关系）搭在这槽中，该槽倾向于将钻头保持在其内以防止钻头10回转，或沿钻孔晃动。任何倾向于使钻头10偏离中心位置的力都受到切削刃C-6至C-10中的一个切削刃在相反方向上的增力的抵制。因此，保径切削刃仅在钻头10倾向于离开理想的定中位置时，才产生动力平衡作用。
可结合在一钻头中使之具有助于防止钻头回转的其他主要特点，就是使之有一个或多个具有不同的侧倾角的切削刃。这特点可单独使用，但最好与上述开槽特点结合使用。
作为参考目的，在侧倾角被认定为负值时，岩石材料被外推并离开钻头中心;在侧角为零时，便从钻头中心跨越切削刃表面划出一条垂直路径;而当侧角为正值时，岩石材料被推向钻头中心。
如图4所示，相当于图2及3中的C-6至C-10的切削刃可有不同、相同或变化的后倾角和/或侧倾角，和变化的半径。另外，可用切削刃组来代替大的单件切削刃。再者，一切削刃组应有基本上相同的离钻体中心的半径，并且每一切削刃组可放置在围绕轴线的而且有相等或不相等的距离圆弧上。此外，该切削刃组可从钻头主体12的下端14向外伸展一最大距离x。这样，可用全部切削刃（图4中之C-1至C-12）取代图2及3中的切削刃C-6至C-10。
已发现，假如在槽18的内部上使用正侧倾角，而在槽18的外部上使用负侧倾角，合成的动力倾向于使钻头10保持绕其中心旋转。当锋利的进取锋刃被侧向推入钻孔表面时，产生一个可成为瞬时旋转中心的高摩擦点。当钻头10倾向于偏离钻孔中心时，钻头10一侧上的切削刃接触槽18的内侧，而钻头10的另一侧上的切削刃接触槽18的外侧。通过按正侧倾角放置内切削刃，而按负侧倾角放置外切削刃，于是切削刃的摩擦减小，切削槽18的壁的倾向降低。因此，钻头10有较大的围绕钻孔中心自行定中的倾向。
如图4所示，切削刃C-2，C-5，C-8及C-11有零侧倾角;切削刃C-1，C-4，C-7及C-10有正侧倾角;切削刃C-3，C-6，C-9及C-12有负侧倾角。但是，其配置方式可按需要变化，只要在内径向位置上至少有一个切削刃有正侧倾角和在外径向位置上至少有一个切削刃有负侧倾角即可。
对本发明既已对照附图具体叙述，但应理解，除在申请文本中说明及建议者外，在本发明的范围与精神内，还可作其他的进一步改进。