一种新型防卡变形扩眼钻头结构

1.本发明涉及一种新型防卡变形扩眼钻头结构，即一种通过螺纹连接于钻铤的钻井工具，属于石油和天然气工程钻井工具设计制造与技术领域。


背景技术：

2.井下扩眼配套技术和工具是解决小间隙套管程序、盐膏层蠕变和挤压、套管环空间、油层断井眼以及减小起下钻井眼压力激动问题的常规需求。导眼先开与扩眼器和全面钻进钻头再行的联合方式已经成为实际钻井工程中的普遍性操作，扩眼钻头更是实现井下扩眼操作的重要钻具构件。目前，新型扩眼构件有领眼体和扩眼体复合的常规双芯式扩眼器和双液缸驱动侧部刀翼伸缩式，这两类钻头均属于将小尺寸刀翼设计在位于钻头的前端作为先导刀翼，将大尺寸刀翼设计在位于钻头的后端作为扩张刀翼的同体钻头。双液缸驱动侧部刀翼伸缩式较常规双芯式钻头，多了一级备用的扩张刀翼构件，两级扩张刀翼分别位于钻头的前端和后端，后端刀翼较前端刀翼具有更大的径向伸展尺寸，两套液压系统活塞的推进和退抽分别控制两级刀翼做径向直线伸缩或在钻头轴向面内的摆动操作，而轴向面的摆动操作则是凭借刀翼绕铰链进行旋转。这些新型扩眼器和全面钻进钻头的联合应用或新型扩眼钻头，虽在一定程度上能够实现井下扩眼功能，但在钻头钻进及上提过程中，由于沉砂、井塌、落物、砂桥、泥包等可能造成伸展出来的扩张刀翼陷在井内不能自由活动，即卡钻的问题无法得到解决。而且，对于采用铰链结构设计虽然有利于刀翼在钻头轴向面内的摆动，但就应用于地下岩层中需要对坚硬的岩石、砂石进行切削和磨削来说，却是促发刀翼切削面无法固定、铰链承受力较弱和稳定性较差等问题发生的不利因素。


技术实现要素：

3.结合卡钻因素及扩眼刀翼的稳定性、扩眼刀翼损耗、刀翼伸缩灵活性和稳定性的兼容问题，本发明提供一种新型防卡变形扩眼钻头结构，从钻头的结构和运行方法上来解决上述问题。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在钻铤下部的钻杆上安装一种新型防卡变形扩眼钻头。该钻头结构由基体、轴柱、盘盖、盘架单元和旋变刀翼单元组成。盘架单元分布双圈和双子，双圈分别是轨圈和定圈，双子分别是转子和定子。1个盘架单元与多个旋变刀翼单元构成刀翼旋变盘层，若干个刀翼旋变盘层构成钻头结构中发挥对地层进行削、磨作用的刀头。钻头入井前、后，根据实际需要由外接控制器对刀翼旋变盘层在盘架单元转子、定子与锁位单元的配合过程中，使刀头削、磨区域的半径长度发生变化，变化过程中刀头呈圆柱状、倒锥台状以及橄榄状，刀头侧壁呈现直沟槽、弧形沟槽以及齿形沟槽。钻柱系统中的速度监测感应器监测钻具在钻井过程中的钻进或上提速度，并在钻具速度突降发生卡钻问题时连动外接控制器来控制旋变刀翼单元的锁位单元和盘架单元的定子处于“解锁”状态，或使锁位单元中u型卡扣带圈的公扣和母扣处于“解锁”状态，各旋变刀翼能够被同时或单控操作下实现区域范围内的角度偏
转和振动而使钻头的刀头各组件呈现“松弛”状态，进而消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻等问题，实现有效解卡。
5.上述基体为环柱体，由顶面、底面、内侧面和外侧面构成，垂直投影呈圆环形。
6.上述轴柱为内置棱柱体的圆管，棱柱体的横截断面为正多边形，棱柱体与圆管共轴。圆管内部中空，垂直投影面呈圆环形，圆管半径与基体横截断面圆环的内环半径一致。圆管无端面；圆管外侧面的一端加工有外螺纹，该螺纹端与钻铤的螺纹配合用于连接钻铤和钻头；圆管未加工有螺纹的另一端是基体连接端，其长度大于等于基体环柱体的柱高与盘盖环柱体的柱高总和，该端头外侧面与基体环柱体内侧面一体化成型连接。棱柱体实心或空心，所有外壁面闭合，棱柱体的轴向棱线外侧与圆管内侧面一体化成型连接，棱柱体的轴向长度等于轴柱圆管长度与刀头轴向长度的总和，棱柱体的一端与轴柱圆管的一端共面，即轴柱的横截断面有两种形态，一端的横截断面是内接正多边形的圆，另一端的横截断面是正多边形。棱柱体外侧面与圆管内侧面之间的区域中空，为钻井过程中多相流在钻具系统运行的通道。
7.上述盘盖与基体同轴，为圆环体轨道，垂直投影呈圆环形。盘盖圆环体轨道的外圆尺寸与基体垂直投影面圆环的外圆尺寸一致，圆环的宽度与盘架单元的轨圈宽度一致。盘盖圆环体轨道的牙口侧与盘架单元轨圈的牙口侧正对组配，轨圈牙口背面与基体底面一体化成型连接。
8.上述盘架单元由轨圈、定圈、转子、定子、卡盘和磨牙组成，与基体同轴，其垂直投影的外边界呈圆形。圆环形轨圈带有双侧背对牙口，横截断面呈x型；轨圈一侧牙口与盘盖圆环体轨道组成一副牙口正对的轨道，另一侧牙口与其他盘架单元轨圈一侧的牙口组成一副牙口正对的轨道；每副牙口之间内嵌多个可动球芯，球芯被夹包在轨圈与盘盖圆环体轨道形成的正对牙口中，并沿牙口圆周分布且不会脱落；在外接控制器的控制操作下，球芯作为盘架单元的转子，于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转；外接控制器对数量多个的球芯能够实施单控；转子球芯中轴面设有卡槽，与旋变刀翼单元的转子配扣对接呈“锁紧”或“解锁”两种状态。定圈是一个与轨圈同轴且与x型轨圈双侧牙口背接处共面的圆形环圈，环圈的内径大于轨圈的圆环外径，定圈与环圈之间的径向间距，与旋变刀翼锁位单元左仓处于最小仓位时的内弧球面曲率中心与转子配扣之间的距离相等。与转子同侧的定圈圆形环圈面上均匀分布且一体化成型连接有定子，定子由球状锁点、定盘和磁抱片iii组成，定子数量与作为转子的球芯数量一致，定盘呈圆柱形或方柱形，球状锁点的垂直投影小于等于定盘的垂直投影，且两者的垂直投影中心重合，定盘的垂直投影不超过定圈环圈的投影范围，球状锁点通过柱状连点与定盘一体化连接，连点的垂直投影中心与定盘的垂直投影中心重合，球状锁点的半径与锁位单元的左仓和右仓之间的球状中空区域的半径相等，磁抱片iii是包裹球状锁点与柱状连点合体的外表面，并带有磁吸性的膜片。卡盘是中心带有正多边形孔的圆盘，圆盘的外圆周与x型轨圈双侧牙口背接处一体化成型连接，卡盘中心正多边形孔尺寸与轴柱内置棱柱体横截断面正多边形的尺寸相匹配，即轴柱将带动卡盘随之发生转动。磨牙是与定圈外径侧面一体化成型的颗粒体，磨牙数量多个，均匀分布于定圈外径侧面；当盘架单元转动时，磨牙对岩石起到磨削的作用。盘架单元的定圈与轨圈组配，依赖于旋变刀翼单元的转子配扣与盘架单元的转子之间的组配，以及旋变刀翼单元的锁位单元与盘架单元的定子之间的组配。
9.上述旋变刀翼单元由翼片、转子配扣和锁位单元构成。翼片呈扇形，片周由两个径向刃和一个弧向刃构成；翼片的小端头一体化成型连接有与盘架单元转子相匹配的转子配扣，转子配扣嵌插入盘架单元转子球芯的卡槽而被锁紧，即盘架单元的转子于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转时，将带动旋变刀翼的翼片小端头做同步运动；扇形翼片的中轴线处分布有一个跑道型孔，跑道型孔具有中心长轴和中心短轴，且中心长轴与翼片的中轴线共线；跑道型孔的两个弯道端头，既关于中心长轴对称，也关于中心短轴对称，且一个端头朝向转子配扣，另一个端头朝向翼片的弧向刃，两个弯道端头的曲率半径一致且大于盘架单元定子锁点球体的半径；跑道型孔内侧壁周与锁位单元的双仓缸外侧壁周一体化成型连接。转子配扣与盘架单元的转子球芯卡槽进行配组对接，在外接控制器的控制操作下具有“锁紧”和“解锁”两种状态；转子配扣与球芯卡槽之间采用常规锁配组件。锁位单元由吸排阀、缸壳、左仓与右仓合体以及基仓组成，左仓和右仓分别靠近转子配扣和翼片的弧向刃；缸壳异形，是左仓与右仓合体以及基仓组合体系的一体化外壁面；左仓与右仓合体的垂直投影呈跑道型，且与扇形翼片跑道型孔的垂直投影完全吻合，该合体对应的直道区域的顶部与基仓底部一体化成型连接；左仓与右仓之间的对接面是一个与盘架单元的定子锁点球体的外表面完全吻合的球面，即左仓与右仓之间的对接球面是盘架单元的定子锁点球体的外包面；左仓通过左仓吸排阀与基仓连通，右仓通过右仓吸排阀与基仓连通，在外接控制器的控制操作下，吸排阀是能够对流体进行抽吸或排放的控向、控速阀门。
10.上述锁位单元的左仓由伸缩端i、固定端i以及磁抱片i构成，右仓由伸缩端ii、固定端ii以及磁抱片ii构成；固定端为刚性材料，伸缩端为折板式刚性材料。左仓的固定端i与右仓的固定端ii分别是跑道型的两个弯道端头，左仓的伸缩端i与右仓的伸缩端ii共同构成跑道型的直道区。伸缩端i与伸缩端ii的端面皆为带有相等宽度沿边且球半径与盘架单元定子球状锁点半径相等的半球面；两个半球面之间的距离无限缩小时，两个半球之间形成一个与盘架单元定子球状锁点体积完全相同的中空区域；球状锁点与定盘之间柱状连点的侧壁面处，两个半球的沿边面之间形成一个与盘架单元定子柱状连点体积完全相同的中空区域；两个中空区域的表面带有与盘架单元定子磁抱片iii磁性相反的膜片，在外接控制器的控制操作下，膜片使得锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元的定子产生“锁紧”和“解锁”两种状态；球状锁点之外且与定盘之间柱状连点的侧壁面处，即两个半球的沿边面直接对接处，两个半球的沿边面带有磁性互为相反的膜片，两个半球面之间的距离无限缩小时，此处两个半球的沿边面完全贴合；锁位单元左仓伸缩端i的端面膜片组合，即磁抱片i；锁位单元的右仓伸缩端ii的端面膜片组合，即磁抱片ii。为进一步对锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域实现闭合锁紧，锁位单元左仓伸缩端i与右仓伸缩端ii的端面半球沿边面处，分别装设有u型卡扣带圈的公扣和母扣。
11.上述锁位单元的左仓和右仓具有相同高度，且在高度上与盘架单元跑道型孔的深度保持一致，即锁位单元左仓和右仓的合体正好嵌入盘架单元跑道型孔中。锁位单元的基仓为四方体，基仓垂直投影的中心与锁位单元的垂直投影中心、盘架单元跑道型孔的垂直投影中心重合。锁位单元的基仓垂直投影呈矩形，矩形的长度与盘架单元跑道型孔的直道长度保持一致，矩形的宽度大于盘架单元跑道型孔的两个平行直道间距离，即沿长轴方向基仓正好覆盖锁位单元左仓伸缩端i和右仓伸缩端ii的合体区域；基仓位于锁位单元左仓伸缩端i和右仓伸缩端ii合体区域的顶部，沿短轴方向基仓相较于锁位单元左仓伸缩端i和
右仓伸缩端ii，两边各多出一个矩形沿周，两个沿周朝向旋变刀翼单元翼片一侧的壁面（即沿周底面）与翼片一体化成型链接，即锁位单元通过基仓的两个矩形沿周固定于盘架单元的跑道型孔中。锁位单元左仓的伸缩端i与右仓的伸缩端ii共同构成的直道区，与基仓对其的包容部分为基仓叠区。锁位单元基仓四方体的高度，以不影响上下相邻旋变刀翼单元为限。位于锁位单元基仓沿周底面与左仓固定端i侧壁面的交点处，装设有吸排阀i，吸排阀两端分别连通锁位单元的基仓和左仓；位于锁位单元基仓的沿周底面与右仓固定端ii侧壁面的交点处，装设有吸排阀ii，吸排阀两端分别连通锁位单元的基仓和右仓。
12.上述锁位单元的左仓、右仓和基仓内部充有液压油；同一时间下，液压油并非全部充满于左仓、右仓和基仓；外接控制器的控制操作下，左仓与基仓之间以及右仓与基仓之间的液压油流动分别通过吸排阀i和吸排阀ii，实现对液压油流体流速和流向的控制。
13.钻头正常钻进条件下，外接控制器的控制操作下，使左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元的定子处于“锁紧”状态，左仓伸缩端i与右仓伸缩端ii的端面u型卡扣带圈的公扣和母扣处于“锁紧”状态。外接控制器的控制操作下，控制盘架单元的转子球芯沿轨圈以顺时针或逆时针做符合操作要求角度的等值角度旋转，同时打开连通左仓和基仓的吸排阀i、连通基仓和右仓吸排阀ii，使吸排阀i和吸排阀ii分别处于抽吸模式和外排模式，液压油从左仓被控速抽吸并经基仓单向增压推进至右仓，右仓压增，进而推动锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域锁紧盘架单元的定子，并沿盘架单元的跑道型孔朝向转子配扣一侧运行，右仓伸缩端折板被拉伸而左仓伸缩端折板被同步压缩，旋变刀翼单元的翼片于盘架单元定圈外部的径向长度增加，钻头尺寸增加，待中空区域锁紧盘架单元的定子并使之到达朝向转子配扣一侧的跑道型孔端头时，钻头尺寸达最大值；反之，液压油从右仓被控速抽吸，并经基仓单向增压推进至左仓，左仓压增进而推动锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域锁紧盘架单元的定子，并使之沿盘架单元的跑道型孔向翼片的弧向刃一侧运行，左仓伸缩端折板被拉伸而右仓伸缩端折板被压缩，旋变刀翼单元的翼片于单元盘架定圈外部的径向长度减小，钻头尺寸缩小，待中空区域锁紧盘架单元的定子到达朝向翼片弧向刃一侧的跑道型孔端头时，钻头尺寸达最小值；生产使用过程中，控制锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域沿盘架单元跑道型孔运动所处的位置，当钻头尺寸被调整达到钻井要求时，盘架单元的转子球芯不再沿轨圈运动，且同时关闭吸排阀i和吸排阀ii，以左仓和右仓的液压平衡钻头对地层钻进过程中受到的冲击力，不仅对钻头的刀头形成保护，同时液压的动态平衡作用在钻头高速旋转过程中将促成反向旋转冲击力，更有利于钻头对地层岩石的切削破碎。
14.旋变刀翼单元的数量与盘架单元的转子数量、定子数量均保持一致。每个旋变单元通过转子配扣和锁位单元，分别与盘架单元轨圈上的一个转子和定圈上的一个定子进行组配，进而实现翼片与盘架单元的组配。按照盘架单元轨圈上转子的数量与相应数量的旋变刀翼单元完全组配，形成一个刀翼旋变盘层，若干个刀翼旋变盘层通过盘架单元的卡盘随轴柱内置的棱柱体进行高速旋转成为钻头的刀头。由钻头基体至刀头，当翼片于盘架单元定圈外部的径向长度保持相同时，钻头的刀头呈圆柱状；当翼片于盘架单元定圈外部的径向长度逐渐减小时，钻头的刀头呈锥台状，当翼片于盘架单元定圈外部的径向长度先增加后减小时，钻头的刀头呈橄榄状。上、下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片径向轴交角为零时，刀头侧壁呈直沟槽；上、下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片径向轴交角位非零且等值时，
刀头侧壁呈弧形沟槽；上、下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片径向轴交角非零且不等值时，刀头侧壁呈规律性齿形沟槽或非规律性齿形沟槽。
15.卡钻发生时，外接控制器的控制操作下，根据卡钻的严重程度，多梯级对钻头刀头各组件实施“松弛”。第一梯级，即锁位单元的左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元的定子处于“解锁”状态，或左仓伸缩端i与右仓伸缩端ii的端面u型卡扣带圈的公扣和母扣处于“解锁”状态，或两者均处于解锁状态，以加大对钻头刀头各组件的“松弛”；第二梯级，即在第一梯级操作的过程中，以符合操作条件的定值角度，对所有盘架单元的转子球芯沿轨圈按等值角度做顺时针或逆时针旋转运动，甚至同时进行吸排阀i和吸排阀ii的抽吸或外排组合的启动操作，通过缩小钻头尺寸以加大对钻头刀头各组件的“松弛”；第三梯级，即以符合操作条件的定值角度，分别控制各盘架单元的转子球芯沿轨圈以非等值角度做顺时针或逆时针旋转运动，此变化过程中刀头能够呈圆柱状、倒锥台状以及橄榄状多种形态，刀头侧壁呈现直沟槽、弧形沟槽以及齿形沟槽多种沟槽形式，以最大程度通过改变钻头形态来实现对钻头刀头各组件的“松弛”。
16.与现有技术相比，本发明充分利用刀翼旋变盘层中旋变刀翼单元翼片与盘架单元转子和定子的组配，实现对翼片于盘架单元定圈外部径向长度的调整，实现对钻头刀头尺寸的增大或减小；充分利用钻头轴柱内置的棱柱体轴线方向，其上、下相邻刀翼旋变盘层中翼片于盘架单元定圈外部径向长度以及对应的翼片径向轴交角的调整，实现对钻头刀头形态以及刀头侧壁沟槽形式的改变，各旋变刀翼能够被同时或单控操作下实现区域范围内的角度偏转和振动使整个钻头刀头各组件呈现“松弛”状态，进而消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻等问题，实现有效解卡，具有较强的工程实际应用性。
附图说明
17.图1是弧形沟槽圆柱状钻头示意图。
18.图2是钻头轴柱和轴柱圆管示意图。
19.图3是盘架单元俯视图。
20.图4是定子组配俯视图和侧视图。
21.图5是旋变刀翼单元和翼片示意图。
22.图6是翼片跑道型孔示意图。
23.图7是锁位单元示意图。
24.图8是锁位单元左仓和右仓俯视图。
25.图9是基体壁面组合示意图。
26.图10是盘架单元与单个旋变刀翼组配以及旋变刀翼盘层1/2旋程走位示意图。
27.图11是直沟槽圆柱状钻头组件组配示意图。
28.图12是规律性齿形沟槽圆柱状钻头示意图。
29.图13是几种典型的规律性沟槽钻头旋变刀翼盘层组配示意图。
30.图中：1.轴柱，2.盘盖，3.盘架单元，4.旋变刀翼单元，5.基体，11.圆管，12.棱柱体，31.轨圈，32.定圈，33.转子，34.卡盘，35.磨牙，36.定子，41.翼片，42.锁位单元，43.转子配扣，51.内侧面，52.外侧面，53.底面，54.顶面，111.螺纹端，112.基体连接端，361.定盘，362.球状锁点，363.磁抱片iii，411.弧向刃，412.径向刃，413.跑道型孔，421.基仓，
422.左仓与右仓合体，423.吸排阀i，424.吸排阀ii，425.缸壳，4131.弯道端头，4211.叠区，4212.沿周，4221.伸缩端i，4222.固定端i，4223.磁抱片i，4224.伸缩端ii，4225.固定端ii，4226.磁抱片ii，4227.u型卡扣带圈的公扣和母扣。
具体实施方式
31.本发明实施例中，基体为环柱体，垂直投影呈圆环形。
32.本发明实施例中，轴柱为内置棱柱体的圆管，棱柱体的横截断面为正多边形，棱柱体与圆管的共轴。
33.本发明实施例中，轴柱圆管内部中空，垂直投影面呈圆环形，圆管半径与基体横截断面圆环的内环半径一致。圆管无端面；圆管外侧面的一端加工有外螺纹，该螺纹端与钻铤的螺纹配合用于连接钻铤和钻头；圆管未加工有螺纹的另一端是基体连接端，其长度大于等于基体环柱体的柱高与盘盖环柱体的柱高总和。
34.本发明实施例中，轴柱棱柱体实心或空心，所有外壁面闭合。棱柱体的轴向长度等于轴柱圆管长度与刀头轴向长度的总和。棱柱体外侧面与圆管内侧面之间的区域中空，为钻井过程中多相流在钻具系统运行的通道。
35.本发明实施例中，盘盖与基体同轴，为圆环体轨道，垂直投影呈圆环形。盘盖圆环体轨道的外圆尺寸与基体垂直投影面圆环的外圆尺寸一致，圆环的宽度与盘架单元的轨圈宽度一致。
36.本发明实施例中，盘架单元与基体同轴，其垂直投影的外边界呈圆形。盘架单元的轨圈呈圆环形，带有双侧背对牙口，横截断面呈x型。盘架单元的定圈是一个圆形环圈，环圈的内径大于轨圈圆环的外径；定圈与环圈之间的径向间距，与旋变刀翼锁位单元左仓最小仓位时的内弧球面曲率中心与转子配扣之间的距离相等。盘架单元定子的数量与作为转子的球芯数量一致；定子的定盘呈圆柱形或方柱形；定子的球状锁点垂直投影小于等于定盘的垂直投影，且两者的垂直投影中心重合，定盘的垂直投影不超过定圈环圈的投影范围。定子的球状锁点与定盘之间的连点呈柱状，连点的垂直投影中心与定盘的垂直投影中心重合；球状锁点的半径与锁位单元左仓和右仓之间的球状中空区域的半径相等。
37.本发明实施例中，旋变刀翼单元的数量与盘架单元的转子数量、定子数量均保持一致。旋变刀翼单元的翼片呈扇形；翼片中的跑道型孔具有中心长轴和中心短轴，且中心长轴与翼片的中轴线共线；跑道型孔的两个弯道端头，既关于中心长轴对称，也关于中心短轴对称，两个弯道端头曲率半径一致，且大于盘架单元的定子锁点球体的半径。旋变刀翼单元的转子配扣与转子的球芯卡槽之间，采用常规锁配组件。旋变刀翼单元中的锁位单元缸壳呈异形，是左仓与右仓合体以及基仓组合体系的一体化外壁面，左仓与右仓合体的垂直投影呈跑道型，且与扇形翼片的跑道型孔的垂直投影完全吻合。
38.本发明实施例中，外接控制器的控制操作下，吸排阀是对流体进行抽吸或排放的控向、控速阀门。
39.本发明实施例中，锁位单元左仓和右仓的固定端为刚性材料，伸缩端为折板式刚性材料。左仓的固定端i与右仓的固定端ii分别是跑道型的两个弯道端头；左仓的伸缩端i与右仓的伸缩端ii共同构成跑道型的直道区。伸缩端i与伸缩端ii的端面皆为带有相等宽度沿边，且球半径与盘架单元定子球状锁点半径相等的半球面。锁位单元左仓伸缩端i的端
面膜片组合，即磁抱片i；锁位单元的右仓伸缩端ii的端面膜片组合，即磁抱片ii。
40.本发明实施例中，锁位单元的左仓和右仓具有相同高度，且在高度上与盘架单元跑道型孔的深度保持一致。锁位单元的基仓为四方体，基仓垂直投影的中心与锁位单元的垂直投影中心、盘架单元跑道型孔的垂直投影中心重合；锁位单元的基仓垂直投影呈矩形，矩形的长度与盘架单元跑道型孔的直道长度保持一致，矩形的宽度大于盘架单元跑道型孔两个平行直道间的距离；锁位单元的基仓四方体的高度，以不影响上、下相邻旋变刀翼单元为限。
41.本发明的实施例：刀翼旋变盘层在盘架单元转子和定子与锁位单元的配合下，使得刀头外径尺寸和外形发生变化，并通过旋变刀翼同时或单控操作下实现区域范围内角度偏转和振动而使钻头刀头各组件呈现“松弛”状态，进而实现有效解卡的一种防卡变形扩眼钻头，其呈弧形沟槽圆柱状钻头示意图如图1所示，钻头轴柱和轴柱圆管示意图、盘架单元俯视图、定子组配俯视图和侧视图分别如图2、图3和图4所示，旋变刀翼单元和翼片示意图如图5所示，翼片跑道型孔示意图、锁位单元示意图、锁位单元左仓和右仓俯视图分别如图6、图7、图8所示，基体壁面组合示意图如图9所示，盘架单元与单个旋变刀翼组配以及旋变刀翼盘层1/2旋程走位示意图如图10所示，直沟槽圆柱状钻头组件组配示意图、规律性齿形沟槽圆柱状钻头示意图分别如图11和图12所示，几种典型的规律性沟槽钻头旋变刀翼盘层组配示意图如图13所示。钻头结构由基体（5）、轴柱（1）、盘盖（2）、盘架单元（3）以及旋变刀翼单元（4）组成。环柱状基体（5）由顶面（54）、底面（53）、内侧面（51）和外侧面（52）构成。盘架单元（3）由轨圈（31）、定圈（32）、转子（33）、卡盘（34）、磨牙（35）和定子（36）组成，定子（36）由定盘（361）、球状锁点（362）和磁抱片iii（363）组成。旋变刀翼单元（4）由翼片（41）、锁位单元（42）和转子配扣（43）构成；扇形翼片（41）的片周由一个弧向刃（411）和两个径向刃（412）构成；锁位单元（42）由基仓（421）、左仓与右仓合体（422）、吸排阀i（423）、吸排阀ii（424）以及缸壳（425）组成，锁位单元（42）的左仓由伸缩端i（4221）、固定端i（4222）以及磁抱片i（4223）构成，右仓由伸缩端ii（4224）、固定端ii（4225）以及磁抱片ii（4226）构成。
42.钻头结构中的轴柱（1）圆管（11）螺纹端（111）与钻铤的螺纹配合用于连接钻铤和钻头；圆管（11）未加工有螺纹的另一端，是与基体（5）连接的基体连接端（112），该端头外侧面与基体（5）环柱体内侧面（51）一体化成型连接。圆管（11）棱柱体（12）的轴向棱线外侧与圆管（11）内侧面一体化成型连接，棱柱体（12）的一端与轴柱（1）圆管（11）的一端共面，即轴柱（11）的横截断面有两种形态，一端的横截断面是内接正多边形的圆，另一端的横截断面是正多边形。圆环体轨道的盘盖（2），其牙口侧与盘架单元（3）轨圈（31）的牙口侧正对组配，轨圈（31）牙口背面与基体（5）底面（53）一体化成型连接。盘架单元（3）的轨圈（31）一侧牙口与盘盖（2）圆环体轨道组成一副牙口正对的轨道，另一侧牙口与盘架（2）其他单元轨圈（31）一侧的牙口组成一副牙口正对的轨道；每副牙口之间内嵌多个可动球芯，球芯被夹包在轨圈（31）与盘盖（2）圆环体轨道形成的正对牙口中，沿牙口圆周分布且不会脱落；在外接控制器的控制操作下，球芯作为盘架单元（3）的转子（33），于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转；外接控制器对数量多个的球芯实施单控或同步控制；转子（33）球芯中轴面设有卡槽，与旋变刀翼单元（4）转子配扣（43）对接处于“锁紧”或“解锁”状态。定圈（32）是一个与轨圈（31）同轴且与x型轨圈（31）双侧牙口背接处共面的圆形环圈，与转子（33）同侧的定圈
（32）圆形环圈面上，均匀分布且一体化成型连接有定子（36）；球状锁点（362）通过柱状连点与定盘(361)一体化连接，磁抱片iii(363)是包裹球状锁点(362)与柱状连点合体的外表面，并带有磁吸性的膜片。卡盘(34)是中心带有正多边形孔的圆盘，圆盘的外圆周与x型轨圈(31)双侧牙口背接处一体化成型连接，卡盘(34)中心正多边形孔尺寸与轴柱（1）内置棱柱体(12)的横截断面正多边形尺寸相匹配，即轴柱(1)将带动卡盘(34)随之发生转动。磨牙(35)是与定圈(32)外径侧面一体化成型的颗粒体，磨牙(35)数量多个，均匀分布于定圈(32)外径侧面；当盘架单元(3)转动时，磨牙(35)对岩石起到磨削的作用。盘架单元(3)的定圈(32)与盘架单元（3）的轨圈(31)组配，通过旋变刀翼单元(4)的转子配扣（43）与盘架单元（3）的转子（33）之间的组配以及锁位单元（42）与盘架单元（3）的定子（36）之间的组配加以实现。旋变刀翼单元（4）的翼片（41）小端头一体化连接有与盘架单元（3）转子（33）相匹配的转子配扣（43），转子配扣（43）嵌插入盘架单元（3）转子（33）球芯的卡槽被锁紧，即盘架单元（3）转子（33）于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转时，将带动旋变刀翼单元（4）的翼片（41）小端头做同步运动；扇形翼片（41）的中轴线处分布有一个跑道型孔（413），跑道型孔（413）的一个端头朝向转子配扣（43），另一个端头朝向翼片（41）的弧向刃（411），跑道型孔（413）内侧壁周与锁位单元（42）的双仓缸外侧壁周一体化成型连接。转子配扣（43）与盘架单元（3）的转子（33）球芯的卡槽进行组配对接，在外接控制器的控制操作下具有“锁紧”和“解锁”两种状态。锁位单元（42）中，左仓与右仓合体（422）的左仓和右仓分别靠近转子配扣（43）和翼片（41）的弧向刃（411）；左仓与右仓合体（422）对应直道区域的顶部与基仓（421）底部一体化成型连接；左仓与右仓之间的对接面是一个与盘架单元（3）的定子（36）锁点球体外表面完全吻合的球面，即左仓与右仓之间的对接球面是盘架单元（3）定子（36）锁点球体的外表面；左仓通过左仓吸排阀与基仓（421）连通，右仓通过右仓吸排阀与基仓（421）连通。锁位单元（42）左仓伸缩端i（4221）与右仓伸缩端ii（4224）的半球面之间的距离无限缩小时，两个半球之间形成一个与盘架单元（3）定子（36）球状锁点（362）体积完全相同的中空区域；球状锁点（362）与定盘（361）之间的柱状连点侧壁面处，两个半球的沿边面之间形成一个与盘架单元（3）定子（36）的柱状连点体积完全相同的中空区域；两个中空区域的表面带有与盘架单元（3）定子（36）磁抱片iii（363）磁性相反的膜片，外接控制器的控制操作下，膜片使得锁位单元（42）左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元（3）的定子（36）产生“锁紧”和“解锁”两种状态；球状锁点（362）之外且与定盘（361）之间的柱状连点侧壁面处，即两个半球的沿边面直接对接处，两个半球的沿边面带有磁性互为相反的膜片，两个半球面之间的距离无限缩小时，此处两个半球的沿边面完全贴合。为进一步对锁位单元（42）左仓和右仓之间形成的中空区域实现闭合锁紧，锁位单元（42）左仓伸缩端i（4221）与右仓伸缩端ii（4224）的端面半球沿边面处，分别装设有u型卡扣带圈的公扣和母扣（4227）。锁位单元（42）的左仓和右仓的合体正好嵌入盘架单元（3）跑道型孔（413）中，沿长轴方向锁位单元（42）的基仓（421）正好覆盖锁位单元（42）左仓伸缩端i（4221）和右仓伸缩端ii（4224）的合体区域；基仓（421）位于锁位单元（42）左仓伸缩端i（4221）和右仓伸缩端ii（4224）的合体区域的顶部，沿短轴方向基仓（421）相较于锁位单元（42）左仓伸缩端i（4221）和右仓伸缩端ii（4224），两边各多出一个矩形沿周（4212），两个沿周（4212）朝向旋变刀翼单元（4）翼片（41）一侧的壁面（即沿周底面）与刀翼单元翼片（41）一体化成型链接，即锁位单元（42）通过基仓（421）的两个矩形沿周（4212）固定于盘架单元（3）的跑道型孔（413）中。锁位单元（42）左仓
的伸缩端i（4221）与右仓的伸缩端ii（4224）共同构成的直道区，与基仓（421）对其的包容部分为基仓（421）叠区（4211）。位于锁位单元（42）基仓（421）的沿周底面与左仓固定端i（4222）侧壁面的交点处，装设有吸排阀i（423），吸排阀两端分别连通锁位单元（42）的基仓（421）和左仓；位于锁位单元（42）基仓（421）的沿周底面与右仓固定端ii（4225）侧壁面的交点处，装设有吸排阀ii（424），吸排阀两端分别连通锁位单元（42）的基仓（421）和右仓。锁位单元（42）的左仓、右仓和基仓（421）内部充有液压油；同一时间下，液压油并非全部充满于左仓、右仓和基仓（421）；外接控制器的控制操作下，左仓与基仓（421）之间以及右仓与基仓（421）之间的液压油流动，分别通过吸排阀i（423）和吸排阀ii（424）来实现对液压油流体流速和流向的控制。
43.钻头正常钻进条件下，外接控制器的控制操作下，使左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元（3）的定子（36）处于“锁紧”状态，左仓伸缩端i（4221）与右仓伸缩端ii（4224）的端面u型卡扣带圈的公扣和母扣（4227）处于“锁紧”状态。外接控制器的控制操作下，控制盘架单元（3）的转子（33）球芯沿轨圈（31）以顺时针或逆时针做符合操作要求角度的等值角度旋转，同时打开连通左仓和基仓（421）的吸排阀i（423）、连通基仓（421）和右仓吸排阀ii（424），使吸排阀i（423）和吸排阀ii（424）分别处于抽吸模式和外排模式，液压油从左仓被控速抽吸并经基仓（421）单向增压推进至右仓，右仓压增推动锁位单元（42）左仓和右仓之间形成的中空区域锁紧盘架单元（3）的定子（36），并使之沿盘架单元（3）的跑道型孔（413）朝向转子配扣（43）一侧运行，右仓伸缩端折板被拉伸而左仓伸缩端折板被压缩，旋变刀翼单元（4）的翼片（41）于盘架单元（3）定圈（32）外部的径向长度增加，钻头尺寸增加，待中空区域锁紧盘架单元（3）的定子（36）到达朝向转子配扣（43）一侧的跑道型孔（413）弯道端头（4131）时，钻头尺寸达最大值；反之，液压油从右仓被控速抽吸，并经基仓（421）单向增压推进至左仓，左仓压增推动锁位单元（42）左仓和右仓之间形成的中空区域锁紧盘架单元（3）的定子（36），并使之沿盘架单元（3）的跑道型孔（413）向翼片（41）的弧向刃（411）一侧运行，左仓伸缩端折板被拉伸而右仓伸缩端折板被压缩，旋变刀翼单元（4）的翼片（41）于单元盘架定圈（32）外部的径向长度减小，钻头尺寸缩小，待中空区域锁紧盘架单元（3）的定子（36）到达朝向翼片（41）弧向刃（411）一侧的跑道型孔（413）弯道端头（4131）时，钻头尺寸达最小值；生产使用过程中，控制锁位单元（42）左仓和右仓之间形成的中空区域沿盘架单元（3）跑道型孔（413）运动所处的位置，当钻头尺寸被调整达到要求时，盘架单元（3）的转子（33）球芯不再沿轨圈（31）运动，且同时关闭吸排阀i（423）和吸排阀ii（424），以左仓和右仓的液压来平衡钻头对地层钻进过程中受到的冲击力，不仅对钻头的刀头形成保护，同时液压的动态平衡作用在钻头高速旋转过程中将产生反向旋转冲击力，更有利于钻头对地层岩石的切削破碎。每个旋变单元通过转子配扣（43）和锁位单元（42），分别与盘架单元（3）轨圈（31）上的一个转子（33）和定圈（32）上的一个定子（36）进行组配，进而实现翼片（41）与盘架单元（3）的组配。按照盘架单元（3）轨圈（31）上转子（33）的数量与相应数量的旋变刀翼单元（4）完全组配，形成一个刀翼旋变盘层，若干个刀翼旋变盘层通过盘架单元（3）的卡盘随轴柱（1）内置的棱柱体（12）进行高速旋转成为钻头的刀头。由钻头基体（5）至刀头，当翼片（41）于盘架单元（3）定圈（32）外部的径向长度保持相同时，钻头的刀头呈圆柱状；当翼片（41）于盘架单元（3）定圈（32）外部的径向长度逐渐减小时，钻头的刀头呈锥台状，当翼片（41）于盘架单元（3）定圈（32）外部的径向长度先增加后减小时，钻头的刀头呈橄榄状；上、
下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片（41）径向轴交角为零时，刀头侧壁呈直沟槽；上、下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片（41）径向轴交角位非零且等值时，刀头侧壁呈弧形沟槽；上、下相邻刀翼旋变盘层对应的翼片（41）径向轴交角非零且不等值时，刀头侧壁呈规律性齿形沟槽或非规律性齿形沟槽。

技术特征：
1.一种新型防卡变形扩眼钻头结构，由基体、轴柱、盘盖、盘架单元和旋变刀翼单元组成；基体呈环柱状，由顶面、底面、内侧面和外侧面构成；盘架单元由轨圈、定圈、转子、定子、卡盘和磨牙组成，定子由球状锁点、定盘和磁抱片iii组成；旋变刀翼单元由翼片、转子配扣和锁位单元构成，翼片的片周由两个径向刃和一个弧向刃构成，锁位单元由吸排阀、缸壳、左仓与右仓合体以及基仓组成，其特征是：轴柱圆管螺纹端与钻铤的螺纹配合用于连接钻铤和钻头，圆管未加工有螺纹的基体连接端的外侧面与基体环柱体的内侧面一体化成型连接，圆管棱柱体的轴向棱线外侧与圆管内侧面一体化成型连接，棱柱体的一端与轴柱圆管的一端共面，即轴柱的横截断面有两种形态，一端是内接正多边形的圆，另一端是正多边形；盘盖为圆环体轨道，其牙口侧与盘架单元的轨圈的牙口侧形成正对组配，轨圈牙口背面与钻头基体底面一体化成型连接，盘架单元的轨圈一侧牙口与盘盖圆环体轨道组成一副牙口正对的轨道，另一侧牙口与其他盘架单元轨圈一侧的牙口组成一副牙口正对的轨道，每副牙口之间内嵌多个可动球芯，球芯被夹包在轨圈与盘盖圆环体轨道形成的正对牙口中，沿牙口圆周分布且不会脱落；盘架单元的转子球芯中轴面设有卡槽，与旋变刀翼单元转子配扣对接；盘架单元的定圈是一个与轨圈同轴，且与轨圈双侧牙口背接处共面的圆形环圈，与转子同侧的定圈圆形环圈面上均匀分布且一体化成型连接有定子；盘架单元定子的球状锁点通过柱状连点与定子的定盘一体化连接，定子的磁抱片iii是包裹球状锁点与柱状连点合体的外表面，并带有磁吸性的膜片；盘架单元的卡盘是中心带有正多边形孔的圆盘，圆盘的外圆周与轨圈双侧牙口背接处一体化成型连接，卡盘中心正多边形孔的尺寸与轴柱内置棱柱体横截断面正多边形的尺寸相匹配，即轴柱带动卡盘随之发生转动；盘架单元的磨牙是与定圈外径侧面一体化成型的颗粒体；凭借旋变刀翼单元的转子配扣与盘架单元的转子之间的组配，以及锁位单元与盘架单元的定子之间的组配，实现盘架单元定圈与盘架单元轨圈的组配；旋变刀翼单元翼片的小端头一体化连接有与盘架单元转子相匹配的转子配扣，转子配扣嵌插入盘架单元转子球芯的卡槽被锁紧，即盘架单元转子于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转时，将带动旋变刀翼单元翼片的小端头做同步运动；翼片呈扇形，其中轴线处分布的跑道型孔的一个端头朝向转子配扣，另一个端头朝向翼片的弧向刃，跑道型孔内侧壁周与锁位单元的双仓缸外侧壁周一体化成型连接；旋变刀翼单元的转子配扣与盘架单元的转子球芯的卡槽进行配组对接，在外接控制器的控制操作下具有“锁紧”和“解锁”两种状态；旋变刀翼单元的锁位单元中，左仓与右仓合体正好嵌入盘架单元跑道型孔中，左仓和右仓分别靠近转子配扣和翼片的弧向刃，左仓与右仓合体对应直道区域的顶部与基仓的底部一体化成型连接，左仓与右仓之间的对接面是一个与盘架单元定子锁点球体外表面完全吻合的球面，即左仓与右仓之间的对接球面是盘架单元定子锁点球体的外表面，左仓通过左仓吸排阀与基仓连通，右仓通过右仓吸排阀与基仓连通，位于锁位单元的左仓伸缩端i与右仓伸缩端ii的端面半球沿边面处，分别装设有u型卡扣带圈的公扣和母扣，对锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域实现闭合锁紧或解锁；锁位单元的基仓位于锁位单元左仓伸缩端i和右仓伸缩端ii合体区域的顶部，朝向旋变刀翼单元翼片一侧壁面（即沿周底面）的矩形沿周与刀翼单元翼片一体化成型链接，即锁位单元通过基仓的两个矩形沿周，被固定于盘架单元的跑道型孔中；锁位单元的基仓对锁位单元左仓的伸缩端i和右仓的伸缩端ii共同构成的直道区所形成的包容部分为基仓叠区，位于基仓的沿周底面与左仓固定端i的侧壁面交点处，装设有两端分别连通基仓和左仓的吸排阀i，位于基仓的沿周底
面与右仓固定端ii的侧壁面交点处，装设有两端分别连通基仓和右仓的吸排阀ii。2.根据权利要求1所述的一种新型防卡变形扩眼钻头结构，所述的盘架单元的轨圈横截断面呈x型；盘架单元的磨牙数量多个，均匀分布于定圈外径侧面，盘架单元转动时，磨牙对岩石起到磨削的作用；盘架单元的转子即球芯，数量多个，在外接控制器的控制操作下，球芯于轨道牙口中做区域内顺时针或逆时针旋转，各球芯转子由外接控制器的进行单控或同步控制；盘架单元定子球状锁点与定盘之间柱状连点的侧壁面处，两个半球的沿边面之间形成一个与盘架单元定子柱状连点体积完全相同的中空区域，这两个中空区域的表面带有与盘架单元定子磁抱片iii磁性相反的膜片，外接控制器的控制操作下，膜片使得锁位单元左仓和右仓之间形成的中空区域与盘架单元定子产生“锁紧”和“解锁”两种状态；球状锁点之外且与定盘之间柱状连点的侧壁面处，即两个半球的沿边面直接对接处，两个半球的沿边面带有磁性互为相反的膜片，两个半球面之间的距离无限缩小时，此处两个半球的沿边面完全贴合。3.根据权利要求1所述的一种新型防卡变形扩眼钻头结构，所述的旋变刀翼单元锁位单元的左仓和右仓的合体正好嵌入盘架单元跑道型孔中，左仓由伸缩端i、固定端i以及磁抱片i构成，右仓由伸缩端ii、固定端ii以及磁抱片ii构成，左仓伸缩端i与右仓伸缩端ii的半球面之间的距离无限缩小时，两个半球之间形成一个与盘架单元定子球状锁点体积完全相同的中空区域；沿长轴方向，锁位单元的基仓正好覆盖锁位单元左仓伸缩端i和右仓伸缩端ii的合体区域；沿短轴方向，相较于锁位单元左仓伸缩端i和右仓伸缩端ii，锁位单元的基仓两边各多出一个矩形沿周；锁位单元的左仓、右仓和基仓内部充有液压油，同一时间下的液压油并非全部充满于左仓、右仓和基仓，外接控制器的控制操作下的左仓与基仓之间以及右仓与基仓之间的液压油流动，分别通过吸排阀i和吸排阀ii来实现对液压油流体流速和流向的控制。

技术总结
一种新型防卡变形扩眼钻头结构，由基体、轴柱、盘盖、盘架单元和旋变刀翼单元组成。通过旋变刀翼单元中翼片与盘架单元中转子和定子的组配，完成翼片于盘架单元中的定圈外部径向长度的调整，以实现对钻头刀头尺寸的增大或减小；通过轴柱内置棱柱体轴线方向，其上、下相邻刀翼旋变盘层中翼片于盘架单元定圈外部径向长度以及对应的翼片径向轴交角的调整，实现对钻头刀头形态以及刀头侧壁沟槽形式的改变，各旋变刀翼能够被同时或单控操作下实现区域范围内的角度偏转和振动使钻头整个刀头各组件呈现“松弛”状态，进而消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻等问题，实现有效解卡，具有较强的工程实际应用性。具有较强的工程实际应用性。具有较强的工程实际应用性。


技术研发人员：李剑虹 李存磊 张明昕 李柯 潘佳宜 张颜 杨留栓 李雪晴 陈雪 田洛 李雨晴
受保护的技术使用者：辽宁石油化工大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/9/19