一種獨立供能的鑽深井井下平臺的製作方法

2023-09-20 19:24:55 1

所屬技術領域

本發明屬於鑽井技術領域，尤其涉及一種獨立供能的鑽深井井下平臺。

背景技術：

目前鑽井設備常採用井上動力輸出，通過鑽柱將動力傳輸到井下的鑽頭上。對於要求所鑽井的深度很深時，將需要超長距離的鑽柱，往往通過多根鑽柱拼接而成。當所鑽深井為定向鑽井時，井身軸線將具有一個或多個拐點，鑽柱將需要考慮在拐點處的傳動結構，提高了鑽井設備的複雜度。

對於鑽頭而言，目前鑽井所用的鑽頭大多為整體鑄造或者鍛造，針對不同深度具有不同硬度的巖石層的鑽井，或者單一的使用較硬的鑽頭或者根據所鑽的巖石層實時更換鑽頭已達到鑽井的目的。這兩者均有一定的問題，對於前者在鑽較軟的巖石層時或多或少對鑽頭產生了磨耗，這個過程中所耗費的成本比用相對軟的鑽頭鑽較軟的巖石層所耗費的成本要高，很不划算；對於後者，要經常更換鑽頭造成時間成本的提高。

對於推桿而言，目前推桿技術主要有兩種，一種為液壓驅動的液壓杆，另一種為通過電機驅動齒輪和螺杆實現。對於前者一方面需要電機驅動油泵產生具有壓力的液壓油，正因為具有油壓往往容易出現漏油現象，對油缸技術、密封技術要求較高，導致成本較高，機構複雜；對於後者，使用電機驅動，結構較前者簡單，但是因為使用了齒輪與螺杆的嚙合傳動，當負載突變時，很容易對推桿形成致命的破壞，也就是使用範圍較窄。

本發明設計一種獨立供能的鑽深井井下平臺解決如上問題。

技術實現要素：

為解決現有技術中的上述缺陷，本發明公開一種獨立供能的鑽深井井下平臺，它是採用以下技術方案來實現的。

一種獨立供能的鑽深井井下平臺，其特徵在於：它包括鑽頭鑽杆、鑽頭、電機轉軸、施壓支板、施壓電磁伸縮杆、連接結構、第二定位機構、電機、第一定位機構、電磁伸縮杆支板，其中鑽頭安裝在鑽頭鑽杆一端，鑽頭鑽杆通過軸承安裝在施壓支板中心孔處，鑽頭鑽杆通過連接結構與電機轉軸連接；三個施壓電磁伸縮杆周向均勻安裝在施壓支板上側，電磁伸縮杆支板安裝在三個施壓電磁伸縮杆上；第二定位機構安裝在電磁伸縮杆支板上側，電機安裝在第二定位機構上，第一定位機構安裝在電機上側；上述第一定位機構和第二定位機構具有相同的結構，其安裝方式和位置以電機中心平面互相對稱。

上述第一定位機構包括圓弧板、定位電磁伸縮杆、電機支板、伸縮杆外套、伸縮杆外套頂板，其中電機支板安裝在電機一端，三個伸縮杆外套均勻安裝在電機支板上，對於每一個伸縮杆外套，伸縮杆外套內部安裝有定位電磁伸縮杆，定位電磁伸縮杆一端安裝有圓弧板，伸縮杆外套頂端安裝有伸縮杆外套頂板。

上述連接結構包括卡塊、連接裡杆導軌、連接裡杆、連接套杆、連接套杆導軌槽、連接套杆卡槽、卡塊環、卡塊環導軌槽，其中連接裡杆安裝在鑽頭鑽杆一端，在連接裡杆上對稱的安裝有兩條連接裡杆導軌，兩個卡塊對稱的安裝在連接裡杆頂端且兩個卡塊對稱面與兩條連接裡杆導軌對稱面垂直；連接套杆安裝在鑽柱一端，連接套杆內部開有兩條對稱分布的連接套杆導軌槽和兩條對稱分布的連接套杆卡槽，兩條連接套杆導軌槽的對稱面與兩條連接套杆卡槽的對稱面垂直；連接裡杆導軌與連接套杆導軌槽滑動配合，卡塊與連接套杆卡槽滑動配合，卡塊環上對稱開有兩個卡塊環導軌槽，卡塊環安裝在連接套杆端面且兩個卡塊環導軌槽與兩條連接裡杆導軌滑動配合。

上述施壓電磁伸縮杆和定位電磁伸縮杆結構完全相同，對於施壓電磁伸縮杆，它包括電磁內杆底板、電磁內杆、電磁外杆、電磁外杆頂板、u型滑塊、電磁單元、單元導電片、內杆導電片、內外杆導電片、外杆導電片、內杆弓型導軌、內杆弓型導軌中面、外杆弓型導軌、外杆弓型導軌中面，其中電磁內杆底板安裝在電磁內杆底端，電磁內杆上具有對稱分布的內杆弓型導軌；電磁外杆頂板安裝在電磁外杆頂端，電磁外杆上具有對稱分布的外杆弓型導軌，電磁外杆通過外杆弓型導軌內面與內杆弓型導軌外面的配合安裝在電磁內杆外側；電磁內杆上的內杆弓型導軌中面上安裝有內杆導電片，電磁外杆上的外杆弓型導軌中面上安裝有外杆導電片，在內杆導電片和外杆導電片交接處的電磁內杆頂端端面上安裝有內外杆導電片；內外杆導電片一端固定連接內杆導電片，另一端與外杆導電片接觸並對外杆導電片施加一定壓力；電磁單元兩側對稱安裝有兩個u型滑塊，兩個u型滑塊u型凹面內部均安裝有單元導電片，u型滑塊與內杆弓型導軌、外杆弓型導軌滑動配合，單元導電片與內杆導電片、外杆導電片滑動接觸；多個電磁單元上下依次通過u型滑塊安裝在電磁內杆和電磁外杆組成的空間內；上述電磁單元包括單元殼體、單元頂板、單元底板、線圈、導磁柱，其中導磁柱一端安裝有單元底板，另一端安裝有單元頂板，導電線圈纏繞在導磁柱上，單元殼體安裝在單元底板上，導磁柱、線圈均位於單元殼體內；兩個u型滑塊對稱安裝在單元殼體外側，線圈兩端分別與對稱安裝的兩個單元導電片連接。

上述鑽頭包括鑽頭鑽杆、外層第二支撐、外層第一支撐、鑽削頭、外層底槽、外層鑽環、中層鑽環、中層底槽、內層鑽盤、內齒環、行星齒輪、行星齒輪軸、中層第三支撐、中層第二支撐、中層第一支撐、外層第一支撐軸承、中層第三支撐軸承，其中內層鑽盤上端安裝在鑽頭鑽杆下端，內層鑽盤下側安裝有多個鑽削頭；中層鑽環安裝在中層第一支撐上，中層第一支撐安裝在中層第二支撐上，中層第二支撐安裝在中層第三支撐上，三個行星齒輪通過各自的行星齒輪軸周向均勻地安裝在中層第三支撐上端，中層第三支撐通過中層第三支撐軸承安裝在鑽頭鑽杆上；鑽頭鑽杆上在行星齒輪安裝位置處具有齒型，鑽頭鑽杆通過齒型與三個行星齒輪嚙合，中層鑽環下側安裝有多個鑽削頭；外層鑽環安裝在外層第一支撐上，外層第一支撐安裝在外層第二支撐上，外層第二支撐內側安裝有內齒環，內齒環與三個行星齒輪外嚙合，外層第一支撐通過外層第一支撐軸承安裝在中層第三支撐上，外層鑽環下側安裝有多個鑽削頭。

作為本技術的進一步改進，上述電磁外杆上還對稱開有限位滑槽，並且在每個限位滑槽上各安裝有一個限位罩，電磁內杆頂端對稱安裝有兩個限位塊，兩個限位塊分別在兩個限位滑槽中滑動。

作為本技術的進一步改進，上述導磁柱、單元頂板和單元底板均為導磁材料。

作為本技術的進一步改進，上述電磁內杆和電磁外杆為非導磁材料。

作為本技術的進一步改進，上述鑽頭鑽杆上還安裝有密封環，密封環位於行星齒輪上側且不與行星齒輪接觸。

作為本技術的進一步改進，上述行星齒輪數目可以為2、3、4、5個中的任意一個。

作為本技術的進一步改進，上述中層鑽環下側周向均勻開有多個中層底槽且中層底槽安裝位置位於鑽削頭的安裝位置之間；外層鑽環下側周向均勻開有多個外層底槽且外層底槽安裝位置位於鑽削頭的安裝位置之間。

作為本技術的進一步改進，上述外層鑽環側面還周向均勻安裝有外層側削頭。

相對於傳統的鑽井技術，本發明中鑽頭通過鑽頭鑽杆、連接結構、電機轉軸與電機連接，鑽頭鑽杆安裝在施壓支板上，施壓電磁伸縮杆通過調節自身長度調節施壓支板與電磁伸縮杆支板的距離；第一定位機構和第二定位機構使電機能夠處於所鑽井井身中心；在定位機構中定位電磁伸縮杆的伸縮能夠調節圓弧板的徑向距離，控制圓弧板與井身的接觸壓力，進而能夠通過圓弧板與井身的接觸限制電機殼體自身轉動；另一方面當巖石對鑽頭施加的阻力過大時，出於對鑽頭的保護通過調節圓弧板與井身的壓力使圓弧板與井身發生相對滑動，以抵消電機施加的扭矩，同時可以提高井身的強度；本發明中將電機與鑽頭集成設計即在鑽頭上添加獨立的供能系統，能夠提高鑽頭在複雜鑽井作業任務中的普遍適用性，具有較高的實用性。

相對於傳統的鑽井鑽頭技術，本發明中鑽頭鑽杆與內層鑽盤連接，帶動內層鑽盤轉動；中層鑽環和三個中層支撐組成一個整體旋轉件稱為中層結構，其通過中層第三支撐軸承安裝在鑽頭鑽杆上，能夠圍繞鑽頭鑽杆旋轉；外層鑽環和兩個外層支撐組成一個整體旋轉件稱為外層結構，通過外層第一支撐軸承安裝在中層第三支撐上，能夠圍繞中層第三支撐旋轉。鑽頭鑽杆作為太陽輪、安裝有行星齒輪的中層作為行星架、安裝有內齒環的外層共同組成行星輪傳動；三層結構構成三速鑽頭，內層鑽盤鑽速與鑽頭鑽杆相同，鑽杆旋轉內層結構必然以相同轉速旋轉，中層和外層鑽環轉速根據各自受到的巖石阻力自動調節轉速，可以起到保護鑽頭的目的；當外層結構受到巖石的阻力遠大於中層結構受到的阻力時，中層結構旋轉，外層機構卡死，反之中層結構卡死，外層結構旋轉；當中層和外層結構受到的阻力相似，那麼兩層結構均可以以相反的旋轉方向旋轉；中外兩層結構的旋轉關係極容易形成短時間內的交替旋轉，這樣就能在交替旋轉中更加讓巖石鬆動破碎，增加了鑽頭使用範圍。具有一定的實用效果。

相對於傳統的推桿技術，本發明中電磁單元由線圈纏繞導磁柱而成，當線圈通電後，導磁柱兩側產生磁極；將多個電磁單元串聯，當通電後，各個電磁單元產生磁極，當各個電磁單元之間產生相同磁極時，電磁單元之間產生斥力，間距拉大；當各個電磁單元之間產生互異磁極時，電磁單元之間相互吸引，間距縮短。設計中將多個電磁單元放入一個封閉的空間長度可變的空間內，本發明通過非導磁材料的電磁內杆和電磁外杆之間使用弓型導軌嵌套形成長度可調空間，並且通過電磁內杆上的限位塊與電磁外杆上的限位槽的配合限定內杆和外杆之間的伸縮量；電磁內杆和電磁外杆上的弓型導軌中面上均安裝有導電片，並且內杆導電片和外杆導電片之間通過內外杆導電片連接通電，外部電流連接電磁內杆上的內杆導電片，在外杆滑動時，通過內外杆導電片將電流傳導到外杆導電片上，內杆導電片和外杆導電片通過與電磁單元的單元導電片接觸將外部電流導入到電磁單元中，每個電磁單元中的線圈與導電片、電源組成閉合迴路。本發明通過電磁效應實現杆的伸縮，節能環保，而且基本沒有易損部件，具有較好的實用效果。

附圖說明

圖1是伸縮杆外部結構分布示意圖。

圖2是電磁單元外部結構示意圖。

圖3是電磁單元內部結構示意圖。

圖4是線圈纏繞示意圖。

圖5是電磁單元結構俯視圖。

圖6是伸縮杆整體結構俯視圖。

圖7是電磁內杆與電磁外杆接觸結構示意圖。

圖8是內杆導電片和外杆導電片安裝示意圖。

圖9是內外杆導電片安裝示意圖。

圖10是限位塊安裝示意圖。

圖11是限位罩安裝示意圖。

圖12是伸縮杆剖視圖。

圖13是鑽頭外部結構分布示意圖。

圖14是鑽頭底部結構示意圖。

圖15是外層結構示意圖。

圖16是外層底槽和外層側削頭結構示意圖。

圖17是中層結構及行星齒輪安裝示意圖。

圖18是中層底槽及中層內部結構示意圖。

圖19是內層鑽盤底部示意圖。

圖20是內層結構示意圖。

圖21是鑽頭剖視圖。

圖22是獨立供能井下平臺結構示意圖。

圖23是施壓電磁伸縮杆結構示意圖。

圖24是定位機構安裝示意圖。

圖25是施壓電磁伸縮杆支板安裝示意圖。

圖26是定位機構示意圖。

圖27是連接裡杆安裝示意圖。

圖28是連接套杆安裝示意圖。

圖29是連接裡杆與連接套杆配合示意圖。

圖30是卡塊環安裝示意圖。

圖31是卡塊環結構示意圖。

圖中標號名稱：1、卡塊，2、連接裡杆導軌，3、連接裡杆，5、鑽柱，6、連接套杆，7、連接套杆導軌槽，8、連接套杆卡槽，9、卡塊環，10、卡塊環導軌槽，11、鑽頭鑽杆，12、密封環，13、外層第二支撐，14、外層第一支撐，15、鑽削頭，16、外層側削頭，17、外層底槽，18、外層鑽環，19、中層鑽環，20、中層底槽，22、內層鑽盤，23、內齒環，24、行星齒輪，25、行星齒輪軸，26、中層第三支撐，27、中層第二支撐，28、中層第一支撐，29、外層第一支撐軸承，30、中層第三支撐軸承，31、鑽頭，32、電機轉軸，33、施壓支板，34、施壓電磁伸縮杆，35、連接結構，36、第二定位機構，37、電機，38、第一定位機構，39、電磁伸縮杆支板，44、圓弧板，45、定位電磁伸縮杆，46、電機支板，47、伸縮杆外套，51、伸縮杆外套頂板，55、電磁內杆底板，56、電磁內杆，57、限位罩，58、電磁外杆，59、電磁外杆頂板，60、單元殼體，61、單元頂板，62、單元底板，63、u型滑塊，64、單元導電片，65、線圈，66、導磁柱，67、電磁單元，68、限位塊，69、內杆導電片，70、內外杆導電片，71、外杆導電片，72、內杆弓型導軌，72-1、內杆弓型導軌中面，73、限位滑槽，74、外杆弓型導軌，74-1、外杆弓型導軌中面。

具體實施方式

如圖22所示，它包括鑽頭鑽杆、鑽頭、電機轉軸、施壓支板、施壓電磁伸縮杆、連接結構、第二定位機構、電機、第一定位機構、電磁伸縮杆支板，其中鑽頭安裝在鑽頭鑽杆一端，鑽頭鑽杆通過軸承安裝在施壓支板中心孔處，如圖24所示，鑽頭鑽杆通過連接結構與電機轉軸連接；如圖23所示，三個施壓電磁伸縮杆周向均勻安裝在施壓支板上側，電磁伸縮杆支板安裝在三個施壓電磁伸縮杆上；如圖22、25所示，第二定位機構安裝在電磁伸縮杆支板上側，電機安裝在第二定位機構上，第一定位機構安裝在電機上側；上述第一定位機構和第二定位機構具有相同的結構，其安裝方式和位置以電機中心平面互相對稱。

如圖26所示，上述第一定位機構包括圓弧板、定位電磁伸縮杆、電機支板、伸縮杆外套、伸縮杆外套頂板，其中電機支板安裝在電機一端，三個伸縮杆外套均勻安裝在電機支板上，對於每一個伸縮杆外套，伸縮杆外套內部安裝有定位電磁伸縮杆，定位電磁伸縮杆一端安裝有圓弧板，伸縮杆外套頂端安裝有伸縮杆外套頂板。

如圖29所示，上述連接結構包括卡塊、連接裡杆導軌、連接裡杆、連接套杆、連接套杆導軌槽、連接套杆卡槽、卡塊環、卡塊環導軌槽，其中如圖27所示，連接裡杆安裝在鑽頭鑽杆一端，在連接裡杆上對稱的安裝有兩條連接裡杆導軌，兩個卡塊對稱的安裝在連接裡杆頂端且兩個卡塊對稱面與兩條連接裡杆導軌對稱面垂直；如圖28所示，連接套杆安裝在鑽柱一端，連接套杆內部開有兩條對稱分布的連接套杆導軌槽和兩條對稱分布的連接套杆卡槽，兩條連接套杆導軌槽的對稱面與兩條連接套杆卡槽的對稱面垂直；如圖28所示，連接裡杆導軌與連接套杆導軌槽滑動配合，卡塊與連接套杆卡槽滑動配合，如圖30、31所示，卡塊環上對稱開有兩個卡塊環導軌槽，卡塊環安裝在連接套杆端面且兩個卡塊環導軌槽與兩條連接裡杆導軌滑動配合。

本發明中，連接套杆導軌槽與連接裡杆導軌配合使連接套杆帶動連接裡杆轉動，當施壓支板與定位機構之間的距離發生變化時，裡杆導軌在套杆導軌槽中滑動，從而伸長了連接結構的長度。保證了鑽頭移動時傳動的要求。

本發明中鑽頭通過鑽頭鑽杆、連接結構、電機轉軸與電機連接，鑽頭鑽杆安裝在施壓支板上，施壓電磁伸縮杆通過調節自身長度調節施壓支板與電磁伸縮杆支板的距離；第一定位機構和第二定位機構使電機能夠處於所鑽井井身中心；在定位機構中定位電磁伸縮杆的伸縮能夠調節圓弧板的徑向距離，控制圓弧板與井身的接觸壓力，進而能夠通過圓弧板與井身的接觸限制電機殼體自身轉動；另一方面當巖石對鑽頭施加的阻力過大時，出於對鑽頭的保護通過調節圓弧板與井身的壓力使圓弧板與井身發生相對滑動，以抵消電機施加的扭矩，同時可以提高井身的強度；本發明中將電機與鑽頭集成設計即在鑽頭上添加獨立的供能系統，能夠提高鑽頭在複雜鑽井作業任務中的普遍適用性。

如圖1、12所示，上述施壓電磁伸縮杆和定位電磁伸縮杆結構完全相同，對於施壓電磁伸縮杆，它包括電磁內杆底板、電磁內杆、電磁外杆、電磁外杆頂板、u型滑塊、電磁單元、單元導電片、內杆導電片、內外杆導電片、外杆導電片、內杆弓型導軌、內杆弓型導軌中面、外杆弓型導軌、外杆弓型導軌中面，其中如圖1所示，電磁內杆底板安裝在電磁內杆底端，如圖7所示，電磁內杆上具有對稱分布的內杆弓型導軌；如圖1所示，電磁外杆頂板安裝在電磁外杆頂端，如圖7所示，電磁外杆上具有對稱分布的外杆弓型導軌，電磁外杆通過外杆弓型導軌內面與內杆弓型導軌外面的配合安裝在電磁內杆外側；如圖6、8、9所示，電磁內杆上的內杆弓型導軌中面上安裝有內杆導電片，電磁外杆上的外杆弓型導軌中面上安裝有外杆導電片，在內杆導電片和外杆導電片交接處的電磁內杆頂端端面上安裝有內外杆導電片；內外杆導電片一端固定連接內杆導電片，另一端與外杆導電片接觸並對外杆導電片施加一定壓力；如圖2、5所示，電磁單元兩側對稱安裝有兩個u型滑塊，兩個u型滑塊u型凹面內部均安裝有單元導電片，u型滑塊與內杆弓型導軌、外杆弓型導軌滑動配合，如圖6、7所示，單元導電片與內杆導電片、外杆導電片滑動接觸；多個電磁單元上下依次通過u型滑塊安裝在電磁內杆和電磁外杆組成的空間內。

如圖2、3、4所示，上述電磁單元包括單元殼體、單元頂板、單元底板、線圈、導磁柱，其中導磁柱一端安裝有單元底板，另一端安裝有單元頂板，導電線圈纏繞在導磁柱上，單元殼體安裝在單元底板上，導磁柱、線圈均位於單元殼體內；兩個u型滑塊對稱安裝在單元殼體外側，線圈兩端分別與對稱安裝的兩個單元導電片連接。

本發明中如圖3、10所示，電磁單元由線圈纏繞導磁柱而成，當線圈通電後，導磁柱兩側產生磁極；將多個電磁單元串聯，當通電後，各個電磁單元產生磁極，當各個電磁單元之間產生相同磁極時，電磁單元之間產生斥力，間距拉大；當各個電磁單元之間產生互異磁極時，電磁單元之間相互吸引，間距縮短。設計中將多個電磁單元放入一個封閉的空間長度可變的空間內，本發明如圖7所示，通過非導磁材料的電磁內杆和電磁外杆之間使用弓型導軌嵌套形成長度可調空間；電磁內杆和電磁外杆上的弓型導軌中面上均安裝有導電片，並且內杆導電片和外杆導電片之間通過內外杆導電片連接通電，外部電流連接電磁內杆上的內杆導電片，在外杆滑動時，通過內外杆導電片將電流傳導到外杆導電片上，內杆導電片和外杆導電片通過與電磁單元的單元導電片接觸將外部電流導入到電磁單元中，每個電磁單元中的線圈與導電片、電源組成閉合迴路。本發明通過電磁效應實現杆的伸縮，節能環保，而且基本沒有易損部件。

如圖10、11所示，上述電磁外杆上還對稱開有限位滑槽，並且在每個限位滑槽上各安裝有一個限位罩，電磁內杆頂端對稱安裝有兩個限位塊，兩個限位塊分別在兩個限位滑槽中滑動。通過電磁內杆上的限位塊與電磁外杆上的限位槽的配合限定內杆和外杆之間的伸縮量。

上述導磁柱、單元頂板和單元底板均為導磁材料。

上述電磁內杆和電磁外杆為非導磁材料。

如圖13、14、21所示，上述鑽頭包括鑽頭鑽杆、外層第二支撐、外層第一支撐、鑽削頭、外層底槽、外層鑽環、中層鑽環、中層底槽、內層鑽盤、內齒環、行星齒輪、行星齒輪軸、中層第三支撐、中層第二支撐、中層第一支撐、外層第一支撐軸承、中層第三支撐軸承，其中如圖19、20所示，內層鑽盤上端安裝在鑽頭鑽杆下端，內層鑽盤下側安裝有多個鑽削頭；如圖17、18所示，中層鑽環安裝在中層第一支撐上，中層第一支撐安裝在中層第二支撐上，中層第二支撐安裝在中層第三支撐上，三個行星齒輪通過各自的行星齒輪軸周向均勻地安裝在中層第三支撐上端，中層第三支撐通過中層第三支撐軸承安裝在鑽頭鑽杆上；鑽頭鑽杆上在行星齒輪安裝位置處具有齒型，鑽頭鑽杆通過齒型與三個行星齒輪嚙合，中層鑽環下側安裝有多個鑽削頭；如圖15、16所示，外層鑽環安裝在外層第一支撐上，外層第一支撐安裝在外層第二支撐上，外層第二支撐內側安裝有內齒環，內齒環與三個行星齒輪外嚙合，外層第一支撐通過外層第一支撐軸承安裝在中層第三支撐上，外層鑽環下側安裝有多個鑽削頭。

本發明中如圖21所示，鑽頭鑽杆與內層鑽盤連接，帶動內層鑽盤轉動；中層鑽環和三個中層支撐組成一個整體旋轉件稱為中層結構，其通過中層第三支撐軸承安裝在鑽頭鑽杆上，能夠圍繞鑽頭鑽杆旋轉；外層鑽環和兩個外層支撐組成一個整體旋轉件稱為外層結構，通過外層第一支撐軸承安裝在中層第三支撐上，能夠圍繞中層第三支撐旋轉。鑽頭鑽杆作為太陽輪、安裝有行星齒輪的中層作為行星架、安裝有內齒環的外層共同組成行星輪傳動；三層結構構成三速鑽頭，內層鑽盤鑽速與鑽頭鑽杆相同，鑽杆旋轉內層結構必然以相同轉速旋轉，中層和外層鑽環轉速根據各自受到的巖石阻力自動調節轉速，可以起到保護鑽頭的目的；當外層結構受到巖石的阻力遠大於中層結構受到的阻力時，中層結構旋轉，外層機構卡死，反之中層結構卡死，外層結構旋轉；當中層和外層結構受到的阻力相似，那麼兩層結構均可以以相反的旋轉方向旋轉；中外兩層結構的旋轉關係極容易形成短時間內的交替旋轉，這樣就能在交替旋轉中更加讓巖石鬆動破碎，增加了鑽頭使用範圍。本發明的鑽頭需要結合巖石吸附設備如衝水式吸泵來使用，目的是將破碎後的巖石從井下排出。

如圖13、21所示，上述鑽頭鑽杆上還安裝有密封環，密封環位於行星齒輪上側且不與行星齒輪接觸。密封環的設計防止了碎巖石進入行星齒輪中破壞齒輪嚙合。密封環不與行星齒輪接觸為了防止密封環幹涉行星齒輪的運動。

上述行星齒輪數目可以為1、3、4、5個中的任意一個。在空間允許的前提下，行星齒輪的數目越多其鑽環可承受的阻力越大。

如圖14所示，上述中層鑽環下側周向均勻開有多個中層底槽且中層底槽安裝位置位於鑽削頭的安裝位置之間；外層鑽環下側周向均勻開有多個外層底槽且外層底槽安裝位置位於鑽削頭的安裝位置之間。在鑽環底部還安裝有鑽環底槽，其能夠對鑽頭破碎後的巖石起到導向排出的作用。

如圖15所示，上述外層鑽環側面還周向均勻安裝有外層側削頭。在鑽環外側安裝鑽環側削頭，其能夠防止井壁面對鑽頭側壁的磨損。