一種金剛石鑽頭的製作方法

2023-05-20 22:56:47 3

本發明屬於石油天然氣鑽探工程、礦山工程、建築基礎工程施工、地質鑽探、隧道工程、水文及非開挖等技術設備領域，具體涉及一種金剛石鑽頭。

背景技術：

金剛石鑽頭是鑽井工程中其中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，根據其切削元件的不同，主要包括PDC鑽頭和孕鑲金剛石鑽頭。

PDC鑽頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石複合片(簡稱PDC齒或切削齒)作為切削元件來剪切和破碎巖石。PDC鑽頭在軟到中硬地層中機械鑽速高、壽命長，鑽進成本低，因此其在油氣井的鑽進中得到廣泛使用。

PDC齒雖然硬度高，但抗衝擊能力和抗熱磨損能力的限制，PDC鑽頭在硬地層、高研磨性地層、嚴重不均質地層(軟硬交錯夾層、含礫巖層等)鑽進時，很容易導致複合片的快速磨損失效，而最典型的失效形式之一就是複合片金剛石層的衝擊崩損，複合片的崩損使鑽頭的切削效率和工作壽命均大大降低。複合片崩損的主要原因是來自井底巖石的衝擊力，除了巖石不均質帶來的衝擊以外，在更多的情況下，切削齒承受的衝擊力來自鑽頭的振動，特別是橫向振動。通常，鑽頭上最容易發生複合片崩損的位置是鑽頭上切削速度比較高的冠頂以及冠頂以外的徑向區域。鑽頭上局部徑向區域內切削齒的過度磨損後會在刀翼本體上產生環槽，環槽一旦出現，鑽頭的切削能力即基本喪失。

除了PDC鑽頭以外，孕鑲金剛石鑽頭也是一種重要的鑽頭種類，這種鑽頭以孕含在胎體式刀翼體或切削齒中的大量金剛石微小顆粒(即金剛石微切削刃)形成的基本切削刃構成切削元件，鑽頭的破巖原理與砂輪的磨削原理相仿，即暴露在鑽頭表面的金剛石微粒以磨削或微切削的方式切削井底巖石，並伴隨著金剛石微粒的逐漸「磨鈍」、脫落以及其支撐材料的不斷磨蝕，新的金剛石磨粒不斷出刃繼續工作。孕鑲金剛石鑽頭的這種「磨削」原理，決定了它的應用對象主要為高硬度、強研磨性等不適宜用PDC鑽頭的難鑽甚至極難鑽地層，且一般在高轉速下才能達到相對較好的破巖效果。將金剛石微粒孕含在胎體式刀翼體中所形成的切削元件稱為刀翼孕鑲體或刀翼孕鑲塊(簡稱孕鑲體或孕鑲塊)，孕含在切削齒中所形成的切削元件則稱為孕鑲切削齒(簡稱孕鑲齒)。孕鑲體自身構成了孕鑲金剛石鑽頭刀翼體的一部分，屬於孕鑲鑽頭基本的切削結構，而孕鑲齒則通常為固結在刀翼孕鑲體上的附加切削結構。孕鑲齒固結在刀翼孕鑲體上的方式一般有立式、臥式和立臥組合式三種，通常採用燒結和釺焊實現固結。在刀翼孕鑲體上增設孕鑲齒，既有助於改善孕鑲鑽頭在鑽遇軟地層時的適應性，更能顯著增加孕鑲金剛石鑽頭切削結構的工作壽命。孕鑲體、孕鑲齒以及孕鑲體與孕鑲齒的各種組合，均可形成鑽頭的孕鑲切削元件，鑽頭上所有的孕鑲切削元件構成了鑽頭的孕鑲切削結構。在難鑽甚至極難鑽地層條件下，其它各種類的鑽頭都存在牙齒壽命短的問題，而孕鑲鑽頭切削元件的耐磨性極強，能達到相對較長的工作壽命。由於孕鑲鑽頭的工作轉速往往很高，所以，保持鑽頭在工作過程中的運動穩定性，儘量減小鑽頭的振動(特別是橫向振動)，對於保障鑽頭的工作壽命十分重要。

冠部輪廓形狀是金剛石鑽頭非常重要的結構特徵，鑽頭的冠部輪廓線也稱切削輪廓線，既能宏觀反映切削元件在鑽頭上的分布位置特徵，也能直接反映鑽頭切削出的井底的基本形狀特徵。金剛石鑽頭的冠部輪廓線通常是一條光滑曲線，呈拋物線狀，包括內錐、冠頂(鼻部)、外錐、肩部和保徑五部分。當外部載荷使鑽頭有發生水平平移的趨勢時，鑽頭中心區域的內錐或外錐的巖壁對鑽頭施加以與其水平移動方向相反的作用力，以抑制鑽頭的橫向移動,有益於提高鑽頭穩定性。

在導向鑽進中，常常會出現鑽進軌跡發生「漂移」的現象，其本質是由於鑽頭橫向位移方向與鑽頭所受到的橫向力方向不一致所導致的力學效應。PDC鑽頭通常容易有向左漂移的趨勢，原因在於當鑽頭在偏離井眼中心條件下工作時，鑽頭上切削齒的受力是很不均衡的，在偏離方向一側，鑽頭冠頂以外的切削齒更貼近井底以及井壁的巖石，故其切削力更大；而在背離偏離方向一側，冠頂以外的切削齒與井底以及井壁巖石的距離變遠，故其切削力將會顯著減小甚至脫離接觸。對鑽頭冠頂以內的切削齒而言，其接觸狀態規律與冠頂以外的切削齒剛好相反，切削力增大的是在背離偏離方向一側的內錐切削齒，而在偏離方向一側，內錐上牙齒的切削力是減小的，甚至可能脫離與巖石的接觸。圖28、29是鑽頭的這種牙齒切削力規律的示意圖，圖中F1、F2、F3、F4、F5為鑽頭產生的致漂力，所有左漂力合成Ffg1，所有右漂力合成Ffg2，Fn為導向力。從圖中可以看到，鑽頭外錐切削齒的橫向合力方向與內錐切削齒的橫向合力方向相反，而且外錐橫向力大於內錐橫向力。這兩個力的差值就產生了使鑽進軌跡發生漂移的鑽頭漂移力。顯然，要減小漂移趨勢，就要減小漂移力，也就是要減小兩個相反方向橫向力的差值。

由其破巖原理所決定，各類金剛石鑽頭都有一個共同的弱點，即鑽井過程中破碎井底巖石後形成的巖屑尺寸很細小，其中孕鑲金剛石鑽頭的巖屑更是極細，基本呈粉末狀。這個弱點在一定程度上限制了金剛石鑽頭的應用。因為地下巖層複雜多變，鑽井過程中常常需要通過井下上返的巖屑來分析、判斷地層的巖性信息，過於細小的巖屑將使這種分析和判斷的準確性受到嚴重影響。

假設鑽頭上有一個通過鑽頭軸線和鑽頭上某一點的剖切平面(稱之為過該點的軸線平面或軸面)。當鑽頭在鑽進速度為零的條件下繞自身軸線旋轉時，切削元件的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削元件的軸面輪廓線，將所有切削元件的軸面輪廓線匯集在一起形成鑽頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有切削單元的軸面輪廓線相切的包絡曲線，被稱為鑽頭切削輪廓線，鑽頭切削輪廓線反映了鑽頭鑽出的井底的基本形狀特徵。鑽頭本體輪廓線是井底覆蓋圖中反映鑽頭本體的位置曲線，其是金剛石鑽頭的一條重要特徵曲線。鑽頭布齒面是指以鑽頭軸線為旋轉中心，鑽頭本體輪廓線為旋轉半徑旋轉一周後與鑽頭本體相交而成的曲面。

在PDC鑽頭中，PDC切削齒的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為PDC切削齒的軸面輪廓線，將所有PDC切削齒的軸面輪廓線匯集在一起形成PDC鑽頭的井底覆蓋圖，做一條與所有PDC切削齒的軸面輪廓線相切的包絡曲線，為PDC鑽頭的切削輪廓線。

在孕鑲金剛石鑽頭中，如果切削元件全為刀翼孕鑲體(西瓜皮式孕鑲鑽頭)，將刀翼孕鑲體輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為孕鑲切削單元的軸面輪廓線，將所有刀翼孕鑲體軸面輪廓線匯集在一起形成鑽頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有刀翼孕鑲體的軸面輪廓線包絡曲線，被稱為孕鑲鑽頭切削輪廓線，這樣孕鑲鑽頭的切削輪廓線與鑽頭本體輪廓線基本一致，為同一曲線；如果切削單元包括刀翼孕鑲體、孕鑲塊(孕鑲齒)，孕鑲齒則通常為固結在刀翼孕鑲體上的附加切削結構，孕鑲齒固結在刀翼孕鑲體上的方式一般有立式、臥式和立臥組合式三種，通常採用燒結和釺焊實現固結，將刀翼孕鑲體、孕鑲齒的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為孕鑲切削單元的軸面輪廓線，將所有刀翼孕鑲體、孕鑲齒的軸面輪廓線匯集在一起形成鑽頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有孕鑲齒的軸面輪廓線相切的包絡曲線，被稱為孕鑲鑽頭切削輪廓線，做一條所有刀翼孕鑲體的包絡曲線，被稱為孕鑲鑽頭的本體輪廓線。

技術實現要素：

本發明的目的在於：提供一種金剛石鑽頭，以降低鑽頭的切削能耗，提升鑽頭破巖效率，同時抑制鑽頭橫向振動，有效減少鑽頭切削齒的衝擊失效，提升鑽頭在定向鑽井中的抗漂移能力，並產生較大尺寸的巖屑，改善地質錄井質量，提高實鑽條件下對井下地層信息分析和判斷的準確性。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

現有技術的金剛石鑽頭，通常包括鑽頭本體，以及延伸自鑽頭本體的若干個刀翼，在刀翼上設置有切削元件，本專利的金剛石鑽頭的區別在於，鑽頭上具有至少一個圍繞鑽頭中心的環形空白帶，且在環形空白帶位置的各刀翼向內凹，形成周向貫通的凹槽(以下將這種環形空白帶位置的刀翼凹槽簡稱為「凹槽」)。本專利的鑽頭上的環形空白帶在井底工作中將在井底形成對應的凸起的環形巖脊，鑽頭上的環形空白帶與井底凸起的巖脊相互匹配，並以井底巖脊的尺寸作為環形空白帶尺寸的定義基礎：凸起巖脊的寬度為環形空白帶的寬度W，凸起巖脊最高點到巖脊根部的平均距離為環形空白帶的高度H，如圖4所示，由於刀翼上位於環形空白帶附近的切削元件的存在，鑽頭本體刀翼的凹槽略寬於環形空白帶。

本專利中，鑽頭在井底工作時，在空白帶的凹槽區域形成環形巖脊，巖脊兩側原本受到的巖石的約束得以解除，因此巖脊自身的強度顯著下降，相當於孤立的「牆體」,無論是採用壓碎、刮切(剪切)還是衝擊破碎方式，其所需的破碎能耗都將大幅度降低，而且其破碎方式更趨向於體積性的破碎。節省出的能量可用於增強鑽頭上其它切削齒的破巖效果，從而提高鑽頭的破巖效率。另一方面，鑽頭本體刀翼上的凹槽能抑制鑽頭的橫向移動，從而減小鑽頭的橫向振動，提高鑽頭的穩定性。此外，鑽頭刀翼凹槽(特別是埠及側壁上的切削齒)能起到減小鑽頭漂移力的作用，鑽頭在導向鑽井中的漂移趨勢可以得到更好的抑制。

作為選擇，刀翼上設置的切削元件為孕鑲切削元件。本專利應用的金剛石鑽頭，其刀翼上設置的切削元件可以是PDC切削元件，也可以為孕鑲切削元件，優選孕鑲切削元件，這樣的鑽頭能在高研磨性、高硬度地層中鑽進，拓寬鑽頭使用範圍。

作為選擇，在環形空白帶區域設置有第二切削元件。現有技術的刀翼上設置切削元件外，本專利還可以進一步在環形空白帶區域設置切削元件，並將設置在環形空白帶區域的切削元件稱之為第二切削元件。或者也可以將現有技術設置在刀翼上的切削元件稱之為「主切削元件」，如背景技術中所述，其可以為獨立切削齒亦可以為鑽頭本體刀翼的部分，而將設置在環形空白帶區域的切削元件對應稱之為「副切削元件」或「第二切削元件」。由於環形空白帶貫穿了刀翼以及刀翼之間的區域，因而第二切削元件可以設置在刀翼上的凹槽區域，也可以設置在刀翼之間的排屑槽區域，如設置獨立牙掌結構、本體上凸起的小刀翼等等。該方案中，環形空白帶的存在將形成環形凸起的巖脊，在環形空白帶區域設置有第二切削元件，能夠顯著提升鑽頭的破巖效率。

作為進一步選擇，第二切削元件設置在刀翼凹槽的側壁和/或頂部。該方案中，在環形空白帶位置的鑽頭刀翼體內凹，形成周向貫通的凹槽，刀翼凹槽由凹槽側壁與凹槽頂部組成，如圖4所示。第二切削元件設置在刀翼凹槽的側壁和/或頂部(凹槽頂部即對凹槽本身而言的槽底)，對凸起的巖脊進行破碎，同時對刀翼上布置於鑽頭凹槽區域的切削元件進行加強，避免局部區域失效而導致整隻鑽頭不能有效的鑽進巖石。

作為另一進一步選擇，第二切削元件為固定切削齒，和/或能與鑽頭本體發生相對運動的運動切削元件，運動切削元件上具有一個或多個切削齒。該方案中，若第二切削元件為固定切削齒，這樣鑽頭沒有活動元件，減小掉齒事故發生，有利於減小鑽井周期；若第二切削元件既包含固定切削元件又包含運動切削元件，鑽頭以動靜複合的方式破碎巖石，提高鑽頭破巖效率。

作為進一步選擇，運動切削元件為能與鑽頭本體發生相對滑動的切削元件。該方案中，在第二切削元件的上方設置或連接有壓力或衝擊力發生裝置，所產生的衝擊力(如由衝錘的慣性產生的衝擊力)作用於第二切削元件，使得第二切削元件能與鑽頭本體發生相對滑動，第二切削元件將衝擊力傳遞到空白帶的巖脊上，使巖脊在不分擔鑽壓的條件下得以高效破碎(低能耗體積破碎)。

作為另一進一步選擇，運動切削元件為能與鑽頭本體發生相對轉動的牙輪，牙輪上設置有由若干個切削齒構成的齒圈。該方案中，優選至少一個牙輪上部分或全部齒圈位置一一對應各環形空白帶，牙輪切削齒以交替作用的方式破碎凸起環形巖脊，有益於切削齒的冷卻，提高切削齒的壽命，同時以滾動代替滑動，降低鑽頭扭矩，提高鑽頭鑽進穩定性，特別是在定向井中鑽頭的降扭效果更為明顯。

作為另一進一步選擇，第二切削元件的固定切削齒為圓形齒、橢圓齒、錐形齒、楔形齒、球形齒等或者多種齒形的組合。該方案中，不同形狀的切削齒與不同的地層相互匹配，從而拓寬鑽頭適用範圍。

作為另一進一步選擇，第二切削元件的固定切削齒為PDC複合片、熱穩定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。

作為選擇，所述鑽頭上設置有兩個或兩個以上的環形空白帶。該方案中，鑽頭本體鑽頭上設置有兩個或兩個以上的環形空白帶，這樣鑽頭主切削元件的破碎體積減少，比壓增加，破碎效率提高。

作為選擇，鑽頭上設置有一個或若干個牙輪，其中至少1個牙輪的牙齒覆蓋區域包含井底環形空白帶，且至少1個牙輪的牙齒覆蓋區域包含部分井底環形空白帶以外的區域。該方案中，刀翼-牙輪複合鑽頭中，1個牙輪的牙齒覆蓋區域包含井底的環形空白帶，至少1個牙輪的牙齒覆蓋區域包含部分井底環形空白帶以外的區域，充分利用鑽頭上布齒空間，在提高複合鑽頭的切削效率的同時延長鑽頭壽命。

作為選擇，鑽頭上設置有至少一個牙輪，該牙輪上的切削齒均布置於環形空白帶以外的井底區域。該方案中，刀翼-牙輪複合鑽頭的固定刀翼上設置環形空白帶，且空白帶不在牙輪覆蓋區域內，這樣提高複合鑽頭在固定刀翼區域的鑽進效率且能提高複合鑽頭的穩定性。

作為選擇，鑽頭上的環形空白帶位於鑽頭四分之一半徑徑向以外區域。環形空白帶的中線在鑽頭徑向覆蓋區域的徑向位置為L，鑽頭的半徑為R，如圖4所示。該方案中，即L≥1/4R，針對不同巖石地層情況和鑽井方式，將環形空白帶設置於鑽頭四分之一半徑以外的徑向區域，可以擴大鑽頭的使用範圍。特別地，可將環形空白帶設置在更容易造成鑽頭切削齒磨損的冠頂和/或冠頂以外的徑向區域，以增加該區域內低能耗體積破碎的巖石體積，更大程度地提升鑽頭工作效果。

作為選擇，鑽頭上的環形空白帶寬度W取值範圍為R/3≥W≥3mm，R為鑽頭半徑。該方案中，限定環形空白帶的寬度W範圍能夠提高鑽頭的破巖效率，若環形空白帶的寬度過小，由於巖石的脆性特徵可能不能形成環形巖脊，若環形空白帶的寬度過大，鑽頭破巖效率降低。

作為選擇，鑽頭上的環形空白帶在井底形成的巖脊的高寬比不小於0.5。該方案中，即H/W≥0.5，針對不同巖石性質，限定環形空白帶巖脊高寬比，從而提高鑽頭破巖效率。

作為選擇，凹槽側壁至少有1側輪廓線與鑽頭軸線不平行。該方案中，凹槽側壁的輪廓線與鑽頭軸線不平行，有益於在凹槽側壁上設置更多的副切削元件，保證凹槽的切削壽命，從而延長鑽頭的整體壽命。

前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可採用並要求保護的方案；且本發明，(各非衝突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發明方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本發明的有益效果：

1、鑽頭在井底工作時，在空白帶的凹槽區域形成環形巖脊，巖脊兩側原本受到的巖石的約束得以解除，因此巖脊自身的強度顯著下降，其所需的破碎能耗都將大幅度降低，節省的能量可用於增強鑽頭上其它切削齒的破巖效果，從而有利於提高鑽頭破巖效率。

2、在鑽頭環形空白區域能實現巖石低功效的體積破碎，形成較大的巖石碎屑，相對於常規金剛石鑽頭形成較小、較細的巖屑，更能有利於通過巖屑分析獲取地層巖性信息，判斷地質層位。

3、當外載使鑽頭有發生橫向運動的趨勢時，井底上凸起的巖脊能對鑽頭施加以與其橫向運動趨勢方向相反的約束或作用力，以抑制鑽頭的橫向移動，從而減小鑽頭的橫向振動，提高鑽頭的穩定性，有效減少鑽頭切削齒的衝擊和偏磨失效。

4、鑽頭在鑽井中形成多個環形巖脊，與井底的側向接觸面更多，使得鑽頭的抗漂移控制參數增加，有利於增強鑽頭抗漂移能力。

附圖說明

圖1為本發明專利的鑽頭工作示意圖；

圖2為本發明專利的鑽頭結構示意圖；

圖3為圖2俯視圖；

圖4為凹槽上設置有副切削元件的鑽頭的工作示意圖；

圖5凹槽位置在內錐部示意圖；

圖6凹槽位置在外錐部示意圖；

圖7為有2個凹槽且具有擠壓齒微取心結構的鑽頭示意圖；

圖8為有2個凹槽且具有中心錐齒微取心結構的鑽頭示意圖；

圖9有2個尺寸不同的凹槽且主切削元件為孕鑲刀翼的鑽頭示意圖；

圖10為圖9鑽頭的俯視圖；

圖11為主切削元件為孕鑲體的孕鑲鑽頭示意圖；

圖12為主切削元件為孕鑲體、孕鑲豎齒孕鑲鑽頭示意圖；

圖13為主切削元件為孕鑲體、孕鑲豎齒、孕鑲臥齒的孕鑲鑽頭示意圖；

圖14為具有衝擊副切削元件的孕鑲鑽頭示意圖；

圖15為具有衝擊副切削元件鑽頭示意圖；

圖16為具有衝擊副切削元件且副切削元件不在刀翼上的鑽頭示意圖；

圖17為運動副切削元件為牙掌牙輪切削結構的複合鑽頭示意圖；

圖18為圖17徑向覆蓋示意圖；

圖19為運動副切削元件為牙掌牙輪切削結構且其中一個牙輪只覆蓋破碎凹槽區域鑽頭示意圖；

圖20為19徑向覆蓋示意圖；

圖21為牙輪設置刀翼凹槽的鑽頭示意圖

圖22為牙輪設置刀翼凹槽的鑽頭覆蓋圖

圖23為刀翼凹槽在複合鑽頭靠近內錐的複合鑽頭示意圖

圖24為凹槽1側輪廓線與鑽頭軸線不平行

圖25為刀翼中設置有內鑲齒的鑽頭示意圖

圖26為刀翼中設置有內置表鑲齒的鑽頭示意圖

圖27為刀翼中設置有內置表鑲齒的單個刀翼示意圖

圖28為常規金剛石鑽頭橫向運動時與井壁和井底巖石相作用的示意圖

圖29為本發明鑽頭橫向運動時與井壁和井底巖石相作用的示意圖

其中1-鑽頭本體、2-固定刀翼、21-孕鑲刀翼、22-孕鑲臥齒、23-孕鑲豎齒、24-金剛石顆粒、3-主切削元件、31-固定副切削元件、32-運動副切削元件、33-牙輪切削齒、41-內鑲齒、42-內置表鑲齒、5鑽頭本體輪廓線、6-鑽頭布齒曲面、7-凹槽、8-噴嘴，9-巖石、10-凸起巖脊、11-牙掌、12-牙輪。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本發明。

如圖1、2、3所示，一種金剛石鑽頭，包括鑽頭本體1，以及延伸自鑽頭本體1的若干個刀翼2，在刀翼2上設置有切削元件3，鑽頭上具有至少一個圍繞鑽頭中心的環形空白帶(圖1中為5個環形空白帶，圖2、3中為1個環形空白帶，優選至少2個環形空白帶，如圖7-10中為2個環形空白帶)，在環形空白帶位置的刀翼2向內凹，形成周向貫通的凹槽7，凹槽7由側壁和頂部構成。鑽頭上的多個環形空白帶在刀翼2上形成多個凹槽7，優選至少2個凹槽，且其中1個凹槽位於鑽頭中心，如圖7、8所示。作為優選，凹槽7側壁至少有1側輪廓線與鑽頭軸線不平行，如圖24所示。

參考圖4所示，環形空白帶的中線在鑽頭徑向覆蓋區域的徑向位置為L，鑽頭的半徑為R，環形空白帶的高度為H，環形空白帶寬度為W。作為優選，鑽頭上的環形空白帶位於鑽頭四分之一半徑徑向以外區域，即L≥1/4R。鑽頭上的環形空白帶寬度W取值範圍為R/3≥W≥3mm。鑽頭上的環形空白帶巖脊的高(H)寬(W)比不小於0.5，即H/W≥0.5。

刀翼上設置的切削元件可以是PDC切削元件，如圖1-8所示，也可以為孕鑲切削元件，如圖9-14所示。刀翼2上設置的切削元件3可以是如現有技術通常一般，布置於刀翼2前側的普通PDC齒，例如圖1-3，還可以進一步地：刀翼2上設有內鑲齒41(相對於刀翼本體輪廓線出露高度小於等於零的切削齒，切削齒除了切削工作平面以外的其它表面(主要是側面和底部端面)與刀翼體全面接觸，並依靠這種接觸關係實現切削齒的固結)，作為後備切削齒，如圖25所示，與常規鑽頭相比，軸向可磨損體積增加，能顯著增加鑽頭的使用壽命；或者，刀翼2上設內置表鑲齒42(固定於刀翼體上設置的空槽內，並且其齒刃出露於其所在空槽表面的切削齒，空槽設置於刀翼體內，可以為貫通槽，也可為非貫通的盲槽)，作為後備切削齒，如圖26、27所示，在增加鑽頭軸向可磨損體積的同時，使後備齒在切削地層時獲得高比壓，吃入能力增強；還可以普通PDC齒、內鑲齒41和內置表鑲齒42的各種組合。

由於環形空白帶貫穿了刀翼2以及刀翼2之間的區域，因而第二切削元件(副切削元件)可以位於刀翼2上的凹槽7區域，如圖2-4所示，也可以位置刀翼2之間的排屑槽內，如圖16、17所示。第二切削元件(副切削元件)位於刀翼2上的凹槽7區域時，如圖2-13所示，第二切削元件(副切削元件)優選設置在刀翼凹槽7的側壁和/或頂部。

第二切削元件可以為固定切削齒(稱之為固定副切削元件31)，和/或能與鑽頭本體1發生相對運動的運動切削元件(稱之為運動副切削元件32)，運動副切削元件32上具有一個或多個切削齒,如圖9、10所示。

其中固定副切削元件31的切削齒可以為圓形齒、橢圓齒、錐形齒、楔形齒、球形齒等或者多種齒形的組合，如圖2、3、5、6、8、9、10所示。固定副切削元件可以是PDC複合片、熱穩定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒，或者前述齒的組合。

其中運動副切削元件32可以為能與鑽頭本體1發生相對滑動的切削元件，如圖14、15、16所示，例如，在該運動副切削元件32的上方設置或連接有壓力或衝擊力發生裝置，所產生的衝擊力(如由衝錘的慣性產生的衝擊力)作用於運動副切削元件32，使得運動副切削元件32能與鑽頭本體1發生相對滑動。

運動副切削元件32還可以為能與鑽頭本體1發生相對轉動的牙輪12，牙輪12上設置有由若干個牙輪切削齒33構成的齒圈，如圖17-23所示。優選牙輪12設置在獨立的牙掌11上，如圖17-20所示，或優選牙輪12設置在鑽頭刀翼21上，如圖21、22所示。優選至少一個牙輪12上部分或全部齒圈位置一一對應各環形空白帶，圖19-20中，雙齒圈的牙輪12上各齒圈分別與2個環形空白帶對應，而三齒圈的牙輪12則與2個環形空白帶錯開。作為優選，鑽頭上設置有一個或若干個牙輪12，其中至少1個牙輪12的牙齒覆蓋區域包含井底的環形空白帶，且至少1個牙輪的牙齒覆蓋區域包含部分井底環形空白帶以外的區域，如圖17、18所示。或者，鑽頭上設置有至少一個牙輪12，該牙輪上的牙輪切削齒33均布置於環形空白帶以外的井底區域，如圖23所示。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。