本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种低能耗的金刚石钻头。
背景技术：
金刚石钻头是钻井工程中其中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，根据其切削元件的不同，主要包括PDC钻头和孕镶金刚石钻头。
PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。
PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层(软硬交错夹层、含砾岩层等)钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是复合片金刚石层的冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。钻头上局部径向区域内切削齿的过度磨损后会在刀翼本体上产生环槽，环槽一旦出现，钻头的切削能力即基本丧失。
除了PDC钻头以外，孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，这种钻头以孕含在胎体式刀翼体或切削齿中的大量金刚石微小颗粒(即金刚石微切削刃)形成的基本切削刃构成切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其支撑材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块(简称孕镶体或孕镶块)，孕含在切削齿中所形成的切削元件则称为孕镶切削齿(简称孕镶齿)。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，统称孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。在难钻甚至极难钻地层条件下，其它各种类的钻头都存在牙齿寿命短的问题，而孕镶钻头切削元件的耐磨性极强，能达到相对较长的工作寿命。由于孕镶钻头的工作转速往往很高，所以，保持钻头在工作过程中的运动稳定性，尽量减小钻头的振动(特别是横向振动)，对于保障钻头的工作寿命十分重要。
冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶(鼻部)、外锥、肩部和保径五部分。当外部载荷使钻头有发生水平平移的趋势时，钻头中心区域的内锥或外锥的岩壁对钻头施加以与其水平移动方向相反的作用力，以抑制钻头的横向移动,有益于提高钻头稳定性。
由其破岩原理所决定，各类金刚石钻头都有一个共同的弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，其中孕镶金刚石钻头的岩屑更是极细，基本呈粉末状。这个弱点在一定程度上限制了金刚石钻头的应用。因为地下岩层复杂多变，钻井过程中常常需要通过井下上返的岩屑来分析、判断地层的岩性信息，过于细小的岩屑将使这种分析和判断的准确性受到严重影响。
假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。
在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成 PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线。
在孕镶金刚石钻头中，如果切削元件全为刀翼孕镶体(西瓜皮式孕镶钻头)，将刀翼孕镶体轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有刀翼孕镶体的轴面轮廓线包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，这样孕镶钻头的切削轮廓线与钻头本体轮廓线基本一致，为同一曲线；如果切削单元包括刀翼孕镶体、孕镶块(孕镶齿)，孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构，孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结，将刀翼孕镶体、孕镶齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体、孕镶齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有孕镶齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，做一条所有刀翼孕镶体的包络曲线，被称为孕镶钻头的本体轮廓线。
技术实现要素：
本发明的目的在于：提供一种低能耗金刚石钻头，能降低钻头破岩功耗，提高钻头的机械钻速及破岩效率，提升钻头的排屑能力，同时增强钻头钻进稳定性。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
现有技术的金刚石钻头，通常包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，本专利的金刚石钻头的区别在于，一种低能耗金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼的布齿面上设置有第一组切削元件，水孔或者喷嘴等，其特征在于：在至少一个水道槽的环形空白带区域设置有基座，基座上设置有能覆盖到至少部分环形空白带区域且其切削位置不低于环形空白环带内最高沉降面的第二组切削元件，第二组切削元件为固定切削元件。
在环形空白带区域内，各刀翼本体向内凹或局部下沉，形成周向贯通的凹槽或台阶。凹槽和台阶是不同概念，U型为凹槽如图15中标识241，L型为台阶如图14中标识242(副刀翼较短时，在端部有时不能切出凹槽，只能切出台阶)。为方便表达，除非特殊说明，否则“刀翼凹槽”或“凹槽”均包括U型凹槽和L 型台阶两种结构。
沉降面：凹槽的底面，以及台肩的台阶面。当环带内刀翼的本体轮廓线沉降至水道表面时，该处的水道表面即为沉降面。沉降面可以是平面，也可以是曲面。在同一个环形空白带内，各刀翼的沉降面的形状和位置可以不同，其中位置最高的沉降面称为该环形空白带的最高沉降面，它决定了第二组切削齿的高度位置。钻头钻岩时，随着钻削深度的延伸，最高沉降面将与环形空白带处的岩脊相接触，阻碍钻头的继续钻进。因此，在钻头上设置能覆盖到至少部分环形空白带区域的第二组切削齿，且其切削位置不低于该环带内的最高沉降面，这样在沉降面与岩脊相接触之前或之初第二组切削齿就已经开始切削岩脊。第二组切削元件的切削位置是指切削元件上接触并切削岩石的部位(通常是切削齿的齿刃部或齿尖部) 在钻头上的高度位置。钻头上高度度量以钻头钻进方向为正向。第二组切削元件的切削位置不低于所对应的凹槽底面，意味着第二组切削元件切削位置的高度 (如图16标注H2)介于井底切削轮廓的高度(或切削轮廓面的高度如图16标注H3)与刀翼凹槽底面的高度(如图16标注H1)之间(含与凹槽底面齐平)，即H1≤H2<H3。
前角：过环形空白带区域的固定切削元件定位点做一条与钻头轴线平行的定位轴线，固定切削齿轴线与定位轴线的夹角θ为切削元件的前角，如图8所示，且规定前角与钻头旋转方向一致为正，反之为负。
本专利中，钻头在井底工作时，在空白带的凹槽区域形成环形岩脊(图2中虚线区域)，岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度显著下降，相当于孤立的“墙体”,采用压碎、刮切(剪切)、犁削、其所需的破碎能耗都将大幅度降低，而且其破碎方式更趋向于体积性的破碎，从而提高钻头的破岩效率。在除凹槽以外的环形空白带区域设置切削元件，这样第二组切削元件破岩产生的岩屑可以及时的通过水道槽排除，可以有效避免凸起的岩脊在在破碎的过程中卡在刀翼的凹槽内，一旦岩脊卡在在刀翼凹槽内会导致钻头不能正常钻进，造成钻头的提前失效。
基座布齿面与刀翼布齿面类似，即为基座上设置切削元件的曲面，基座小段是指在基座的布齿面的某方向上，前后两个端部几何尺寸较小的一端。
作为选择，在至少一个水道槽的环形空白带区域设置有基座，在基座上设置有第二组切削元件，基座的布齿轮廓为包括三角形、弓形、圆形、椭圆形、菱形、矩形、梯形多边形在内的形状，且当基座的布齿面有大小端之别时，基座在水道槽内按照小端向内的方式放置。
上述方案中，这样有效避免岩屑堆积在基座，有利于岩屑及时、快速的排出井底。
曲面齿冠的牙齿：这种牙齿的主要齿形特征是牙齿的工作端具有外凸的曲面齿冠，牙齿具有较高的耐压、耐冲击强度。在此类齿中，又可以分为具有曲面冠部的金刚石复合齿和具有曲面冠部的硬质合金齿。在具有曲面冠部的金刚石复合齿中，具有锥形齿冠的金刚石复合齿是一种典型结构，如stinger锥形齿等。具有曲面冠部的硬质合金齿主要有锥形齿、楔形齿、勺形齿、球形齿等。作为选择，基座固定在钻头体上，或为钻头体的延伸部分，基座上设置的第二组切削元件部分或全部为PDC齿、孕镶切削元件、具有曲面齿冠的齿。
上述方案，由于有多种切削元件的选择，使得第二组切削元件的破岩方式更加多样，更有利于实现对岩石的体积性破碎，提高钻头的破岩效率，同时使钻头适用于复杂难钻地层。
保径部位的水道槽通常称为排屑槽，如图1中标识3。
作为选择，至少有一个设置有第二组切削元件的水道槽所对应的排屑槽为封闭式结构。
上述方案中，增加钻头刀翼的强度，增强钻头的可靠性，在钻头中存在依靠冲击或者挤压的方式产生的体积破碎，岩屑颗粒较大，有可能让钻头憋卡，采用这种封闭式排屑槽有效减小甚至避免钻头憋卡现象的发生。
作为选择，至少有一个设置有第二组切削元件的水道槽的深度大于未设置第二组切削元件的水道槽。
上述方案中，深水道槽的存在，能够有效减小大体积的岩屑憋卡在钻头的保径与井壁处，使得大岩屑能顺利的返回井上。
作为选择，环形空白带区域固定切削元件为曲面齿冠的牙齿且其前角θ取值范围为0°≤θ≤90°。
上述方案中，固定切削元件为曲面齿冠的牙齿，将其前角取值范围限定在一定范围内，根据不同的地层条件和钻井条件来选择不同的前角来犁削岩石，从而拓宽钻头的使用范围。
流向线：因为PDC齿等第一组切削元件一般设置在刀翼布齿面的前端，故以刀翼前端的轮廓线(刀翼前端与刀翼前侧面的交线，即刀翼轮廓线)来描述刀翼的形状。刀翼轮廓线不仅确定了刀翼上切削齿的分布位置，而且在很大程度上决定了钻头水道的基本形状或走向。可以采用以下方法确定水道中某点的流向线：在钻头的俯视图中，以钻头中心为旋转中心点，旋转复制刀翼轮廓线使其通过该点，所得到的曲线就是该点的流向线。作为选择，在至少一个水道槽的环形空白带区域设置有基座，在基座上设置有第二组切削元件，第二组切削元件为固定切削齿或冲击齿，基座布齿面为长宽不相等的形状，且在钻头俯视图中，基座布齿面长度方向与基座上固定切削齿或冲击齿处的流向线之间的夹角不大于40°，即│ω│≤40°。
上述方案中，基座布齿面长宽不相等，形状呈流线型，表面光滑，限定基座在布齿面的长度方向与水道流向线夹角，减小水道涡流，有利于岩屑及时、快速的排出井底。
作为选择，钻头中至少设置有一个横跨环形空白带的圆水孔或扁水孔，水孔出口在环形空白带的内外两侧均有露出。
上述方案中，扁长水孔和/或扁长喷嘴的存在，能够有效地改善因岩脊存在导致钻头环形空白带外边界以外的区域水力不足的问题，扁长水孔和/或扁长喷嘴能够有效的将大尺寸的岩屑快速的排出，有效改善水利条件。
本发明的有益效果：
1、钻头在井底工作时，在环形空白带区域形成环形岩脊，岩脊失去原有的支撑，使得其两侧的应力被释放，导致岩脊的强度下降，所以在破碎岩脊是所需要的破碎能耗将大幅下降，节省能量，提高钻头的破岩效率，环形空白带区域以外的切削元件将分配到更多的钻压，有助于提升钻头吃入地层的能力，通过岩屑分析获取地层信息、判断地质层位，凸起的岩脊抑制钻头的横向移动，从而减小钻头的横向振动，提高钻头的稳定性，有效减少钻头切削齿的冲击和偏磨失效。
2、若将第二组切削元件设置在刀翼环槽之内，则环形空白带岩脊碎裂后的岩屑容易拥塞在刀翼凹槽中，从而造成凹槽内泥包，降低钻头的破岩效率。将第二组切削元件设置在刀翼环槽之外，岩脊的破碎发生在凹槽之外的水道槽中，因而不会发生凹槽内泥包。
3、第二组切削元件采用固定切削结构，好处是采用准静压的方式破碎凸起的岩脊，降低破碎能耗，从而提高钻头的钻进效率。
4、深水道的益处是能够有效减小大岩屑憋卡在钻头的保径与井壁处，使得大岩屑能顺利的返回井上。
5、封闭式结构的排屑槽的好处为增加钻头刀翼的强度，增强钻头的可靠性，在钻头中存在依靠冲击或者挤压的方式产生的体积破碎，岩屑颗粒较大，有可能让钻头憋卡，采用这种封闭式排屑槽有效减小钻头憋卡现象的发生。
附图说明
图1为本发明金刚石钻头示意图
图2为金刚石钻头俯视图
图3为基座布齿面形状示意图
图4为本发明金刚石钻头覆盖图
图5为深排泄槽且刀翼不均匀分布的金刚石钻头示意图
图6为螺旋刀翼的金刚石钻头示意图
图7为具有环槽的孕镶钻头示意图
图8为具有环槽的孕镶钻头覆盖图
图9为连续保径的金刚石钻头示意图
图10为图9的俯视图
图11为具有扁长水孔的金刚石钻头俯视图
图12为第二组切削元件为硬质合金或金刚石复合锥形尖齿的安装方式示意图
图13为深水道排屑槽剖视图连续保径的金刚石钻头示意图
图14为具有L型凹槽的刀翼的局部剖视图
图15为具有U型凹槽的刀翼的局部剖视图
图16为第二组切削齿高度示意图
图中标识：
1-钻头体；2-固定刀翼；21有槽刀翼；22第一组切削元件；221-PDC齿；222- 孕镶切削元件；2221-孕镶竖齿；2221-孕镶卧齿；23-保径块；231-连续保径； 24-刀翼凹槽；241-U型凹槽；242-L型凹槽；243-凹槽侧面；244-凹槽底面； 25-刀翼轮廓线；26-刀翼布齿面；
3-水道槽；31-深水道槽；32-封闭式排屑槽；33-水道流向线；
4-第二组切削元件；41-固定切削元件；411-PDC齿；412-锥形齿；413-折断齿；5-基座6-水眼或喷嘴；61-扁长水孔或喷嘴；7-岩石；71-岩脊；
8-环形空白带区域；81-环形空白带内边界；82-环形空白带外边界；
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
一种低能耗金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体的固定刀翼2、刀翼之间的水道槽3、水孔或者喷嘴6等，在固定刀翼的布齿面26上设置有第一组切削元件22，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带8，在环形空白带区域内，各刀翼本体向内凹或局部下沉，形成周向贯通的凹槽24，其特征在于：在至少一个水道槽3的环形空白带区域8设置基座5，基座上设置有能覆盖到至少部分环形空白带区域且其切削位置不低于凹槽底面244的第二组切削元件4。第二组切削元件为固定切削元件41，如图1、2、3、4所示。其中第一组切削元件22部分或全部为PDC切削元件，如图1、2、3、4所示，同时第一组切削元件22部分或全部为孕镶切削单元，有孕镶刀翼、孕镶竖齿、孕镶卧齿，如图7、8所示。
作为优选，在至少一个水道槽3的环形空白带区域设置有基座5，基座5 的布齿面轮廓为包括三角形、弓形、圆形、椭圆形、菱形、矩形、梯形多边形以及由上述形状组合而成的不规则形状，且当基座5的布齿面有大小端之别时，基座5在水道槽3内按照小端向内的方式放置，如图3、6所示。
作为优选，基座5固定在钻头体1上，或为钻头体1的延伸部分，基座5 上设置的第二组切削元件部分或全部为PDC齿411，如图1、2、4、5所示，同样第二组切削元件可以部分或全部为孕镶切削元件、具有曲面齿冠的齿，如孕镶竖齿、孕镶卧齿、孕镶块、硬质合金齿等。
至少有一个设置有第二组切削元件4的刀翼或水道槽所对应的排屑槽为封闭式结构32，水道槽前后两个刀翼上的保径块合二为一，成为连续保径231，如图9、10所示。
作为优选，在钻头中至少设置一个深水道槽31，如图5、13所示。
作为优选，为第二组切削元件为具有曲面齿冠的齿(如硬质合金、金刚石复合锥形尖齿等)的前角θ取值范围为0o≤θ≤90o，如图12所示。
作为优选，在至少一个水道槽的环形空白带区域设置有基座5，在基座上设置有第二组切削元件4，第二组切削元件为固定切削齿41，基座布齿面为长宽不相等的形状，且在钻头俯视图中，基座布齿面长度方向与基座上固定切削齿处的流向线33之间的夹角不大于40°，即│ω│≤40°，如图6所示。
作为优选，钻头中至少设置有一个横跨环形空白带扁长水孔61，水孔出口在环形空白带的内外两侧均有露出，以避免岩脊过高时塞阻水道液流，如图11 所示。
作为优选，固定刀翼2为螺旋形刀翼，如图6所示。
作为优选，环形空白带区域的固定切削元件413通过折断或者挤压的方式破坏岩脊，如1所示。
作为优选，钻头的刀翼不均匀分布，且在相邻刀翼之间夹角较大的水道中设置第二组切削齿42，一方面增加钻头的横向不平衡力，促使空白带处的岩脊发生断裂或破坏，同时也可使岩脊在第二组切削齿42作用下破碎的大尺寸岩屑不易在水道中拥塞，如图5所示。