本发明属于钻井工程，具体涉及一种具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头及钻井方法。
背景技术：
1、在油气钻井过程中，钻头是直接作用于岩石的关键工具。然而，传统钻头在钻进过程中，面对坚硬地层时常出现钻头中心部位和外环部位破岩能力不均衡而产生“掏心”现象以及切削齿损坏等问题，无法满足当前提速增效的钻井工艺要求。因此，卸载井底应力集中，提升切削齿的使用寿命，对提高钻进速度和降低钻井成本起着重要的作用。
2、基于以上问题，本申请提出一种具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头及钻井方法，该钻头及钻井方法不仅能够释放井底应力，还具有钻压自适应功能，从而提高钻井速度，延长破岩工具寿命。
技术实现思路
1、本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头及钻井方法。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，包括固定连接的钻头接头、钻头体；
4、所述钻头体的中部设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽的底面中部设置有沿钻头体轴向方向延伸的内圈切削机构，所述内圈切削机构呈圆柱状结构；
5、所述钻头体的顶端面上沿圆周方向均匀设置有若干刀翼，所有刀翼的径向内端面位于第一圆柱面上，所述第一圆柱面的中心轴线与钻头体中心轴线共线；所述第一圆柱面与圆形凹槽的侧壁共面；
6、所述圆形凹槽侧壁与内圈切削机构的外壁面之间形成环形空间，所述环形空间内设置有环形旋冲卸荷机构；所述圆形凹槽的下部外壁外扩形成轴向滑动槽，所述环形旋冲卸荷机构的外侧壁底端沿圆周方向设置一圈滑块，所述环形旋冲卸荷机构的外侧壁与刀翼的径向内端面之间、环形旋冲卸荷机构的内侧壁与内圈切削机构的外壁面之间、滑块的外壁面与轴向滑动槽的侧壁之间均进行轴向方向的滑动配合；
7、所述环形旋冲卸荷机构底端面与轴向滑动槽的底端面之间设置有蓄力弹簧；
8、所述刀翼的径向外端面上沿母线方向设置若干刀翼切削齿，所述环形旋冲卸荷机构的顶端面上沿圆周方向均匀设置若干中间切削齿，所述内圈切削机构的顶端面上设置有若干内圈切削齿；
9、所述环形旋冲卸荷机构的顶端面高于刀翼的顶端，所述刀翼的顶端高于内圈切削机构的顶端面。
10、优选的，所述钻头接头的中部沿轴线方向设置有贯通的钻井液流道；
11、所述内圈切削机构内部设置有与钻井液流道相连通的第一喷嘴流道，所述第一喷嘴流道的顶端设置第一钻头喷嘴，所述第一钻头喷嘴的出口方向沿内圈切削机构的径向方向向外；
12、所述环形旋冲卸荷机构的上部沿圆周方向均匀设置若干流道组，每个流道组包括沿轴向方向设置的若干第二喷嘴流道，所述第二喷嘴流道面向相邻刀翼之间的区域，所述第二喷嘴流道内设置第二钻头喷嘴，所述第二钻头喷嘴的出口方向沿环形旋冲卸荷机构的径向方向向外；
13、相邻刀翼之间的钻头体端部上设置有贯通至滑块上部轴向滑动槽的第三喷嘴流道，所述第三喷嘴流道的顶端设置第三钻头喷嘴；所述钻头体内部设置有连通钻井液流道与滑块下部轴向滑动槽的第一流道，所述滑块上设置有连通滑块上部轴向滑动槽与滑块下部轴向滑动槽的第二流道。
14、优选的，所述内圈切削机构的顶端中心处设置中心齿。
15、优选的，所述刀翼的径向外端面包括保径面以及由保径面顶部连接至刀翼径向内端面顶部的弧形连接面；所有刀翼的保径面位于第二圆柱面上，所述第二圆柱面的中心轴线与钻头体中心轴线共线。
16、优选的，所述中间切削齿为斧形齿。
17、优选的，所述中心齿为锥形齿。
18、优选的，所述钻头接头的外端面上设置螺纹。
19、本发明还公开了一种具有地应力卸载功能的钻井方法。
20、一种具有地应力卸载功能的钻井方法，基于具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头进行实施，所述钻井方法包括以下步骤：
21、步骤1，环形旋冲卸荷机构上的中间切削齿首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻井端面中间部位的岩石进行破碎；
22、步骤2，随着中间切削齿破岩的进行，在环形旋冲卸荷机构对应区域内形成环形凹槽，有效释放了井底压力；
23、步骤3，随后刀翼上的刀翼切削齿接触环形凹槽外环部位的岩石，对环形凹槽外环部位的岩石进行破碎，使中心部位形成岩石柱，再次有效释放了井底应力；
24、步骤4，随后内圈切削机构上的中心齿、内圈切削齿接触岩石柱，对环形凹槽内环部位的岩石柱进行破碎；
25、步骤5，根据步骤1~步骤4的过程，在均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的前提下持续进行破岩钻进，在该过程中：
26、第一钻头喷嘴沿径向向外喷射钻井液，钻井液清洗中心齿、内圈切削齿后携带岩石柱上被破碎的岩屑经环形旋冲卸荷机构上的第二钻头喷嘴沿径向向外喷出形成磨料射流，磨料射流对环形凹槽外环部位的岩石产生冲击作用，加快破岩；
27、第三钻头喷嘴喷射钻井液清洗刀翼切削齿、中间切削齿。
28、本发明的有益效果是：
29、（1）由于钻进过程中，环形旋冲卸荷机构的顶端面高于刀翼的顶端，刀翼的顶端高于内圈切削机构的顶端面，钻进时，先由环形旋冲卸荷机构上的中间切削齿对井底岩石进行冲击破碎，在井底先钻出环形凹槽，卸载了部分水平地应力，提高了地层的可钻性；随后刀翼上的刀翼切削齿对环形凹槽外环部位的岩石进行破碎，从而使中心部位形成岩石柱，有效释放了井底应力，岩石柱部位形成了应力卸载区域，能有效防止“掏心”情况的发生；最后内圈切削机构上的中心齿、内圈切削齿对中间岩石柱进行联合破碎，大大降低了中心部位岩石的破碎难度，从而起到均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的作用；本申请中环形旋冲卸荷机构、刀翼、内圈切削机构顶端高度的设置，钻进过程中能够实现环形凹槽、中间岩石柱的组合结构，从而极大的卸载了地应力，提高地层的可钻性。
30、（2）本发明钻头在均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的前提下持续进行破岩钻进过程中，第一钻头喷嘴沿径向向外喷射钻井液，钻井液清洗中心齿、内圈切削齿后携带岩石柱上被破碎的岩屑经环形旋冲卸荷机构上的第二钻头喷嘴沿径向向外喷出形成磨料射流，磨料射流对环形凹槽外环部位的岩石产生冲击作用，加快破岩。
31、（3）本发明中环形旋冲卸荷机构的轴向滑动设置以及蓄力弹簧的设置，有效降低了在剧烈震动的工况下中间切削齿所受到的冲击力，当蓄力弹簧被压缩时，充分吸收钻杆震动的能量，使钻头具有钻压自适应功能，在提高破岩效率的同时避免了端部中间切削齿因瞬时冲击力而造成的损坏，从而提升了切削齿的使用寿命。
1.一种具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，包括固定连接的钻头接头、钻头体；其特征在于，
2.如权利要求1所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述钻头接头的中部沿轴线方向设置有贯通的钻井液流道；
3.如权利要求2所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述内圈切削机构的顶端中心处设置中心齿。
4.如权利要求1所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述刀翼的径向外端面包括保径面以及由保径面顶部连接至刀翼径向内端面顶部的弧形连接面；所有刀翼的保径面位于第二圆柱面上，所述第二圆柱面的中心轴线与钻头体中心轴线共线。
5.如权利要求1所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述中间切削齿为斧形齿。
6.如权利要求3所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述中心齿为锥形齿。
7.如权利要求1所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头，其特征在于，所述钻头接头的外端面上设置螺纹。
8.一种具有地应力卸载功能的钻井方法，基于如权利要求3~7任一项所述的具有地应力卸载功能的多阶梯pdc钻头进行实施，其特征在于，所述钻井方法包括以下步骤：
