CN106703704A - 提高破岩效率的非平面切削齿及金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种屋脊型非平面切削齿及金刚石钻头，该屋脊型非平面切削齿包括圆柱本体，圆柱本体的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊，切削脊处于圆柱本体的端部表面的最高点，切削脊的两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘，切削脊将圆柱本体的端部表面分为两个分别位于切削脊两侧的切削斜面，切削斜面的高度自切削脊向所述圆柱本体的端部表面外缘线性递减。本发明的屋脊型非平面切削齿及金刚石钻头，具有较高的抗冲击性，针对冲击性较强的地层，将该屋脊型非平面切削齿安装在钻头上，可提高钻头的钻进效率和寿命。

Description

提高破岩效率的非平面切削齿及金刚石钻头

技术领域

本发明是关于一种切削齿及钻头，具体地说，是关于一种石油勘探钻井钻头技术领域中应用的屋脊型非平面切削齿及金刚石钻头。

背景技术

目前，石油勘探钻井中金刚石钻头得到了广泛的应用。这类钻头通常是以碳化钨材料烧结或者以金属材料作为基材加工而成的钻头本体部分以及钎焊在钻头刀翼切削面前端的金刚石复合片切削齿组成。在钻进过程中，金刚石复合片与岩石相互作用，在金刚石复合片和岩石接触界面周围产生应力，当应力超过岩石强度时实现破岩。在钻进高砾石含量夹杂地层或者硬质地层时产生的高应力会超过金刚石复合片的强度，造成金刚石复合片损伤，导致切削面被破坏，最终导致机械钻速下降、钻头无进尺等问题。另外，由于钻头抗冲击性差导致的钻头机械钻速下降后起钻更换钻头会带来高昂的经济成本，在钻井过程中的日费成本很高。因此，有效地提高钻头的抗冲击能力，是提高钻井效率、降低钻井成本的有效手段。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有较高的抗冲击性的切削齿，将其安装在钻头上可提高钻头的破岩效率和使用寿命。

本发明的另一目的是提供一种具有较高破岩效率和使用寿命的金刚石钻头。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种屋脊型非平面切削齿，其包括圆柱本体，圆柱本体的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊，切削脊处于圆柱本体的端部表面的最高点，切削脊的两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘，切削脊将圆柱本体的端部表面分为两个分别位于切削脊两侧的切削斜面，切削斜面的高度自切削脊向所述圆柱本体的端部表面外缘线性递减。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，切削脊的两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘形成两个切削点。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，所述切削脊的长度与所述圆柱本体直径相等。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，圆柱本体包括由碳化钨材料制成的基体及连接于基体上方的聚晶金刚石层，切削脊位于聚晶金刚石层的上表面。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，基体的下表面设有焊接定位结构。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，聚晶金刚石层是烧结后平均颗粒尺度1μm～50μm的聚晶金刚石层。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，聚晶金刚石层是烧结后平均颗粒尺度1μm～25μm的聚晶金刚石层。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，两个切削斜面之间具有140°到175°的夹角。

根据本发明的具体实施方案，本发明的屋脊型非平面切削齿中，两个切削斜面之间具有半径为0毫米到0.5毫米的相切的内圆角。

本发明还提供了一种金刚石钻头，其包括：

钻头本体，其内设有沿轴向贯通的水道，所述钻头本体的一端形成有连接部，所述钻头本体的另一端设有多个水眼，多个所述水眼与所述水道通孔相连通；

多个刀翼，其沿圆周方向连接在所述钻头本体的另一端，所述刀翼的一侧并排设有多个切削齿，多个所述切削齿包括如权利要求1～10中任一项所述的屋脊型非平面切削齿。

根据本发明的具体实施方案，本发明的金刚石钻头中，所述刀翼具有内侧面和外侧面，所述内侧面和所述外侧面之间连接有刀翼顶面，多个所述切削齿设置在所述刀翼顶面靠近所述内侧面的外缘上；所述刀翼顶面由所述钻头本体的中心轴径向向外分为依次相连的心部、鼻部、肩部及保径部，所述心部靠近所述钻头本体的中心轴设置，所述保径部位于所述钻头本体的侧壁，所述切削齿分布于所述刀翼的心部、鼻部、肩部及保径部。

根据本发明的具体实施方案，本发明的金刚石钻头中，多个所述刀翼上还布置有多个副切削齿，所述副切削齿沿所述钻头本体的旋转切削方向布置在多个所述切削齿的后排，多个所述副切削齿包括所述屋脊型非平面切削齿。

根据本发明的具体实施方案，本发明的金刚石钻头中，所述屋脊型非平面切削齿设置在所述刀翼的心部。

根据本发明的具体实施方案，本发明的金刚石钻头中，所述屋脊型非平面切削齿设置在所述刀翼的肩部。

根据本发明的具体实施方案，本发明的金刚石钻头中，所述屋脊型非平面切削齿与所述切削齿沿所述钻头本体的轴心径向向外方向交错布置。

本发明的屋脊型非平面切削齿及金刚石钻头的特点及优点是：

1、本发明的屋脊型非平面切削齿，将传统的平面圆柱型切削齿设计更改为屋脊型非平面切削齿，可通过改变与切削齿周围与其相互作用的岩石及切削齿本身应力条件来大大提高其抗正向冲击能力及破岩效率；

2、本发明的金刚石钻头，在钻进含砾石等复杂夹杂地层时，将屋脊型非平面切削齿布置于钻头肩部，可提高钻头抗冲击的能力；再有，在钻进高冲击性地层时将屋脊型非平面切削齿布置于鼻部外侧以及肩部，以改善此区域的齿抗冲击的能力，提高钻头寿命。当然，屋脊型非平面切削齿还可设置在金刚石钻头的刀翼的副切削齿位置时，以适应不同地层的钻进需求。

附图说明

图1为本发明的屋脊型非平面切削齿的立体结构示意图。

图2为本发明的屋脊型非平面切削齿的主视结构示意图。

图3为本发明的屋脊型非平面切削齿的一实施例结构示意图。

图4为本发明的具有屋脊型非平面切削齿的金刚石钻头的剖视结构示意图。

图5为本发明的具有屋脊型非平面切削齿的金刚石钻头的一布齿实施例的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

请参见图1及图2，示意了根据本发明一具体实施方式的屋脊型非平面切削齿的立体结构及主视结构。如图所示，本发明提供了一种屋脊型非平面切削齿，其包括圆柱本体1，所述圆柱本体1的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊11，切削脊11为所述圆柱本体1的端部表面的最高点，切削脊11的两端延伸至所述圆柱本体1的端部表面外缘13，形成两个切削点131，切削脊11两侧的圆柱本体的端部表面为切削斜面14，切削斜面14的高度从切削脊11开始向圆柱本体1的端部表面外缘13逐渐递减。

具体是，圆柱主体1包括由碳化钨材料制成的基体15及连接于基体15上方的聚晶金刚石层16，切削脊11位于聚晶金刚石层16的上表面，基体15的下表面设有焊接定位结构151。

聚晶金刚石的材料属性主要由其烧结时选择的颗粒尺度决定，烧结后的聚晶金刚石平均颗粒尺度在1μm～50μm之间。颗粒尺度越小，烧结后的聚晶金刚石的耐磨性越高，但对应的抗冲击性则越低。在本发明中，通过立车试验测试该屋脊型非平面切削齿的耐磨性时发现，该屋脊型非平面切削齿的磨耗比相对常规平面齿较低，本发明在选择颗粒尺度时，选用较小的颗粒尺度进行烧结，优选地，本发明的聚晶金刚石层16烧结后平均颗粒尺度在1μm～25μm之间。

进一步的，切削脊11位于所述圆柱本体的端部表面的最高点，切削脊11的两端(外端)延伸至聚晶金刚石层16的上表面外缘13。从聚晶金刚石层16的上方观看，切削脊11呈“一”型的图案，且切削脊11将聚晶金刚石层16的上表面分割为两个面，即两个切削斜面14，位于切削脊11两侧的聚晶金刚石层16上表面。切削斜面14自圆柱本体1的中部径向向外向下倾斜设置，换而言之，切削斜面14的高度自所述切削脊11向所述圆柱本体1的端部表面外缘线性递减。

本发明的金刚石复合层16由于采用了非平面的屋脊设计，改善了金刚石复合层16相对于常规平面金刚石复合片切削时的应力分布，具有更高的抗冲击能力。通过在冲击疲劳试验机上进行对标实验来比较得到两者的抗冲击性能指标，将测试样品复合层通过特定夹具固定于冲击疲劳试验机的飞轮上，采用电机带动飞轮旋转，在每旋转一周至九点钟方位时，测试样品与固定于左侧并有弹簧支撑的冲击块进行相对冲击，一直旋转飞轮进行重复冲击直至测试样品破坏为止，记录在破坏之前所经历的冲击次数来评定该样品的抗冲击疲劳性能。试验测试在冲击过程中如果发生破损，则立刻停止试验，如果冲击达到12000次后样品还未破损则也停止试验(在实际测试中，由于计数器与测试飞轮有滞后效应，实际停止时样品经受的冲击次数可能稍高于12000次)。实验结论显示，将四种不同金刚石粒度烧结成的切削齿加工成型至本发明的屋脊型非平面切削齿后，与同等金刚石粒度烧结成的平面切削齿进行冲击疲劳对比试验可以看到，屋脊型非平面切削齿的抗正向冲击的能力远远高于传统平面切削齿。

本发明的切削脊11两端各具有一个可用切削点131，可在使用一次后将切削齿旋转180°至另切削点再次用于修复钻头。

如图2所示，本发明的两个切削斜面14之间的夹角θ为140°到175°。该夹角θ具体值可根据实际地层需求而定，从实验室测试该屋脊型非平面切削齿磨耗比实验中发现，夹角θ越小则齿的磨耗比越低。因此，在针对高研磨性地层时(地层中石英含量高)，该夹角θ应取值较大。在本发明的一实施例中，在一个高冲击性但研磨性中等的地层实例中，该夹角θ取值为160°；在使用到高研磨性地层，如砂岩地层时，该夹角θ可以取值到170°～175°。本发明可以根据性能要求设计不同夹角θ，从而最优化使用效果。

如图3所示，本发明的屋脊型非平面切削齿，两个切削斜面14之间(即两个切削斜面14于切削脊11除)可以具有内圆角17，圆角17半径为0到0.5毫米。该内圆角半径大小根据实际钻井条件而定，内圆角半径越小则齿的切削效率越高，抗冲击能力相对降低。在针对高冲击性的地层时，该内圆角半径应取值相对较大值。在本发明的一实施例中，在一个中等冲击性但对切削效率要求很高的的地层实例中，该内圆角半径取值为0.05mm；在使用到高冲击性地层时，该内圆角半径可以取值到0.1到0.5毫米。本发明可以根据性能要求设计不同内圆角半径，从而最优化使用效果。

本发明的凸脊型非平面切削齿的制造工艺如下：

首先，由传统的平面型金刚石复合片在高温高压烧结成型后进行无心研磨，达到设计需要的外径要求后，再在金刚石磨盘上打磨抛光金刚石复合片顶层至传统平面型，然后在金刚石复合层表面由电火花加工所需要的顶部斜面，该工艺无需所要求的金刚石斜面在烧结过程中一次成型。

电火花加工是一种利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法。电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中进行火花放电。电火花是一种自激放电，其特点如下：火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性，即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深，使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。在用电火花加工金刚石复合片时，由于金刚石复合片烧结过程中残留的催化剂金属钴元素具有导电性，可以作为电极被电火花放电从而加工。

采用电火花加工可以避免了因为无法精确控制在烧结过程中的金刚石收缩率而导致的制造精度误差问题。电火花技术更能有效的控制加工精度，并且降低加工过程中对金刚石层的损伤。经电火花加工成型的凸脊型齿具有加工精度高、成本低、表面金刚石层损伤小等特点。在加工制造该凸脊型非平面切削齿时，通过预制平面型的金刚石复合层，然后通过电火花技术进行精密加工，使得整体加工成本降低并且能满足加工精度要求，并且对金刚石复合层的表面损伤最小，无需另行研制金刚石复合层烧结腔总装，具有较好的灵活性以及低成本性。

本发明的屋脊型非平面切削齿，将传统的平面圆柱型切削齿设计更改为屋脊型非平面切削齿，可大大提高切削齿的抗正向冲击能力和破岩效率。

实施方式二

图4为本发明的具有屋脊型非平面切削齿的金刚石钻头的剖视示意图。

图5为本发明的具有屋脊型非平面切削齿的金刚石钻头的一布齿实施例的立体图

如图4所示，本发明还提供一种金刚石钻头，其包括钻头本体3和多个刀翼4，其中：钻头本体3内设有沿轴向贯通的水道31，所述钻头本体3的一端形成有连接部32，所述钻头本体3的另一端设有多个水眼33，多个所述水眼33与所述水道31相连通；多个刀翼4沿圆周方向连接在所述钻头本体3的另一端，所述刀翼4的一侧并排设有多个切削齿5，多个所述切削齿5包括如实施方式一中所述的屋脊型非平面切削齿10。

具体是，钻头本体3大体呈圆柱筒形，其一端形成的具有螺纹段的连接部32用于连接钻柱，通过钻柱将动力传递给金刚石钻头。钻头本体3的中部具有水道31，该水道31连通连接部32，钻头本体3的另一端开设有多个水眼32，该些水眼32与心轴通孔31相连通。

多个刀翼4连接在钻头本体3设有多个水眼32的一端，在本发明中，该刀翼4具有内侧面41和外侧面42，内侧面41和外侧面42之间连接有刀翼顶面43，多个切削齿5设置在刀翼顶面43靠近内侧面42的外缘上。进一步的，刀翼顶面43由钻头本体3的中心轴径向向外分为依次相连的心部431、鼻部432、肩部433及保径部434，心部431靠近钻头本体3的中心轴设置，保径部434位于钻头本体3的侧壁，切削齿5分布于刀翼4的心部431、鼻部432、肩部433及保径部434。

其中，在一实施例中，该屋脊型非平面切削齿10与切削齿5可沿钻头本体3的轴心径向向外方向交错布置。也即，在刀翼顶面43靠近内侧面42的外缘上设置的多个切削齿10中，两两凸脊型非平面切削齿10之间设置一个常规平面切削齿5。

如图5所示，在另一实施例中，屋脊型非平面切削齿可设置在刀翼4的肩部433。在钻进含砾石等夹杂地层时，钻头肩部齿由于有较高的线速度以及切削功率，使得其在钻头在井底振动时更容易受到正向冲击力，造成金刚石复合片损坏而降低机械钻速，影响进尺。在这种情况下，将屋脊型非平面切削齿布置于钻头肩部433，从而提高钻头抗冲击的能力及破岩效率。

当然，在其他的实施例中，金刚石钻头上的切削齿也可全采用屋脊型非平面切削齿布齿方案。采用全齿凸脊型非平面切削齿的钻头成本较图5的金刚石钻头高。

另外，钻头在钻进过程中肩部齿通常承受了最高的切削功率。在钻进高冲击性地层时并且由于钻头肩部齿的切削线速度很高，容易承受来自圆周向的冲击力从而导致崩齿。因此在钻进此类地层时，应该将屋脊型非平面切削齿布置于鼻部432外侧以及肩部433，以改善此区域的齿抗冲击的能力，提高钻头寿命。

在本发明的另一实施例中，多个刀翼4上还布置有多个副切削齿，该副切削齿沿钻头本体3的旋转切削方向布置在多个切削齿5的后排，多个副切削齿包括屋脊型非平面切削齿10。具体是，该屋脊型非平面切削齿10还可设置在刀翼肩部433的刀翼顶面43处，也即上述副切削齿的位置处。将屋脊型非平面切削齿10布置于刀翼肩部433的刀翼顶面43(即刀翼4的副切削齿)位置时，是通过钎焊方式将其“嵌入”各刀翼4内。

本发明的金刚石钻头，将屋脊型非平面切削齿布置在金刚石钻头的刀翼4的心部431、鼻部432和肩部433，以适应不同地层钻进需求。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种屋脊型非平面切削齿，其特征在于，其包括圆柱本体，圆柱本体的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊，切削脊处于圆柱本体的端部表面的最高点，切削脊的两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘，切削脊将圆柱本体的端部表面分为两个分别位于切削脊两侧的切削斜面，切削斜面的高度自切削脊向所述圆柱本体的端部表面外缘线性递减。

2.根据权利要求1所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，切削脊的两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘形成两个切削点。

3.根据权利要求1所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，圆柱本体包括由碳化钨材料制成的基体及连接于基体上方的聚晶金刚石层，切削脊位于聚晶金刚石层的上表面。

4.根据权利要求3所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，基体的下表面设有焊接定位结构。

5.根据权利要求3所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，聚晶金刚石层是烧结后平均颗粒尺度1μm～50μm的聚晶金刚石层。

6.根据权利要求5所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，聚晶金刚石层是烧结后平均颗粒尺度1μm～25μm的聚晶金刚石层。

7.根据权利要求1所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，两个切削斜面之间具有140°到175°的夹角。

8.根据权利要求7所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，所述两个切削斜面之间的夹角为160°或170°～175°。

9.根据权利要求1所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，两个切削斜面之间具有半径为0毫米到0.5毫米的相切的内圆角。

10.根据权利要求9所述的屋脊型非平面切削齿，其特征在于，两个切削斜面之间相切的内圆角半径为0.05毫米或到0.1到0.5毫米。

11.一种金刚石钻头，其特征在于，其包括：

钻头本体，其内设有沿轴向贯通的水道，所述钻头本体的一端形成有连接部，所述钻头本体的另一端设有多个水眼，多个所述水眼与所述水道通孔相连通；

多个刀翼，其沿圆周方向连接在所述钻头本体的另一端，所述刀翼的一侧并排设有多个切削齿，多个所述切削齿包括如权利要求1～10中任一项所述的屋脊型非平面切削齿。

12.如权利要求11所述的金刚石钻头，其特征在于，所述刀翼具有内侧面和外侧面，所述内侧面和所述外侧面之间连接有刀翼顶面，多个所述切削齿设置在所述刀翼顶面靠近所述内侧面的外缘上；所述刀翼顶面由所述钻头本体的中心轴径向向外分为依次相连的心部、鼻部、肩部及保径部，所述心部靠近所述钻头本体的中心轴设置，所述保径部位于所述钻头本体的侧壁，所述切削齿分布于所述刀翼的心部、鼻部、肩部及保径部。

13.如权利要求11或12所述的金刚石钻头，其特征在于，多个所述刀翼上还布置有多个副切削齿，所述副切削齿沿所述钻头本体的旋转切削方向布置在多个所述切削齿的后排，多个所述副切削齿包括所述屋脊型非平面切削齿。

14.如权利要求12所述的金刚石钻头，其特征在于，所述屋脊型非平面切削齿设置在所述刀翼的心部。

15.如权利要求12所述的金刚石钻头，其特征在于，所述屋脊型非平面切削齿设置在所述刀翼的肩部。

16.如权利要求11所述的金刚石钻头，其特征在于，所述屋脊型非平面切削齿与所述切削齿沿所述钻头本体的轴心径向向外方向交错布置。