一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件制造技术

本发明专利技术公开了一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，属于石油天然气、地热工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括基体和固定在基体上的至少两个切削齿，其中至少一个切削齿为通过基体上设置的凹窝固定的表面切削齿，至少一个切削齿为内部切削齿，所述基体上还设置有至少一个空槽，至少一个内部切削齿通过空槽内设置的凹窝固定在空槽内，且该内部切削齿部分或全部切削刃出露于空槽内表面。本发明专利技术通过改变切削齿的布置形式，实现切削元件在破岩过程中保持高比压状态，提高切削元件的有效利用率，进而提高钻头的破岩效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气、地热工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，涉及应用于钻头上的一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件。
技术介绍
钻头切削齿是在钻井过程中直接与岩石接触，通过剪切、冲压等方式破碎岩石的切削元件。金刚石钻头依靠稳定性、耐磨性强的金刚石材料作为切削齿，在钻井工程中取得的进尺数已经占到了油气钻井总进尺的80％以上。机械钻速和使用寿命是是衡量钻头性能的两个重要指标，相比于使用寿命，钻井提速更为重要。决定钻头机械钻速的关键在于钻头上的切削齿对岩石的吃入能力。而切削齿的吃入能力与切削齿的比压值有关，比压值越大钻头的吃入能力越强，钻进效率也就越高。在钻压相同的条件下，钻头与岩石间的接触面积越小，比压值越大。目前，金刚石钻头所应用的切削齿都存在一个共同点：在新钻头时，切削齿的切削刃长度较小，比压值较大，钻头的破岩效率高；当钻头出现一定的磨损后，切削齿的切削刃长度增加，比压值变小，钻头破岩效率变低。为提高切削齿的性能，国内外学者针对切削齿的形状、尺寸以及材料等方面进行了大量的研究，取得了一些高性能的专利齿技术。但切削齿切削刃变长后，破岩效率变低的状况依然没有得到有效的改善。中国专利CN201210206965.7公开了了一种“钻进比压可控的模块切削齿”，该专利模块齿包含有模块基体和模块单元，其中模块单元作为主要切削元件内镶在模块基体内。在一定程度上，缓解了切削齿磨损后机械钻速降低的状况。当磨损发生时，模块单元的部分切削刃由于“自锐”暴露在基体外与岩石互作用，但模块单元周围的模块基体也直接与井底岩石接触并发生磨损，分担了一定量的钻压，使直接作用到模块单元上的比压值减小，进而降低了模块齿应有的破岩效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，通过改变切削齿的布置形式，实现切削元件在破岩过程中保持高比压状态，提高切削元件的有效利用率，进而提高钻头的破岩效率。本专利技术的另一目的在于，提供具有上述钻头切削元件的钻头。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，包括基体和固定在基体上的至少两个切削齿，其中至少一个切削齿为通过基体上设置的凹窝固定的表面切削齿，至少一个切削齿为内部切削齿，所述基体上还设置有至少一个空槽，至少一个内部切削齿通过空槽内设置的凹窝固定在空槽内，且该内部切削齿部分或全部切削刃出露于空槽内表面(切削刃出露高度大于零，乃至大于等于其切削刃总高)。上述方案中，所述基体上设置有至少一个空槽(贯通或不贯通的)，至少一个内部切削齿以部分或全部切削刃出露的形式固定在所述空槽内，当切削元件的磨损超过表面切削齿后，相应位置的内部切削齿快速暴露出来，以锐利的高比压状态继续切削岩石。其中，表面切削齿指齿刃超出基体轮廓线的切削齿，是切削单元承担早期破岩任务的切削齿，如图5所示，此时t≥0时。内部切削齿具体是指在切削齿切削刃全部包含在基体轮廓线内(即t＜0)，当切削单元发生显著磨损后才开始工作的切削齿，此时切削元件基体上的表面切削齿已经显著磨损甚至全部磨掉，因此内部切削也可称作后继切削齿。表面切削齿的设计，将破岩初期总的切削刃长度被控制在一定范围内，该部分切削齿首先与岩石接触而基体材料不与岩石接触，保证了钻进初期切削齿较高的比压值，即保证了切削齿对地层的吃入能力，钻进效率高。当切削元件的磨损超过表面切削齿后，相应位置空槽内的内部切削齿快速暴露出来，以锐利的高比压状态继续破岩。同时，空槽结构的设计，还有利于减少基体与岩石的接触面积，避免了钻压较大的损失，保证切削齿具有较高的比压值，进而保证了钻进时的机械钻速。此外，现有技术切削元件，当磨损量增加时，切削齿切削刃变长，比压值较低，机械钻速急剧下降，而不能继续钻进，导致切削元件的利用率较低。本专利技术所述的切削齿在磨损量增加时，能保持较高的比压值，因此能够提高切削元件的有效利用率。根据以上所述的主方案，当切削元件布置在钻头体上的固定刀翼上时，切削齿、基体以及刀翼之间的组合布置有较多的方案，较优的包括三种：一是空槽的轴线与刀翼的前端面相垂直或基本垂直，且切削齿的轴线、空槽的轴线以及基体的轴线相互平行，如图2所示；二是空槽的轴线与刀翼的前端面相垂直或基本垂直，基体轴线与切削齿的轴线相平行，且与空槽轴线成一定夹角，如图3所示；三是基体轴线与空槽轴线相平行，切削齿的轴线与基体轴线或空槽轴线成一定夹角，如图4所示。作为优选方式，至少一个所述表面切削齿在基体上的出露高度t大于等于零，且至少一个内部切削齿在空槽内的出露高度h不小于其总高的四分之一。如图5所示，固定在空槽内部的切削齿，其出露高度值h与切削齿总高度H的比值不小于四分之一，即h/H≥1/4。作为优选方式，所述空槽的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑道形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状；所述切削齿的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状；所述基体的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑道形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。作为优选方式，基体和切削齿的截面形状为圆形，基体的直径不小于16mm，切削齿的直径不大于8mm。作为优选方式，所述切削元件中的至少一个表面切削齿与固定有内部切削齿的空槽相连通。上述方案中，参考图5，当磨损发生时，表面切削齿与空槽结构相连通(图中居中、最大的表面切削齿与空槽部分重合、连通)，能使已被显著磨损的表面切削齿快速脱落基体，而固定在空槽内的内部切削齿暴露出来参与工作，使较慢钻速的钻进持续较短时间(表面切削齿过度磨损后，在一定程度上基体与岩石接触，分担钻压，机械钻速有所下降)。作为优选方式，所述切削元件中至少有一个空槽内未设有内部切削齿。作为优选方式，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石、人造金刚石颗粒、孕镶金刚石齿、立方氮化硼齿或陶瓷齿。作为优选方式，所述基体材料为钢、合金钢、钢结硬质合金或钨钴硬质合金。一种钻头，包括前述的钻头切削元件，所述切削元件用焊接等方法固结在全面钻进、扩孔钻进或边钻边扩的PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头，或PDC刀翼与运动切削结构(牙轮、盘刀、冲旋钻头等在内的具有相对钻头体旋转或滑移的运动单元)相结合的复合钻头上，作为钻头的切削元件。作为优选方式，至少有两个基体结构及尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特征在于：包括基体和固定在基体上的至少两个切削齿，其中至少一个切削齿为通过基体上设置的凹窝固定的表面切削齿，至少一个切削齿为内部切削齿，所述基体上还设置有至少一个空槽，至少一个内部切削齿通过空槽内设置的凹窝固定在空槽内，且该内部切削齿部分或全部切削刃出露于空槽内表面。

【技术特征摘要】
1.一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特征在于：包括基体和固定在基体上的至少
两个切削齿，其中至少一个切削齿为通过基体上设置的凹窝固定的表面切削齿，至少一个切
削齿为内部切削齿，所述基体上还设置有至少一个空槽，至少一个内部切削齿通过空槽内设
置的凹窝固定在空槽内，且该内部切削齿部分或全部切削刃出露于空槽内表面。
2.如权利要求1所述的具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特征在于：至少一个所述表
面切削齿在基体上的出露高度大于等于零，且至少有一个内部切削齿在空槽内的出露高度不
小于其总高度的四分之一。
3.如权利要求1所述的具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特征在于：所述空槽、切削
齿或基体的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑道形、菱形、长方形、正方形、
扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。
4.如权利要求1所述的具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特征在于：所述切削齿的截
面形状为圆形，其直径不大于8mm；所述基体的截面形状为圆形，其直径不小于16mm。
5.如权利要求1所述的具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，刘清友，晏凌，张春亮，戚清亮，林敏，杨燕，高翔，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51