具有减振功能的切削齿以及采用该切削齿的金刚石钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有减振功能的切削齿以及采用该切削齿的金刚石钻头，属于石油天然气、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，切削齿包括中心齿、基座和弹性元件，中心齿包括基体和金刚石层，基座上设有用于安装中心齿的齿孔，一个或多个中心齿的基体安装在同一基座的各齿孔内，在各中心齿基体的下方分别设置有弹性元件，中心齿基体的底面与弹性元件相接触，并且在各基体和基座间还分别设置有周向止动结构。该减振切削齿所具有的缓冲结构可提高切削齿的抗冲击性，从而使采用该切削齿的钻头在破岩钻进时有安全性高，缓冲吸振效果好，可实施性强等有益效果。

【技术实现步骤摘要】
具有减振功能的切削齿以及采用该切削齿的金刚石钻头
本技术属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，具体涉及一种用于镶固于钻头上的切削齿，以及具有该切削齿的钻头。
技术介绍
聚晶金刚石齿(简称PDC齿)是一种用于镶固在钻头体上的切削齿。PDC齿主要有金刚石层和硬质合金基体组成，金刚石层具有高硬度、高耐磨性和具有自锐性等特点。安装有PDC齿的钻头称之为PDC钻头，它广泛应用于钻探
，具有机械钻速高、寿命长和钻探安全性高等诸多优点。PDC齿的的缺点是抗冲击能力较低。当PDC钻头或以PDC齿作为主要切削结构的复合钻头钻遇不均值地层、软硬交替地层，以及复合钻进等特殊钻探施工条件下，会遭遇频繁的冲击载荷，常常导致PDC齿崩齿、脱层、断齿等非磨损的异常失效，这大大降低了钻头的工作性能，进而导致钻井成本的上升。同时，当切削齿发生磨损后，与岩石接触的齿刃曲率半径急剧增加，互作用接触应力大大降低，钻头牙齿的地层吃入能力显著下降，从而导致PDC钻头钻速变慢。提高PDC齿抗冲击性的途径有两个方面：一是通过材料技术的进步，使金刚石复合层的抗冲击能力提高；二是通过结构创新，使切削齿具有缓冲能力，从而降低冲击载荷对切削齿的异常失效破坏。在材料技术的进步方面，主要是通过改进金刚石复合片制备的原料配方，提高制备装置的技术指标，以及优化后处理工艺等措施来实现。在结构创新方面，现有技术有一种切削齿具有减振功能的PDC钻头，它在齿孔内侧底部设置有弹簧，并与异形复合片紧贴。当PDC钻头承受较大冲击载荷时，通过压缩弹簧达到减振的功能，降低了钻头崩齿现象。但目前使用弹性元件实现减振功能的切削齿均没有产品化，其主要原因还是其安全性得不到保证，由于切削齿在井底工作时相对活动自由度的引入，增加了掉齿风险，难以同时达到提高钻头机械钻速和工作寿命的双重目的。
技术实现思路
本技术的目的在于：针对常规切削齿存在的不足，提供一种具有减振功能的切削齿以及采用该切削齿的金刚石钻头，其中所述“具有减振功能的切削齿”以下简称“减振切削齿”。该减振切削齿所具有的缓冲结构可提高切削齿的抗冲击性，从而使采用该切削齿的钻头在破岩钻进时有安全性高，缓冲吸振效果好，可实施性强等有益效果。本技术的目的通过下述技术方案来实现：一种具有减振功能的切削齿，包括中心齿、基座和弹性元件，中心齿包括基体和金刚石层，基座上设有用于安装中心齿的齿孔，一个或多个中心齿的基体安装在同一基座的各齿孔内，在各中心齿基体的下方分别设置有弹性元件，中心齿基体的底面与弹性元件相接触，并且在各基体和基座间还分别设置有周向止动结构。基座上用于安装中心齿的齿孔可以是盲孔，也可以是通孔，当齿孔为盲孔时，弹性元件设置在盲孔内的底部，当齿孔为通孔时，弹性元件可设置在孔内，也可以设置在孔外(参见图25)(即设置在基座之下，弹性元件位于钻头齿孔的孔底，基座位于弹性元件之上)，还可以部分在孔内，部分在孔外(参见图26)。所述金刚石钻头为PDC钻头、盘刀式钻头，或为安装有金刚石类切削齿的牙轮钻头，或为包含有金刚石类切削齿的固定翼-牙轮式复合钻头、固定翼-盘刀式交叉刮切复合钻头、固定翼-冲击杆式复合钻头，以及安装有金刚石类切削齿的取心钻头、扩孔钻头或扩孔工具。钻头上设有用于安装所述减振切削齿的齿孔，减振切削齿安装在齿孔内，其基座用焊接、过盈配合、螺纹连接等方式与齿孔相固结，或者，其基座为钻头体和/或刀翼本身的一部分，即以钻头上的齿孔本身为基座，将中心齿和弹性元件安装在齿孔内，并且在中心齿基体与齿孔之间设置有周向止动结构。本专利所实现的有益效果包括：1、弹性元件能够为中心齿提供弹性支撑。当中心齿受到较大冲击载荷时，通过压缩弹性元件达到缓冲吸振的效果，降低了切削齿崩齿、断齿以及脱层等异常失效事件的发生，从而提高了切削齿的工作性能，达到延长钻头使用寿命的目的。2、将中心齿、基座以及弹性元件等作为一个整体加工制作，能够达到更高的精度要求，装配也较为便捷。同时，将本专利技术作为一个整体镶固于钻头体上与现有焊齿工艺差别不大，便于工程化应用，可实施性强。3、通过设置周向止动装置，防止中心齿相对于其几何中心的周向旋转运动，降低了中心齿的自由度数，有利于维持切削齿(齿刃有工作方向要求的齿，如屋脊齿等金刚石表面为柱面的齿，三棱齿，尖圆齿，椭圆齿，以及金刚石层与基体结合面有方向性特征的齿，如具有平行沟槽结合面、十字筋结合面的切削齿)吃入地层的齿刃方向性，在实现切削齿缓冲吸振功能的同时，保障或维持其切削性能特征的优势。作为选择，弹性元件为高分子弹性件、弹性垫片、弹簧、液压机构中任意一种，或多种叠加组合而成。作为进一步选择，高分子弹性件为橡胶，弹性垫片为材料型弹性垫片或结构型弹性垫片，弹簧为蝶形弹簧或波纹状弹簧，液压机构由包括单向阀和液压回路的结构形成。上述方案中，弹性元件是本专利所述结构的关键之一，不同类型的弹性元件所能提供的减振性质也是不同的。如将橡胶作为弹性元件所提供的刚度较低，所发生的缓冲形变量也较小，适用于中软地层使用的钻头切削齿；弹簧元件所能提供的刚度适中，适用于中硬地层中使用；弹性垫片是指能够吸收冲击能量以起到缓冲作用的垫片，包括材料型弹性垫片和结构型弹性垫片，前者是由弹性模量不大于120GPa(优选不大于80GPa；更优选不大于30GPa)的材料制成的垫片，后者则是由特殊三维结构形成的具有与弹簧相似功能的垫片，如冲压出凸包、凸环、拱桥形棱条的垫片，具有弹性枝脚的垫片，具有圆周波纹环的垫片，锅盖型垫片，也包括波形弹簧垫片等。其中弹性金属垫片(如钴基中碳合金材料等)经冷加工和回火处理后，具有良好的弹性、高的疲劳强度等特性，作为弹性元件适用于高硬度、含砾石不均质地层中使用；蝶形弹簧是一类用金属板料或锻压坯料加工形成的垫圈式弹簧，其应力分布由里到外均匀递减，能够实现低行程高补偿力的效果，且具有刚度大、缓冲吸振能力强，能以较小变形承受较大载荷的特性，适用于轴向空间要求较小的场合。波纹形弹簧是一种在金属薄圆环上具有若干峰谷的弹性元件，具有结构形式灵活多样，安装空间要求小等特点。将蝶形弹簧或波纹弹簧作为本专利技术的弹性元件，更为适合于较小的中心齿与基座间狭小的安装空间，并且能够提供合理范围内的“应力-应变”特性。在中心齿基体和基座上设置单向阀、液压回路等结构可形成液压机构作为弹性元件，可实现大位移量缓冲减振、不存在疲劳问题等优点；将上述多种弹性体复合叠加作为本专利技术所述结构的弹性元件，可实现更为灵活多样的刚度特性，如将橡胶材料与高弹性金属体复合而成，可获得分段式“应力-应变”特性，适用于软、硬过度地层等复杂地质地层钻井工况。作为另一进一步选择，弹性元件由在蝶形弹簧间隙空间内填充橡胶材料构成，该方案中两种不同的弹性材料相复合，以蝶形弹簧为主，以橡胶材料为辅，为中心齿提供弹性支撑，能够进一步提高切削齿的缓冲减振能力；或者，弹性元件为环形橡胶和位于其中的圆柱形弹性金属体两部分组合而成，并且弹性金属体出露高度低于环形橡胶，该方案中，两种弹性元件相复合，能够实现图11所示的“应力-应变”曲线特性。作为选择，周向止动结构为平键、花键、半圆键、销中任意一种或多种组合而成，对应在基体和基座间形成限位所述周向止动结构随弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有减振功能的切削齿，其特征在于：包括中心齿、基座和弹性元件，中心齿包括基体和金刚石层，基座上设有用于安装中心齿的齿孔，一个或多个中心齿的基体安装在同一基座的各齿孔内，在各中心齿基体的下方分别设置有弹性元件，中心齿基体的底面与弹性元件相接触，并且在各基体和基座间还分别设置有周向止动结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有减振功能的切削齿，其特征在于：包括中心齿、基座和弹性元件，中心齿包括基体和金刚石层，基座上设有用于安装中心齿的齿孔，一个或多个中心齿的基体安装在同一基座的各齿孔内，在各中心齿基体的下方分别设置有弹性元件，中心齿基体的底面与弹性元件相接触，并且在各基体和基座间还分别设置有周向止动结构。2.如权利要求1所述的具有减振功能的切削齿，其特征在于：弹性元件为高分子弹性件、弹性垫片、弹簧、液压机构中任意一种，或多种叠加组合而成。3.如权利要求2所述的具有减振功能的切削齿，其特征在于：高分子弹性件为橡胶，弹性垫片为材料型弹性垫片或结构型弹性垫片，弹簧为蝶形弹簧或波纹状弹簧，液压机构由包括单向阀和液压回路的结构形成。4.如权利要求2所述的具有减振功能的切削齿，其特征在于：弹性元件由在蝶形弹簧间隙空间内填充橡胶材料构成；或者，弹性元件为环形橡胶和位于其中的圆柱形弹性金属体两部分组合而成，并且弹性金属体出露高度低于环形橡胶。5.如权利要求1所述的具有减振功能的切削齿，其特征在于：周向止动结构为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，任海涛，林兆虎，吴敏，杨燕，
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：新型
国别省市：四川,51