钻进比压可控的模块切削齿制造技术

本实用新型专利技术公开了一种钻进比压可控的模块切削齿，包括模块（1），模块单元（2）。本实用新型专利技术的模块式切削齿作为钻头切削单元，根据所钻地层的岩石力学性能及钻井要求，通过对模块和模块单元形状、规格、数量的组合设计及材料的优选，来控制钻头特定部位切削单元的有效切削刃长，维持钻头切削单元钻进过程中的恒定比压，大幅增加切削单元的有效磨损体积，提高切削单元有效利用率。模块式切削齿钻头不仅能够大幅提高钻头在复杂地质尤其是硬地层或研磨性地层条件下的平均机械钻速和钻井进尺，还能延长钻头使用寿命，降低钻井成本。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及用在钻头上的模块化布齿，钻进比压可控的模块切削齿。
技术介绍
钻头是钻井过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。roc 钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金刚石复合片钻头)破岩形式为切削、剪切岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。PDC钻头具有以下特点(I)破岩方式依靠复合片切削齿切削、剪切破碎地层。根据岩石研磨性，在钻头破碎岩石过程中，岩石与钻头之间产生连续或间断的接触和摩擦。(2)切削单元切削刃长、比压、机械钻速的关系钻头在破碎岩石的同时，自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝，即切削刃长增加。所以切削刃长、比压、机械钻速的关系为钻头钻进初期，切削单元磨损线短、比压大、，破岩效率高，机械钻速高；随着磨损线逐渐变长、比压变小、切削单元对岩石的相对磨损增大，机械钻速逐步降低直至钻头失效。以切削单元为Φ 16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时复合片的切削刃长约为直径的80%。切削刃长的急剧增加，会大幅降低钻头对岩石的破碎效率和钻井效率。(3)切削单元磨耗比、有效磨损体积与钻头寿命的关系对于磨耗比一定的复合片，有效磨损体积越大，钻头复合片的有效使用率就越大，进尺就越多，钻头寿命也越长。以切削单元为Φ16_的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积不到金刚石总体积的20%。在不考虑冲击损害的影响下，选用磨耗比高的复合片，有助于延长钻头使用寿命。为了提高复合片性能，国内外研究者从PDC钻头剖面形状、后倾角、切削齿尺寸以及布齿密度这几个方面进行了研究。但都不能有效解决钻头失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积占金刚石总体积比例很小的问题。
技术实现思路
本技术提出一种钻进比压可控的模块切削齿，通过对切削齿布齿方式的改进，采用模块式切削齿，实现钻进过程比压可控和切削单元有效磨损体积增加，提高机械钻速和钻头性能的目的。为实现上述目的，本技术的技术方案如下钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于切削齿⑷包含作为基体的模块⑴和作为切削部的模块单元(2)，在一个钻头上模块(I)数量> 1，一个模块(I)上设置的模块单元⑵数量彡2。所述的模块单元与模块的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹等。所述的模块与钻头体的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹、机夹等。所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、梯形、菱形以及它们的环形，以及上述形状的组合。所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体，以及它们的组合体。所述的模块单兀体形状为圆柱，其直径为lmnT25mm,高度为3mnT25mm。所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合(例如尺寸相同的圆形单元与圆形单元的组合，椭圆形单元与椭圆形单元的组合)，也包括不相同的模块单元组合(例 如不同尺寸的模块单元组合，圆形单元与椭圆形单元的组合)。所述的模块单元分布形式可以是规则分布，也可以是无规则分布。所述的模块单元组合相互之间可有间隔，也可无间隔，即模块单元间隔值> 0_。所述的模块单元可以全部包含在模块内，也可以部分包含在模块内。所述模块单元切削面可以出露于模块表面，也可以沉于模块表面内。所述的模块单元也是模块单元的组合，即模块单元组合作为模块单元，形成模块切削齿的组成部分。所述的模块单元材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片(体)、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。所述模块单元通过热压、烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。所述的模块截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、菱形、梯形以及它们的组合。所述的模块体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体，以及它们的组合体。所述的模块形状为圆柱，其直径彡2mm,高度为3mnT25mm。当钻头上所述的模块数> 2时，模块组合形式包括相同的模块组合(例如圆形模块与圆形模块的组合，椭圆形模块与椭圆形模块的组合)，也包括不相同的模块组合(例如尺寸不同的模块组合，圆形模块与椭圆形模块的组合)。当所述的模块数> 2时，模块与模块在钻头体上可以有间隔，也可以没有间隔，即模块组合间隔值彡0mm。所述的模块可以全部包含在钻头体内，也可以部分包含在钻头体内。所述的模块可以是钻头体的刀翼，也可为刀翼的一部分。所述的模块材料包括钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属或复合材料。 模块由烧结、压制、铸造、锻造及电火花加工、激光加工、机械加工成型。本技术所应用的钻头类型包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头，以及由PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头构成的复合钻头，至少包含一个模块和模块单元形成的切削单元。所述的钻头体材料为碳化钨与合金的烧结体、钢材、硬质合金或金属复合材料。模块式切削齿钻头钻进过程，切削单元刃部与岩石接触的有效切削长度控制在一定范围，保证较大比压值，提高钻头平均机械钻速。结合钻头体(含胎体、钢体)参数，模块式切削齿钻头可增加切削齿单元有效磨损体积，提高切削单元有效利用率，延长钻头使用寿命。在复杂地质(尤其是硬地层或研磨性地层)条件下，模块式切削齿可实现钻井总进尺的大幅度提高。本技术的研究包括(但不限于)以下内容(I)模块单元的结构设计通过模块单元的结构设计及其与模块基体连接，研发小规格的模块单元，组成一个切削齿单元，改变切削单元结构。(2)模块单元的材料性能高性能(尤其是抗冲击、高耐磨)的单元材料性能，实现钻头在深井及研磨性地层中的性能。(3)模块的结构设计模块的结构设计保证切削单元切削刃长在一定范围，从而提闻机械钻速和增加钻头寿命。(4)模块的材料性能高强度、低耐磨性的基体材料，当单元磨损体积增加时，比·压不会减小，从而提高钻头的平均机械钻速。(5)钻头体的材料性能高强度、低耐磨性的钻头体材料,实现切削单元磨损体积增加时，比压不会减小，从而提高钻头的平均机械钻速。本技术与现有技术相比的特点是一、优化切削单元切削刃长随着钻头钻进，现有技术的切削单元有效切削长度增力口，导致比压下降，钻头钻进性能降低。模块式切削齿钻头通过模块或模块单元的形状、数目、组合等设计参数，考虑钻压、岩石性能等参数，优化切削单元切削刃长，使切削单元有效切削长度控制在一定范围内。二、保证切削单元钻进比压随着钻进量增加，模块式切削齿切削刃长仍控制在一定范围。根据切削刃长与比压的关系，切削刃长的控制保证钻进过程切削单元的比压在一定范围，即钻头保持切削单元刃部的比压,保持机械钻速。三、提高机械钻速根据切削刃长、比压、机械钻速的关系，切削刃长的增加，会急剧降低岩石破碎效率和机械钻速。模块式切削齿钻头的模块化设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：切削齿包含作为基体的模块（1）和模块单元（2），一个模块（1）上设置的模块单元（2）数量≥2；一个钻头上设置的模块（1）数量≥1。2.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、梯形、菱形或它们的环形，所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体，以及它们的组合体。3.根据权利要求1或2所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元体形状为圆柱，其直径为1mm~25mm，高度为3mm~25mm。4.根据权利要求1或2所述的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合和不相同的模块单元组合；所述的模块单元分布形式包含规则分布或无规则分布；所述的模块单元组合相互之间间隔值≥0mm。5.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元全部包含在模块内或部分包含在模块内；所述的模块单元切削面露出模块表面或沉于模块表面内；所述的模块单元也是模块单元的组合，即模块单元组合作为模块单元，形成模块切削齿的组成部分。6.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元通过热压、烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。7.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、菱形、梯形或它们的组合；所述的模块体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体或空心体，或它们的组合体。8.根据权利要求1或7所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块形状为圆柱，其直径≥2mm，高度为3mm~25mm。9.根据权利要求1或7所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：其特征在于：当所述的模块数≥2时，模块组合形式包括相同的模块组合或不相同的模块组合；当所述的模块数≥2时，模块与模块在钻头体上间隔值≥0mm。10.根据权利要求9所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块全部包含在钻头体内或部分包含在钻头体内；所述的模块可以是钻头体的刀翼或刀翼的一部分。11.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块材料包括钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属或复合材料；所述的模块由烧结、压制、铸造、锻造及电火花加工、激光加工或机械加工成型；所述的模块单元与模块基体的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结或螺纹。12.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块切削齿形成的钻头包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头、牙轮钻头或旋切钻头，以及由PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头构成的复合钻头。...

【技术特征摘要】
1.钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于切削齿包含作为基体的模块(I)和模块单元(2)，一个模块(I)上设置的模块单元(2)数量彡2 ; —个钻头上设置的模块(I)数量 ^ I。2.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、梯形、菱形或它们的环形，所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体，以及它们的组合体。3.根据权利要求1或2所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于所述的模块单兀体形状为圆柱，其直径为lmnT25mm,高度为3mnT25mm。4.根据权利要求1或2所述的模块切削齿，其特征在于所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合和不相同的模块单元组合；所述的模块单元分布形式包含规则分布或无规则分布；所述的模块单元组合相互之间间隔值> 0_。5.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于所述的模块单元全部包含在模块内或部分包含在模块内；所述的模块单元切削面露出模块表面或沉于模块表面内；所述的模块单元也是模块单元的组合，即模块单元组合作为模块单元，形成模块切削齿的组成部分。6.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于所述的模块单元通过热压、烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。7.根据权利要求1所述的钻进比压可...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，李舒，田家林，曾德发，
申请(专利权)人：四川深远石油钻井工具有限公司，
类型：实用新型
国别省市：