CN102364032B - 一种固定切削齿钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定切削齿钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域，包括钻头体，切削齿，所述切削齿由基齿和叠齿组合而成，所述基齿固结在所述钻头体上，所述基齿上设置有与所述叠齿外形相匹配的凹槽，所述基齿的部分或全部出露于钻头冠部表面之外，所述叠齿相对于所述钻头体向外固结在所述基齿的凹槽中，叠齿与基齿所形成的叠齿结构的总高度值大于基齿的理论高度。本发明可以同时增强PDC钻头吃入地层的能力和钻头的工作寿命。

Description

一种固定切削齿钻头

技术领域

[0001] 本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域。

背景技术

[0002] 钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现有钻头主要分为非固定切削齿钻头和固定切削齿钻头(或称，非固定切削结构钻头和固定切削结构钻头)两大类。所谓非固定切削齿钻头，是指在工作状态下，牙齿或切削齿与钻头体之间存在相对运动的钻头。若钻头上的切削齿始终与钻头体固结为一体，彼此之间没有相对运动，则称这类钻头为固定切削齿钻头。

[0003] 非固定切削齿钻头的典型代表是牙轮钻头。牙轮钻头的牙齿固结在牙轮上，牙轮上的轴承孔与钻头体上的牙掌轴颈相配合，构成一个轴承单元。当钻柱驱动钻头旋转破岩时，牙轮一方面随钻头体一起公转，另一方面在井底岩石阻力的作用下绕牙掌轴颈自转，从而使牙轮上的牙齿依序交替破碎井底岩石。

[0004] 固定切削齿钻头主要有刮刀钻头、PDC (聚晶金刚石复合片)钻头、孕镶金刚石钻头、天然金刚石钻头等金刚石类钻头，其典型代表是roc (聚晶金刚石复合片)钻头。PDC钻头是钻井工程(特别是石油天然气钻井工程)中使用的主要钻头品种之一。PDC钻头工作时，钻头在钻压的作用下旋转钻进，依靠钻头上的PDC复合片对地层岩石的切削或刮切作用破碎岩石，从而在地层岩石中形成并逐渐延伸井筒。

[0005] 聚晶金刚石复合片是PDC钻头上的切削元件，也称为PDC齿、复合片、切削齿或齿。PDC齿由聚晶金刚石层与基体复合而成。聚晶金刚石层的外端面是PDC齿的工作表面，称为PDC齿的切削工作面或切削面。PDC齿的切削工作面与PDC齿侧面相交，形成PDC齿的切削刃轮廓线(在忽略PDC齿切削面边缘倒角时即为金刚石层外端面的轮廓线)。PDC齿用焊接等方式附着在钻头本体上。通常，PDC齿之一部分暴露在钻头冠部表面4之外，为PDC齿的出露部分，剩余部分位于钻头冠部表面之内，为PDC齿的附着部分。PDC齿出露部分的高度称为PDC齿的出露高度。在钻头的钻进过程中，PDC齿会由于与岩石之间的强烈摩擦而逐渐发生磨损。通常情况下，如果PDC齿的出露部分磨损殆尽，就可以认为钻头的钻岩工作能力基本丧失，需要起钻以更换钻头。

[0006] PDC钻头最重要的性能指标有两项，即钻速和寿命。

[0007] 决定钻头钻速的关键在于钻头上的PDC齿对岩石的吃入能力。在给定的钻压条件下，吃入能力越强，PDC齿吃入岩石的深度越深，钻头的钻速也就越快。一般情况下，切削刃轮廓线的曲率越高(对圆形齿而言，即切削齿的直径越小)，切削齿吃入地层就越容易。因此，直径小的切削齿比直径大的切削齿更容易吃入地层。

[0008] 决定钻头寿命的因素很多，其中最重要的是PDC齿的有效工作高度(即可磨损长度，也即PDC齿的出露高度)，以及PDC齿的材料性能。当采用相同材质的PDC齿时，PDC齿的出露高度越高，寿命就越长。由于PDC钻头通常采用的是具有圆形齿刃轮廓的PDC齿(SP圆柱形PDC齿)，所以一般情况下，齿的直径较大时，出露高度值也较大，反之亦然。

[0009] 随着PDC复合片材料技术和钻头设计技术的进步，PDC钻头的地层适用范围越来越宽，由原来只能钻进软至中硬地层逐渐向硬地层推广。在硬地层钻头的设计中，经常会面临复合片直径规格选择的矛盾:一方面，为了使PDC齿能够具备较好的吃入岩石能力，应该选择直径较小的复合片；但另一方面，硬地层钻进中复合片磨损速度更快，因此为保证钻头的工作寿命，需要选择直径较大的复合片。在实际钻头设计中，通常更重视钻头的钻速指标，选择直径小的切削齿。这样，虽然可以获得较快的钻速，却难以达到较高的工作寿命。

[0010] 专利《具有二级齿结构的聚晶金刚石复合片钻头》(申请号:200620033337.3)和《具有独立式纵向后备切削结构的聚晶金刚石复合片钻头》(申请号:200720082270.7)均公开了一种后备(二级)齿结构的PDC钻头，其共同特点是后备齿均镶嵌于主齿(基齿)之后的钻头体内，即后备齿相对于钻头体向内布置。两专利的后备齿均在主齿磨损殆尽且钻头本体有部分磨损后才开始工作，目的在于延长钻头磨损状态下的使用时间。上述两专利方案主要适用于需要钻头在切削齿的出露部分全部磨损后仍具备较强钻进能力的场合。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于:提供一种固定切削齿钻头，以同时增强PDC钻头吃入地层的能力和钻头的工作寿命。

[0012] 本发明目的通过下述技术方案来实现:

[0013] 一种固定切削齿钻头，包括钻头体，切削齿，其特征在于:所述切削齿由基齿和叠齿组合而成，所述基齿固结在所述钻头体上，所述基齿上设置有与所述叠齿外形相匹配的凹槽，所述基齿的部分或全部出露于钻头冠部表面之外，所述叠齿相对于所述钻头体向外固结在所述基齿的凹槽中，置齿与基齿所形成的置齿结构的总闻度值大于基齿的理论闻度。

[0014] 开设凹槽的基齿可视为是在一个完整的切削齿(如PDC复合片)上通过去除与凹槽部分相对应的材料后所形成的。所述基齿的理论高度是指:未开凹槽前的完整切削齿的高度。

[0015] 具体的讲:基齿附着在钻头体上，在基齿上设置有与叠齿外形相匹配的凹槽，叠齿以基齿为“基体”，相对于钻头体向外固结在基齿上的凹槽中，叠齿的齿刃轮廓线部分位于基齿的理论轮廓线之外。叠齿与钻头体上的基齿一起形成新的切削单元，即叠齿结构。叠齿结构的总高度值H大于基齿的理论高度氏。

[0016] 作为优选方式，所述基齿和叠齿分别选自PDC复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿，或者，包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

[0017] 作为一般的实施方式，所述基齿的切削刃理论轮廓和所述叠齿的切削刃轮廓均为圆形。

[0018] 作为优选方式，所述基齿的切削刃理论轮廓为非圆形。

[0019] 所述切削刃理论轮廓是指:切削齿未被开设凹槽前的切削刃轮廓，即未开凹槽的完整切削齿的切削刃轮廓。

[0020] 作为优选方式，所述基齿的切削刃理论轮廓为椭圆形，所述叠齿的切削刃轮廓为圆形。

[0021] 所述基齿的切削刃理论轮廓为椭圆形时，增加了基齿的高度，从而增加了整个叠齿结构的高度和出露高度，有利于提高切削齿和钻头的使用寿命。

[0022] 作为优选方式，所述叠齿的切削刃轮廓为非圆形。

[0023] 作为优选方式，所述叠齿的切削刃轮廓为椭圆形，所述基齿的切削刃理论轮廓为圆形。

[0024] 所述叠齿的切削刃轮廓采用椭圆形时，同时增加了叠齿的高度和切削刃轮廓曲率半径，从而增加了整个叠齿结构的高度、出露高度和吃入地层能力，在提高切削齿和钻头的使用寿命的同时增强了钻头的破岩效率。

[0025] 作为优选方式，所述叠齿的切削刃轮廓为由直线段和圆弧组成的尖楔形轮廓。

[0026] 所述叠齿的切削刃轮廓采用尖楔形轮廓时，能明显提高切削齿吃入地层的能力，提高钻头的破岩效率，尤其适合硬地层的钻进。

[0027] 作为优选方式，所述叠齿的切削工作面与所述基齿的切削工作面相平，或，所述叠齿的切削工作面高出所述基齿的切削工作面。

[0028] 上述优选方式使所述叠齿的切削工作面不低于所述基齿的切削工作面，这样不至于切削破岩过程中岩屑堆积在叠齿的切削工作面与基齿高出部分所形成的台阶槽中，有利于岩屑的清洗，和减少因岩屑堆积而产生的热积聚，有利于切削齿的散热冷却，减少和避免切削齿的热磨损。

[0029] 本发明的有益效果:通过选择搭配合适的基齿和叠齿，可以在增强钻头切削齿吃入地层能力的同时，增加切削结构的可磨损长度，延长切削结构的工作寿命，解决了现有技术在面对较硬地层钻进时切削齿尺寸规格选择的矛盾，比现有的钻头结构更适应于较硬地层的钻进。具体包括:

[0030] (I)本发明的切削齿采用叠齿结构，可选用直径较小的叠齿，能有效增强钻头切削齿吃入地层的能力，提高钻头破岩效率。

[0031] (2)本发明的叠齿结构，明显增加了钻头切削结构的可磨损长度，增加切削结构的工作寿命，提高了钻头的使用寿命。

[0032] (3)本发明采用的叠齿结构增大了切削齿的露齿高度，能有效较少钻头本体接触井底岩石的机会，在保护钻头本体少受磨损的同时，减少了因钻头本体接触岩石而分担的钻压，使钻压有效地用于切削齿吃入地层，提高了钻头的使用寿命和破岩效率。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施例1的结构示意图；

[0034] 图2是本发明实施例1的叠齿和基齿部分出露于钻头冠部表面之外时的结构不意图；

[0035] 图3是本发明实施例1的叠齿和基齿全部均出露于钻头冠部表面之外时的结构不意图；

[0036] 图4是本发明实施例1的基齿的后端为球形面时的结构示意图；

[0037] 图5是本发明实施例1的基齿的后端为平面时的结构示意图；

[0038] 图6是本发明实施例1的叠齿的轴心线与基齿的轴心线相互平行时的结构示意图；

[0039] 图1是本发明实施例1的叠齿的轴心线与基齿的轴心线相互不平行时的结构示意图；

[0040] 图8是本发明实施例1的叠齿的切削工作面高出基齿的切削工作面时的结构示意图；

[0041] 图9是本发明实施例2的叠齿与基齿构成的叠齿结构固结在钻头体上的结构示意图；

[0042] 图10是本发明实施例3的叠齿与基齿构成的叠齿结构固结在钻头体上的结构示意图；

[0043]图11是本发明实施例4的叠齿与基齿构成的叠齿结构固结在钻头体上的结构示意图；

[0044] 其中1、钻头体，2、基齿，3、叠齿，4、钻头冠部表面，5、基齿上的凹槽。

具体实施方式

[0045] 下列非限制性实施例用于说明本发明。

[0046] 实施例1:

[0047] 如图1至图8所示，一种具有叠齿结构的固定切削齿钻头，包括钻头体1、切削齿，切削齿由基齿2和叠齿3组合而成，基齿2固结在钻头体I上，基齿2上设置有与叠齿3外形相匹配的凹槽5，叠齿3固结在基齿2的凹槽5中，叠齿3与基齿2所形成的叠齿结构的总高度值H大于基齿的理论高度氏。基齿2和叠齿3分别选自为PDC复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿，或者，包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。基齿的后端可以为球形面(如图4所示)或平面(如图5所示)等。基齿2的切削刃理论轮廓为圆形，叠齿3的切削刃轮廓也为圆形(如图2所示)。叠齿3和基齿2的全部均出露于钻头冠部表面4之外(如图3所示)，另外，叠齿3和基齿2亦可部分出露于钻头冠部表面4之外(如图2所示)。所述叠齿3的轴心线与所述基齿2的轴心线相互平行(如图6所示，图中:AB为钻头中心轴线)，另外叠齿3的轴心线与基齿2的轴心线亦可相互不平行(如图7所示，图中:AB为钻头中心轴线)。叠齿3的切削工作面与所述基齿2的切削工作面相平(如图6所示)，另外，叠齿3的切削工作面高出所述基齿2的切削工作面(如图8所示)。

[0048] 实施例2:

[0049] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于:基齿2的切削刃理论轮廓为非圆形。如图9所示，基齿2的切削刃轮廓为椭圆形，可明显增加基齿及整个叠齿结构的磨损高度。

[0050] 实施例3:

[0051] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于:所述叠齿3的切削刃轮廓为非圆形。如图10所示，叠齿3的切削刃轮廓为由直线段和圆弧组成的尖楔形轮廓，可增强切削齿吃入地层的能力，更适应于较硬地层的钻进；

[0052] 实施例4:

[0053] 本实施例与实施例1基本相同，其区别在于:所述叠齿3的切削刃轮廓为非圆形。如图11所示，叠齿3的切削刃轮廓为椭圆形，在增强切削齿吃入地层的能力的同时，可明显增加叠齿及整个叠齿结构的磨损高度。

[0054] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固定切削齿钻头，包括钻头体，切削齿，其特征在于:所述切削齿由基齿和叠齿组合而成，所述基齿固结在所述钻头体上，所述基齿上设置有与所述叠齿外形相匹配的凹槽，所述基齿的部分或全部出露于钻头冠部表面之外，所述叠齿相对于所述钻头体向外固结在所述基齿的凹槽中，所述叠齿的切削刃理论轮廓的曲率大于所述基齿切削刃理论轮廓的曲率，叠齿与基齿所形成的叠齿结构的总高度值大于基齿的理论高度。

2.如权利要求1所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述基齿和叠齿分别选自roc复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿，或者，包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

3.如权利要求1所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述基齿的切削刃理论轮廓和所述叠齿的切削刃轮廓均为圆形。

4.如权利要求1所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述基齿的切削刃理论轮廓为非圆形。

5.如权利要求4所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述基齿的切削刃理论轮廓为椭圆形，所述叠齿的切削刃轮廓为圆形。

6.如权利要求1所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述叠齿的切削刃轮廓为非圆形。

7.如权利要求6所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述叠齿的切削刃轮廓为椭圆形，所述基齿的切削刃理论轮廓为圆形。

8.如权利要求6所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述叠齿的切削刃轮廓为由直线段和圆弧组成的尖楔形轮廓。

9.如权利要求1至8中任一权利要求中所述的固定切削齿钻头，其特征在于:所述叠齿的切削工作面与所述基齿的切削工作面相平，或，所述叠齿的切削工作面高出所述基齿的切削工作面。

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