CN105604491B - 一种基于减震结构的pdc切削齿 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于减震结构的PDC切削齿,它包括PDC切削齿(4),PDC切削齿(4)安装在PDC钻头(3)的钻头刀翼(5)上,PDC切削齿(4)包括活动PDC复合片(6)、衬套(7)、限位器(8)和阻尼器(9),衬套(7)上开设有一安装孔,活动PDC复合片(6)安装在安装孔内,且活动PDC复合片上开设有限位槽(10),衬套(7)的侧壁上开设有与限位槽(10)相对应的限位孔(11),限位器穿入限位孔(11)且其前端位于限位槽(10)内,在衬套(7)的安装孔底部与活动PDC复合片底部之间设置有阻尼器(9)。本发明的有益效果是:它具有延长冲击时间、抗冲击能力强和使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气、地质勘探用钻井钻头上的切削齿,特别是一种基于减震结构的PDC切削齿。
背景技术
PDC聚晶金刚石复合片:polycrystalline diamond composite是由聚晶金刚石1和硬质合金基体2构成的一种复合材料,如图1所示。它既有聚晶金刚石的高硬度又有一定的韧性和抗冲击性能,是一种重要的超硬刀具材料。PDC钻头3是用多片PDC4固定到钻头刀翼5上的一种钻井工具,如图2所示。目前,由于PDC钻头在井眼质量、机械钻速以及使用寿命等方面表现良好,被广泛用于油气开采和地质勘探,并取得了突出的使用效果。但是PDC钻头在高冲击性岩层,特别是在含砾石岩层的使用过程中效果不佳,其主要失效形式表现为PDC的崩损。在高冲击性岩层中,PDC的抗冲击能力不足是导致PDC崩损,进而导致PDC钻头失效的主要原因。
为了提高PDC的抗冲击性能,目前最普遍的做法是调整PDC的材料配方和烧制工艺,但此技术方案的研发周期长、研发成本高,同时PDC的抗冲击性能和抗研磨性能是相互矛盾的,提高了抗冲击性能,其抗研磨性就随之下降。而PDC在高冲击性岩层的工程使用中,除了需要高水平的抗冲击性能同时还要保证PDC的抗研磨性。所以调整PDC的材料配方和烧制工艺的技术方案有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种基于减震结构的PDC切削齿。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种基于减震结构的PDC切削齿,它包括PDC切削齿,所述的PDC切削齿安装在PDC钻头的钻头刀翼上,所述的PDC切削齿包括活动PDC复合片、衬套、限位器和阻尼器,所述的衬套上开设有一安装孔,活动PDC复合片安装在安装孔内,且活动PDC复合片上开设有限位槽,所述的衬套的侧壁上开设有与限位槽相对应的限位孔,所述的限位器穿入限位孔且其前端位于限位槽内,在衬套的安装孔底部与活动PDC复合片底部之间设置有阻尼器。
所述的活动PDC复合片由聚晶金刚石和硬质合金基体组成,且聚晶金刚石位于硬质合金基体前端。
所述的安装孔为圆形盲孔。
所述的阻尼器为弹簧或橡胶。
本发明具有以下优点:本发明的PDC切削齿设置有阻尼器,阻尼器的压缩一方面能吸收部分冲击载荷,另一方面延长了冲击时间,因此减小了冲击力,提高了PDC切削齿的抗冲击能力;设置有限位槽和限位器,限位器并不能限制活动PDC复合片的周向旋转,从而使得活动PDC复合片切削面不是同一部位一直承受冲击,而是活动PDC复合片的切削面的周向各部分均有机会参与对岩层切削并承受冲击,进一步避免了活动PDC复合片切削面同一部位因频繁承受冲击而造成的疲劳失效,提升整体的抗冲击性和寿命。
附图说明
图1为活动PDC复合片示意图;
图2为PDC钻头结构示意图;
图3为本发明的结构示意图;
图4为本发明正常切削岩层时的意图;
图5为本发明受到冲击时的示意图;
图6为本发明受到冲击时活动PDC复合片产生旋转的示意图;
图中,1-聚晶金刚石,2-硬质合金基体,3-PDC钻头,4-PDC切削齿,5-钻头刀翼,6-活动PDC复合片,7-衬套,8-限位器,9-阻尼器,10-限位槽,11-限位孔,12-PDC切削齿轴线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述,本发明的保护范围不局限于以下所述:
如图1、图2和图3所示,一种基于减震结构的PDC切削齿,它包括PDC切削齿4,所述的PDC切削齿4安装在PDC钻头3的钻头刀翼5上,所述的PDC切削齿4包括活动PDC复合片6、衬套7、限位器8和阻尼器9,所述的衬套7上开设有一安装孔,活动PDC复合片6安装在安装孔内,在本实施例中,所述的活动PDC复合片6由聚晶金刚石1和硬质合金基体2组成,且聚晶金刚石1位于硬质合金基体2前端,所述的安装孔为圆形盲孔,因此当活动PDC复合片6收到冲击时,活动PDC复合片6能够产生周向旋转,从而使得聚晶金刚石1磨损均匀,提高活动PDC复合片6的使用寿命,且活动PDC复合片6上开设有限位槽10,且限位槽10周向的分布在硬质合金基体2的圆周上,所述的衬套7的侧壁上开设有与限位槽10相对应的限位孔11,所述的限位器8穿入限位孔11且其前端位于限位槽10内,在衬套7的安装孔底部与活动PDC复合片6底部之间设置有阻尼器9,阻尼器9安装好后,阻尼器被压缩,具有一推动活动PDC复合片6的预压力,从而使得限位器8与限位槽10的左侧侧壁相紧靠。
在本实施例中,所述的阻尼器9为弹簧,在具体工作过程中,阻尼器9也可以是橡胶,以及替它能产生弹性形变的材料制成。
本发明的工作过程如下:在活动PDC复合片6压缩阻尼器9并装配限位器8后,阻尼器9将产生预应力FP,在不切削岩层时FP主要由限位器8与限位槽10左侧壁接触时产生的作用力fr来平衡,使活动PDC复合片6在轴向上保持静止而不被弹出衬套7。当切削岩层时,如图4和图5所示,FP主要由fr和岩层反作用在活动PDC复合片6轴向上的分力fia平衡,使活动PDC复合片6在轴向上保持静止。当PDC切削齿4受到冲击时,如图6所示,PDC钻头按照图6中箭头方向做绕PDC切削齿轴线12旋转和直线运动的复合运动,开始FP主要由fr和冲击力fia平衡,随着fia的增大,fr逐渐变小,直至fr变为零;fia继续增大,活动PDC复合片6将发生轴向移动并压缩阻尼器9,阻尼器9产生弹力FE,FE随着阻尼器的压缩程度增高而逐渐变大,最终阻止活动PDC复合片6的轴向移动,并在冲击载荷逐渐消除后将活动PDC复合片6恢复到初始位置。在此过程中,阻尼器9的压缩和反弹吸收了部分冲击载荷,将其转化为热能释放;同时延长了冲击载荷在活动PDC复合片6上的作用时间,根据冲量公式I=Ft:I:冲量,F:作用力,t:作用时间,在冲量一定时,延长了作用时间,则减小了作用力,提升了整个PDC切削齿的抗冲击能力。由于活动PDC复合片6在周向自由度上没有约束,即活动PDC复合片6可以绕PDC切削齿轴线12旋转。当活动PDC复合片6受到冲击时,由于PDC切削齿轴线12与PDC切削齿的移动方向之间存在夹角,所以在活动PDC复合片6受到冲击时会在其切削面切向方向会产生一切向分力fit,在fit的作用下,活动PDC6将绕PDC切削齿轴线12旋转一定角度,如图6所示,活动PDC复合片6的旋转使得活动PDC复合片6切削面不是同一部位一直承受冲击,而是活动PDC复合片6切削面的周向各部分均有机会参与对岩层切削并承受冲击,进一步避免了活动PDC复合片6切削面同一部位因频繁承受冲击而造成的疲劳失效,提升整体的抗冲击性和寿命,其中:FP-阻尼器预应力,FE-阻尼器进一步压缩后的弹力,fr-限位器限位产生的反作用力,fia-冲击力在切削齿轴向上的分力,fit-冲击力在切削齿切向上的分力。
Claims (2)
1.一种基于减震结构的PDC切削齿,它包括PDC切削齿(4),所述的PDC切削齿(4)安装在PDC钻头(3)的钻头刀翼(5)上,其特征在于:所述的PDC切削齿(4)包括活动PDC复合片(6)、衬套(7)、限位器(8)和阻尼器(9),所述的衬套(7)上开设有一安装孔,活动PDC复合片(6)安装在安装孔内,且活动PDC复合片(6)上开设有限位槽(10),所述的衬套(7)的侧壁上开设有与限位槽(10)相对应的限位孔(11),所述的限位器(8)穿入限位孔(11)且其前端位于限位槽(10)内,在衬套(7)的安装孔底部与活动PDC复合片(6)底部之间设置有阻尼器(9),所述的活动PDC复合片(6)由聚晶金刚石(1)和硬质合金基体(2)组成,且聚晶金刚石(1)位于硬质合金基体(2)前端,所述的阻尼器(9)为弹簧或橡胶,当PDC切削齿(4)受到冲击时, PDC钻头做绕PDC切削齿轴线(12)旋转和直线运动的复合运动,开始FP主要由fr和冲击力fia平衡,随着fia的增大,fr逐渐变小,直至fr变为零;fia继续增大,活动PDC复合片(6)将发生轴向移动并压缩阻尼器(9),阻尼器(9)产生弹力FE,FE随着阻尼器的压缩程度增高而逐渐变大,最终阻止活动PDC复合片(6)的轴向移动,并在冲击载荷逐渐消除后将活动PDC复合片(6)恢复到初始位置,其中FP为阻尼器预应力, fr为限位器限位产生的反作用力。
2.根据权利要求1所述的一种基于减震结构的PDC切削齿,其特征在于:所述的安装孔为圆形盲孔。
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Denomination of invention: A PDC cutting tooth based on damping structure Effective date of registration: 20220520 Granted publication date: 20180123 Pledgee: Bank of Chengdu science and technology branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: CHENGDU DEEP DIAMOND BIT Co.,Ltd. Registration number: Y2022980005965 |