CN109386238A - 一种新型基体的钻齿及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型基体的钻齿及其制造方法，属于钻探领域。该新型基体的钻齿包括切削齿基体和切削面；所述切削齿基体和切削面的轴截面的形状均为梯形，且均包括上平面、下平面、弧形面和斜平面，所述上平面和下平面平行，所述弧形面的上、下边、斜平面的上、下边分别与上平面、下平面相交；在所述切削齿基体的斜平面上设有多个凹槽，在所述切削面的斜平面上设有多个凸起，将两者的斜平面重合时切削面上的所有凸起分别插入到切削齿基体上的对应的凹槽中，两者合成为一体，形成圆柱体结构。

Description

一种新型基体的钻齿及其制造方法

技术领域

本发明属于钻探领域，具体涉及一种新型基体的钻齿及其制造方法。

背景技术

钻井过程中，钻头作为钻穿地层的主要工具，具有非常关键的作用。钻头钻遇的地层各种各样，因此，钻头的钻进效率、钻速等性能指标直接影响了钻井成本增加和效率降低。

石油工程用钻头主要包括牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头等。目前应用最为普遍的就是牙轮钻头和PDC钻头。牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层，在钻井作业中使用比较普遍,但是受限于受使用寿命和轴承和密封的持久性。 PDC钻头自1971年GE公司发明了由硬质合金支撑的聚晶金刚石复合片(PDC), 1976年正式向市场提供名为Stratapax的石油、地质钻头专用系列产品以来，有了长足的发展，逐渐在很多应用情况下代替了牙轮钻头。

在地层条件相同的情况下，PDC钻头与牙轮钻头相比，机械钻速(ROP)可以提高33％-100％，成本可以降低30％-50％，单只钻头进尺可增加3-4倍。它比牙轮钻头具有更高的安全性，可以极大的提高钻井工作效率和降低钻井成本。在大段软到中等硬度地层中更具有突出的优点，特别是在成本高的海洋钻井中和超深井及小井眼钻井中PDC钻头更具有牙轮钻头不可比拟的优势。虽然现在 PDC钻头的设计与制造技术日趋成熟，但与牙轮钻头将近100年的发展历史相比， PDC钻头还处于发展的初期阶段，尚有巨大的发展潜力。

随着PDC钻头技术突飞猛进的发展，出现了很多不同形状涂层的PDC钻齿。 2015年斯伦贝谢公司锥形金刚石齿钻头技术被评为2015年世界十大科技进展之一。该项技术研发初衷是为了开发结合剪切/犁入破岩机理的固定切削钻头，最后成功研发出了新型的锥形聚晶金刚石齿(CDE)，具有厚的聚晶金刚石垫片,大约是PDC齿金刚石涂层的2倍。锥形几何与厚聚晶金刚石垫片的结合提供了非常好的冲击强度和耐磨性，可以改进ROP和进尺。斯伦贝谢史密斯公司提出了斧脊形金刚石齿，具有斧脊形的PDC涂层，用于提高钻齿的攻击性。

而当前的标准PDC切削齿是在高温、高压条件下，将薄层聚晶金刚石与碳化钨柱在高温高压条件下烧结而成的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种新型基体的钻齿及其制造方法，提高钻头切削齿的耐磨性，提高钻齿的攻击性，延长钻头寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型基体的钻齿，包括切削齿基体和切削面；所述切削齿基体和切削面的轴截面的形状均为梯形，且均包括上平面、下平面、弧形面和斜平面，所述上平面和下平面平行，所述弧形面的上、下边、斜平面的上、下边分别与上平面、下平面相交；

在所述切削齿基体的斜平面上设有多个凹槽，在所述切削面的斜平面上设有多个凸起，将两者的斜平面重合时切削面上的所有凸起分别插入到切削齿基体上的对应的凹槽中，两者合成为一体，形成圆柱体结构。

所述切削面上暴露于地层的部分为切削面的厚的部分，而切削面上镶嵌于钻头刀翼的部分为切削面的薄的部分。

所述切削面的上平面与弧形面相交处以及下平面与弧形面相交处均设有倒角。

所述切削齿基体的材料采用氮化硼、碳化钨或多晶硬质合金；

所述切削面的材料采用碳化钨、碳化硅、氮化硼、金刚石、氮化硼碳化物、聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼。

一种制造所述新型基体的钻齿的方法，包括：

(1)制作切削齿基体的模具和切削面的模具；

(2)分别利用切削齿基体的模具和切削面的模具通过热压法制作成切削齿基体和切削面；

(3)将切削齿基体和切削面制作成为一体的结构。

所述步骤(3)是这样实现的：

采用金刚石微粉、结合剂进行高温烧结，使得金刚石微粉充填基体中的凹槽，将切削齿基体和切削面烧结成一体；

或者所述步骤(3)是这样实现的：

采用孕镶方式直接将切削面与切削齿基体镶嵌在一起，使得两者成为一体的结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过梯形切削面，优化了钻齿性能，提高了钻齿攻击性，延长了钻头使用寿命，因此，使得切削齿钻进地层更加容易，从而提高钻速。

附图说明

图1本发明的结构示意图

图2-1本发明的第一种凹槽的结构示意图

图2-2本发明的第二种凹槽的结构示意图

图2-3本发明的第三种凹槽的结构示意图

图2-4本发明的第四种凹槽的结构示意图

图2-5本发明的第五种凹槽的结构示意图

图2-6本发明的第六种凹槽的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明是一种具有梯形结构基体的切削齿，该切削齿主要由带倒角的梯形切削面和梯形钻齿基体组成。基体的材料可以是氮化硼、碳化钨、多晶硬质合金等材料。切削面的材料可以是碳化钨、碳化硅、氮化硼、金刚石、氮化硼碳化物、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等其他钻头用复合材料，也可以做成孕镶切削面。

钻齿基体设计为梯形。由于钻齿通常是根据设计镶嵌于钻头刀翼上的，因此真正用于切削地层的钻齿部分是暴露于地层的部分。因此，本发明将PDC涂层设计为暴露于地层的需要很强攻击性及耐磨性的部分较厚，从而延长钻齿使用寿命。

由于梯形结构基体相对于平面的基体不稳定，会影响切削面与基体的烧结/ 胶结程度，在受压情况下相对不稳定，因此在基体表面设置凹槽，可以是规则的形状也可以是不规则形状，与基体形成互补结构，从而提高烧结强度。也可以应用烧结和其他形式的胶结强化切削面与基体的胶结。

本发明的具体结构如图1所示，包括切削齿基体2、切削面3。

所述切削齿基体2设计为轴截面是梯形的结构，在与切削面连接处设计有凹槽1，用于强化切削齿与基体的烧结/胶结程度、增强切削面与基体的接触，凹槽1的形状如图2-1到图2-6所示，有多种形式，例如梯形、三角形等，可以是规则的形状也可以是不规则形状，凹槽1与基体2形成互补结构，从而提高烧结强度。

切削面3与基体2构成一个完整的圆柱形。暴露于地层的切削面部分为厚的切削面3-II，而镶嵌于钻头刀翼部分的钻齿切削面为薄的切削面3-I，最薄的部分保证标准的聚晶金刚石复合片厚度，也就是说梯形的基体所造成的最厚的聚晶金刚石复合片的最厚可以根据所适用地层进行设计。切削面3带有倒角4 (倒角的尺寸与标准PDC齿一样，或者可以根据地层情况进行特殊设计)，避免切削面过早起裂、破坏。

这样的设计可以，提高钻齿的耐磨性、攻击性，扩大钻头对各种地层的适应性，减小地层对切削齿的破坏，从而延长钻头寿命。

本发明钻齿钻进地层的详细过程为：

钻井过程中，钻齿接触地层，在钻齿的切削面3咬入地层后，切削面3的接触地层部分3-II切削地层，由于其厚度较大，因此，耐磨性强、攻击性强。

本发明钻齿具有梯形基体，与互补的梯形切削面形成圆柱形钻齿，厚的切削面可以提高钻齿的耐磨性及攻击性，扩展钻齿适应地层的范围，延长钻头寿命，提高钻进效率。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种新型基体的钻齿，其特征在于：所述新型基体的钻齿包括切削齿基体和切削面；所述切削齿基体和切削面的轴截面的形状均为梯形，且均包括上平面、下平面、弧形面和斜平面，所述上平面和下平面平行，所述弧形面的上、下边、斜平面的上、下边分别与上平面、下平面相交；

在所述切削齿基体的斜平面上设有多个凹槽，在所述切削面的斜平面上设有多个凸起，将两者的斜平面重合时切削面上的所有凸起分别插入到切削齿基体上的对应的凹槽中，两者合成为一体，形成圆柱体结构。

2.根据权利要求1所述的新型基体的钻齿，其特征在于：所述切削面上暴露于地层的部分为切削面的厚的部分，而切削面上镶嵌于钻头刀翼的部分为切削面的薄的部分。

3.根据权利要求2所述的新型基体的钻齿，其特征在于：所述切削面的上平面与弧形面相交处以及下平面与弧形面相交处均设有倒角。

4.根据权利要求3所述的新型基体的钻齿，其特征在于：所述切削齿基体的材料采用氮化硼、碳化钨或多晶硬质合金。

5.根据权利要求4所述的新型基体的钻齿，其特征在于：所述切削面的材料采用碳化钨、碳化硅、氮化硼、金刚石、氮化硼碳化物、聚晶金刚石或聚晶立方氮化硼。

6.一种制造权利要求1-5任一所述的新型基体的钻齿的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)制作切削齿基体的模具和切削面的模具；

(2)分别利用切削齿基体的模具和切削面的模具通过热压法制作成切削齿基体和切削面；

(3)将切削齿基体和切削面制作成为一体的结构。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

采用金刚石微粉、结合剂进行高温烧结，使得金刚石微粉充填基体中的凹槽，将切削齿基体和切削面烧结成一体。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

采用孕镶方式直接将切削面与切削齿基体镶嵌在一起，使得两者成为一体的结构。