CN111720061B - 非平面切削齿、固定齿钻头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非平面切削齿，其包括圆柱形的本体和设置在本体的一端的金刚石层。金刚石层的端面形成为具有大致椭圆形截面的切削齿面，沿切削齿面的纵向形成有处于切削齿面上最高位置的纵向切削棱。切削齿面包括靠近本体的底侧面的第一切削面，以及靠近本体的顶侧面的第二切削面，在第一切削面和第二切削面之间形成了横向切削棱。第一切削面相对于底侧面所形成的第一夹角大于第二切削面相对于底侧面所形成的第二夹角。本发明还提供了包含这种非平面切削齿的固定齿钻头，以及该固定齿钻头的制造方法。

Description

非平面切削齿、固定齿钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体地涉及用于石油天然气以及非常规能源和地质勘探的非平面切削齿，以及包含这种非平面切削齿的固定齿钻头。本发明还涉及这种具有非平面切削齿的固定齿钻头的制造方法。

背景技术

在油气钻井与地质钻探领域，钻头是旋转钻井施工中必不可少的井下工具。合理的钻头设计是提高复杂地层破岩效率、提高钻井速度和降低钻井成本的关键。

目前来说，牙轮钻头与固定齿钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头。牙轮钻头主要通过冲击、压碎作用来破碎岩石，而固定齿钻头主要通过切削、剪切等作用来破碎岩石。

固定齿钻头中的固定切削齿是由超级研磨材料形成的具有硬切削层的切削元件。超级研磨材料可以是聚晶金刚石(PDC)、热稳定性聚晶金刚石(TSP)、多晶立方氮化硼(PCBN)等。其中，PDC切削齿是固定切削齿的代表。

对于PDC切削齿来说，存在两对此消彼长关系的重要评价指标，即抗冲击性和抗磨损性，以及攻击性与切削齿寿命。切削齿的攻击性(其表征了切削齿吃入地层的能力)与使用寿命这一对重要但相反关系的评价指标主要与切削齿的直径、切削角等有关。

通常来说，圆柱形PDC齿只有约40％的切削边缘接触井底。一旦这些有效切削部分发生磨损和断裂，就会严重地影响钻头性能和寿命。为了进一步提高切削齿性能，在本领域中陆续提出了多种非常规的PDC齿，包括旋转齿、异形PDC齿等。

中国专利文献CN106703704A公开了一种非平面切削齿。在该技术中，将传统的平面圆柱型设计更改为屋脊型非平面切削齿，其中在圆柱本体的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊。切削脊处于圆柱本体的端部表面的最高点，其两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘，由此将圆柱本体的端部表面分为两个分别位于切削脊两侧的切削斜面，并且切削斜面的高度自切削脊向圆柱本体的端部表面的外缘线性递减。由此，可以改善钻头的抗冲击能力，并且提高破岩效率。

中国专利文献CN106089091A公开了一种切削刃长度递减的金刚石复合刀片。该金刚石复合片包括齿柱和齿冠，其中齿冠由柱形冠基和对应设置的两个偏楔面及齿顶面组成。两个偏楔面由两个面从齿冠下部两侧向内倾斜并偏转延伸至上端与齿顶面交汇而成。齿顶面与齿冠底面基本相平行，使得齿顶面的宽度从一端到另一端逐渐递减。这种金刚石复合片的自锐性好，切削效率高，且抗突变性破裂能力强。

尽管上述非平面切削齿能够在一定程度上改善钻头的抗冲击能力并提高破岩效率，然而本领域仍然希望能够进一步提高切削齿性能及钻头使用效果，兼顾切削齿的攻击性与寿命，进一步降低钻头破岩能量，达到降低钻井周期和钻井费用的效果。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的非平面切削齿，其能够兼顾切削齿的攻击性与使用寿命，并具有良好的抗冲击与抗磨损性能、强攻击性与强稳定性的组合效果。本发明还提供了包含这种非平面切削齿的钻头，以及这种钻头的制造方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种非平面切削齿，其包括圆柱形的本体和设置在本体的一端的金刚石层。所述金刚石层的端面形成为具有大致椭圆形截面的切削齿面，沿所述切削齿面的纵向形成有处于所述切削齿面上最高位置的纵向切削棱。其中，所述切削齿面包括靠近所述本体的底侧面的第一切削面，以及靠近所述本体的顶侧面的第二切削面，在所述第一切削面和第二切削面之间形成了横向切削棱。所述第一切削面相对于所述底侧面所形成的第一夹角大于所述第二切削面相对于所述的底侧面所形成的第二夹角。

在一个优选的实施例中，所述第一夹角处于60°到120°的范围内，优选为90°；所述第二夹角处于60°到90°的范围内，优选为75°。

在一个优选的实施例中，所述第一切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离为所述第二切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离的10％-30％，优选为15％-20％。

在一个优选的实施例中，所述金刚石层在靠近所述顶侧面的区域具有相对较小的厚度，而在靠近所述底侧面的区域具有相对较大的厚度。

在一个优选的实施例中，所述横向切削棱包括分别处于所述纵向切削棱两侧的第一横向切削棱部分和第二横向切削棱部分，所述第一横向切削棱部分和第二横向切削棱部分中的至少一个形成为与所述纵向切削棱斜交。

在一个优选的实施例中，在所述第一切削面与底侧面的相交区域处设置有第一倒角，在所述第二切削面与顶侧面的相交区域处设置有第二倒角。其中，所述第一倒角处于10°到45°的范围内，所述第二倒角为45°。

在一个优选的实施例中，所述切削齿面的椭圆形截面的短轴与长轴之比为0.5-1.0，优选为0.618。

根据本发明的第二方面，提供了一种固定齿钻头，包括至少一个如上所述的非平面切削齿。

根据本发明的第三方面，提供了一种制造如上所述的固定齿钻头的方法，包括如下步骤：制造切削齿面与侧切面不垂直的具有椭圆形切削齿面的切削齿；将所述切削齿的锐角尖端磨掉一部分，从而形成第一切削面和第二切削面，所述第一切削面和第二切削面之间的交线形成为横向切削棱；沿纵向分别对所述第一切削面和第二切削面进行磨削，形成纵向切削棱；分别对所述第一切削面和第二切削面进行倒角的加工，得到最终的非平面切削齿；在所述固定齿钻头的全部或选定的局部位置布置所述非平面切削齿。

在一个优选的实施例中，在倒角前对所述横向切削棱进行磨削，使得所述横向切削棱的位于所述纵向切削棱两侧的两个部分中的至少一个为斜交切削棱。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的非平面切削齿的示意性立体图。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的非平面切削齿的示意性立体图，其中该非平面切削齿包括横向切削刃。

图3显示了图2所示的非平面切削齿的主视图。

图4显示了沿着图3中的纵向切削棱的剖视图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并不构成对本发明的限制。这些附图未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行更详细地介绍。

在本领域中，常规的圆柱形PDC切削齿的上端面(即切削齿面)与侧面的相切面是相互垂直的。这导致了PDC切削齿的切削角通常为负值，切削角最大为零。通常来说，负切削角的数值越大，切削深度越小，岩屑排出越困难，攻击性越弱，并且机械钻速越低。然而在这种情况下，切削齿的冲击损坏的几率越小，切削齿的寿命越长。

现有技术中的脊状齿(例如那些在背景技术部分中所述的非平面切削齿)的切削面不再是平面，具有至少2个不同的侧倾角。然而，这些脊状齿依然没有改变切削齿的切削角。因此，这些脊状齿仍然具有绝对值较大的负切削角。这对于提高钻头的机械钻速、改善破岩效率来说是不利的。

本申请的发明人注意到，在切削齿寿命允许的前提下，降低非平面切削齿的负切削角的绝对值，或采用正切削角，对于提高钻头的机械钻速、改善破岩效率来说是有利的。

图1显示了根据本发明的一个实施例的非平面切削齿100。该非平面切削齿100包括圆柱形本体10，以及设置在圆柱形本体10的一端的金刚石层20。金刚石层20的端面为相对于圆柱形本体10的轴线的斜面，从而形成了大致椭圆形的切削齿面25。在切削齿面25与金刚石层20之间可具有倒角。该倒角处于10°到45°的范围内，优选45°。

具有大致椭圆形截面的该切削齿面25包括一条大致沿椭圆长轴延伸的纵向切削棱80，从而将切削齿面25分成左右两个部分，即左切削面26和右切削面28。纵向切削棱80形成为切削齿面25的最高点。左切削面26与右切削面28可以对称，也可以不对称。在一个例子中，左切削面26与右切削面28夹角在120°到180°之间。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的非平面切削齿。该非平面切削齿与图1所示的非平面切削齿的不同之处在于，其还包括横向切削棱70。有关该横向切削棱70的特征将在下文中结合图3和4详细介绍。

如图4所示，根据本发明，该切削齿面25构造成与圆柱形本体10的侧面(即顶侧面12和底侧面14)的相切面不垂直，而是形成一个锐角。上述锐角利于降低负切削角的绝对值，甚至形成正切削角，有利于切削深度的增加、岩屑的及时排出和机械钻速的提高。同时，椭圆形的切削齿面可以降低切削齿的不平衡力和振动发生的概率，降低井下冲击载荷，因此本发明可以协调并增强切削齿的寿命和攻击性。

根据本发明，金刚石层20构造成具有变化的厚度。如图4更清楚地显示，金刚石层20在靠近圆柱形本体10的顶侧面12的区域具有较小的厚度，而在靠近圆柱形本体10的底侧面14的区域具有较大的厚度。根据本发明的一个优选的实施例，金刚石层20的最大厚度为常规PDC复合片的1.5-2.5倍。

常规的圆柱形切削齿的切削齿面是圆形的。因此，切削齿在切削岩石过程中会形成非对称的切削槽，这会造成切削齿的受力不平衡，导致切削齿具有横向运动的趋势。随着地层强度的增加，切削齿的切削深度会变小，而切削齿的不平衡力则会增加。因此，根据本发明的非平面切削齿100具有大致椭圆形的切削齿面25，从而在满足切削深度和切削体积两种需求的同时降低了切削齿的不平衡力(或者说增强了切削齿的稳定性)。因此，切削齿的破岩效率得到了进一步的提高。

在一个优选的实施例中，切削齿面25的椭圆形截面的短轴与长轴之比为0.5-1.0，优选为0.618。另外，基底椭圆形底端面的长轴与常用的切削齿直径相同，例如分别为8mm、10.5mm、13mm、16mm、19mm和25mm。

如图4所示，根据本发明，切削齿面25包括两个切削面，即靠近圆柱形本体10的底侧面14的第一切削面30，以及靠近圆柱形本体10的顶侧面12的第二切削面40。在第一切削面30和第二切削面40之间形成了横向切削棱70。如图3所示，由于纵向切削棱80的存在，因此，第一切削面30包括左、右两个部分，即第一左切削面31和第一右切削面32，而第二切削面40也包括左、右两个部分，即第二左切削面41和第二右切削面42。类似地，横向切削棱70也包括两个部分，即第一横向切削棱部分71和第二横向切削棱部分72。

根据本发明，在非平面切削齿100的横截面中，第一切削面30相对于圆柱形本体10的底侧面14所形成的夹角应当大于第二切削面40相对于圆柱形本体10的底侧面14所形成的夹角。在根据本发明的一个实施例中，第一切削面30与底侧面14的夹角处于60°到120°的范围内，优选为90°；第二切削面40与底侧面14的夹角处于60°到90°的范围内，优选为75°。第一切削面30的最高点距所述底侧面14的垂直距离是第二切削面40的最高点距所述底侧面14的垂直距离的10％-30％，优选为15％-20％。例如，本体为19mm的切削齿，第一切削面30的最高点距底侧面14的垂直距离处于2mm到5mm的范围内，优选为3.0mm。

通过上述布置，使得同一个切削齿100具有至少两个不同的切削角(即由第一切削面30和第二切削面40所分别形成的切削角)，并且切削齿面25形成为具有椭圆的形状。因此，根据本发明的非平面切削齿100具有抗冲击与抗磨损性能、强攻击性与强稳定性的组合效果。

尤其是，第一切削面30承担了绝大部分的切削齿法向力，使得非平面切削齿100具有很强的抗冲击能力。根据地层强度的大小、安装在钻头中的不同位置和安装角度的不同，本发明的非平面切削齿100的第一切削面30的切削角可以为小角度正切削角，或者依然为负值。整体而言，地层强度由软到硬，切削角由正到负，或者负切削角的绝对值变大。安装位置由钻头肩部向钻头心部靠近，采用固定切削角或渐变切削角。

根据本发明，在第一切削面30和第二切削面40之间形成了横向切削棱70。由于纵向切削棱80的存在，横向切削棱70同样也包括两个部分，即第一横向切削棱部分71和第二横向切削棱部分72。第一横向切削棱部分71和第二横向切削棱部分72可以都设置成横向于纵向切削棱80，或者设置成其中的至少一条与纵向切削棱70斜交。因此，根据本发明的非平面切削齿100具有纵向、横向或斜交的切削棱。这种结构不但有利于切削齿吃入地层，而且可以对地层产生应力集中，形成发展至岩石表面的裂缝，产生薄而松散的岩屑，可以降低破碎岩石与清除岩石所需的能量，降低了破岩所需的钻压与扭矩等门限条件。同时，该切削齿具有多个切削角与侧倾角，扩大了切削齿的适应范围。与常规的切削齿相比，由于组合了剪切、压碎、造缝、犁削等多种破岩机理，本发明提供的非平面切削齿100可以较大地增强切削齿的攻击性，有利于提高机械钻速。

另外，根据本发明，在第一切削面30与底侧面14的相交区域处设置有第一倒角50，在第二切削面40与顶侧面12的相交区域处设置有第二倒角60。在一个优选的实施例中，第一倒角50的范围选择为10°-45°，并且地层硬度和强度越大，第一倒角50也选择得越大。第二切削面的倒角例如可设置为45°。通过设置第一倒角和第二倒角，可以增大切削齿边缘处的切削角，提高了切削齿的抗冲击性。

根据本发明的第二方面，还提供了一种固定齿钻头，其包括若干如上述所述的非平面切削齿100。非平面切削齿100可以根据具体应用的需要而覆盖固定齿钻头的切削结构，或者仅布置在其中的一些选定位置处。

根据本发明的第三方面，还提供了一种制造固定齿钻头的方法。首先，制造切削齿面与侧切面不垂直的具有椭圆形切削齿面的切削齿。其次，将切削齿的锐角尖端磨掉一部分，从而形成第一切削面和第二切削面，其交线为一条横向切削棱。之后，在纵向上(例如以长轴为中心)分别对第一切削面和第二切削面进行磨削(至少磨削长轴的一侧)，从而形成一条纵向切削棱。然后，分别对第一切削面和第二切削面进行倒角的加工，得到最终的非平面切削齿。最后，针对不同的应用在固定齿钻头的全部或局部位置布置上述的非平面切削齿。

根据本发明，在磨削时可将磨削侧的一条横向切削棱变为一条斜交切削棱；备选地，也可以进行偏磨，将这一条横向切削棱变为两条斜交切削棱。这可根据具体情况的需要来进行。

需要说明的是，在上文中以PDC切削齿为例对本发明进行了介绍。然而容易理解，由其它材料例如TSP、PCBN等所制成的切削齿也同样适用于本发明。

另外，本文中的用语“第一”、“第二”、“左”、“右”等均仅用于区分若干个相同的结构或部件，并无限定作用。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于发明的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种非平面切削齿(100)，包括圆柱形的本体(10)和设置在本体的一端的金刚石层(20)，所述金刚石层的端面形成为具有椭圆形截面的切削齿面(25)，沿所述切削齿面的整个纵向形成有处于所述切削齿面上最高位置的纵向切削棱(80)，所述切削齿面(25)与所述本体(10)的侧面形成锐角，

其中，所述切削齿面包括靠近所述本体的底侧面(14)的第一切削面(30)，以及靠近所述本体的顶侧面(12)的第二切削面(40)，在所述第一切削面和第二切削面之间形成了横向切削棱(70)，

所述第一切削面相对于所述底侧面所形成的第一夹角大于所述第二切削面相对于所述的底侧面(14)所形成的第二夹角。

2.根据权利要求1所述的非平面切削齿，其特征在于，所述第一夹角处于60°到120°的范围内，所述第二夹角处于60°到90°的范围内。

3.根据权利要求2所述的非平面切削齿，其特征在于，所述第一夹角为90°，所述第二夹角为75°。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的非平面切削齿，其特征在于，所述第一切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离为所述第二切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离的10％-30％。

5.根据权利要求4所述的非平面切削齿，其特征在于，所述第一切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离为所述第二切削面的最高点距所述底侧面的垂直距离的15％-20％。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的非平面切削齿，其特征在于，所述金刚石层在靠近所述顶侧面的区域具有相对较小的厚度，而在靠近所述底侧面的区域具有相对较大的厚度。

7.根据权利要求1到3中任一项所述的非平面切削齿，其特征在于，所述横向切削棱包括分别处于所述纵向切削棱两侧的第一横向切削棱部分(71)和第二横向切削棱部分(72)，所述第一横向切削棱部分和第二横向切削棱部分中的至少一个形成为与所述纵向切削棱斜交。

8.根据权利要求1到3中任一项所述的非平面切削齿，其特征在于，在所述第一切削面与底侧面的相交区域处设置有第一倒角(50)，在所述第二切削面与顶侧面的相交区域处设置有第二倒角(60)，其中，所述第一倒角处于10°到45°的范围内，所述第二倒角为45°。

9.根据权利要求1到3中任一项所述的非平面切削齿，其特征在于，所述切削齿面的椭圆形截面的短轴与长轴之比为0.5-1.0。

10.根据权利要求9所述的非平面切削齿，其特征在于，所述切削齿面的椭圆形截面的短轴与长轴之比为0.618。

11.一种固定齿钻头，包括至少一个根据权利要求1到10中任一项所述的非平面切削齿。

12.一种制造根据权利要求11所述的固定齿钻头的方法，包括如下步骤：

制造切削齿面与侧切面不垂直的具有椭圆形切削齿面的切削齿；

将所述切削齿的锐角尖端磨掉一部分，从而形成第一切削面和第二切削面，所述第一切削面和第二切削面之间的交线形成为横向切削棱；

沿纵向分别对所述第一切削面和第二切削面进行磨削，形成纵向切削棱；

分别对所述第一切削面和第二切削面进行倒角的加工，得到最终的非平面切削齿；

在所述固定齿钻头的全部或选定的局部位置布置所述非平面切削齿。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在倒角前对所述横向切削棱进行磨削，使得所述横向切削棱的位于所述纵向切削棱两侧的两个部分中的至少一个为斜交切削棱。

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