CN111852345A - 自动换刃的pdc切削齿 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动换刃的PDC切削齿，包括滑动连接的上刃和下刃，上刃设置有上刃凹槽，下刃设置有下刃凹槽，上刃凹槽与下刃凹槽位置对应并且对扣形成容置腔；容置腔设有楔块组件，楔块组件与上刃凹槽的槽底之间留有滑动空间，楔块组件包括接触面为斜面的前楔块和后楔块，螺纹紧固件贯穿下刃且其螺杆段与前楔块螺纹连接；发明的自动换刃的PDC切削齿具有上刃和下刃两个切削刃，在下刃磨损后能自动更换新的切削刃即上刃进行切削，大幅延长了PDC切削齿的单齿使用寿命，延长了整个PDC钻头井下工作时间，减少了起下钻、更换钻头等钻井辅助时间，有效提高了钻井施工效率，降低了钻井成本。

Description

自动换刃的PDC切削齿
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探设备用具技术领域，尤其涉及一种自动换刃的PDC切削齿。
背景技术
随着常规油气资源的日趋减少，深层及复杂地层油气藏成为油气勘探开发的重点。PDC钻头作为一种首选破岩工具在深层及复杂地层钻井效果不理想，主要表现为钻进速度慢，钻头寿命短。导致PDC钻头在上述地层应用效果差的主要原因在于作为直接破岩工具的PDC切削齿在可钻性差、研磨性高的地层磨损较快，一旦PDC切削齿出现磨损，其破岩能力大幅下降，钻井效率显著降低。
近年来，PDC切削齿技术发展迅猛，为了提高坚硬及复杂地层的适应性，出现了锥形齿、斧型齿、多棱齿等非平面的异形PDC切削齿。异形PDC切削齿为油气钻井提供了新的破岩思路，但依然存在单齿易磨损、寿命短的问题。实践表明，PDC钻头寿命由其上的PDC切削齿寿命决定，提高单齿使用寿命是延长钻头井下工作时间、保证钻井效率的关键。综上所述，如何大幅提高PDC切削齿单齿使用寿命依然是石油钻井领域亟需解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种自动换刃的PDC切削齿，可在PDC切削齿磨损一定程度后，自动更换新的、锋利的切削刃，有效提高PDC单齿使用寿命，保证PDC钻头钻井效率和井下工作时间。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：自动换刃的PDC切削齿，包括：
上刃和下刃，所述上刃与所述下刃滑动连接，所述上刃设置有上刃凹槽，所述下刃设置有与所述上刃凹槽位置对应的下刃凹槽，所述下刃凹槽与所述上刃凹槽对扣形成容置腔；
楔块组件，所述楔块组件设置于所述容置腔，所述楔块组件与所述上刃凹槽的槽底之间留有滑动空间，所述楔块组件包括相接触的前楔块和后楔块，所述前楔块与所述后楔块的接触面为斜面；
螺纹紧固件，所述螺纹紧固件贯穿所述下刃，所述螺纹紧固件的螺杆段与所述前楔块螺纹连接。
其中，所述下刃设置有与所述下刃凹槽连通的下刃阶梯通孔，所述下刃阶梯通孔包括大径孔和小径孔，所述螺纹紧固件的头部位于所述大径孔，所述螺纹紧固件的光杆段位于所述小径孔。
其中，所述斜面自下向上、自前向后倾斜，所述斜面与所述楔块组件的底部平面之间的夹角α为锐角。
其中，进一步地，所述α为45°-65°。
其中，所述上刃凹槽的槽深大于所述下刃凹槽的槽深。
其中，所述上刃、所述下刃均由硬质合金基体和聚晶金刚石层复合而成，所述上刃凹槽开设于所述上刃的所述硬质合金基体，所述下刃凹槽开设于所述下刃的所述硬质合金基体。
其中，所述上刃的所述硬质合金基体的厚度大于所述下刃的所述硬质合金基体的厚度。
其中，所述聚晶金刚石层的刃面为平面；或者，所述聚晶金刚石层的刃面为异形面。
其中，所述上刃与所述下刃通过滑动连接结构滑动连接，所述滑动连接结构包括设置于所述上刃的燕尾凸起和设置于所述下刃的燕尾凹槽，所述燕尾凸起与所述燕尾凹槽滑动配合，所述上刃凹槽开设于所述燕尾凸起，所述下刃凹槽开设于所述燕尾凹槽。
其中，所述上刃与所述下刃的外表面相接形成圆柱面，所述燕尾凸起为圆弧形燕尾凸起，所述燕尾凹槽为圆弧形燕尾凹槽，所述圆弧形燕尾凸起的圆心与所述圆柱面的圆心偏置，所述圆弧形燕尾凸起的圆弧半径小于或者等于所述圆柱面的圆弧半径。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果如下：
由于本发明的自动换刃的PDC切削齿，包括滑动连接的上刃和下刃，上刃设置有上刃凹槽，下刃设置有下刃凹槽，上刃凹槽与下刃凹槽位置对应并且对扣形成容置腔；容置腔设有楔块组件，楔块组件与上刃凹槽的槽底之间留有滑动空间，楔块组件包括接触面为斜面的前楔块与后楔块；螺纹紧固件贯穿下刃后其螺杆段与前楔块螺纹连接；钻井过程中，PDC切削齿以下刃切削破碎岩石，与此同时，PDC切削齿自身不断被岩石磨损，下刃与岩石的接触面面积不断增大，破岩能力减低，钻井速度变慢；下刃磨损的同时，用于固定下刃的螺纹紧固件一同磨损，当螺纹紧固件的头部全部磨损以后，螺纹紧固件对下刃的固定失效，在PDC切削齿的切削阻力作用下，下刃向着切削方向的反方向移动，前楔块相对于后楔块向上向后滑动，沿着斜面滑进容置腔的滑动空间，切削齿的上刃露出，实现自动换刃；由于上刃是未经磨损的新切削刃，因此切削齿的破岩能力恢复，重新实现高速破岩。
本发明的自动换刃的PDC切削齿具有上刃和下刃两个切削刃，在下刃磨损后能自动更换新的切削刃即上刃进行切削，大幅延长了PDC切削齿的单齿使用寿命，进而延长了整个PDC钻头井下工作时间，减少了起下钻、更换钻头等钻井辅助时间，有效提高了钻井施工效率，降低了钻井成本。
附图说明
图1是本发明实施例一的自动换刃的PDC切削齿爆炸结构示意图；
图2是图1装配后的主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2中A-A剖视示意图；
图5是图1中的下刃结构示意图；
图6是图1中的上刃结构示意图；
图7是图1中的后楔块结构示意图；
图8是图1中的前楔块结构示意图；
图9是本发明实施例二的自动换刃的PDC切削齿的凹面刃面示意图；
图10是本发明实施例三的自动换刃的PDC切削齿的凸面刃面示意图；
图11是本发明的自动换刃的PDC切削齿用下刃切削示意图；
图12是图11中的下刃磨损后示意图；
图13是图12中的下刃磨损后自动换上刃切削示意图；
图中：1-上刃；11-燕尾凸起；12-上刃凹槽；1a-上刃硬质合金基体；1b-上刃聚晶金刚石层；2-下刃；21-燕尾凹槽；22-下刃凹槽；23-下刃阶梯通孔；2a-下刃硬质合金基体；2b-下刃聚晶金刚石层；3-前楔块；31-螺纹孔；4-后楔块；5-螺纹紧固件；B-滑动空间。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的非限制性说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1至图8所示，本发明实施例一的自动换刃的PDC切削齿包括：通过滑动连接结构相连接的上刃1和下刃2，上刃1设置有上刃凹槽12，下刃2设置有与上刃凹槽12位置对应的下刃凹槽22，下刃凹槽22与上刃凹槽12对扣形成容置腔；容置腔设置有楔块组件，楔块组件与上刃凹槽12的槽底之间留有滑动空间B，楔块组件包括相接触的前楔块3和后楔块4，前楔块3与后楔块4的接触面为斜面；螺纹紧固件5贯穿下刃2并且其螺杆段与前楔块3的螺纹孔31螺纹连接。螺纹紧固件5具体可采用公知的螺钉或者螺栓。
其中，下刃2设置有与下刃凹槽22连通的下刃阶梯通孔23，下刃阶梯通孔23包括大径孔和小径孔，螺纹紧固件5的头部位于大径孔，螺纹紧固件5的光杆段位于小径孔。
其中，前楔块3与后楔块4相接触的斜面的倾斜方向是自下向上、自前向后倾斜，相接触的斜面与楔块组件的底部平面之间的夹角α为锐角。本实施例中，α为55°。
其中，上刃凹槽12的槽深优化设计为大于下刃凹槽22的槽深，留出滑动空间，为换刃时前楔块3沿着斜面相对于后楔块4向上向后滑动创造条件。
其中，上刃1、下刃2均优化设计为由硬质合金基体和聚晶金刚石层复合而成。上刃凹槽12开设于上刃硬质合金基体1a，下刃凹槽22开设于下刃硬质合金基体2a。其中，上刃硬质合金基体1a的厚度H大于下刃硬质合金基体2a的厚度h，确保下刃2磨损后换刃时沿着滑动连接结构相对于上刃1向后滑移，本实施例中，H-h＝3mm。其中，本实施例中，上刃聚晶金刚石层1b、下刃聚晶金刚石层2b的刃面均为平面，平面形状的刃面主要适用于软到中硬的均质地层，其主要特点是地层适用性好，切削效率高。
其中，滑动连接结构优化设计为包括设置于上刃1的燕尾凸起11和设置于下刃2的燕尾凹槽21，燕尾凸起11与燕尾凹槽21滑动配合，上刃凹槽12开设于燕尾凸起11，下刃凹槽22开设于燕尾凹槽21。
如图2所示，其中，上刃1与下刃2的外表面相接形成圆柱面，燕尾凸起11优化设计为圆弧形燕尾凸起，相应地，燕尾凹槽21为圆弧形燕尾凹槽，圆弧形燕尾凸起的圆心与圆柱面的圆心偏置，圆弧形燕尾凸起的圆弧半径R与下刃2的外表面圆弧半径r(即圆柱面的圆弧半径)相等，本实施例中，R＝r＝16mm。
实施例二
本发明实施例二的自动换刃的PDC切削齿与实施例一结构基本相同，不同之处在于：
如图9所示，聚晶金刚石层的刃面为凹面，凹面切削齿适用于软地层，其凹面设计可以有效减少切削齿破岩过程中岩屑在齿前的堆积，避免钻头泥包；聚晶金刚石层厚度大，耐磨性好。
本实施例中，上刃硬质合金基体1a的厚度H大于下刃硬质合金基体2a的厚度h，H-h＝5mm。
本实施例中，圆弧形燕尾凸起的圆弧半径R小于下刃2的外表面圆弧半径r(即圆柱面的圆弧半径)，R＝13mm，r＝16mm。
本实施例中，前楔块3与后楔块4相接触的斜面与楔块组件的底部平面之间的夹角α为65°。
实施例三
本发明实施例三的自动换刃的PDC切削齿与实施例一结构基本相同，不同之处在于：
如图10所示，聚晶金刚石层的刃面为凸面，凸面切削齿适用于砾石层等非均质硬地层，其凸形刃面可对齿前岩石进行挤压破碎，利于岩石初始破裂；该型齿抗冲击性强、耐磨性好。
本实施例中，上刃硬质合金基体1a的厚度H大于下刃硬质合金基体2a的厚度h，H-h＝2mm。
本实施例中，圆弧形燕尾凸起的圆弧半径R与下刃2的外表面圆弧半径r(即圆柱面的圆弧半径)相等，本实施例中，R＝r＝13mm。
本实施例中，前楔块3与后楔块4相接触的斜面与楔块组件的底部平面之间的夹角α为45°。
本发明的自动换刃的PDC切削齿换刃切削工作原理如下：
如图11所示，钻井过程中，PDC切削齿以下刃切削破碎岩石，与此同时，PDC切削齿自身不断被岩石磨损，下刃与岩石的接触面面积不断增大，破岩能力减低，钻井速度变慢，下刃磨损的同时，用于固定下刃的螺纹紧固件一同磨损；如图12所示，当螺纹紧固件的头部全部磨损以后，螺纹紧固件对下刃的固定失效；如图13所示，在PDC切削齿的切削阻力作用下，下刃向着切削方向的反方向移动，前楔块相对于后楔块向上向后滑动，沿着斜面滑进容置腔的滑动空间，切削齿的上刃露出，实现自动换刃；由于上刃是未经磨损的新切削刃，因此切削齿的破岩能力恢复，重新实现高速破岩。
本发明的自动换刃的PDC切削齿具有上刃和下刃两个切削刃，在下刃磨损后能自动更换新的切削刃即上刃进行切削，大幅延长了PDC切削齿的单齿使用寿命，进而延长了整个PDC钻头井下工作时间，减少了起下钻、更换钻头等钻井辅助时间，有效提高了钻井施工效率，降低了钻井成本。
以上所述为本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分皆为本领域的已知技术，本本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换皆在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，包括：
上刃和下刃，所述上刃与所述下刃滑动连接，所述上刃设置有上刃凹槽，所述下刃设置有与所述上刃凹槽位置对应的下刃凹槽，所述下刃凹槽与所述上刃凹槽对扣形成容置腔；
楔块组件，所述楔块组件设置于所述容置腔，所述楔块组件与所述上刃凹槽的槽底之间留有滑动空间，所述楔块组件包括相接触的前楔块和后楔块，所述前楔块与所述后楔块的接触面为斜面；
螺纹紧固件，所述螺纹紧固件贯穿所述下刃，所述螺纹紧固件的螺杆段与所述前楔块螺纹连接。
2.如权利要求1所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述下刃设置有与所述下刃凹槽连通的下刃阶梯通孔，所述下刃阶梯通孔包括大径孔和小径孔，所述螺纹紧固件的头部位于所述大径孔，所述螺纹紧固件的光杆段位于所述小径孔。
3.如权利要求1所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述斜面自下向上、自前向后倾斜，所述斜面与所述楔块组件的底部平面之间的夹角α为锐角。
4.如权利要求3所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述α为45°-65°。
5.如权利要求1所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述上刃凹槽的槽深大于所述下刃凹槽的槽深。
6.如权利要求1所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述上刃、所述下刃均由硬质合金基体和聚晶金刚石层复合而成，所述上刃凹槽开设于所述上刃的所述硬质合金基体，所述下刃凹槽开设于所述下刃的所述硬质合金基体。
7.如权利要求6所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述上刃的所述硬质合金基体的厚度大于所述下刃的所述硬质合金基体的厚度。
8.如权利要求6所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述聚晶金刚石层的刃面为平面；或者，所述聚晶金刚石层的刃面为异形面。
9.如权利要求1所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述上刃与所述下刃通过滑动连接结构滑动连接，所述滑动连接结构包括设置于所述上刃的燕尾凸起和设置于所述下刃的燕尾凹槽，所述燕尾凸起与所述燕尾凹槽滑动配合，所述上刃凹槽开设于所述燕尾凸起，所述下刃凹槽开设于所述燕尾凹槽。
10.如权利要求9所述的自动换刃的PDC切削齿，其特征在于，所述上刃与所述下刃的外表面相接形成圆柱面，所述燕尾凸起为圆弧形燕尾凸起，所述燕尾凹槽为圆弧形燕尾凹槽，所述圆弧形燕尾凸起的圆心与所述圆柱面的圆心偏置，所述圆弧形燕尾凸起的圆弧半径小于或者等于所述圆柱面的圆弧半径。
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