CN112983286B - 切削齿及具有其的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于切削地层的钻头和切削齿。钻头包括钻头本体、多个切削齿、多个带有分别容纳切削齿的凹槽的刀翼。多个切削齿中的每一个都具有超硬层，超硬层的两个侧面从基体斜向内延伸至超硬层的顶面，两个侧面之间的凸起部分。凸起部分包括过渡面，过渡面在相邻的两个侧面之间延伸时是凸面。过渡面的曲率沿切削齿轴变化，切削刃处的曲率大于切削齿外圆柱表面的曲率。

Description

切削齿及具有其的钻头

技术领域

本发明总体涉及油气勘探和钻井作业用钻头，具体涉及用于钻头中的切削单元，一种切削齿及具有其的钻头。

背景技术

在钻井时，例如为了开采油气或其他应用，通常在钻柱下端连接钻头。通过地面钻杆传动或井下马达或涡轮或两种方法结合旋转钻头。钻头旋转并进入地下地层。当钻头旋转时，切削齿或其研磨结构切割、压碎、剪切和/或研磨地层材料以形成井眼。

参照图1，展示了适于钻穿岩层形成井眼的常规钻头。钻头包括钻头主体3和多个刀翼4，以及用于将钻头连接到钻柱(未示出)的连接件或销32，钻柱(未示出)用于围绕钻头纵向主轴6旋转钻头进行钻井。刀翼4由通道或间隙隔开，这些通道或间隙使钻井液能够流过刀翼4和切削齿5，并清洁和冷却刀翼4和切削齿5。切削齿5以预定的角度方向和径向位置固定在刀翼4中，使工作面503形成相对待钻地层所需的后倾角度。在钻头本体3中形成流体通道31，多个水眼33与流体通道连通。通过液压泵，钻井液以选定的方向和流速在刀翼4之间排出，润滑和冷却钻头、刀翼4和切削齿5。当钻头旋转并穿透地层时，钻井液也会清洗井底和清除岩屑。

钻头本体3基本上是圆柱形的。多个切削齿5位于刀翼4的外缘上，此外，刀翼4的外缘包括锥形部分431、鼻部432、肩部433和保径部分434。锥形部分431靠近钻头中心轴。

在钻头本体3中，保径部分434位于钻头本体3的侧壁上，切削齿5分布在刀翼4的锥形部分431、鼻部432、肩部433和保径部分434上。

参考图2A-2C，典型的切削齿5基本上是圆柱形的，包括圆柱形底部和圆柱形顶部。底部称为基体504，通常由硬质复合材料(例如碳化钨)制成，顶部称为超硬层502，通常由超硬耐研磨材料(例如聚晶金刚石(PCD))制成。基体504和超硬层502通过高压高温工艺烧结在一起。在超硬层502的顶端，加工倒角507，从而在下钻和钻井开始时增加切削刃的耐久性。值得注意的是，倒角507的至少一部分还可以用作钻井作业期间接触地层的工作面。超硬层502的顶面503和倒角面507在顶刃513处相交，超硬层502的圆柱面512和倒角面507也相交于下切削刃514。下切削刃514是主要的切削刃，其曲率与切削齿外圆柱面504的曲率相同。由于倒角507是从下切削刃514向内拉到上切削刃513的，所以倒角的下切削刃的曲率小于上切削刃513的曲率。

钻头装配不同尺寸的切削齿来适应不同的应用。例如，直径较小的切削齿通常用于钻取坚硬地层，因为其曲率较大的切削刃易于穿透或咬合地层。大直径切削齿用于钻取相对较软的地层，因为它们可以从钻头刀翼上延伸更长，从而允许较高的钻速。

然而，许多地层具有混合特征，即，地质地层可能软硬交错或地层硬度随井眼的位置和深度不同而变化，选择切削齿的最佳尺寸并没有想象中那么简单。地质地层的变化可以影响所需的切削齿类型、钻头钻速、钻头转速以及钻头的载荷或钻压。如果在理想操作范围之外操作切削齿，切削齿可能会损坏或严重降低切削齿的寿命。通常适应一种地层的切削齿可能钻遇不同的地层。例如，大直径的切削齿可能会钻穿一个没有预计到的坚硬地层，从而导致切削齿难以咬入地质地层，并降低钻速。

为了使大直径切削齿容易进入地层，开发了楔形的切削齿。参考图3A-3C，显示楔形的切削齿的透视图、前视图和俯视图。图3A可被视为图2A中的切削齿部分的截面被切割掉，凸部524延伸在基本上为平面的侧面520和521之间。由于部分切削齿被切割，切削齿钻进地层达到一定深度时，与地层的横截面积减小，因此切削齿更容易钻入地层。但这一优势只体现在钻进较软地层的情况。在钻进坚硬地层时，通常切深较浅，侧面尚未切入地层。由于楔形的切削齿切削刃的曲率与切削齿周边的曲率相同，破裂岩层所需要的力与传统的柱状性切削齿一样，楔形齿并不能更有效的切入坚硬地层。钻进坚硬地层时，切削齿的工作面上产生过大的载荷和较高的热量，从而降低切削齿的使用寿命。

因此，需要开发一种能够提高切割效率和使用寿命的切削齿。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种切削齿及具有其的钻头，以解决现有技术中切削齿切割效率低、寿命短的问题。

在一个方面中，本发明涉及钻头上用于破裂地层的切削齿。钻头包括钻头本体、多个切削齿和多个带有分别容纳切削齿的凹槽的刀翼。多个切削齿中的每一个都具有超硬层，从基体斜向内延伸至超硬层的顶面的两个侧面，和两个侧面之间的凸起部分。凸起部分包括过渡面，过渡面延伸至两个侧面，形成凸面。从过渡面底部到过渡面顶部，过渡面的曲率随中心轴的增大而增大。过渡面的曲率沿基体的中心轴发生变化。过渡面曲率的变化可以是连续的或不连续的。过渡面通过电火花加工、激光烧蚀、研磨或其他材料减材方法加工。超硬层是由聚晶金刚石(PCD)组成。

在一些实施例中，两个侧面是上述的平面、凸面、凹面或组合。

在一些实施例中，超硬层包括平面顶面或凸出的圆顶形顶面。

在一些实施例中，超硬层包括起伏的顶面。

在一些实施例中，超硬层包括多个平顶表面，例如两个倾斜的平面或三个倾斜的平面。

在一些实施例中，超硬层包括凹形顶面。

在另一方面，本发明涉及用于切削地层的钻头。钻头包括钻头本体、上述的一个或多个切削齿、多个带有分别容纳切削齿的凹槽的刀翼。

上述内容大致概述了本发明的特征，以便更好地理解下面的详细描述。下文将描述本发明的附加特征和优点，它们构成发明说明主要部分。

附图说明

为了获得上述叙述和本发明的其他优点和功能，将通过参考附图中所示的本发明的具体实施例在本发明上述简要描述的基础上呈现更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加的特殊性和细节来描述本发明，其中：

图1是现有技术的钻头的剖视图；

图2A是具有平面工作面的现有技术的切削齿的透视图；

图2B是图2A中的切削齿的前视图；

图2C是图2A中的切削齿的俯视图；

图3A是楔形的切削齿的透视图；

图3B是图3A中楔形的切削齿的前视图；

图3C是图3A中楔形的切削齿的俯视图；

图4A是根据本发明的一个实施例的具有平面顶面的楔形的切削齿的透视图；

图4B是图4A中楔形的切削齿的前视图；

图4C是图4A中楔形的切削齿的俯视图；

图5A是根据本发明一个实施例的具有圆顶表面的楔形的切削齿的透视图；

图5B是图5A中楔形的切削齿的前视图；

图5C是图5A中楔形的切削齿的俯视图；

图6A是根据本发明一个实施例的具有两个倾斜平顶面的楔形的切削齿的透视图；

图6B是图6A中楔形的切削齿的前视图；

图6C是图6A中楔形的切削齿的俯视图；

图7A是根据本发明一个实施例的具有三个倾斜平顶面的楔形的切削齿的透视图；

图7B是图7A中楔形的切削齿的前视图；

图7C是图7A中楔形的切削齿的俯视图；

图8A是根据本发明一个实施例的具有凹面顶面的楔形的切削齿的透视图；

图8B是图8A中楔形的切削齿的前视图；

图8C是图8A中楔形的切削齿的俯视图；

图9A是根据本发明一个实施例的具有三个倾斜平顶面的楔形的切削齿的透视图；

图9B是图9A中楔形的切削齿的前视图；

图9C是图9A中楔形的切削齿的俯视图。

具体实施方式

本文所展示的细节仅作为示例以及用于对本发明的优选实施例的说明性讨论，并且呈现在认为是对本发明的各种实施例的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述等原因中披露。在这方面，除了本发明的基本理解所必需信息外，没有披露更详细信息用于展示本发明的结构细节，附图中的描述向本领域技术人员表明了在实践中如何实现本发明的几种形式。

具体的，本发明提供了一种具有增大曲率切削刃的切削齿及具有其的钻头。

图4A-4C示出了本发明的楔形的切削齿51的实施例。根据本发明，切削齿51具有圆柱形的基体504和布置在其上的超硬层502。基体504具有中心轴530和通常为圆柱形的侧面。顶面503在超硬层502的远端垂直于中心轴530。基体504可以由本领域已知的任何基体材料形成，例如硬质合金。超硬层502可以由本领域已知的任何超硬材料形成，例如聚晶金刚石或多晶立方氮化硼。超硬层502的底面(未示出)粘合在基体504的上表面(未示出)上。在这里，底面和上表面之间的表面连接统称为界面515。基体504具有倒角拐角534，其有助于将切削齿51插入和安装到在钻头的接收孔中。尽管在本实施例中基体504是具有圆形横截面的圆柱形，但基体504也可以具有非圆形横截面(例如，基体504的横截面可以是椭圆形、矩形、不对称形状等)。在超硬层502的顶端具有加工倒角507。超硬层502的顶面503和倒角507在上切削刃513处相交，超硬层502的圆柱侧面512和倒角507在下切削刃514处相交。

切削齿51包括两个侧面520和521。侧面520和521从基体504斜向内延伸到顶面503，因此它们可以被视为图2A中基体504和超硬层502的一部分被切断。侧面520和521通常是平面的，但不需要绝对平坦。例如，侧面520和521可以是微凸或微凹的。给定本实施例的基本平面侧面520和521，侧面520和521与通常为平面的顶面503的交集形成线性延伸的边缘段508、509。凸起部分523位于两个侧面520和521之间，凸起部分523具有过渡面524。过渡面524在相邻的侧面520和521之间延伸时通常是凸面或向外弯曲的。过渡面524分别在边缘526和527处与两个侧面520和521相交。过渡面524可以与侧面520和521相切，也可以不相切。过渡面524在边缘516处与基体上的圆柱面相交，并且在边缘段525处与顶面503相交。在一些实施例中，对边缘段508、509和525进行机加工形成倒角以增加切削边缘的耐久性。因此，切削齿51的侧面包括四个部分，一个圆柱面、两个侧面520和521以及侧面之间的一个过渡面524。圆柱面是切削齿外圆柱表面517。

如图4A所示，过渡面524的曲率沿中心轴530变化。特别地，过渡面524的曲率随着从边缘516到边缘段525的轴向距离而增大。在一些实施例中，过渡面524的曲率的变化是连续的，在一些实施例中，过渡面524的曲率的变化是不连续的。切削齿51的半径为R，凸起部分523的半径随着从边缘516到边缘段525的轴向距离而减小，凸起部分523的半径在边缘516处为R，在边缘段525处为r，其中r<R。因此，凸起部分523的横截面积沿着中心轴530从边缘516到边缘段525减小。

需要说明的是，上述过渡面524是局部圆锥面或局部斜圆锥面或是顶部切削刃处的曲率大于切削齿外圆柱表面曲率的其他曲面。

制造切削齿的方法可以使用硬质合金体作为基体，其中硬质合金颗粒与钴做成合金。硬质合金基体被放置在一层超硬材料颗粒(例如金刚石或立方氮化硼颗粒)附近，并且在超硬材料颗粒热力学稳定的压力下使该组合经受高温。这导致直接在硬质合金基体上部表面上再结晶，进而形成多晶超硬材料层，例如聚晶金刚石或多晶立方氮化硼层。

可以通过电火花加工(EDM)、激光加工(LP)、研磨或其他材料减材方法来加工两个侧面520和521以及过渡面524。电火花加工是利用火花放电产生的腐蚀现象加工材料尺寸的一种方法。在低电压范围内，电火花加工在液体介质中进行放电。电火花加工是一种自激放电，其特点是：放电前，火花放电所用的两个电极之间存在较高的电压，当两个电极接近时，它们之间的电介质被击穿，产生火花放电。在击穿过程中，两电极之间的电阻突然减小，从而使两电极之间的电压突然降低。为了保持火花放电的“冷极”特性，即没有足够的时间将通道能量产生的热能传递到电极的深度，必须在保持短暂时间后立即熄灭火花通道。沟道能量可以部分腐蚀电极。在电火花加工金刚石复合板时，由于烧结金刚石复合板过程中产生的残余催化剂金属钴具有导电性，因此金刚石复合板可以作为电火花加工中的电极，从而实现电火花加工。

电火花加工可避免烧结过程中由于无法精确控制金刚石收缩而产生的误差。电火花加工技术可以有效控制加工精度，减少加工过程中对基体504的损伤。电火花加工形成的过渡面524具有加工精度高、成本低、对基体504损伤小等特点。

超硬层的顶面可以是平的，也可以是任何其他形式的。图5A-5C示出了本发明的楔形的切削齿52的替代实施例。楔形的切削齿52的部件与图4A-4C中楔形的切削齿51的部件基本相同，但切削齿52具有突出的圆顶形顶面543。圆顶形顶面543在切削地层过程中提供了高强度和耐久性。

超硬层的顶面可以由多个平面组成，例如图6A-6C所示的两个倾斜平面。楔形的切削齿55的部件与图4A-4C中楔形的切削齿51的部件基本相同。区别在于切削齿55在超硬层502的顶部有两个倾斜的平面551和552。两个倾斜平面551和552从超硬层502的外围到中心逐渐增加，并在凸脊553处会合。凸脊553位于凸起部分523的轴对称平面上。

图7A-7C示出了本发明的楔形的切削齿56的另一个实施例。楔形的切削齿56的部件与图4A-4C中楔形的切削齿51的部件基本相同。不同的是，切削齿56在超硬层502的顶部有三个斜面561、562和563。三个倾斜的平面沿切削齿56的轴向向外和向下倾斜。三个斜面561、562和563相互交叉，形成三个凸脊566、567和568。三个凸脊的内端收敛于超硬层502的上表面的中心，三个凸脊的外端延伸至超硬层502的顶表面的外边缘，使得三个凸脊形成基本上“Y“”型图案。凸脊可以大大提高切削齿的正向抗冲击能力。另外，位于超硬层502的顶面边缘的外端的凸脊作为切割点。

图8A-8C说明了本发明的楔形的切削齿57的又一实施例。楔形的切削齿57的部件与图4A-4C中楔形的切削齿51的部件基本相同。不同之处在于切削齿57具有凹形顶面。超硬层502包括顶面中心区域内的凹面572、围绕切削齿的整个周边或部分周边的平坦或有角度的表面571。与用作切削刃的凸起部分523相邻的锥面576给出所需的后倾角，并且与切削刃相对的锥面充当断屑槽577，断开切削条带并将切屑从切削表面引开。以碎屑或其他碎片形式从地层中移除的材料，可在不对地层施加显著压缩力的情况下移除。切屑或其他碎片可能会在撞击切削齿表面的另一部分时破碎成更小的碎片。切削齿还可以防止碎屑或其他碎屑在钻头表面聚集，而是将碎屑或其他碎屑引导到钻头的液压流中，从而将碎屑或其他碎屑从钻头中带走。

图9A-9C示出了本发明的楔形的切削齿58的另一个实施例。楔形的切削齿58在超硬层502的顶部有三个斜面581、582和583。两侧面581和583沿切削齿58的轴向向外和向下倾斜，并与中间斜面582相交，形成凸脊584和585。两侧面581和583可以是平面、圆顶面、凹面或其它形状。中间斜面582可以是与切削齿底面平行或形成一定的角度的平面，也可以是圆顶面、凹面或其它形状。中间斜面582与过渡面524相交于525，形成切削刃或部分切削刃。

凸起部分523具有在相邻侧面520和521之间延伸的过渡面524。过渡面524分别在边缘526和527处与两个侧面520和521相交。边缘526和凸脊584在倒角上的点587处相交，而边缘527和凸脊585在倒角上的点588处相交。点587和588可以帮助切削地层。

该切削齿可由烧结工艺加工成型，而不是烧结后加工。

在一些实施例中，本发明还提供了一种钻头，其包括上述楔形的切削齿。

根据本发明，可以在不进行不当实验的情况下制备和执行本文中公开和要求保护的所有成分和方法。虽然本发明的成分和方法已经根据优选实施例进行了描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离概念、精神和范围的情况下，可以对成分和方法以及本文所述方法的步骤或步骤顺序应用变化。

更具体地说，显而易见的是，在将获得相同或类似结果的同时，可以用与之相关的某些代理来代替本文所描述的代理。对本领域技术人员来说显而易见的所有此类类似替代和修改被视为在所附声明所定义的精神、范围和概念内。

Claims (21)

1.一种切削齿，其特征在于，包括：

基体；

超硬层；

由所述基体向所述超硬层的顶面斜向内延伸的两个侧面；

两个所述侧面之间的凸起部分；

所述凸起部分具有过渡面；

所述过渡面在边缘处与所述基体上的圆柱面相交，并且在边缘段处与所述顶面相交；

所述切削齿的侧面包括四个部分，一个所述圆柱面、两个所述侧面以及所述侧面之间的一个所述过渡面；

所述切削齿的半径为R，所述凸起部分的半径随着从所述边缘到所述边缘段的轴向距离而减小，所述凸起部分的半径在所述边缘处为R，在所述边缘段处为r，其中r<R。

2.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面延伸至两个所述侧面形成凸面。

3.根据权利要求2所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的曲率沿所述基体的中心轴变化。

4.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的曲率随中心轴从所述过渡面的底部至所述过渡面的顶部而增加。

5.根据权利要求4所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的顶部的曲率大于切削齿外圆柱表面的曲率。

6.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的曲率的变化是连续的。

7.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的曲率的变化是不连续的。

8.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面的底部位于所述超硬层的外圆柱表面、所述基体的外圆柱表面和所述切削齿的底面中的一个。

9.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面是局部圆锥面或是顶部切削刃处的曲率大于切削齿外圆柱表面曲率的曲面。

10.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述两个侧面为平面、凸面、凹面或平面、凸面和凹面的组合。

11.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括平面顶面。

12.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括突出的圆顶形顶面。

13.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括多个平顶表面。

14.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括两个或三个倾斜平坦表面。

15.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括凹形顶面。

16.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层包括起伏的顶面。

17.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述超硬层由PCD形成。

18.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面通过电火花加工、激光加工、磨削进行加工。

19.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述过渡面通过材料减材方法进行加工。

20.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿经烧结工艺而直接成型。

21.一种钻头，其特征在于，包括权利要求1至20中任一项所述的至少一个切削齿。