一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件制造技術

本發明專利技術公開了一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，屬于石油天然氣、地熱工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備技術領域，包括基體和固定在基體上的至少兩個切削齒，其中至少一個切削齒為通過基體上設置的凹窩固定的表面切削齒，至少一個切削齒為內部切削齒，所述基體上還設置有至少一個空槽，至少一個內部切削齒通過空槽內設置的凹窩固定在空槽內，且該內部切削齒部分或全部切削刃出露于空槽內表面。本發明專利技術通過改變切削齒的布置形式，實現切削元件在破巖過程中保持高比壓狀態，提高切削元件的有效利用率，進而提高鉆頭的破巖效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于石油天然氣、地熱工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備
，涉及應用于鉆頭上的一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件。
技術介紹
鉆頭切削齒是在鉆井過程中直接與巖石接觸，通過剪切、沖壓等方式破碎巖石的切削元件。金剛石鉆頭依靠穩定性、耐磨性強的金剛石材料作為切削齒，在鉆井工程中取得的進尺數已經占到了油氣鉆井總進尺的80％以上。機械鉆速和使用壽命是是衡量鉆頭性能的兩個重要指標，相比于使用壽命，鉆井提速更為重要。決定鉆頭機械鉆速的關鍵在于鉆頭上的切削齒對巖石的吃入能力。而切削齒的吃入能力與切削齒的比壓值有關，比壓值越大鉆頭的吃入能力越強，鉆進效率也就越高。在鉆壓相同的條件下，鉆頭與巖石間的接觸面積越小，比壓值越大。目前，金剛石鉆頭所應用的切削齒都存在一個共同點：在新鉆頭時，切削齒的切削刃長度較小，比壓值較大，鉆頭的破巖效率高；當鉆頭出現一定的磨損后，切削齒的切削刃長度增加，比壓值變小，鉆頭破巖效率變低。為提高切削齒的性能，國內外學者針對切削齒的形狀、尺寸以及材料等方面進行了大量的研究，取得了一些高性能的專利齒技術。但切削齒切削刃變長后，破巖效率變低的狀況依然沒有得到有效的改善。中國專利CN201210206965.7公開了了一種“鉆進比壓可控的模塊切削齒”，該專利模塊齒包含有模塊基體和模塊單元，其中模塊單元作為主要切削元件內鑲在模塊基體內。在一定程度上，緩解了切削齒磨損后機械鉆速降低的狀況。當磨損發生時，模塊單元的部分切削刃由于“自銳”暴露在基體外與巖石互作用，但模塊單元周圍的模塊基體也直接與井底巖石接觸并發生磨損，分擔了一定量的鉆壓，使直接作用到模塊單元上的比壓值減小，進而降低了模塊齒應有的破巖效率。
技術實現思路
本專利技術的目的在于：提出一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，通過改變切削齒的布置形式，實現切削元件在破巖過程中保持高比壓狀態，提高切削元件的有效利用率，進而提高鉆頭的破巖效率。本專利技術的另一目的在于，提供具有上述鉆頭切削元件的鉆頭。本專利技術目的通過下述技術方案來實現：一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，包括基體和固定在基體上的至少兩個切削齒，其中至少一個切削齒為通過基體上設置的凹窩固定的表面切削齒，至少一個切削齒為內部切削齒，所述基體上還設置有至少一個空槽，至少一個內部切削齒通過空槽內設置的凹窩固定在空槽內，且該內部切削齒部分或全部切削刃出露于空槽內表面(切削刃出露高度大于零，乃至大于等于其切削刃總高)。上述方案中，所述基體上設置有至少一個空槽(貫通或不貫通的)，至少一個內部切削齒以部分或全部切削刃出露的形式固定在所述空槽內，當切削元件的磨損超過表面切削齒后，相應位置的內部切削齒快速暴露出來，以銳利的高比壓狀態繼續切削巖石。其中，表面切削齒指齒刃超出基體輪廓線的切削齒，是切削單元承擔早期破巖任務的切削齒，如圖5所示，此時t≥0時。內部切削齒具體是指在切削齒切削刃全部包含在基體輪廓線內(即t＜0)，當切削單元發生顯著磨損后才開始工作的切削齒，此時切削元件基體上的表面切削齒已經顯著磨損甚至全部磨掉，因此內部切削也可稱作后繼切削齒。表面切削齒的設計，將破巖初期總的切削刃長度被控制在一定范圍內，該部分切削齒首先與巖石接觸而基體材料不與巖石接觸，保證了鉆進初期切削齒較高的比壓值，即保證了切削齒對地層的吃入能力，鉆進效率高。當切削元件的磨損超過表面切削齒后，相應位置空槽內的內部切削齒快速暴露出來，以銳利的高比壓狀態繼續破巖。同時，空槽結構的設計，還有利于減少基體與巖石的接觸面積，避免了鉆壓較大的損失，保證切削齒具有較高的比壓值，進而保證了鉆進時的機械鉆速。此外，現有技術切削元件，當磨損量增加時，切削齒切削刃變長，比壓值較低，機械鉆速急劇下降，而不能繼續鉆進，導致切削元件的利用率較低。本專利技術所述的切削齒在磨損量增加時，能保持較高的比壓值，因此能夠提高切削元件的有效利用率。根據以上所述的主方案，當切削元件布置在鉆頭體上的固定刀翼上時，切削齒、基體以及刀翼之間的組合布置有較多的方案，較優的包括三種：一是空槽的軸線與刀翼的前端面相垂直或基本垂直，且切削齒的軸線、空槽的軸線以及基體的軸線相互平行，如圖2所示；二是空槽的軸線與刀翼的前端面相垂直或基本垂直，基體軸線與切削齒的軸線相平行，且與空槽軸線成一定夾角，如圖3所示；三是基體軸線與空槽軸線相平行，切削齒的軸線與基體軸線或空槽軸線成一定夾角，如圖4所示。作為優選方式，至少一個所述表面切削齒在基體上的出露高度t大于等于零，且至少一個內部切削齒在空槽內的出露高度h不小于其總高的四分之一。如圖5所示，固定在空槽內部的切削齒，其出露高度值h與切削齒總高度H的比值不小于四分之一，即h/H≥1/4。作為優選方式，所述空槽的截面形狀包括圓形、橢圓形、梯形、三角形、跑道形、菱形、長方形、正方形、扇形、邊數大于等于5的多邊形以及它們的組合形狀；所述切削齒的截面形狀包括圓形、橢圓形、梯形、三角形、菱形、長方形、正方形、扇形、邊數大于等于5的多邊形以及它們的組合形狀；所述基體的截面形狀包括圓形、橢圓形、梯形、三角形、跑道形、菱形、長方形、正方形、扇形、邊數大于等于5的多邊形以及它們的組合形狀。作為優選方式，基體和切削齒的截面形狀為圓形，基體的直徑不小于16mm，切削齒的直徑不大于8mm。作為優選方式，所述切削元件中的至少一個表面切削齒與固定有內部切削齒的空槽相連通。上述方案中，參考圖5，當磨損發生時，表面切削齒與空槽結構相連通(圖中居中、最大的表面切削齒與空槽部分重合、連通)，能使已被顯著磨損的表面切削齒快速脫落基體，而固定在空槽內的內部切削齒暴露出來參與工作，使較慢鉆速的鉆進持續較短時間(表面切削齒過度磨損后，在一定程度上基體與巖石接觸，分擔鉆壓，機械鉆速有所下降)。作為優選方式，所述切削元件中至少有一個空槽內未設有內部切削齒。作為優選方式，所述切削齒為聚晶金剛石復合片、熱穩定聚晶金剛石齒、天然金剛石、人造金剛石顆粒、孕鑲金剛石齒、立方氮化硼齒或陶瓷齒。作為優選方式，所述基體材料為鋼、合金鋼、鋼結硬質合金或鎢鈷硬質合金。一種鉆頭，包括前述的鉆頭切削元件，所述切削元件用焊接等方法固結在全面鉆進、擴孔鉆進或邊鉆邊擴的PDC鉆頭、孕鑲鉆頭、牙輪鉆頭，或PDC刀翼與運動切削結構(牙輪、盤刀、沖旋鉆頭等在內的具有相對鉆頭體旋轉或滑移的運動單元)相結合的復合鉆頭上，作為鉆頭的切削元件。作為優選方式，至少有兩個基體結構及尺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特征在于：包括基體和固定在基體上的至少兩個切削齒，其中至少一個切削齒為通過基體上設置的凹窩固定的表面切削齒，至少一個切削齒為內部切削齒，所述基體上還設置有至少一個空槽，至少一個內部切削齒通過空槽內設置的凹窩固定在空槽內，且該內部切削齒部分或全部切削刃出露于空槽內表面。

【技術特征摘要】
1.一種具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特征在于：包括基體和固定在基體上的至少
兩個切削齒，其中至少一個切削齒為通過基體上設置的凹窩固定的表面切削齒，至少一個切
削齒為內部切削齒，所述基體上還設置有至少一個空槽，至少一個內部切削齒通過空槽內設
置的凹窩固定在空槽內，且該內部切削齒部分或全部切削刃出露于空槽內表面。
2.如權利要求1所述的具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特征在于：至少一個所述表
面切削齒在基體上的出露高度大于等于零，且至少有一個內部切削齒在空槽內的出露高度不
小于其總高度的四分之一。
3.如權利要求1所述的具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特征在于：所述空槽、切削
齒或基體的截面形狀包括圓形、橢圓形、梯形、三角形、跑道形、菱形、長方形、正方形、
扇形、邊數大于等于5的多邊形以及它們的組合形狀。
4.如權利要求1所述的具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特征在于：所述切削齒的截
面形狀為圓形，其直徑不大于8mm；所述基體的截面形狀為圓形，其直徑不小于16mm。
5.如權利要求1所述的具有持續鋒利切削刃的鉆頭切削元件，其特...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊迎新，劉清友，晏凌，張春亮，戚清亮，林敏，楊燕，高翔，
申請(專利權)人：西南石油大學，成都為一石油科技有限公司，
類型：發明
國別省市：四川;51