CN105927157A - 切削齿及具有其的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种切削齿及具有其的PDC钻头，其中，所述切削齿包括柱体结构的基体，所述基体的端部形成有铲入部，所述铲入部包括：沿所述基体的壁面延伸的第一侧面；形成于所述基体的顶面的铲面，从所述主铲刃向与所述主铲刃相对的所述基体的壁面倾斜延伸；形成于所述铲面的主铲刃；其中所述铲面具有铲顶和铲底，所述铲顶距所述基体的底面的距离为铲顶高度，所述铲底距所述基体的底面的距离为铲底高度，所述铲顶高度大于所述铲底高度。本发明提供的切削齿与岩层接触的面积非常小，切削压强非常大，很容易扎入岩层并将岩层裂开，速度快，效率高，提高了切削齿的使用寿命。

Description

切削齿及具有其的PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种石油钻井技术，具体而言，涉及一种切削齿。本发明还涉及一种PDC钻头。

背景技术

传统的石油钻井用的PDC钻头，其切削齿通常为圆柱横齿、圆柱立齿和尖齿，虽然上述形式的切削齿在石油钻井的历史长河中发挥了重要的作用，然而，上述形式的切削齿仍然存在着不足。具体如下：

①圆柱横齿：圆柱横齿与岩石的接触面积较大，切削阻力大，不易切入地层，因此易崩碎复合片；②除此，圆柱横齿磨损快，切削效率低，随着复合片的磨损，切削面迅速由立体圆角逐渐变成平角，钻头切削的面积逐渐增大，切削压强降低，使进给量不断减小，钻头弧顶逐渐变小，使钻头很快失去切削能力；③圆柱立齿的金刚石层厚度偏低，使用寿命较短，切削效果差。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种切削齿，以提高切削齿的使用寿命。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种PDC钻头，以通过提高切削齿的使用寿命来提高PDC钻头的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种所述切削齿包括柱体结构的基体，所述基体的端部形成有铲入部，所述铲入部包括：第一侧面，所述第一侧面沿所述基体的壁面延伸；主铲刃，所述主铲刃为所述第一侧面的一部分；铲面，所述铲面从所述主铲刃向与所述主铲刃相对的所述基体的壁面倾斜延伸，其中所述铲面具有铲顶和铲底，所述铲顶距所述基体的底面的距离为铲顶高度，所述铲底距所述基体的底面的距离为铲底高度，所述铲顶高度大于所述铲底高度。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削齿包括柱体结构的基体，所述基体的端部形成有铲入部，所述铲入部包括；第一侧面，所述第一侧面沿所述基体的壁面延伸；铲面，所述铲面从与所述第一侧面相对的所述基体的壁面向所述第一侧面倾斜延伸，以在靠近所述第一侧面处形成一个具有棱边的尖端，所述棱边为主铲刃，其中所述铲面具有铲顶和铲底，所述铲顶距所述基体的底面的距离为铲顶高度，所述铲底距所述基体的底面的距离为铲底高度，所述铲顶高度大于所述铲底高度。

根据本发明的一实施方式，其中所述铲面为曲面或由多个平面相互连接组成。

根据本发明的一实施方式，其中所述铲入部还包括：第二侧面，所述第二侧面与所述基体的底面呈第一夹角；第三侧面，所述第三侧面与所述基体的底面呈第二夹角；所述第二侧面和所述第三侧面相互间隔设置且分别位于所述铲面两侧，所述铲面设置于所述第二侧面和所述第三侧面之间。

根据本发明的一实施方式，其中所述铲顶高度H2的范围为5mm≤H2≤20mm，所述铲底高度H1的范围为3mm≤H1≤18mm。

根据本发明的一实施方式，其中所述铲入部的外表面上设置有聚晶层。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种PDC钻头，所述PDC钻头包括：钻头本体；切削齿，所述切削齿设置于所述钻头本体上；其中，所述切削齿包括：主切削齿，所述主切削齿为本发明提供的切削齿，所述主切削齿设置于所述钻头本体的冠部的顶面；保径齿，所述保径齿设置于所述钻头本体的冠部的外周面。

根据本发明的一实施方式，其中所述PDC钻头还包括切削刀翼，所述切削刀翼从所述钻头本体的冠部的顶面向所述钻头本体的冠部的外周面延伸，所述主切削齿和所述保径齿分别设置于所述切削刀翼上。

根据本发明的一实施方式，其中所述主切削齿在所述切削刀翼上具有侧偏角或负前角，其中所述侧偏角为γ，所述负前角为β，所述侧偏角和所述负前角的范围为：0°＜γ≤20°，0°＜β≤20°。

根据本发明的一实施方式，其中所述PDC钻头还包括水槽，所述水槽设置于相邻的所述切削刀翼之间，所述水槽中设置有喷嘴，所述喷嘴与水源连通。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削刀翼包括：第一直线段，所述第一直线段从所述冠部的靠近中心位置向边缘沿斜向上方向延伸，所述第一直线段具有尾端，所述尾端靠近所述边缘；第二直线段，所述第二直线段从所述冠部的所述顶面向所述冠部的底部延伸，所述第二直线段与所述基体的中心轴线平行，所述第二直线段具有首端，所述首端靠近所述顶面；圆弧段，所述圆弧段设置于所述第一直线段的所述尾端和所述第二直线段的所述首端之间，所述圆弧段向外突出，其中所述第一直线段与所述基体的底面的夹角为0°-45°。

根据本发明的一实施方式，其中所述PDC钻头还包括保护齿，所述保护齿设置于所述主切削齿和所述保径齿之间。

根据本发明的一实施方式，其中所述保径齿为半圆柱面结构或半圆形平面结构。

由上述技术方案可知，本发明的切削齿和PDC钻头的优点和积极效果在于：本发明提供的切削齿与岩层接触的面积非常小，切削压强非常大，很容易扎入岩层并将岩层裂开，速度快，效率高，由于该铲入部在经过磨损之后，仍能保持主铲刃与岩层之间具有较小的接触面积，从而提高了切削齿的使用寿命，有效地克服或避免上述现有技术中存在的缺点或不足。

更进一步地，通过使用上述切削齿，使具有上述切削齿的PDC钻头能够延长使用寿命。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的主视图。

图2是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的左视图。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的右视图。

图4是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的主视图。

图5是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的俯视图。

图6是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的剖面图。

图7是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的切削齿的侧偏角。

图8是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的切削齿的负前角。

图9是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的工作状态示意图。

图10是图9中的切削齿的纵向剖面图。

图11是现有技术中的切削齿的工作状态示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、钻头本体； 2、主切削齿； 3、保护齿；

4、保径齿； 5、切削刀翼； 6、喷嘴；

7、主铲刃； 8、铲面； 9、第一侧面；

10、第二侧面； 11、第三侧面； 21、基体；

γ、侧偏角； β、负前角； 夹角；

H1、铲底高度； H2、铲顶高度；

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的主视图。图2是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的左视图。图3是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的右视图。

参照图1至图3，根据本发明的一个方面，提供了一种切削齿，该切削齿包括柱体结构的基体21，可以理解的是，基体21的结构可以为椭圆柱体、方形柱体或其他本领域技术人员能够想到的柱体形结构都在本发明的保护范围内，本发明提供的圆柱体形的基体21，如图3所示，该基体21的直径可选择为10mm至25mm。

基体21的端部形成有铲入部，为了提高切削齿的硬度，铲入部的外表面上设置有聚晶层，铲入部包括：沿基体21的壁面延伸的第一侧面9；在第一侧面9的顶端形成有主铲刃7，主铲刃7为第一侧面9的一部分；从主铲刃7向与主铲刃7相对的基体21的壁面倾斜延伸形成有铲面8，其中铲面8具有铲顶和铲底，该主铲刃7所在的位置为铲顶，铲顶距基体21的底面的距离为铲顶高度H2，与主铲刃7呈180度夹角的基体21的壁面为铲底，铲底距基体21的底面的距离为铲底高度H1，铲顶高度H2大于铲底高度H1。

本说明书中定义的第一侧面，可看作是从基体21一侧向上延伸的一侧面，第一侧面只是对应基体21的部分侧面，以便用于形成主铲刃7和倾斜的铲面8，从而形成一个倾斜向一侧的铲入部，所述铲入部可以为楔形结构。由于该铲入部为楔形结构，在经过磨损之后，该铲入部仍能保持主铲刃7与岩层具有较小的接触面积，从而延长了切削齿的使用寿命。

图9是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的工作状态示意图。图10是图9中的切削齿的纵向剖面图。图11是现有技术中的切削齿的工作状态示意图。

铲面8从主铲刃7向与该主铲刃7呈180度的夹角的基体21的壁面延伸形成，可以理解的是，铲面8形成为铲入部的顶面或铲入部的顶面的一部分。在使用该切削齿时，主铲刃7***到岩层中，铲面8包裹切削形成的碎片，因此该切削齿的切削方式称为铲入式切削，如图9和图10所示。可以理解的是，主铲刃7可以为第一侧面9的顶端的一部分，该主铲刃7与岩层的接触面积小，在切削同等厚度的岩层的情况下，可以保持切削压力恒定或者具有很小的变化。另外，由于主铲刃7与岩层的接触面积小，使该主铲刃7容易铲入岩层并将岩层裂开，提高了切削速度。

参照图1至图3，根据本发明的一个方面，提供了一种切削齿，其中切削齿包括柱体结构的基体21，可以理解的是，基体21的结构可以为椭圆柱体、方形柱体或本领域技术人员能够想到的其他形状的柱体形结构都在本发明的保护范围内，本发明提供的圆柱体形的基体21，如图3所示。基体21的端部形成有铲入部，铲入部包括：沿基体21的壁面延伸的第一侧面9；从与第一侧面9相对的基体21的壁面向第一侧面9倾斜延伸形成有铲面8，以在靠近第一侧面9处形成一个具有棱边的尖端，棱边为主铲刃7，如图2所示，其中铲面8具有铲顶和铲底，该主铲刃7所在的位置为铲顶，铲顶距基体21的底面的距离为铲顶高度H2，与主铲刃7呈180度夹角的基体21的壁面为铲底，铲底距基体21的底面的距离为铲底高度H1，铲顶高度H2大于铲底高度H1。

可以理解的是，本实施方式中的切削齿与上述方案中的切削齿的结构类似，唯不同在于，主铲刃7形成在顶面的非边缘位置。铲面8从主铲刃7向与该主铲刃7呈180度的夹角的基体21的壁面延伸形成，可以理解的是，铲面8形成为铲入部的顶面或铲入部的顶面的一部分。同样可以理解的是，主铲刃7可以为第一侧面9的顶端的一部分，该主铲刃7与岩层的接触面积小，在切削同等厚度的岩层的情况下，可以保持切削压力恒定或者具有很小的变化。另外，由于主铲刃7与岩层的接触面积小，使该主铲刃7容易铲入岩层并将岩层裂开，提高了切削速度。

可以理解的是，铲面8可以为任意结构，例如但不限于铲面8可以为向基体21内部凹陷的凹面或向基体21外部突出的凸面。继续参照图1至图3，作为本发明的一实施方式，其中铲面8为曲面或由多个平面相互连接组成。本发明的一种实施方式提供的铲面8为向外突出的凸面，该凸面可以有多个具有不同倾斜斜率的平面连接形成，本发明中称由多个具有不同倾斜斜率的平面连接形成的面为多段面，如图3所示，使得主铲刃7为铲入部的顶端。可以理解的是，铲面8可以为向外突出的曲面，也可以为向内凹陷的曲面，也可以为向内凹陷的多段面，还可以为向外突出的多段面。切削齿可以有多种结构形式，例如但不限于切削齿可以为圆锥形立齿结构。

继续参照图1至图3，作为本发明的一实施方式，其中铲入部还包括第二侧面10和第三侧面11，第二侧面10与基体21的底面呈第一夹角；第三侧面11与基体21的底面呈第二夹角；第二侧面10和第三侧面11相互间隔设置且分别位于铲面8的两侧，如图1所示。第二侧面10和第三侧面11从铲面8的非边缘位置向基体21的壁面延伸形成，例如但不限于，第二侧面10和第三侧面11分别为从铲面8向下倾斜延伸的平面，从而使铲面8和第二侧面10之间的连接处以及铲面8和第三侧面11之间连接处分别形成有次切削刃。可以理解的是，第一夹角和第二夹角可以分别为锐角。在切削齿工作时，两个次切削刃也参加切削，从而加速了切削速度。

在使用该切削齿的过程中，主铲刃7与岩层接触，随着不断磨损，铲顶高度H2在变小，主铲刃7的位置则沿着铲面8向铲底移动。由于铲面8两侧具有第二侧面10和第三侧面11，因此主铲刃7的长度可以保持与初始状态相同，或者长度变化很小。从而可以保持主铲刃7与岩层具有较小的接触面积，在整个切削过程中钻井压力可以保持不变，并且切削齿具有较高的切削速度，延长了切削齿的使用寿命。

参照图2，作为本发明的一实施方式，其中铲顶高度H2的范围为5mm≤H2≤20mm，铲底高度的范围为3mm≤H1≤18mm。

图4是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的主视图。图5是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的俯视图。图6是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的剖面图。图7是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的切削齿的侧偏角。图8是根据一示例性实施方式示出的一种PDC钻头的切削齿的负前角。

参照图4至图8，作为本发明的另一方面，本发明提供一种PDC钻头，该PDC钻头包括：钻头本体1，钻头本体1可以为本领域技术人员能够想到的任意材料构成，例如但不限于钻头本体1为钢体构成。该钻头本体1可以为本领域技术人员能够想到的结构形式，例如但不限于圆柱体形结构，如图4和图5所示，该钻头本体1的公称直径为127mm至431.8mm，或者可以为5英寸至17英寸。本发明提供的PDC钻头还包括设置于钻头本体1上的切削齿。其中，切削齿包括：设置于钻头本体1的冠部的顶面的主切削齿2，主切削齿2为本发明提供的切削齿；设置于钻头本体1的冠部的外周面上的保径齿4，该保径齿4用于保护冠部的外周面以防止与岩层发生接触将其磨损。保径齿4可以具有本领域技术人员能够想到的结构形式，例如但不限于半圆柱面结构或半圆形平面结构。

继续参照图4至图6，作为本发明的一实施方式，其中PDC钻头还包括切削刀翼5，切削刀翼5从钻头本体1的冠部的顶面向钻头本体1的冠部的外周面延伸，主切削齿2和保径齿4分别设置于切削刀翼5上。切削刀翼5可以具有3至8个，本发明提供的一实施例中具有5个切削刀翼5，如图5所示。每个切削刀翼5上的主切削齿2的数量可以根据需要进行设置，例如但不限于每个切削刀翼5上可以至少设置有3个主切削齿2。

主切削齿2的设置方向以及设置夹角与PDC钻头的切削方向以及PDC钻头的切削角度有关，参照图7和图8，作为本发明的一实施方式，其中主切削齿2在切削刀翼5上具有侧偏角γ或负前角β，侧偏角γ或负前角β的范围为：0°＜γ≤20°，0°＜β≤20°。可以理解的是，本发明提供的一个实施例是主切削齿2的基体21的底面设置于钻头本体1中，如图5所示。

在PDC钻头工作的过程中会产生大量热量，为了避免该大量热量对PDC钻头的寿命造成影响，作为本发明的一实施方式，其中PDC钻头还包括水槽，水槽可以设置于相邻的切削刀翼5之间，还可以在水槽中设置有喷嘴6，喷嘴6与水源连通。可以理解的是，喷嘴6可以通过导管与水源连通，也可以在该PDC钻头的基体21内设置水腔，参照图4所示，喷嘴6与该水腔连通。喷嘴6的数量可以与PDC钻头的工作环境以及PDC钻头的旋转速度有关，可以根据需要任意选定，例如但不限于喷嘴6可以有4至18个。

参照图4和图6，作为本发明的一实施方式，其中切削刀翼5包括：从冠部的靠近中心位置向边缘沿斜向上方向延伸的第一直线段，该第一直线段与基体21的底面的夹角范围为0°至45°，第一直线段具有靠近边缘的尾端；从冠部的顶面向冠部的底部延伸的第二直线段，即可以理解的是，第二直线段从冠部的顶面向下延伸，第二直线段与基体21的中心轴线平行，第二直线段具有首端，首端靠近顶面；设置于第一直线段的尾端和第二直线段的首端之间的圆弧段，圆弧段向外突出。圆弧段的半径可以为需要的任意尺寸，例如但不限于半径为0mm至90mm之间的任意值。

继续参照图4和图6，作为本发明的一实施方式，其中PDC钻头还包括保护齿3，保护齿3设置于主切削齿2和保径齿4之间。本发明提供的一个实施方式中，保护齿3设置于靠近保径齿4的主切削齿2的下方，该保护齿3可以为圆柱横齿。保护齿3可以在每个切削刀翼5上的数量可以为0至1个。

本发明的PDC钻头，以侧偏角γ或负前角β的范围为：0°＜γ≤20°，0°＜β≤20°的方式设置，从而使被切削的岩层受到较大的局部压强，岩石碎片较大，从而更利于水流清洗。另外，本发明提供的PDC钻头的聚晶层的体积比现有技术中的平面齿的体积扩大了一倍以上，从而使抗横向震动和回旋转动的剪切力大大提高，因此延长了钻头使用寿命。由于本发明提供的PDC钻头的主切削齿2与岩层的接触面积较小，在PDC钻头具有同样的钻井压力的情况下，切削压强较大，从而可以切削更硬的地层，也就扩大了PDC钻头的使用范围。

本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

Claims (13)

1.一种切削齿，其特征在于，所述切削齿包括柱体结构的基体(21)，所述基体(21)的端部形成有铲入部，所述铲入部包括：

第一侧面(9)，所述第一侧面(9)沿所述基体(21)的壁面延伸；

主铲刃(7)，所述主铲刃(7)为所述第一侧面(9)的一部分；

铲面(8)，所述铲面(8)从所述主铲刃(7)向与所述主铲刃(7)相对的所述基体(21)的壁面倾斜延伸，

其中所述铲面(8)具有铲顶和铲底，所述铲顶距所述基体(21)的底面的距离为铲顶高度(H2)，所述铲底距所述基体(21)的底面的距离为铲底高度(H1)，所述铲顶高度(H2)大于所述铲底高度(H1)。

2.一种切削齿，其特征在于，所述切削齿包括柱体结构的基体(21)，所述基体(21)的端部形成有铲入部，所述铲入部包括；

第一侧面(9)，所述第一侧面(9)沿所述基体(21)的壁面延伸；

铲面(8)，所述铲面(8)从与所述第一侧面(9)相对的所述基体(21)的壁面向所述第一侧面(9)倾斜延伸，以在靠近所述第一侧面(9)处形成一个具有棱边的尖端，所述棱边为主铲刃(7)，

其中所述铲面(8)具有铲顶和铲底，所述铲顶距所述基体(21)的底面的距离为铲顶高度(H2)，所述铲底距所述基体(21)的底面的距离为铲底高度(H1)，所述铲顶高度(H2)大于所述铲底高度(H1)。

3.如权利要求1或2所述的切削齿，其特征在于，所述铲面(8)为曲面或由多个平面相互连接组成。

4.如权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述铲入部还包括：

第二侧面(10)，所述第二侧面(10)与所述基体(21)的底面呈第一夹角；

第三侧面(11)，所述第三侧面(11)与所述基体(21)的底面呈第二夹角；

所述第二侧面(10)和所述第三侧面(11)相互间隔设置且分别位于所述铲面(8)两侧。

5.如权利要求1或2所述的切削齿，其特征在于，所述铲顶高度(H2)的范围为5mm≤H2≤20mm，所述铲底高度(H1)的范围为3mm≤H1≤18mm。

6.如权利要求1或2所述的切削齿，其特征在于，所述铲入部的外表面上设置有聚晶层。

7.一种PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头包括：

钻头本体(1)；

切削齿，所述切削齿设置于所述钻头本体(1)上；

其中，所述切削齿包括：

主切削齿(2)，所述主切削齿(2)为如权利要求1至5中任一项所述的切削齿，所述主切削齿(2)设置于所述钻头本体(1)的冠部的顶面；

保径齿(4)，所述保径齿(4)设置于所述钻头本体(1)的冠部的外周面。

8.如权利要求7所述的PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头还包括切削刀翼(5)，所述切削刀翼(5)从所述钻头本体(1)的冠部的顶面向所述钻头本体(1)的冠部的外周面延伸，所述主切削齿(2)和所述保径齿(4)分别设置于所述切削刀翼(5)上。

9.如权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，所述主切削齿(2)在所述切削刀翼(5)上具有侧偏角或负前角，其中所述侧偏角为γ，所述负前角为β，所述侧偏角和所述负前角的范围为：0°＜γ≤20°，0°＜β≤20°。

10.如权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头还包括水槽，所述水槽设置于相邻的所述切削刀翼(5)之间，所述水槽中设置有喷嘴(6)，所述喷嘴(6)与水源连通。

11.如权利要求8所述的PDC钻头，其特征在于，所述切削刀翼(5)包括：

第一直线段，所述第一直线段从所述冠部的靠近中心位置向边缘沿斜向上方向延伸，所述第一直线段具有尾端，所述尾端靠近所述边缘；

第二直线段，所述第二直线段从所述冠部的所述顶面向所述冠部的底面延伸，所述第二直线段与所述基体(21)的中心轴线平行，所述第二直线段具有首端，所述首端靠近所述顶面；

圆弧段，所述圆弧段设置于所述第一直线段的所述尾端和所述第二直线段的所述首端之间，所述圆弧段向外突出，所述第一直线段与所述基体(21)的底面的夹角为0°-45°。

12.如权利要求7至11中任一项所述的PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头还包括保护齿(3)，所述保护齿(3)设置于所述主切削齿(2)和所述保径齿(4)之间。

13.如权利要求7至11中任一项所述的PDC钻头，其特征在于，所述保径齿(4)为半圆柱面结构或半圆形平面结构。