CN115977546A - 切削齿及其设计方法、pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削齿及其设计方法、PDC钻头，涉及石油天然气、地质勘探用钻井钻头技术领域，切削齿包括：具有第一端面和第二端面的基底；固定设置在基底的第一端面上的切削件，切削件包括：呈柱状的第一切削结构，第一切削结构具有第三端面和第四端面，第四端面与第一端面相固定；第二切削结构，其位于第三端面内，第二切削结构呈柱状，第二切削结构的径向横截面小于第一切削结构的径向横截面，第二切削结构的上端面具有呈直线状的脊线，脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ，第二切削结构的上端面的脊线的两侧区域分别沿着远离脊线的方向高度逐渐降低。本申请能够解决在软硬夹层及强研磨性地层中切削齿容易磨损和损坏的问题。

Description

切削齿及其设计方法、PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气、地质勘探用钻井钻头技术领域，特别涉及一种切削齿及其设计方法、PDC钻头。

背景技术

目前，PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金刚石复合片钻头)已成为油气钻井领域中的一种主要破岩钻头，世界范围内90％以上的油气井钻井进尺均由PDC钻头完成。PDC钻头所用切削齿为聚晶金刚石复合片，常用的聚晶金刚石复合片为圆柱形，由聚晶金刚石层和硬质合金基底经过高温高压烧结而成。圆柱形切削齿在工作过程中以剪切方式破岩，在软到中硬地层中具有钻速快，进尺高等特点。但是在硬度高、研磨性强以及含坚韧夹层的地层中，常用的圆柱形切削齿难以吃入地层、破岩效率低、磨损严重、使用寿命短，导致钻头机械钻速低、钻井周期长，这无疑增加了钻井成本。

因此，目前不少研究人员在常用的圆柱形切削齿的形状上进行了大量改进，研制出了多种异形切削齿，其能显著提高圆柱形切削齿的抗冲击性和耐磨性，拓宽了聚晶金刚石复合片在硬岩地层中的应用范围。然而，在深入软硬夹层及强研磨性地层中，现有的异形切削齿仍然出现了不同程度的磨损和崩坏，钻井效率依然偏低，无法得到有效提升。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种切削齿及其设计方法、PDC钻头，其能够解决在软硬夹层及强研磨性地层中切削齿容易磨损和损坏的问题。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种切削齿，所述切削齿包括：

具有相对应的第一端面和第二端面的基底；

固定设置在所述基底的所述第一端面上的切削件，所述切削件由聚晶金刚石制成，所述切削件包括：呈柱状的第一切削结构，所述第一切削结构具有第三端面和第四端面，所述第四端面与所述第一端面相固定；第二切削结构，其位于所述第三端面内，所述第二切削结构呈柱状，所述第二切削结构的径向横截面小于所述第一切削结构的径向横截面，所述第二切削结构的上端面具有呈直线状的脊线，所述脊线与所述第一端面之间具有第一预设夹角θ，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域分别沿着远离所述脊线的方向高度逐渐降低。

优选地，所述基底由硬质合金制成，所述切削件通过烧结方式固定设置在在所述基底的所述第一端面上，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状和大小完全相同，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状为圆形或近似圆形或椭圆形或近似椭圆形。

优选地，所述第二切削结构的中心与所述第一切削结构的中心相同，所述脊线经过所述第二切削结构的中心，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域相对称。

优选地，所述切削齿的切削角α，所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度。

优选地，所述切削齿的结构参数满足以下关系式：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)，

其中，α表示所述切削齿的切削角，R表示第一切削结构的半径，r表示第二切削结构的半径，L表示所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离，Δh表示齿高差，即所述脊线高度偏低的一端的端点B在Y轴方向到所述第一切削结构的第三端面的边缘D的距离。

优选地，所述第一切削结构的半径R等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm；或者，所述第一切削结构的半径R等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于8mm；或者，所述第一切削结构的半径R等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm。

优选地，所述切削齿的切削角α在5度至30度之间。

优选地，所述第一切削结构的半径R等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm，所述切削齿的切削角α等于15度，所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离L等于1.5mm，所述第一预设夹角θ等于35度，齿高差Δh等于1.6mm。

一种PDC钻头，所述PDC钻头包括如上述任一所述的切削齿。

一种如上述任一所述的切削齿的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

选择第一切削结构的半径R以及第二切削结构的半径r；

获取切削齿安装在PDC钻头上形成的切削角α，

确定所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离L以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ，并使得所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度；

根据所述第一切削结构的半径R、所述第二切削结构的半径r、切削角α、所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离L以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ确定齿高差Δh，具体计算公式如下：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

1、本申请切削齿的第二切削结构在脊线处存在集中载荷，使其前方岩石内部形成应力集中区，岩石更容易发生剪切-拉伸破坏，提高切削齿吃入地层的能力，提高钻头破岩效率。

2、本申请切削齿利用第一切削结构的脊线的高度较低的端部区域至第二切削结构的第三端面的边缘区域进行切削，从而实现第一切削结构和第二切削结构同轨道联合切削破岩，克服了单一的第一切削结构单次破岩体积小、井底覆盖能力不足的缺点。

3、本申请利用具有脊线的第二切削结构攻击性强和不易发生冲击损伤的特点，预先对井底岩石进行破碎，释放地层应力，使之后的第一切削结构更容易切削岩石，可大幅提高岩石破碎效率；另外，具有脊线的第二切削结构可以限制第一切削结构吃入地层的深度，减小钻头“粘滑效应”和冲击损伤，提高钻头使用寿命。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中切削齿的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中切削齿的切削件的设计过程示意图；

图3为本发明实施例中切削齿的正视图；

图4为本发明实施例中切削齿的切削件的立体结构示意图；

图5为本发明实施例中PDC钻头的结构示意图；

图6为本发明实施例中切削齿在破岩过程中的应力分布图；

图7为现有技术中常规圆柱状切削齿在破岩过程中的应力分布图；

图8为本发明实施例中切削齿与现有技术中常规圆柱状切削齿在破岩过程中切削力随时间变化的对比图。

以上附图的附图标记：

1、基底；11、第一端面；12、第二端面；2、切削件；21、第一切削结构；211、第三端面；212、第四端面；22、第二切削结构；221、脊线；100、切削齿。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够解决在软硬夹层及强研磨性地层中切削齿容易磨损和损坏的问题，在本申请中提出了一种切削齿，图1为本发明实施例中切削齿的立体结构示意图，图2为本发明实施例中切削齿的切削件2的设计过程示意图，图3为本发明实施例中切削齿的正视图，图4为本发明实施例中切削齿的切削件2的立体结构示意图，如图1至图4所示，所述切削齿可以包括：基底1和切削件2。其中，基底1可以具有相对应的第一端面11和第二端面12的，基底1可以用于支撑切削件2。切削件2固定设置在所述基底1的所述第一端面11上。

如图1至图4所示，所述基底1可以由硬质合金制成，这样可以起到节约聚晶金刚石用料的目的，当然，其也可以由聚晶金刚石制成。

所述切削件2由聚晶金刚石制成。当基底1由硬质合金制成时，所述切削件2通过烧结方式固定设置在在所述基底1的所述第一端面11上。

如图1所示，所述切削件2可以包括：呈柱状的第一切削结构21，所述第一切削结构21具有第三端面211和第四端面212，所述第四端面212与所述第一端面11相固定；第二切削结构22，其位于所述第三端面211内，所述第二切削结构22呈柱状，所述第二切削结构22的径向横截面小于所述第一切削结构21的径向横截面。第三端面211为一平面，第四端面212与第一端面11相配合能够进行烧结。进一步的，第二切削结构22位于第一切削结构21的第三端面211的中部区域，第二切削结构22的侧壁距离第一切削结构21的第三端面211的边缘均具有一定的距离。

如图1和图3所示，所述基底1在径向方向的横截面与所述第一切削结构21在径向方向的横截面的形状和大小完全相同，这样第一切削结构21的边缘均有基底1进行支撑，可以有效防止切削齿的第一切削结构21的第三端面211的边缘在破岩时出现磨损或裂开。

如图1和图4所示，所述第二切削结构22的上端面具有呈直线状的脊线221，脊线221将第二切削结构22的上端面分成左右两侧区域。脊线221的长度横跨整个第二切削结构22的上端面。脊线221可以平行于基底1的第一端面11，即脊线221与基底1的第一端面11之间的第一预设夹角θ等于0度。脊线221也可以与基底1的第一端面11之间具有第一预设夹角θ，第一预设夹角θ大于0度。所述第二切削结构22的上端面的所述脊线221的两侧区域分别沿着远离所述脊线221的方向高度逐渐降低。所述第二切削结构22的上端面的所述脊线221的两侧区域可以呈平面状，该平面状的所述脊线221的两侧区域与第一切削结构21的第三端面211具有一定的倾角。

如图1至图4所示，所述基底1在径向方向的横截面与所述第一切削结构21在径向方向的横截面的形状为圆形或近似圆形或椭圆形或近似椭圆形。第二切削结构22在径向方向的横截面的形状可以与第一切削结构21在径向方向的横截面的形状相同。进一步的，所述第二切削结构22的中心与所述第一切削结构21的中心相同，所述脊线221经过所述第二切削结构22的中心，所述第二切削结构22的上端面的所述脊线221的两侧区域相对称。

如图2所示，当切削齿对地层进行切削时，切削齿沿X方向进行移动，第一切削结构21的脊线221的高度较低的端部区域至第二切削结构22的第三端面211的边缘区域对地层进行切削。其中，切削齿的切削角为α，其具体为第二切削结构22的第三端面211与Y轴之间的夹角。切削齿的切削角α和所述脊线221与所述第一端面11之间的第一预设夹角θ之和小于90度，所述第一预设夹角θ大于等于0度。

为了获取最高的破岩效率和使用寿命，所述切削齿的结构参数需要满足以下关系式：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)，

其中，α表示所述切削齿的切削角，R表示第一切削结构21的半径，r表示第二切削结构22的半径，L表示所述第二切削结构22的底面的中心o到所述脊线221A的距离，Δh表示齿高差，即所述脊线221高度偏低的一端的端点B在Y轴方向到所述第一切削结构21的第三端面211的边缘D的距离。

在上述结构中，所述基底1在径向方向的横截面与所述第一切削结构21在径向方向的横截面的形状为圆形，第二切削结构22在径向方向的横截面的形状为圆形。所述第二切削结构22的中心与所述第一切削结构21的中心相同，所述脊线221经过所述第二切削结构22的中心。

在上述结构中，几种较为合适的第一切削结构21的半径和第二切削结构22的半径的配合组合可以如下：所述第一切削结构21的半径R等于8.0mm，第二切削结构22的半径r等于6.5mm；或者，所述第一切削结构21的半径R等于9.5mm，第二切削结构22的半径r等于8mm；或者，所述第一切削结构21的半径R等于9.5mm，第二切削结构22的半径r等于6.5mm。

在上述结构中，进一步的，所述切削齿的切削角α控制在5度至30度之间。

在一种具体的实施方式中，所述第一切削结构21的半径R等于8.0mm，第二切削结构22的半径r等于6.5mm，所述切削齿的切削角α等于15度，所述第二切削结构22的底面的中心到所述脊线221的距离L等于1.5mm，所述第一预设夹角θ等于35度，齿高差Δh等于1.6mm。

本申请切削齿的第二切削结构22在脊线221处存在集中载荷，使其前方岩石内部形成应力集中区，岩石更容易发生剪切-拉伸破坏，提高切削齿吃入地层的能力，提高钻头破岩效率。本申请切削齿利用第一切削结构21的脊线221的高度较低的端部区域至第二切削结构22的第三端面211的边缘区域进行切削，从而实现第一切削结构21和第二切削结构22同轨道联合切削破岩，克服了单一的第一切削结构21单次破岩体积小、井底覆盖能力不足的缺点。本申请利用具有脊线221的第二切削结构22攻击性强和不易发生冲击损伤的特点，预先对井底岩石进行破碎，释放地层应力，使之后的第一切削结构21更容易切削岩石，可大幅提高岩石破碎效率；另外，具有脊线221的第二切削结构22可以限制第一切削结构21吃入地层的深度，减小钻头“粘滑效应”和冲击损伤，提高钻头使用寿命。

图6为本发明实施例中切削齿在破岩过程中切削力的实验图，图7为现有技术中常规圆柱状切削齿切削力的实验图，如图6和图7所示，在相同切削条件下，第一切削结构21的脊线221的高度较低的端部区域至第二切削结构22的第三端面211的边缘区域进行切削，本申请中的切削齿在岩石内部产生的最大Mises应力为468.7MPa，而现有技术中常规圆柱状切削齿在岩石内部产生的最大Mises应力为367.5MPa。显然，本申请中的切削齿可在岩石内部产生更大的应力，并且在台阶状齿尖位置更容易出现应力集中现象，更利于岩石破碎，提高破岩效率。

图8为本发明实施例中切削齿与现有技术中常规圆柱状切削齿在破岩过程中切削力随时间变化的对比图，如图8所示，本申请中的切削齿在破岩过程中切削力的平均值为1882.05N，标准差为132.94，而现有技术中常规圆柱状切削齿在破岩过程中切削力的平均值为1840.92N，标准差为482.98。虽然两种切削齿在破岩过程中切削力的平均值比较接近，但是本申请中的切削齿的切削力的标准差比现有技术中常规圆柱状切削齿的小了72.48％。这说明本申请中的切削齿在破岩过程中，切削力的波动程度更小，有利于减少PDC钻头扭矩波动和有害振动，可以提高PDC钻头的工作稳定性，延长工作寿命。

本申请还提出了一种PDC钻头，图5为本发明实施例中PDC钻头的结构示意图，如图5所示，所述PDC钻头可以包括如上述任一所述的切削齿100。切削齿100可以分布在PDC钻头的鼻部或肩部。所述安装在鼻部或肩部的切削齿100利用具有脊线221的第二切削结构22的优异的破岩性能最先对井底岩石进行切削，打破岩石原有的力学状态，使岩石更易被破碎，提高钻头破岩效率，同理，具有脊线221的第二切削结构22可以限制第一切削结构21吃入地层的深度，减小钻头“粘滑效应”和冲击损伤，提高钻头使用寿命。切削齿集成了第一切削结构21和第二切削结构22的破岩优势，同时，两者一体化设计能够有效避免PDC钻头的双排布齿设计，减小PDC钻头刀翼的厚度，将能量集中于锋利的切削件2上，低钻压即可获得高钻速。此外，刀翼结构可以更开放，排屑槽结构也可以更宽，这样可以形成通畅的水力流道，以更强的岩屑清除能力适应更高的机械钻速。

本申请中还提出了一种上述切削齿的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

选择第一切削结构21的半径R以及第二切削结构22的半径r；

获取切削齿安装在PDC钻头上形成的切削角α，

确定所述第二切削结构22的底面的中心到脊线221的距离L以及所述脊线221与第一端面11之间具有第一预设夹角θ，并使得所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度；

根据所述第一切削结构21的半径R、所述第二切削结构22的半径r、切削角α、所述第二切削结构22的底面的中心到脊线221的距离L以及所述脊线221与第一端面11之间具有第一预设夹角θ确定齿高差Δh，具体计算公式如下：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)。

通过上述方式可以针对地层特定岩性，对本申请中的切削齿结构参数进行快速设计，以使切削齿可以获得最高破岩效率和使用寿命。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种切削齿，其特征在于，所述切削齿包括：

具有相对应的第一端面和第二端面的基底；

固定设置在所述基底的所述第一端面上的切削件，所述切削件由聚晶金刚石制成，所述切削件包括：呈柱状的第一切削结构，所述第一切削结构具有第三端面和第四端面，所述第四端面与所述第一端面相固定；第二切削结构，其位于所述第三端面内，所述第二切削结构呈柱状，所述第二切削结构的径向横截面小于所述第一切削结构的径向横截面，所述第二切削结构的上端面具有呈直线状的脊线，所述脊线与所述第一端面之间具有第一预设夹角θ，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域分别沿着远离所述脊线的方向高度逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述基底由硬质合金制成，所述切削件通过烧结方式固定设置在在所述基底的所述第一端面上，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状和大小完全相同，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状为圆形或近似圆形或椭圆形或近似椭圆形。

3.根据权利要求2所述的切削齿，其特征在于，所述第二切削结构的中心与所述第一切削结构的中心相同，所述脊线经过所述第二切削结构的中心，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域相对称。

4.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的切削角α，所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度。

5.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的结构参数满足以下关系式：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)，

其中，α表示所述切削齿的切削角，R表示第一切削结构的半径，r表示第二切削结构的半径，L表示所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离，Δh表示齿高差，即所述脊线高度偏低的一端的端点B在Y轴方向到所述第一切削结构的第三端面的边缘D的距离。

6.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述第一切削结构的半径R等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm；或者，所述第一切削结构的半径R等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于8mm；或者，所述第一切削结构的半径R等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm。

7.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的切削角α在5度至30度之间。

8.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述第一切削结构的半径R等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm，所述切削齿的切削角α等于15度，所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离L等于1.5mm，所述第一预设夹角θ等于35度，齿高差Δh等于1.6mm。

9.一种PDC钻头，其特征在于，所述PDC钻头包括如权利要求1至8中任一所述的切削齿。

10.一种如权利要求1至8中任一所述的切削齿的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

选择第一切削结构的半径R以及第二切削结构的半径r；

获取切削齿安装在PDC钻头上形成的切削角α，

确定所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离L以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ，并使得所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度；

根据所述第一切削结构的半径R、所述第二切削结构的半径r、切削角α、所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离L以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ确定齿高差Δh，具体计算公式如下：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)。

Images