本發(fā)明是關(guān)于一種切削齒及鉆頭，具體地說(shuō)，是關(guān)于一種石油勘探鉆井鉆頭技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的屋脊型非平面切削齒及金剛石鉆頭。

背景技術(shù)：

目前，石油勘探鉆井中金剛石鉆頭得到了廣泛的應(yīng)用。這類(lèi)鉆頭通常是以碳化鎢材料燒結(jié)或者以金屬材料作為基材加工而成的鉆頭本體部分以及釬焊在鉆頭刀翼切削面前端的金剛石復(fù)合片切削齒組成。在鉆進(jìn)過(guò)程中，金剛石復(fù)合片與巖石相互作用，在金剛石復(fù)合片和巖石接觸界面周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)實(shí)現(xiàn)破巖。在鉆進(jìn)高礫石含量夾雜地層或者硬質(zhì)地層時(shí)產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)超過(guò)金剛石復(fù)合片的強(qiáng)度，造成金剛石復(fù)合片損傷，導(dǎo)致切削面被破壞，最終導(dǎo)致機(jī)械鉆速下降、鉆頭無(wú)進(jìn)尺等問(wèn)題。另外，由于鉆頭抗沖擊性差導(dǎo)致的鉆頭機(jī)械鉆速下降后起鉆更換鉆頭會(huì)帶來(lái)高昂的經(jīng)濟(jì)成本，在鉆井過(guò)程中的日費(fèi)成本很高。因此，有效地提高鉆頭的抗沖擊能力，是提高鉆井效率、降低鉆井成本的有效手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有較高的抗沖擊性的切削齒，將其安裝在鉆頭上可提高鉆頭的破巖效率和使用壽命。

本發(fā)明的另一目的是提供一種具有較高破巖效率和使用壽命的金剛石鉆頭。

本發(fā)明的上述目的可采用下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種屋脊型非平面切削齒，其包括圓柱本體，圓柱本體的端部表面設(shè)有一條橫貫該表面中線(xiàn)的切削脊，切削脊處于圓柱本體的端部表面的最高點(diǎn)，切削脊的兩端延伸至圓柱本體的端部表面外緣，切削脊將圓柱本體的端部表面分為兩個(gè)分別位于切削脊兩側(cè)的切削斜面，切削斜面的高度自切削脊向所述圓柱本體的端部表面外緣線(xiàn)性遞減。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，切削脊的兩端延伸至圓柱本體的端部表面外緣形成兩個(gè)切削點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，所述切削脊的長(zhǎng)度與所述圓柱本體直徑相等。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，圓柱本體包括由碳化鎢材料制成的基體及連接于基體上方的聚晶金剛石層，切削脊位于聚晶金剛石層的上表面。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，基體的下表面設(shè)有焊接定位結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，聚晶金剛石層是燒結(jié)后平均顆粒尺度1μm～50μm的聚晶金剛石層。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，聚晶金剛石層是燒結(jié)后平均顆粒尺度1μm～25μm的聚晶金剛石層。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，兩個(gè)切削斜面之間具有140°到175°的夾角。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒中，兩個(gè)切削斜面之間具有半徑為0毫米到0.5毫米的相切的內(nèi)圓角。

本發(fā)明還提供了一種金剛石鉆頭，其包括：

鉆頭本體，其內(nèi)設(shè)有沿軸向貫通的水道，所述鉆頭本體的一端形成有連接部，所述鉆頭本體的另一端設(shè)有多個(gè)水眼，多個(gè)所述水眼與所述水道通孔相連通；

多個(gè)刀翼，其沿圓周方向連接在所述鉆頭本體的另一端，所述刀翼的一側(cè)并排設(shè)有多個(gè)切削齒，多個(gè)所述切削齒包括如權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)所述的屋脊型非平面切削齒。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的金剛石鉆頭中，所述刀翼具有內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面，所述內(nèi)側(cè)面和所述外側(cè)面之間連接有刀翼頂面，多個(gè)所述切削齒設(shè)置在所述刀翼頂面靠近所述內(nèi)側(cè)面的外緣上；所述刀翼頂面由所述鉆頭本體的中心軸徑向向外分為依次相連的心部、鼻部、肩部及保徑部，所述心部靠近所述鉆頭本體的中心軸設(shè)置，所述保徑部位于所述鉆頭本體的側(cè)壁，所述切削齒分布于所述刀翼的心部、鼻部、肩部及保徑部。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的金剛石鉆頭中，多個(gè)所述刀翼上還布置有多個(gè)副切削齒，所述副切削齒沿所述鉆頭本體的旋轉(zhuǎn)切削方向布置在多個(gè)所述切削齒的后排，多個(gè)所述副切削齒包括所述屋脊型非平面切削齒。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的金剛石鉆頭中，所述屋脊型非平面切削齒設(shè)置在所述刀翼的心部。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的金剛石鉆頭中，所述屋脊型非平面切削齒設(shè)置在所述刀翼的肩部。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明的金剛石鉆頭中，所述屋脊型非平面切削齒與所述切削齒沿所述鉆頭本體的軸心徑向向外方向交錯(cuò)布置。

本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒及金剛石鉆頭的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒，將傳統(tǒng)的平面圓柱型切削齒設(shè)計(jì)更改為屋脊型非平面切削齒，可通過(guò)改變與切削齒周?chē)c其相互作用的巖石及切削齒本身應(yīng)力條件來(lái)大大提高其抗正向沖擊能力及破巖效率；

2、本發(fā)明的金剛石鉆頭，在鉆進(jìn)含礫石等復(fù)雜夾雜地層時(shí)，將屋脊型非平面切削齒布置于鉆頭肩部，可提高鉆頭抗沖擊的能力；再有，在鉆進(jìn)高沖擊性地層時(shí)將屋脊型非平面切削齒布置于鼻部外側(cè)以及肩部，以改善此區(qū)域的齒抗沖擊的能力，提高鉆頭壽命。當(dāng)然，屋脊型非平面切削齒還可設(shè)置在金剛石鉆頭的刀翼的副切削齒位置時(shí)，以適應(yīng)不同地層的鉆進(jìn)需求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒的一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的具有屋脊型非平面切削齒的金剛石鉆頭的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的具有屋脊型非平面切削齒的金剛石鉆頭的一布齒實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施方式一

請(qǐng)參見(jiàn)圖1及圖2，示意了根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施方式的屋脊型非平面切削齒的立體結(jié)構(gòu)及主視結(jié)構(gòu)。如圖所示，本發(fā)明提供了一種屋脊型非平面切削齒，其包括圓柱本體1，所述圓柱本體1的端部表面設(shè)有一條橫貫該表面中線(xiàn)的切削脊11，切削脊11為所述圓柱本體1的端部表面的最高點(diǎn)，切削脊11的兩端延伸至所述圓柱本體1的端部表面外緣13，形成兩個(gè)切削點(diǎn)131，切削脊11兩側(cè)的圓柱本體的端部表面為切削斜面14，切削斜面14的高度從切削脊11開(kāi)始向圓柱本體1的端部表面外緣13逐漸遞減。

具體是，圓柱主體1包括由碳化鎢材料制成的基體15及連接于基體15上方的聚晶金剛石層16，切削脊11位于聚晶金剛石層16的上表面，基體15的下表面設(shè)有焊接定位結(jié)構(gòu)151。

聚晶金剛石的材料屬性主要由其燒結(jié)時(shí)選擇的顆粒尺度決定，燒結(jié)后的聚晶金剛石平均顆粒尺度在1μm～50μm之間。顆粒尺度越小，燒結(jié)后的聚晶金剛石的耐磨性越高，但對(duì)應(yīng)的抗沖擊性則越低。在本發(fā)明中，通過(guò)立車(chē)試驗(yàn)測(cè)試該屋脊型非平面切削齒的耐磨性時(shí)發(fā)現(xiàn)，該屋脊型非平面切削齒的磨耗比相對(duì)常規(guī)平面齒較低，本發(fā)明在選擇顆粒尺度時(shí)，選用較小的顆粒尺度進(jìn)行燒結(jié)，優(yōu)選地，本發(fā)明的聚晶金剛石層16燒結(jié)后平均顆粒尺度在1μm～25μm之間。

進(jìn)一步的，切削脊11位于所述圓柱本體的端部表面的最高點(diǎn)，切削脊11的兩端(外端)延伸至聚晶金剛石層16的上表面外緣13。從聚晶金剛石層16的上方觀看，切削脊11呈“一”型的圖案，且切削脊11將聚晶金剛石層16的上表面分割為兩個(gè)面，即兩個(gè)切削斜面14，位于切削脊11兩側(cè)的聚晶金剛石層16上表面。切削斜面14自圓柱本體1的中部徑向向外向下傾斜設(shè)置，換而言之，切削斜面14的高度自所述切削脊11向所述圓柱本體1的端部表面外緣線(xiàn)性遞減。

本發(fā)明的金剛石復(fù)合層16由于采用了非平面的屋脊設(shè)計(jì)，改善了金剛石復(fù)合層16相對(duì)于常規(guī)平面金剛石復(fù)合片切削時(shí)的應(yīng)力分布，具有更高的抗沖擊能力。通過(guò)在沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較得到兩者的抗沖擊性能指標(biāo)，將測(cè)試樣品復(fù)合層通過(guò)特定夾具固定于沖擊疲勞試驗(yàn)機(jī)的飛輪上，采用電機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，在每旋轉(zhuǎn)一周至九點(diǎn)鐘方位時(shí)，測(cè)試樣品與固定于左側(cè)并有彈簧支撐的沖擊塊進(jìn)行相對(duì)沖擊，一直旋轉(zhuǎn)飛輪進(jìn)行重復(fù)沖擊直至測(cè)試樣品破壞為止，記錄在破壞之前所經(jīng)歷的沖擊次數(shù)來(lái)評(píng)定該樣品的抗沖擊疲勞性能。試驗(yàn)測(cè)試在沖擊過(guò)程中如果發(fā)生破損，則立刻停止試驗(yàn)，如果沖擊達(dá)到12000次后樣品還未破損則也停止試驗(yàn)(在實(shí)際測(cè)試中，由于計(jì)數(shù)器與測(cè)試飛輪有滯后效應(yīng)，實(shí)際停止時(shí)樣品經(jīng)受的沖擊次數(shù)可能稍高于12000次)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示，將四種不同金剛石粒度燒結(jié)成的切削齒加工成型至本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒后，與同等金剛石粒度燒結(jié)成的平面切削齒進(jìn)行沖擊疲勞對(duì)比試驗(yàn)可以看到，屋脊型非平面切削齒的抗正向沖擊的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)平面切削齒。

本發(fā)明的切削脊11兩端各具有一個(gè)可用切削點(diǎn)131，可在使用一次后將切削齒旋轉(zhuǎn)180°至另切削點(diǎn)再次用于修復(fù)鉆頭。

如圖2所示，本發(fā)明的兩個(gè)切削斜面14之間的夾角θ為140°到175°。該夾角θ具體值可根據(jù)實(shí)際地層需求而定，從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試該屋脊型非平面切削齒磨耗比實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，夾角θ越小則齒的磨耗比越低。因此，在針對(duì)高研磨性地層時(shí)(地層中石英含量高)，該夾角θ應(yīng)取值較大。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在一個(gè)高沖擊性但研磨性中等的地層實(shí)例中，該夾角θ取值為160°；在使用到高研磨性地層，如砂巖地層時(shí)，該夾角θ可以取值到170°～175°。本發(fā)明可以根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)不同夾角θ，從而最優(yōu)化使用效果。

如圖3所示，本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒，兩個(gè)切削斜面14之間(即兩個(gè)切削斜面14于切削脊11除)可以具有內(nèi)圓角17，圓角17半徑為0到0.5毫米。該內(nèi)圓角半徑大小根據(jù)實(shí)際鉆井條件而定，內(nèi)圓角半徑越小則齒的切削效率越高，抗沖擊能力相對(duì)降低。在針對(duì)高沖擊性的地層時(shí)，該內(nèi)圓角半徑應(yīng)取值相對(duì)較大值。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在一個(gè)中等沖擊性但對(duì)切削效率要求很高的的地層實(shí)例中，該內(nèi)圓角半徑取值為0.05mm；在使用到高沖擊性地層時(shí)，該內(nèi)圓角半徑可以取值到0.1到0.5毫米。本發(fā)明可以根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)不同內(nèi)圓角半徑，從而最優(yōu)化使用效果。

本發(fā)明的凸脊型非平面切削齒的制造工藝如下：

首先，由傳統(tǒng)的平面型金剛石復(fù)合片在高溫高壓燒結(jié)成型后進(jìn)行無(wú)心研磨，達(dá)到設(shè)計(jì)需要的外徑要求后，再在金剛石磨盤(pán)上打磨拋光金剛石復(fù)合片頂層至傳統(tǒng)平面型，然后在金剛石復(fù)合層表面由電火花加工所需要的頂部斜面，該工藝無(wú)需所要求的金剛石斜面在燒結(jié)過(guò)程中一次成型。

電火花加工是一種利用火花放電時(shí)產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行尺寸加工的方法。電火花加工是在較低的電壓范圍內(nèi)，在液體介質(zhì)中進(jìn)行火花放電。電火花是一種自激放電，其特點(diǎn)如下：火花放電的兩個(gè)電極間在放電前具較高的電壓，當(dāng)兩電極接近時(shí)，其間介質(zhì)被擊穿后，隨即發(fā)生火花放電。伴隨擊穿過(guò)程，兩電極間的電阻急劇變小，兩極之間的電壓也隨之急劇變低。火花通道必須在維持暫短的時(shí)間后及時(shí)熄滅，才可保持火花放電的“冷極”特性，即通道能量轉(zhuǎn)換的熱能來(lái)不及傳至電極縱深，使通道能量作用于極小范圍。通道能量的作用，可使電極局部被腐蝕。在用電火花加工金剛石復(fù)合片時(shí)，由于金剛石復(fù)合片燒結(jié)過(guò)程中殘留的催化劑金屬鈷元素具有導(dǎo)電性，可以作為電極被電火花放電從而加工。

采用電火花加工可以避免了因?yàn)闊o(wú)法精確控制在燒結(jié)過(guò)程中的金剛石收縮率而導(dǎo)致的制造精度誤差問(wèn)題。電火花技術(shù)更能有效的控制加工精度，并且降低加工過(guò)程中對(duì)金剛石層的損傷。經(jīng)電火花加工成型的凸脊型齒具有加工精度高、成本低、表面金剛石層損傷小等特點(diǎn)。在加工制造該凸脊型非平面切削齒時(shí)，通過(guò)預(yù)制平面型的金剛石復(fù)合層，然后通過(guò)電火花技術(shù)進(jìn)行精密加工，使得整體加工成本降低并且能滿(mǎn)足加工精度要求，并且對(duì)金剛石復(fù)合層的表面損傷最小，無(wú)需另行研制金剛石復(fù)合層燒結(jié)腔總裝，具有較好的靈活性以及低成本性。

本發(fā)明的屋脊型非平面切削齒，將傳統(tǒng)的平面圓柱型切削齒設(shè)計(jì)更改為屋脊型非平面切削齒，可大大提高切削齒的抗正向沖擊能力和破巖效率。

實(shí)施方式二

圖4為本發(fā)明的具有屋脊型非平面切削齒的金剛石鉆頭的剖視示意圖。

圖5為本發(fā)明的具有屋脊型非平面切削齒的金剛石鉆頭的一布齒實(shí)施例的立體圖

如圖4所示，本發(fā)明還提供一種金剛石鉆頭，其包括鉆頭本體3和多個(gè)刀翼4，其中：鉆頭本體3內(nèi)設(shè)有沿軸向貫通的水道31，所述鉆頭本體3的一端形成有連接部32，所述鉆頭本體3的另一端設(shè)有多個(gè)水眼33，多個(gè)所述水眼33與所述水道31相連通；多個(gè)刀翼4沿圓周方向連接在所述鉆頭本體3的另一端，所述刀翼4的一側(cè)并排設(shè)有多個(gè)切削齒5，多個(gè)所述切削齒5包括如實(shí)施方式一中所述的屋脊型非平面切削齒10。

具體是，鉆頭本體3大體呈圓柱筒形，其一端形成的具有螺紋段的連接部32用于連接鉆柱，通過(guò)鉆柱將動(dòng)力傳遞給金剛石鉆頭。鉆頭本體3的中部具有水道31，該水道31連通連接部32，鉆頭本體3的另一端開(kāi)設(shè)有多個(gè)水眼32，該些水眼32與心軸通孔31相連通。

多個(gè)刀翼4連接在鉆頭本體3設(shè)有多個(gè)水眼32的一端，在本發(fā)明中，該刀翼4具有內(nèi)側(cè)面41和外側(cè)面42，內(nèi)側(cè)面41和外側(cè)面42之間連接有刀翼頂面43，多個(gè)切削齒5設(shè)置在刀翼頂面43靠近內(nèi)側(cè)面42的外緣上。進(jìn)一步的，刀翼頂面43由鉆頭本體3的中心軸徑向向外分為依次相連的心部431、鼻部432、肩部433及保徑部434，心部431靠近鉆頭本體3的中心軸設(shè)置，保徑部434位于鉆頭本體3的側(cè)壁，切削齒5分布于刀翼4的心部431、鼻部432、肩部433及保徑部434。

其中，在一實(shí)施例中，該屋脊型非平面切削齒10與切削齒5可沿鉆頭本體3的軸心徑向向外方向交錯(cuò)布置。也即，在刀翼頂面43靠近內(nèi)側(cè)面42的外緣上設(shè)置的多個(gè)切削齒10中，兩兩凸脊型非平面切削齒10之間設(shè)置一個(gè)常規(guī)平面切削齒5。

如圖5所示，在另一實(shí)施例中，屋脊型非平面切削齒可設(shè)置在刀翼4的肩部433。在鉆進(jìn)含礫石等夾雜地層時(shí)，鉆頭肩部齒由于有較高的線(xiàn)速度以及切削功率，使得其在鉆頭在井底振動(dòng)時(shí)更容易受到正向沖擊力，造成金剛石復(fù)合片損壞而降低機(jī)械鉆速，影響進(jìn)尺。在這種情況下，將屋脊型非平面切削齒布置于鉆頭肩部433，從而提高鉆頭抗沖擊的能力及破巖效率。

當(dāng)然，在其他的實(shí)施例中，金剛石鉆頭上的切削齒也可全采用屋脊型非平面切削齒布齒方案。采用全齒凸脊型非平面切削齒的鉆頭成本較圖5的金剛石鉆頭高。

另外，鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中肩部齒通常承受了最高的切削功率。在鉆進(jìn)高沖擊性地層時(shí)并且由于鉆頭肩部齒的切削線(xiàn)速度很高，容易承受來(lái)自圓周向的沖擊力從而導(dǎo)致崩齒。因此在鉆進(jìn)此類(lèi)地層時(shí)，應(yīng)該將屋脊型非平面切削齒布置于鼻部432外側(cè)以及肩部433，以改善此區(qū)域的齒抗沖擊的能力，提高鉆頭壽命。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，多個(gè)刀翼4上還布置有多個(gè)副切削齒，該副切削齒沿鉆頭本體3的旋轉(zhuǎn)切削方向布置在多個(gè)切削齒5的后排，多個(gè)副切削齒包括屋脊型非平面切削齒10。具體是，該屋脊型非平面切削齒10還可設(shè)置在刀翼肩部433的刀翼頂面43處，也即上述副切削齒的位置處。將屋脊型非平面切削齒10布置于刀翼肩部433的刀翼頂面43(即刀翼4的副切削齒)位置時(shí)，是通過(guò)釬焊方式將其“嵌入”各刀翼4內(nèi)。

本發(fā)明的金剛石鉆頭，將屋脊型非平面切削齒布置在金剛石鉆頭的刀翼4的心部431、鼻部432和肩部433，以適應(yīng)不同地層鉆進(jìn)需求。

以上所述僅為本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員依據(jù)申請(qǐng)文件公開(kāi)的內(nèi)容可以對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行各種改動(dòng)或變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。