具有切削脊和倾斜切削面的复合片及pdc钻头
阅读说明：本技术 具有切削脊和倾斜切削面的复合片及pdc钻头 (Composite sheet with cutting ridges and inclined cutting faces and PDC drill bit ) 是由 于家庆 程晓敏 杨雄文 王旭 刘宇 彭齐 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头。PDC钻头包括钻头本体、本发明的多个具有切削脊和倾斜切削面的复合片、以及多个分别容纳具有切削脊和倾斜切削面的复合片的带凹槽的刀翼。具有切削脊和倾斜切削面的复合片(后称切削齿)包括基底；超硬层；超硬层顶部的倾斜面,倾斜面从超硬层切削刃向超硬层后缘向下倾斜。具有切削脊和倾斜切削面的复合片还包括在超硬层的侧壁处从倾斜面的外围延伸到切削刃的倒角。(The invention provides a composite sheet with cutting ridges and inclined cutting faces and a PDC drill bit. PDC bits include a bit body, a plurality of composite sheets of the present invention having cutting ridges and angled cutting faces, and a plurality of fluted blades that receive the composite sheets having cutting ridges and angled cutting faces, respectively. A composite sheet (hereinafter referred to as a cutting tooth) having a cutting ridge and an inclined cutting face includes a substrate; an ultra-hard layer; the inclined plane at the top of the superhard layer inclines downwards from the cutting edge of the superhard layer to the rear edge of the superhard layer. The composite sheet having a cutting ridge and an inclined cutting face further includes a chamfer extending from the periphery of the inclined face to the cutting edge at the side wall of the ultrahard layer.)
技术领域
本发明主要涉及油气行业石油勘探钻井作业中使用的钻头。本发明具体地涉及用于石油勘探和钻探操作的钻头领域中的切削元件，一种具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头。
背景技术
例如在地面钻井开发油气或进行其它应用时，常规的做法是在钻柱下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过启动井下螺杆或涡轮转动钻柱，从而旋转钻头。钻头旋转，钻入地下地层。随着钻头旋转，切削齿或研磨性结构切削、压碎、剪切并研磨地层以形成井眼。钻头通常包括由钢或胎体制成的钻头本体。钻头本体具有刀翼或类似结构，多个切削元件以预定方式布置至刀翼或类似结构。刀翼的构造方式以及将切削元件布置在刀翼上的方式除其他因素外，取决于待钻地层的类型以及与钻头链接的钻井钻具组合。
图1展示了适于钻穿岩石地层以形成井眼的常规钻头。该钻头包括钻头本体3和多个刀翼4以及用于将钻头连接至钻柱(未展示)的连接接头或接扣32，该连接接头或接扣32用于使钻头围绕纵向钻头轴线6旋转以钻出井眼。刀翼4由通道或间隙分开，这些通道或间隙使钻井液流过并清洁和冷却刀翼4和切削齿5。切削齿5以预定的角度方向和径向位置放置在刀翼4中，从而使工作面503形成相对于待钻地层理想的后倾角。流体通道31形成在钻头本体3中，并且多个水眼33与流体通道31连通。钻井液可以沿选定的方向和选定的流量被泵入刀翼4之间的空间中以润滑和冷却钻头、刀翼4和切削齿5。当钻头旋转并穿过地层时，钻井液还可以清理井底并排出岩屑。
钻头本体3是圆柱形的。多个切削齿5设置在刀翼4的外边缘上，此外，刀翼4的外边缘包括内锥部分431，鼻部432，肩部433和保径部分434。内锥部分431靠近钻头本体3的中心轴线，保径部分434位于钻头本体3的侧壁上，并且切削齿5分布在刀翼4的内锥部分431，鼻部432，肩部433和保径部分434。
如图2A至图2C所示，显示了典型的切削元件5(也称为切削齿5)，其为圆柱体，具有切削齿轴505，并且包括圆柱体的底端部分和圆柱体的顶端部分。圆柱体底端部分也即基底504通常由诸如碳化钨的硬质复合材料制成，而顶端部分也称为超硬层502通常由诸如聚晶金刚石(PCD)的硬质耐磨材料制成。根据本领域中已知的界面的许多变化设计，基底504与超硬层502之间的界面513可以是平面的或非平面的。通过高压高温工艺将基底504和超硬层502烧结在一起。在超硬层502的顶端，加工倒角507以增加切削刃在进入井眼并至少在初始接触地层开始钻进时的耐用性。熟知本领域的技术人员会认识到，倒角507的至少一部分还可以用作在钻井操作期间接触地下岩层的工作表面。超硬层502的顶面503和倒角507的表面在顶部切削刃515处相交，并且超硬层502的圆柱侧面512和倒角507的表面也在下边缘514处相交，形成主切削刃，其曲率与基底504外圆柱表面的曲率相同。
对于典型的切削齿，超硬层的顶面503(也称为切削面)是平坦的并且平行于基底的底面，即垂直于切削齿轴505。切削面上任意点相对于基底的底面的高度等于切削齿高度506。还应注意的是，如果界面513是平面的，则超硬层的厚度是均匀的。由于超硬层材料和基底材料之间的热膨胀系数的不匹配，可以采用一些非平面的界面513来减小界面处和超硬层内部的残余应力。在这种情况下，超硬层的厚度不均匀，但是切削面仍平行于基底的底面并垂直于切削齿轴线，即切削面与切削齿轴之间的切削面角560为90度。
如图3A和3B所示，显示了常规切削齿5平面切削面503切削地层410。在钻进过程中，钻头(见图1)将置于井眼的底部并旋转以切削井眼的内表面。刀翼上的切削齿按预定的、相对于待钻地层的角度方位，通过钎焊或机械锁固方式安装在刀翼上。钻井液被泵入钻头本体内部并从喷嘴中流出。随着钻头的旋转，PDC切削齿刮擦并剪切岩石，同时承受来自地层的巨大冲击。
切削齿的布置的一个特征被称为后角，该后角是切削齿轴线与地层410的顶表面之间的角度。保持一定的后角是必要的，可以防止切削齿与地层摩擦，避免在钻孔过程中产生摩擦热和额外的反作用扭矩。
切削齿的布置的另一个特征被称为后倾角。后倾角用于描述工作面503工作角度。如图3A所示，后倾角610定义为工作面503与在切削刃514处垂直于地层410表面的平面之间的角度。对于圆柱形平面切削齿来说，后倾角610等于后角620。图3A中的后倾角610大于图3B中的后倾角612，因为图3A中的后角620大于图3B中的后角630。最有效的钻进所需的后倾角取决于待钻的岩层类型。通常，钻头被设计成使得切削齿具有相对较小的后倾角。小后倾角通过减少破坏特定地层所需的钻压(WOB)，钻井效率高，机械钻速快。
但是，对于碳酸盐岩、火成岩、砂岩等坚硬地层，需要有较大的后倾角，以增加切削刃的强度，防止切削齿因切削力过大而断裂或碎裂。这种情况下，切削效率降低，有时切削齿很难咬合地层，导致钻井不稳定。
对于软地层，如页岩、粘土岩和泥岩，剪切地层需要较低的切削力，切削齿损坏不显著。相对较小的后倾角可用来最大限度地提高切削效率，而不会造成切削齿损坏。然而，对于具有平面切削面的常规切削齿，所需的后倾角可能无法实现。如果后倾角(与平面切削齿的后角相同)太小，则与切削刃相邻的切削齿下圆周表面将与地层或受挤压的切屑摩擦，增加摩擦热和额外的反作用扭矩。增加的摩擦热会降低切削齿的耐磨性能和抗冲击性能，缩短钻头寿命。在高围压、高井底温度条件下钻遇软地层，特别是页岩和粘土岩地层时，其另一个缺点是切削过程中会产生连续的带状岩屑。连续的岩屑条带可能会在切削面前面堆积和压实。切削齿和岩石之间的岩屑堆积对切削齿/岩石的相互作用有重大影响。能量在岩屑的塑性变形中损失，而不是破坏完整的岩石。岩屑堆积也可能导致其他低效钻井情况，如冷却效率低，甚至出现岩屑在切削齿上形成泥包。
因此，在保持所需的后角的同时，需要具有小后倾角的切削齿，以提高切削效率和使用寿命。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头，以解决现有技术中复合片切削效率低的问题。
在一方面，本发明涉及一种在钻头上使用的用于切削地层的具有切削脊和倾斜切削面的复合片(切削齿)。该切削齿包括基底；超硬层；超硬层顶部的倾斜面，倾斜面从超硬层切削刃向超硬层后缘向下倾斜。具有切削脊和倾斜切削面的复合片还包括在超硬层的侧壁处从倾斜面的外围延伸到切削刃的倒角。
在与倾斜面有关的一些实施例中，倾斜面包括在倾斜面的顶部沿直径方向从切削刃延伸至后缘的切削脊。倾斜面包括从切削脊到倾斜面的外围分别向下倾斜的两个侧面。后缘处的轮廓角大于切削刃处的轮廓角。切削刃处的切削齿高度高于后缘处的切削齿高度。在一些实施例中，切削脊为倒圆切削脊。
在与倾斜面有关的一些实施例中，倾斜面包括与切削刃相较于其上的切削点并从切削点延伸到后缘的两个切削脊。两个切削脊将倾斜面分割成两个侧向平面和一个中心平面。中心平面由切削刃向后缘向下倾斜。两个侧向平面分别从两个切削脊向下倾斜到倾斜面的外围。两个侧向平面的两个倾斜角度相等或不同。
与倾斜面有关的一些实施例中，倾斜面包括在远离切削刃的一点相交的两个会聚脊和一个中心切削脊，两个会聚脊和中心切削脊将倾斜面分割为两个侧向平面和一个中心平面。两个侧向平面在中心切削脊处相交，并且两个侧向平面与中心平面分别相交于两个会聚脊处。中心切削脊的外端与切削刃相交于一切削点。中心切削脊平行于切削齿基底的底面。中心平面具有倾斜度。
在一些实施例中，超硬层由PCD形成，倾斜面是通过电火花加工(EDM)、激光烧蚀、研磨或其他物质减量方法制造成型。它也可以通过烧结直接成型。
在另一方面，本发明涉及用于切削地层的PDC钻头。钻头包括钻头本体、本发明的多个具有切削脊和倾斜切削面的复合片、以及多个分别容纳具有切削脊和倾斜切削面的复合片的带凹槽的刀翼。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征，以便可以更好地理解下面的详细描述。下文将描述构成权利要求主题的本发明的附加特征和优点。
附图说明
为了达到本发明的目的，使用上述方式和其它增强方式，将参照附图中阐释的具体实施例，对以上简述的本发明进行更加特殊的说明。应理解这些图表仅描述本发明典型的实施例，因此不能视为对其范围的限制。通过使用以下附图，本发明将以额外的具体内容和细节进行说明。
图1是现有技术的钻头的剖面图；
图2A是现有技术具有平面工作面的切削齿的透视图；
图2B是图2A中的切削齿的剖面图；
图2C是图2A中的切削齿的俯视图；
图3A是平面切削齿以较大后倾角切削地层的示意图；
图3B是平面切削齿以较小后倾角切削地层的示意图；
图4A是根据本发明的一个实施例的具有非平面切削面的切削齿的透视图，该切削面包括两个倾斜的侧面和一个倾斜的切削脊；
图4B是图4A中的具有非平面切削面的切削齿的正视图；
图4C是图4A中的具有非平面切削面的切削齿的剖面图；
图5是图4A中的切削齿以减小的后倾角切削地层的示意图；
图6A是图4A中的具有倒圆切削脊的非平面切削齿的透视图；
图6B是图6A中的非平面切削齿的正视图；
图6C是图6A中的非平面切削齿的侧视图；
图7A是根据本发明的一个实施例的具有非平面切削面的切削齿的透视图，该切削面包括在切削刃处会聚的三个倾斜平面；
图7B是图7A中的具有非平面切削面的切削齿的正视图；
图7C是图7A中的具有非平面切削面的切削齿的侧视图；
图8A是根据本发明的一个实施例的具有三个平面和三个切削脊的切削齿的透视图；
图8B是图8A中的具有非平面切削面的切削齿的正视图；
图8C是图8A中的具有非平面切削面的切削齿的侧视图；
图9是图8A中的切削齿切削具有软硬夹层的高度非均质地层的示意图。
具体实施方式
本发明中所示细节是通过例子方式进行阐释，仅用于本发明优选实施例说明性讨论。为了能够获得认为最有用、最容易理解的原则说明和本发明中不同实施例概念层面，提出了本发明中所示细节。在这一点上，不得试图超出基本理解本发明所需要的详细程度来说明本发明的构造细节。对于那些所属本领域的技术人员来说，采用图表说明方式很明显能够了解本发明中的几种形式是如何在实践中体现。
本发明中的具有切削脊和倾斜切削面的复合片，后面简称为切削齿。
图4A-4C说明了本发明中切削齿51的实施例。依据本发明，切削齿51具有基底504和设置在其上的超硬层502。超硬层502由聚晶金刚石、立方氮化硼、碳化硅组成，基底504由碳化钨组成。切削齿51基本上是圆柱形的，沿纵轴505对称，尽管这种对称不是必需的，现有技术已有非对称切削齿。倒角507从顶面503的外围延伸至超硬层502的侧壁512。倒角507可如图所示延伸到超硬层502的整个外围，或只是沿着靠近切削点的外围部分延伸。倒角507可以增加切削刃的耐用性，但是应当注意，没有展示出明显的倒角的切削齿，在某些特殊应用，可以使用在某种选定的钻头的外部区域。
本发明中的切削齿的顶面503(倾斜面)包括两个侧面531、533，这两个侧面在切削齿的中心相交并形成切削脊541。顶面503可以从典型的平面切削齿构建，通过使用称为放样切削的方法形成。切削脊541在倾斜面503的顶部沿直径方向从切削刃521向下延伸至倾斜面503的顶部的后缘523。两个侧面531、533分别从切削脊541沿着相对于切削脊的垂直方向向下倾斜到倾斜面503的外围。切削脊541和切削刃521的交点、侧面531上的最低点和侧面533上的最低点定义了切削三角形的三个顶点。切削三角形在垂直于切削脊541的平面上的投影形成具有三个顶点542、524、525的切削三角形轮廓。类似地，切削脊541和后缘523的交点、侧面531上的最低点和侧面533上的最低点定义了后缘三角形的三个顶点。后缘三角形在垂直于切削脊541的平面上的投影形成具有三个顶点543、524、525的后缘三角形轮廓。
切削三角形轮廓的顶点542高于后缘三角形轮廓的顶点543。将连接顶点542、524的直线和切削齿轴505之间的角度定义为第一切削刃轮廓角551，将连接顶点542、525的直线和切削齿轴505之间的角度定义为第二切削刃轮廓角552。将连接顶点543、524的直线和切削齿轴505之间的角度定义为第一后缘轮廓角555，将连接顶点543、525的直线和切削轴505之间的角度定义为第二后缘轮廓角556。以三角形轮廓顶点之间的连线为引导曲线，可以形成凸曲面。侧面的坡度由轮廓角决定。后缘处的轮廓角大于切削刃处的轮廓角，以便在后缘523处保持合理的金刚石层厚度。特别地，第一后缘轮廓角555大于第一切削刃轮廓角551，第二后缘轮廓角556大于第二切削刃轮廓角552。切削脊541通常位于倾斜面的中心。每个轮廓的轮廓角可以相等或不同。放样切削是通过电火花加工(EDM)、激光烧蚀、研磨或物质减量方法制造成型。它也可以通过烧结成型。
通过使用前述方法构造切削齿，切削刃处切削齿高度506高于后缘处切削齿高度508。切削脊541从切削刃向后缘倾斜，倾角509大于90度。在切削脊541和切削齿轴505之间测量切削脊倾斜角度。切削脊倾斜角度定义为切削脊541和切削齿轴505之间的夹角。
图4A-4C中描述的非平面切削齿的优点可以在图5和图3A中说明。图3A示出了具有后倾角610和后角620的平面切削齿切削岩石。图5示出了图4A具有倾斜切削面的切削齿51以相同后角切削岩石。当切削地层410时，平面切削齿5和非平面的切削齿51在图3A和图5中具有相同的后角。由于切削面倾斜，切削齿51的后倾角613(等于图4C中的后倾角610减去切削脊倾角509加90度)小于平面切削齿5的后倾角610。图4A-4C中非平面的切削齿具有减小的后倾角和尖锐的切削脊，需要较少的切削力来破碎地层，同时保持合理的后角。
图4A-4C中的切削齿还有一些其他优点。切削后倾角减小后，岩屑与切削面接触的时间变短，从而减少摩擦热。摩擦热会降低超硬层的耐磨、抗冲击等性能。非平面切削面提供了良好的钻井液流动路径，有助于更有效地冷却切削齿。切削脊541和倾斜切削面531、533会截断岩屑，降低岩屑在切削刃前方压实的倾向。岩屑在切削刃前方压实可能导致冷却效率低甚至在切削齿形成泥包等其他低效钻井情况。
在本申请的实施例中，倾斜的切削面可以在中间具有倒圆切削脊。图6A-6C展示了具有倾斜表面和倒圆切削脊的切削齿52。具体地，切削齿52具有基底504和设置在其上的超硬层502。倒角507从顶面503的外围延伸到超硬层502的侧壁512。超硬层502的顶面503是倾斜的。切削脊541在切削面503的顶部沿直径方向从切削刃521向下延伸至后缘523。同时，两个侧面531、533分别从切削脊541沿着相对于切削脊的垂直方向向下倾斜到顶面503的外围。
如本领域技术人员将认识到的，根据本发明的特征还有其他切削齿设计。在优选实施例，参考图7A-7C，展示了具有倾斜表面的切削齿53。切削齿53具有基底504和设置在其上的超硬层502。倒角507从顶面503的外围延伸到超硬层502的侧壁512。超硬层502的顶面503是倾斜的。
切削顶面503包括三个倾斜的平面531、532和533。中心平面532在中心平面532和切削齿的底面之间具有倾斜度A。倾斜度A决定了与平面切削齿相比后倾角的减小量。倾斜度A的范围为1-45度。优选范围为3-15度。侧面531、533具有倾斜度B和C，其下侧与切削齿圆柱面相交。倾斜度B和C分别在侧面531、533和切削齿轴505之间测量。这三个表面在两个切削脊541、542处相交，从而形成一个尖锐的切削点522。具体地，平面531在切削脊541处与中心平面532相交，平面533在切削脊542处与中心平面532相交。切削脊541、542在切削点522处相交并且从切削点522延伸到后缘，使得两个切削刃形成基本为“V”型的图案。三个表面531、532和533分别从切削刃521向下倾斜到后缘523，同时，侧面531、533分别从两个切削脊541、542向下倾斜到切削齿的外围。值得一提的是，侧面相对于穿过切削点且垂直于图7A-7B中的切削齿底部的平面对称，在这种情况下，倾斜角度B和C相等，但是在其他实施例中它们可以是不对称的。
图8A-8C展示了本发明的切削齿54的替代实施例。与图7A-7C中的切削齿类似，切削面具有三个倾斜的平面，但它们在远离切削刃的一点相交。切削齿54具有基底504和设置在其上的超硬层502。倒角507从顶面503的外围延伸到超硬层502的侧壁512。中心切削脊平行于切削齿的底面，并且两个分叉的切削脊向下延伸至切削齿的外围后缘处。
超硬层502的顶面503倾斜并具有三个切削脊541、542和543。这三个切削脊的内端在顶面503上的545处会聚，而三个切削脊的末端延伸到顶面503的外边缘。从切削齿的顶部看，三个切削脊形成基本为“Y”型的图案，并且三个切削脊将顶表面分成两个侧向平面531、533和一个中心平面532。两个侧向平面531、533在中心切削脊541处相交。中心切削脊541的外端在切削点处与切削刃521相交。两个侧向平面531、533分别在两个发散的切削脊542和543处与中心平面532相交。在一个实施例中，中心切削脊541平行于切削齿底面，并且两个发散的切削脊542、543向下延伸至切削齿外围后缘523处。倾斜角度在中心平面和平行于切削齿底面的平面之间测量。在图8B中，中心平面532具有倾斜角D。值得一提的是，图8A-8C中，中心切削脊541平行于切削齿底面，但是它可以从切削刃向下倾斜到中心平面，其倾斜角小于中心平面的倾斜角D。
中心脊用于切削地层，并且其长度可以根据切削非均质程度高、软硬交错地层时的切深来优化。图8A-8C中的实施例可以以阶梯式后倾角方式来适应地层变化。参照图9，地层410具有硬地层和软地层，非均质程度高。当钻头在高度非均质层410切削相对硬的层段时，优选较大的后倾角以保持切削齿切削刃强度，防止由于作用在切削齿上的高切削力而引起的断裂或碎裂。但是，当钻头在高度非均质地层切削相对较软的层段时，优选较小的后倾角以提高切削效率。特别地，当切入地层410的硬层段时，切削齿54以低切深415产生硬地层条带414。在低切深时，切削脊541与硬地层条带接触，后倾角A是切削脊541和垂直于地层410表面的线411之间的角度。当切削地层410的软层段时，切削齿以高切深419产生软地层条带418。在高切深时，后倾角B是中心表面532与线411之间的角度。由于中心平面532具有倾斜角D，后倾角B小于后倾角A，允许更高的机械钻速。因此，本发明的切削齿在切削非均质地层时，可以保持相同后角，自动调节后倾角，从而提高切削效率和钻头的使用寿命。
对于图7A-7C和图8A-8C中的切削齿，切削面由三个平面构成。其他表面形状，例如弯曲表面，圆顶表面，凸面或凹面也应包括在本发明中。
在一些实施例中，本发明也提供一种PDC钻头，该钻头在任何位置上包括至少一个在本发明中公开的切削齿。
根据本发明，可以在不进行不必要的实验的情况下，制造和实施本发明中所公开和要求保护的所有组合物和方法。虽然本发明的组合物和方法已根据优选实施例进行了说明，但是对于那些所属领域的技术人员来说，很明显，在不偏离本发明概念、精神和范围前提下，按照步骤或按照在此所描述的方法步骤的顺序，可以将变化应用到组合物和方法上。更具体来说，显而易见的是，某些具有化学关系的作用剂可以代替本发明的作用剂，同时获得相同或类似的结果。对于那些所属领域的技术人员来说，显而易见的是，所有这些类似替代物和修改视为在所附权利要求所界定的本发明的精神、范围和概念范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：凿岩车连接结构和凿岩车