一种脊形非平面宽刃口切削齿的PDC钻头的制作方法

一种脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头
技术领域
1.本发明涉油气井钻井工具的设计学领域，特别涉及一种脊形非平面宽刃口切削齿和pdc钻头及布齿方法。


背景技术：

2.聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact)钻头，简称pdc钻头。它是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。pdc钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻井成本低，因此在油气井的钻井中广泛应用。
3.传统pdc齿采用圆柱形齿，其切削轮廓与理论轮廓有差异，导致钻头实际破岩工作状态与理想设计工况差别较大，难以分析钻头的工作状况及损坏磨损情况，给钻头的设计优化带来困难；圆柱形齿在钻进时，齿与井底岩石的接触圆弧，将直接侵入变成了曲线的包络，增加了接触面积，削弱了吃入能力。脊形非平面齿金刚石的多维结构使其在回转半径偏小的钻头心部受力复杂，钻头设计时应谨慎选择将非平面齿布置于心部，但脊形非平面齿具有较强的抗冲击性，稳定性更好；脊形非平面齿对金刚石层表面的形貌的完整性要求较高，出现磨损后脊形非平面齿破岩效率的降低快于常规平面齿。在钻头布齿中，采用圆柱形齿或脊形非平面齿布齿会导致钻头在进尺较少时产生岩脊现象，为减缓此现象的发生，需要对圆柱形齿进行加密布齿，但加密布齿会降低单齿承压，从而降低切削齿侵入岩石的能力。
4.因此，需要采用新的pdc钻头及布齿方法解决难钻地层的钻井提速问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头，旨在通过结合脊形非平面结构和宽刃结构增加切削齿的抗冲击性，改善pdc钻头磨损的问题，从而实现破岩能量合理分配，提高破岩效率。
6.本实用新型所采用的技术方案为：一种脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头，它主要包括钻头体以及体上的切削齿，所述钻头体上分布多条刀翼，相邻刀翼之间有设置在钻头体上的水眼，所述切削齿固结在刀翼上，所述钻头上至少有一颗切削齿为脊形非平面宽刃口切削齿，脊形非平面宽刃口切削齿的工作面至少由两个互成一定角度的脊面构成，脊面之间的交线形成棱脊，所述脊面经预切处理具有一定宽度的切削刃口，所述脊形非平面宽刃口切削齿的宽切削刃口的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。
7.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿脊背夹角ψ的取值范围为120
°
≤ψ≤170
°
。脊面角越小，吃入岩石的能力越强。
8.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿具有两个脊面和一条长棱脊。
9.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿具有两个脊面和两条短棱脊。
10.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿具有三个脊面和三条短棱脊。
11.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿具有四个脊面和四条短棱脊。
12.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿金刚石层厚度h占切削齿高度h的1/5到1/2。钻头切削齿复合层厚度h越大，相同深度下金刚石磨损当量越大，增加了切削齿的耐磨性，但加大复合层厚度是有限制的，降低了抗冲性能，导致金刚石层崩碎，势必影响钻头性能及寿命。所以厚度在1/5h到1/2h范围内吃入效果和寿命均相对较好。
13.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿脊顶可有倒圆角也可无倒圆角，即脊顶倒圆角c的范围为0mm≤c≤5mm。脊形非平面宽刃口切削齿脊顶为圆弧过渡，避免应力集中到一点，具有较强的抗冲击性，减少磨损，脊顶无倒圆角，具有较强的攻击性。
14.作为优选，所述原始切削齿的圆心到宽切削刃两端点所连成的直线的距离为s的范围为0.2r≤s≤0.95r，r为原始切削刃的半径或短径。
15.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿设置在钻头内锥区域。
16.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿设置在钻头冠部的外肩上。
17.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与棱脊之间的夹角a范围为70
°
≤a≤105
°
。脊形非平面宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角接近直角，使钻头具有较好吃入能力的同时保证了切削齿的强度。
18.作为优选，所述脊形非平面宽刃口切削齿的宽切削刃为圆弧或锯齿状，宽切削刃的轮廓由上述形状线的多个顶点确定，宽切削刃的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率。
19.由上述技术方案可知，本实用新型的一种脊形非平面宽刃口切削齿的优点在于：在钻头上采用脊形非平面宽刃口切削齿，这种脊形非平面宽刃口切削齿与岩石接触面为互成一定角度的直线或较大曲率半径的曲线，旨在通过该齿形结构来降低破岩过程中常规钻头初期齿磨损现象，延长切削齿磨损寿命，降低出现损坏pdc齿甚至本体的情况。同时，采用宽刃口切削齿不需要在径向布齿图上加密排列，这能明显减少布齿数量和密度，提高钻头破岩效率；采用宽刃口切削齿，还能使齿与齿之间的载荷及切削能量分配将更均衡，可以实现破碎能量的合理分配。相比于圆柱形宽刃口切削齿，脊形非平面宽刃口切削齿结合了脊形非平面齿增加抗冲击性和耐磨性，具有更高的稳定性,能大幅减少扭矩,提高钻进速度。
附图说明
20.下面结合附图和具体实施方式对本专利作进一步详细的说明。
21.附图1为采用脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头整体结构示意图；
22.附图2为采用脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头沿钻头轴线看时的钻头俯视图；
23.附图3为采用脊形非平面宽刃口切削齿的pdc钻头局部齿示意图；
24.附图4为脊形非平面宽刃齿实施例一的结构参数示意图；
25.附图5为脊形非平面宽刃齿实施例二的结构参数示意图
26.附图6为脊形非平面宽刃口切削齿齿刃圆弧型刃口示意图；
27.附图7为脊形非平面宽刃口切削齿齿刃锯齿状刃口示意图；
28.附图8为脊形非平面宽刃口切削齿齿刃直线型刃口示意图；
29.附图9为脊形非平面宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与棱脊之间的夹角a为钝角时的示意图；
30.附图10为脊形非平面宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与棱脊之间的夹角a为直角时的示意图；
31.附图11为脊形非平面宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与棱脊之间的夹角a为锐角时的示意图；
32.图中，1-钻头体，2-刀翼，3-脊形非平面宽刃口切削齿，4-常规圆柱形切削齿，5-喷嘴水眼，6-脊形非平面宽切削刃，7-原始切削刃，8-宽切削刃的轮廓，9-棱脊，10-齿侧，ψ-脊背夹角，h-金刚石层厚度，r-切削齿半径，h-齿高度，c-倒圆角，s-刃口到圆心距离。
具体实施方式
33.以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
34.实施例一：
35.如图1、图2、图3所示，一种脊形非平面宽刃口切削齿，它主要包括钻头体1以及1体上的切削齿4，其特征在于：所述钻头体上分布多条刀翼2，相邻刀翼2之间有设置在钻头体上的水眼5，所述切削齿3和4固结在刀翼上，所述钻头上至少有一颗切削齿为脊形非平面宽刃口切削齿3。如图4所示为采用脊形非平面宽刃口切削齿的脊形非平面宽刃齿示意图，c为倒圆角，取值为2mm，r为切削齿半径13mm，h为齿高度13mm，h为金刚石层厚度3mm，ψ为脊背夹角，取值为160
°
，这样能保证寿命和吃入能力都较强。
36.如图6、图7、图8所示，所述脊形非平面宽切削刃的轮廓至原始切削刃的圆心的距离s的值为2.6mm；如图2所示，所述宽刃口切削齿设置在钻头冠部上；如图9所示，所述宽刃口切削齿的宽切削刃6对应的齿侧10与棱脊9之间的夹角a的值为98
°
；如图6、7、8所示，所述宽刃口切削齿的宽切削刃为圆弧形（图6），或为锯齿状（图7），或为直线（图8），宽切削刃6的轮廓8由上述形状线的多个顶点确定，宽切削刃6的轮廓8的曲率小于宽刃口切削齿3的原始切削刃7的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。
37.实施例二：
38.如图5所示，本实施例的一种脊形非平面宽刃口切削齿的切削齿半径r=15.88mm，齿高度h=13mm，金刚石层厚度h=3mm，ψ为脊背夹角，取值为160
°
。本实施例与实施例一的区别在于：本实施例具有三个脊面和三条棱脊，棱脊之间的夹角为120
°
。本实施例能保证寿命、稳定性和吃入能力都较强。
39.实施例三：
40.如图10所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：所述脊形非平面宽刃口切削齿3的宽切削刃6对应的齿侧10与棱脊9之间的夹角a为直角，其吃入能力较实施例一强。
41.实施例四：
42.如图11所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：所述脊形非平面宽刃口切削齿3的宽切削刃6对应的齿侧10与棱脊9之间的夹角a为不小于70
°
的锐角，其保证强度的同时，吃入能力比实施例一强。
43.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的范围和范涛的前提下，可以进行多种变化和修改。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。