一种钻齿及其制造方法与流程

本发明属于石油、天然气钻井领域，具体涉及一种钻齿及其制造方法。

背景技术：

钻井过程中，钻头需要钻穿不同地层，当地层岩性发生变化时，钻进速度rop(rateofpenetration)会随之变化，容易引起钻头的粘滑振动，甚至引起钻头和井下bha(bottomholeassembly)组件的失效，导致由于井底复杂事故造成的钻井成本增加和效率降低。通常钻速rop主要通过控制钻压wob(weightonbit)和旋转速度rpm(revolutionsperminute)来实现，即分别通过大钩载荷、钻柱旋转和/或者控制井底马达转速来实现的，但这些控制手段相对于井底钻头都具有一定的滞后性。

随着pdc钻头技术突飞猛进的发展，为了避免在较低钻压和较高转速范围下引起的钻头回旋破坏，因此逐渐趋于采用较高的钻压和较低的转速相结合的参数组合来提高钻进性能，但是这样却难以避免在较高的wob和较低的rpm下引起的扭转失稳，进而造成粘滑振动。doc(depthofcut)控制技术自21世纪初引入后，可以有效消除钻头的扭转振动，成为pdc技术发展史上一个里程碑。它扩大了pdc钻头的应用范围，但是在一些情况下也限制了钻头的切削能力。

目前，2016年贝克休斯公司引入了自适应pdc钻头，该钻头可以随着持续变化的钻井环境自动调节doc特性，可在提高rop的情况下缓减粘滑振动，克服了固定齿传统doc控制技术的局限，不需要固定的切削深度控制预设计，通过可调节的doc控制单元收缩性能避免牙齿与地层的过度啮合，从而防止钻头过早失效以及引起bha部件毁坏和扭断的可能性，且能在维持较高rop的前提下，扩大钻头稳定操作区域。但是该技术在地下的可靠性弱。

2016年4月19日，哈里伯顿公司的公开专利us9316057b2，发明了一项双齿切削齿，保护齿与主切削齿同心或者偏心，直径小于主切削齿，从主切削齿延伸出一定长度。该切削齿设计的目的也是为了控制切削齿的切削深度。但是该技术中副切削齿的稳定性不强。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种钻齿及其制造方法，提高切削结构的可靠性，延长钻头寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钻齿，包括主切削齿、副切削齿和保护齿；

在所述主切削齿内设有至少一个凹槽，在每个凹槽内嵌有一个副切削齿；

在每个副切削齿内设有凹槽，在凹槽内嵌有保护齿；

所述保护齿的端面低于副切削齿的端面，但高于主切削齿的端面。

每个所述副切削齿的轴线均与主切削齿的轴线平行，且所有副切削齿的中心连线与主切削齿的横截面中心线平行。

所述主切削齿为圆柱体结构，包括连成一体的主切削齿基体和主切削齿切削面；

在所述主切削齿内的各个凹槽的中心连线与主切削齿的横截面中心线平行，且位于主切削齿的横截面中心线的下方。

所述副切削齿为圆柱体结构，包括连成一体的副切削齿基体和副切削齿切削面；

在所述副切削齿内的凹槽的轴线与副切削齿的轴线平行，所述凹槽与副切削齿同轴线设置或者偏心设置。

所述保护齿为圆柱体结构，包括连成一体的保护齿基体和保护齿切削面。

一种制造所述钻齿的方法，包括：

(1)制作保护齿；

(2)用模具制作具有凹槽的副切削齿基体；

(3)用模具制作具有凹槽的主切削齿基体；

(4)将所述保护齿焊接至副切削齿基体的凹槽内；

(5)将所述副切削齿基体焊接至主切削齿基体的凹槽内；

(6)在所述副切削齿基体的端面上烧结形成副切削齿切削面，在所述主切削齿基体的端面上烧结形成主切削齿切削面。

所述步骤(4)、(5)中是通过在保护齿或者副切削齿基体的底部或者侧面覆盖焊料，然后通过高温焊接方式将其焊接在凹槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过副切削齿控制doc，优化了钻头性能，同时为了改进副切削齿的可靠性，在副切削齿中设置了保护齿，提高了副切削齿的可靠性，同时根据偏心设计可以作为次一级的doc控制结构。同时，设置的n个副切削齿可以首先破坏地层，使得主切削齿钻井地层更加容易，因此提高了钻速。

附图说明

图1本发明钻齿的结构示意图

图2a本发明钻齿的第一个实施例的俯视图

图2b本发明钻齿的第二个实施例的俯视图

图3a-1本发明钻齿的第一种副切削齿结构

图3a-2图3a-1的俯视图

图3b-1本发明钻齿的第二种副切削齿结构

图3b-2图3a-1的俯视图

图4副切削齿结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明是一种高可靠性的doc控制pdc切削齿，该切削齿主要由用于控制doc的副切削结构、用于切削地层的主切削结构以及用于提高副切削结构可靠性的内嵌齿组成。

具体来说，本发明钻齿由主切削齿、副切削齿和保护齿三部分组成。

主切削齿，包括主切削齿基体2和主切削齿切削面3，在主切削齿内留有预设的n个圆柱形的凹槽，内嵌n个副切削齿，且n个副切削齿轴线与主切削齿轴线平行，同时n个副切削齿的中心连线与主切削齿的横截面中心线平行，优选设置在钻齿接触地层的下半部分，这样副切削齿才能起到切削作用。

副切削齿，包括副切削齿基体5和副切削齿切削面4，在副切削齿内留有预设的圆柱形凹槽，用于保护齿的设置。每个副切削齿都内嵌一个保护齿1，用于提高副切削齿的可靠性。如果该保护齿1与副切削齿同心设计，就仅起到在副切削齿磨损后继续用保护齿钻进的作用，延长副切削齿的寿命。如果偏心设计那么同时可以起到次一级doc控制的作用，同时也加固了副切削齿。

保护齿1，包括保护齿基体6和保护齿切削面7。可以利用激光、电子卸料机、铣削等技术在副切削齿上切出一个同心圆柱槽，然后嵌入保护齿。

副切削齿的长度根据所钻地层合理设计，因此，在副切削齿接触地层之前，主切削齿的切削深度(doc)即为理想的控制深度。在副切削齿接触地层开始，副切削齿也开始切削地层，合理设计切削齿分布距离，可以在主切削齿切削地层之前先破坏地层的完整性，从而辅助主切削齿切削地层，提高机械钻速。

同时为了避免副切削齿过快的磨损，在其内部嵌入保护齿，待副切削齿磨损一定程度后，暴露保护齿，保护齿继续钻进地层，从而延长钻头寿命。如果保护齿与副切削齿偏心设计，且保护齿直接部分暴露在主切削齿外，那么可以作为次级doc控制装置，减小地层对副切削齿的破坏。钻齿切削面的形状可以是锥形、脊形等任何形状。从轴截面上看，保护齿的端面高于主切削齿的端面，但低于副切削齿的端面，这样是为了控制副切削齿的咬入深度，从而保护副切削齿。

具体制造时，三种齿可以采用相同材料设计，也可以进行特别设计。切削面材料可以从碳化钨、碳化硅、碳化硼、金刚石、氮化硼碳化物系多晶硬质合金等材料中选取；基体材料可以选择其他碳化材料。在钻齿底部或者侧面覆盖一层类似于焊料的材料，如wc-co等，然后高温焊接于凹槽内。

该钻齿钻进地层的详细过程为：

如图1所示，钻井过程中，钻齿首先接触地层，在钻齿的主切削面咬入地层一定深度后，根据钻齿设计的doc，副切削面咬入地层，限制主切削面进一步咬入地层，降低粘滑风险，避免钻头憋压，发生回旋风险。由于副切削面易于发生磨损，因此在副切削齿基体内设置了保护齿。

如图2a和图2b所示，在主切削齿分别上设有在n个副切削齿，n个副切削面切削地层后，首先破坏地层完整性，降低地层应力，从而提高主切削齿切削地层的效率，提高钻头机械钻速。

副切削齿与保护齿的结构如图3a-1至图3a-2所示，在副切削齿接触地层一段时间后，发生磨损，如图4所示，保护齿暴露，保护齿切削面接触地层，辅助钻进，延长了副切削齿的寿命。

也可以将保护齿设计成与副切削齿偏心，如图3b-1和图3b-2所示，在主切削齿达到doc之前，副切削齿未接触地层的时候，保护齿先接触地面，将主切削齿的doc控制分级进行，这样在钻进过程中，进一步保护了主切削齿，同时降低了副切削齿的磨损，进一步提高机械钻速，改善钻井效率。

本发明根据doc控制原理，通过在主切削齿上设置副切削齿来控制钻齿的切削深度，降低粘滑，改善钻头回旋。同时保护副切削齿，延长钻齿寿命，在副切削齿磨损后，暴露保护齿，继续钻进，提高机械钻速。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。