切削齿及具有其的PDC钻头的制作方法

本发明涉及一种石油钻井技术，具体而言，涉及一种切削齿。本发明还涉及一种具有该切削齿的pdc钻头。

背景技术：

传统的石油钻井用的pdc钻头，其结构一般为圆柱横齿、圆柱立齿和尖齿，其切削方式分别为切入式、犁入式和裂岩式。这种结构的pdc石油钻头为石油开采钻井工程作出了贡献，但其同时存在着如下的缺点或不足：

(1)圆柱横齿采用切入方式切削岩石，圆柱横齿与岩石的接触面积较大，切削阻力大，不易切入地层，因此易崩碎复合片。

(2)磨损快，切削效率低，随着复合片的磨损，切削面迅速由立体圆角逐渐变成平角，钻头切削的面积逐渐增大，切削压强降低，使进给量不断减小，钻头弧顶逐渐变小，使钻头很快失去切削能力。

(3)圆柱立齿的金刚石层厚度偏低，使用寿命较短，切削效果差。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种切削齿，以提高其切削效率。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种切削齿，以提高其使用寿命。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种pdc钻头，以提高其切削效率。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种pdc钻头，以提高其使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种切削齿，包括外套筒、切削齿本体以及润滑结构，所述外套筒为筒形结构，所述外套筒具有中心空腔，所述外套筒具有中心轴线，所述外套筒的外周壁上形成有缺口，所述外套筒的所述一端的外周壁的直径等于所述外套筒的另一端的外周壁的直径，所述外套筒的一端的外周壁的周长小于所述外套筒的所述另一端的外周壁的周长，所述缺口设置于所述一端；所述切削齿本体可旋转地设置于所述外套筒的中心空腔内，所述切削齿本体包括第一切削部和第二切削部，沿所述一端向所述另一端延伸的方向布置所述第一切削部和所述第二切削部，所述第二切削部在垂直于所述中心轴线的投影面上的正投影覆盖所述第一切削部在垂直于所述中心轴线的投影面上的正投影，至少部分所述第一切削部和至少部分所述第二切削部外露于所述缺口处；所述润滑结构填充于所述切削齿本体和所述外套筒之间的间隙。

根据本发明的一实施方式，其中由所述一端向所述另一端的方向，所述外套筒的外周壁的周长逐渐增大，所述缺口与所述外周壁的结合处圆滑过渡。

根据本发明的一实施方式，其中所述缺口的外周壁具有第一周长和所述第二周长，所述第一周长与所述外套筒的一端的外周壁的周长相同，所述第二周长与所述外套筒的另一端的外周壁的周长相同。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削齿本体包括第一切削体和第二切削体，所述第二切削体为筒形结构，其具有中心空腔，所述第一切削体套设于所述中心空腔中，所述第一切削部设置于所述第一切削体的靠近所述一端的端部，所述第二切削部设置于所述第二切削体的朝向所述一端的端部。

根据本发明的一实施方式，其中所述第一切削体包括沿所述中心轴线布置的第一结构部、第二结构部以及第三结构部，所述第一结构部具有第一直径，所述第二结构部具有第二直径，所述第三结构部具有第三直径，其中所述第三直径大于所述第二直径，所述第二直径大于或者等于所述第一直径，所述第三结构部与所述第二结构部的连接处形成有阶梯面，所述第二切削体套设于所述第二结构部的外周，所述第二切削体的端面抵靠于所述阶梯面上，沿所述中心轴线方向，所述第二切削体的尺寸大于所述第二结构部的尺寸。

根据本发明的一实施方式，其中所述第三结构部的第三直径与所述第二切削体的外径的尺寸的比值为0.36-2.2。

根据本发明的一实施方式，其中所述第三结构部的第三直径与所述第三结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.5-10；所述第二结构部的第二直径与所述第二结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.5-3.2；所述第一结构部的第一直径与所述第一结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.3-3。

根据本发明的一实施方式，其中所述第三结构部的第三直径的尺寸为8-20mm，所述第三结构部沿中心轴线方向的尺寸为2-16mm。所述第一切削体沿所述中心轴线方向的尺寸为13-57mm，和/或所述第二切削体的外径为9-22mm。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削齿还包括封堵结构，所述封堵结构封堵于所述外套筒的所述另一端，所述封堵结构设置有中心孔，所述第一切削体的第一结构部穿设于所述中心孔内，所述第一结构部与所述封堵结构之间设置有润滑结构。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削齿还包括封堵结构，所述封堵结构封堵于所述外套筒的所述另一端，所述封堵结构与所述外套筒的外周壁围成腔体，所述第一切削体和所述第二切削体套设于所述腔体内，所述第二切削体的与所述第二切削部相对的一端抵靠于所述封堵结构上。

根据本发明的另一方面，提供一种pdc钻头，所述pdc钻头包括本发明提供的切削齿，所述pdc钻头还包括钻头本体、切削刀翼以及水眼，所述钻头本体具有钻头冠部，所述钻头本体的内部设置有水腔；所述切削刀翼形成于所述钻头冠部，所述切削刀翼上设置有齿孔，所述切削齿设置于所述齿孔中；所述水眼设置于所述切削刀翼之间，所述水眼与所述水腔连通。

根据本发明的一实施方式，其中所述切削刀翼设置为多个，每个所述切削刀翼上至少设置有3个所述切削齿。

由上述技术方案可知，本发明的切削齿及具有其的pdc钻头的优点和积极效果在于：本发明提供的切削齿本体包括第一切削部和第二切削部，该第二切削部在垂直于中心轴线方向的投影面的正投影能够覆盖第一切削部在垂直于中心轴线方向的投影面，切削过程中，该第一切削部可以先参加切削，进行裂岩，然后第二切削部可以参加切削，以更多地清除岩层，从而可以提高切削效率。更进一步地，由于切削齿本体为可旋转的，该第一切削部和第二切削部的整个圆周都参与切削，提高了切削齿本体的抗摩性，提高了切削齿的使用寿命。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种切削齿的剖视图。

图2是图1中的切削齿的俯视图。

图3是图1中的切削齿本体的结构图。

图4是图1中的第二切削体的剖视图。

图5是图1中的外套筒的剖视图。

图6是图1中的封堵结构的剖视图。

图7是根据一示例性实施方式示出的一种pdc钻头的局部剖视图。

图8是图7中的pdc钻头的俯视图。

图9是图8中的pdc钻头的a-a剖视图。

图10是图8中的一种示例性实施方式示出的pdc钻头的b-b剖视图。

图11是图8中的另一种示例性实施方式示出的pdc钻头的b-b剖视图。

其中，附图标记说明如下：

100、切削齿；101、外套筒；

102、第一切削体；103、第二切削体；

104、封堵结构；111、第三结构部；

112、第二结构部；113、第一结构部；

105、切削齿本体；701、钻头本体；

702、切削刀翼；703、水腔；

704、保护齿；705、保径齿；

801、水眼；

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1至图6，根据本发明的一个方面，提供了一种切削齿100，包括外套筒101、切削齿本体105以及润滑结构，但不以此为限，根据实际需要，本发明的切削齿100还可以包括用于防止杂质进入到外套筒101中心空腔内的封堵结构104，都在本发明的保护范围内。

继续参照图1、图2以及图5，根据本发明的一具体实施方式，其中外套筒101可以为筒形结构，其用于对切削齿本体105形成保护，使切削齿本体105在切削过程中受力均匀，防止弯曲折断。根据本发明的一具体实施方式，其中该外套筒101可以为圆柱筒形结构，具体地，外套筒101的一端的外周壁的直径可以与另一端的外周壁的直径相同。根据本发明的一具体实施方式，其中该外套筒101可以具有中心空腔，除此，该外套筒101还可以具有中心轴线。外套筒101的一端的外周壁上的可以形成有缺口，从而使得该外套筒101的该一端的外周壁的周长可以小于外套筒101的另一端的外周壁的周长。外套筒101可以固定于pdc钻头的齿孔内，也可以使用卡簧与卡簧槽配合以实现轴向限位，从而可转动地设置于pdc钻头的齿孔内，都在本发明的保护范围内，如此设计可以避免传统工艺使用高温焊接方式将切削齿100固定在齿孔内造成的切削齿100高温伤害。

参照图1和图3，根据本发明的一具体实施方式，其中切削齿本体105可旋转地设置于外套筒101的中心空腔内，切削齿本体105可以包括第一切削部和第二切削部，第一切削部和第二切削部可以沿中心轴线的延伸方向布置。可以定义外套筒101的具有缺口的一端为切削端，另一端为非切削端，由切削端向非切削端延伸的方向依次设置有第一切削部和第二切削部。至少部分第一切削部和至少部分第二切削部外露于缺口处，以顺利参与裂岩。根据本发明的一具体实施方式，其中第二切削部的直径尺寸可以大于第一切削部的直径尺寸，该第一切削部和第二切削部构成为类似阶梯轴的结构。本发明定义的切削齿本体105相对于外套筒101可旋转，是指只要该切削齿本体105的部分相对于该外套筒101是可旋转的，就在本发明的保护范围内。

继续参照图1，切削齿本体105可以为一体结构，这种情况下第一切削部和第二切削部可以相对静止，以在旋转时两者可以具有相同的角速度，但不以此为限，切削齿本体105还可以包括第一切削体102和第二切削体103，第二切削体103可以为筒形结构，其可以具有中心空腔，第一切削体102可以套设于该中心空腔中，第一切削部可以设置于第一切削体102的靠近切削端的端部，第二切削部可以设置于第二切削体103的朝向切削端的端部，根据本发明的一具体实施方式，其中第二切削部可以设置于第二切削体103的朝向切削端的端部的外周附近。第二切削体103的外径尺寸可以大于该第一切削部的外径尺寸，第二切削体103的内径尺寸可以小于该第一切削部的外径尺寸，切削过程中，该第一切削部更加靠近切削端，可以首先参与切削过程，由于其横截面尺寸较小，使其具有很好的裂岩能力，以将大块的被切削物，例如但不限于岩石破碎。通过将第一切削部的横截面尺寸设置为小于第二切削部的横截面尺寸，可以提高整个切削齿100和整个pdc钻头的耐冲击性。传统切削齿通常为切入式和犁入式地层的切削方式，本发明提供的切削齿可以使切削齿的切削方式变为铲入式，这种切削方式的切削齿与岩层之间的接触面积较小，从而使切削压强非常大，很容易扎入岩层并将岩层裂开，提高了整个pdc钻头的耐冲击性，冲击速度以及冲击效率，有效地克服或避免了上述现有技术中存在的不足。

继续参照图1，由于第二切削部的横截面尺寸大于第一切削部的横截面尺寸，可以对上述破碎的被切削物进一步切削。根据本发明的一具体实施方式，其中第一切削体102可以设置为固定于外套筒101上，第二切削体103可以设置为可绕第一切削体102旋转，从而可以使第二切削体103的整个圆周都参与切削，从而可以提高第二切削体103的使用寿命，另外，将第二切削体103设置为固定于外套筒101上，而第一切削体102设置为可旋转的，也可以提高第一切削体102的使用寿命，都在本发明的保护范围内。当然，可以理解的，该第一切削体102和第二切削体103分别设置为绕中心轴线旋转，都在本发明的保护范围内。

根据本发明的一具体实施方式，其中润滑结构可以填充于切削齿本体105和外套筒101之间的间隙，以提高旋转的顺畅性，另一方面可以提高切削齿本体105和外套筒101的使用寿命，但不以此为限，该润滑结构还可以设置于其他的具有相对运动的部件之间，例如但不限于，第一切削体102和第二切削体103之间，都在本发明的保护范围内。根据本发明的一具体实施方式，其中润滑结构可以由石墨基乳液或硫化钼构成，例如但不限于石墨基乳液或者硫化钼等固体颗粒状润滑剂。

继续参照图1，根据本发明的一实施方式，其中由一端向另一端的方向，外套筒101的外周壁的周长可以逐渐增大，缺口与外周壁的结合处可以圆滑过渡，但不以此为限，根据实际需要该缺口可以设计为各种形状，只要满足能够将第一切削部和第二切削部的至少部分外露，都在本发明的保护范围内。实际上，该切削齿100在参加切削过程中，该第一切削部和第二切削部是通过该缺口外露以与岩层接触的。

参照图5，根据本发明的一实施方式，其中缺口的外周壁可以具有第一周长和第二周长，第一周长可以为外套筒101的一端的外周壁的周长，第二周长可以与外套筒101的另一端的外周壁的周长相同，该第二周长可以为外套筒101的完整外周壁的周长，该第二周长可以大于该第一周长。

参照图3，根据本发明的一实施方式，其中第一切削体102可以包括沿中心轴线布置的第一结构部113、第二结构部112以及第三结构部111，第一结构部113可以具有第一直径，第二结构部112可以具有第二直径，第三结构部111可以具有第三直径，其中第三直径可以大于第二直径，第二直径可以大于或者等于第一直径，第三结构部111与第二结构部112的连接处形成有阶梯面，第二切削体103可以套设于第二结构部112的外周，该第二切削体103的端面可以抵靠于阶梯面上，沿中心轴线方向第二切削体103的内径的尺寸可以大于第二结构部112的尺寸，但不以此为限，以将第二结构部112套设于第二切削体103的中心空腔内，其中在第二结构部112和第二切削体103之间可以设置有润滑结构，当然根据本发明的另一具体实施方式，其中第二切削体103的尺寸也可以等于第二结构部112的内径尺寸，都在本发明的保护范围内。

继续参照图1和图3，根据本发明的一实施方式，其中第三结构部111的第三直径与第二切削体103的外径的尺寸的比值可以为0.36-2.2。根据本发明的一实施方式，其中第三结构部的第三直径与第三结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.5-10；第二结构部的第二直径与第二结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.5-3.2；第一结构部的第一直径与第一结构部沿中心轴线方向的尺寸的比值为0.3-3。根据本发明的一实施方式，其中第三结构部的第三直径的尺寸为8-20mm，第三结构部沿中心轴线方向的尺寸为2-16mm。第一切削体沿中心轴线方向的尺寸为13-57mm，和/或第二切削体的外径为9-22mm。

继续参照图1，根据本发明的一实施方式，其中切削齿100还可以包括封堵结构104，封堵结构104可以用于封堵外套筒101的另一端，用于防止切削齿本体105与外套筒101之间的润滑结构外露，从而可以提高切削齿100的使用寿命。封堵结构104上可以设置有中心孔，第一切削体102的第一结构部113可以穿设于该中心孔内，第一结构部113与封堵结构104之间可以设置有润滑结构，以提高第一结构部113以及整个第一切削体102的使用寿命。根据本发明的一具体实施方式，其中第一结构部113的直径可以与该封堵结构104上的该中心孔的孔径相同，以使两者配合。

根据本发明的一具体实施方式，其中封堵结构104的结构形式并不以此为限，例如但不限于该封堵结构104可以为非孔结构，封堵结构104可以与外套筒101的外周壁围成腔体，以使第一切削体102和第二切削体103套设于腔体内，第二切削体103的与第二切削部相对的一端可以抵靠于该封堵结构104上，以轴向定位，都在本发明的保护范围内。

参照图7至图9，根据本发明的另一方面，还提供一种pdc钻头，pdc钻头可以包括本发明提供的切削齿，pdc钻头还可以包括钻头本体701、切削刀翼702以及水眼801，钻头本体701可以具有钻头冠部，钻头本体701的内部可以设置有水腔703。根据实际需要，钻头本体701的直径可选择为127mm至431.8mm，但不以此为限。根据本发明的一具体实施方式，其中钻头本体701可以为钢体结构，但不以此为限，可以根据实际需要选择钻头本体701的材料，都在本发明的保护范围内。

继续参照图7至图9，根据本发明的一具体实施方式，其中切削刀翼702可以形成于钻头冠部，切削刀翼702上可以设置有齿孔，切削齿100可以设置于齿孔中。切削刀翼702的数量可以根据实际工况需求进行选择，根据本发明的一具体实施方式，切削刀翼702可以为2-8个，但并不以此为限切削刀翼702可以为6个、7个或8个，都在本发明的保护范围内。根据本发明的一具体实施方式，其中切削刀翼702可以为弧线形结构，作为本发明的一实施方式，其中切削刀翼702包括：从钻头冠部的靠近中心位置向边缘沿斜向上方向延伸的第一直线段，该第一直线段与钻头本体701的底面的夹角范围为0°至45°，第一直线段具有靠近边缘的尾端；从钻头冠部的顶面向钻头冠部的底部延伸的第二直线段，即可以理解的是，第二直线段可以从钻头冠部的顶面向下延伸，第二直线段与钻头本体701的中心轴线平行，第二直线段具有首端，首端可以靠近顶面；设置于第一直线段的尾端和第二直线段的首端之间的圆弧段，圆弧段向外突出。圆弧段的半径可以为需要的任意尺寸，例如但不限于半径为0mm至90mm之间的任意值。

参照图10和图11，根据本发明的一实施方式，其中切削齿100在切削刀翼702上具有侧偏角γ或负前角β，侧偏角γ或负前角β的范围为：0°＜γ≤20°，0°＜β≤20°。可以理解的是，本发明提供的一个实施例是切削齿100的外套筒101的底面设置于钻头本体701中。

继续参照图7至图9，根据本发明的一具体实施方式，其中钻头本体701的钻头冠部的外周面上还可以设置有保径齿705和保护齿704。其中，保护齿704可以设置于每个切削刀翼702的最下端的一颗切削齿100之后，保径齿705可以安装于切削刀翼702的下部，其形状可以为半圆柱形或者半圆形结构，都在本发明的保护范围内。根据本发明的一具体实施方式，其中保护齿704可以为圆柱横齿，但不以此为限，都在本发明的保护范围内。

继续参照图7至图9，根据本发明的一具体实施方式，其中水眼801可以设置于相邻的切削刀翼702之间，水眼801可以与水腔703连通。为了对切削部位进行清洗，沿切削齿100的切削方向，可以将水眼801设置于切削齿100的前方。钻头上的水眼801的数量可以根据需要选择为多个，例如但不限于水眼801的数量可以为4-18个。根据本发明的一具体实施方式，其中水眼801中还可以设置有喷嘴，以提高其清洗效果。

继续参照图7至图9，根据本发明的一实施方式，其中切削刀翼702可以设置为多个，每个切削刀翼702上至少设置有3个切削齿100。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。