技术领域本发明属于石油天然气、地热工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，涉及应用于钻头上的一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件。
背景技术：
钻头切削齿是在钻井过程中直接与岩石接触，通过剪切、冲压等方式破碎岩石的切削元件。金刚石钻头依靠稳定性、耐磨性强的金刚石材料作为切削齿，在钻井工程中取得的进尺数已经占到了油气钻井总进尺的80％以上。机械钻速和使用寿命是是衡量钻头性能的两个重要指标，相比于使用寿命，钻井提速更为重要。决定钻头机械钻速的关键在于钻头上的切削齿对岩石的吃入能力。而切削齿的吃入能力与切削齿的比压值有关，比压值越大钻头的吃入能力越强，钻进效率也就越高。在钻压相同的条件下，钻头与岩石间的接触面积越小，比压值越大。目前，金刚石钻头所应用的切削齿都存在一个共同点：在新钻头时，切削齿的切削刃长度较小，比压值较大，钻头的破岩效率高；当钻头出现一定的磨损后，切削齿的切削刃长度增加，比压值变小，钻头破岩效率变低。为提高切削齿的性能，国内外学者针对切削齿的形状、尺寸以及材料等方面进行了大量的研究，取得了一些高性能的专利齿技术。但切削齿切削刃变长后，破岩效率变低的状况依然没有得到有效的改善。中国专利CN201210206965.7公开了了一种“钻进比压可控的模块切削齿”，该专利模块齿包含有模块基体和模块单元，其中模块单元作为主要切削元件内镶在模块基体内。在一定程度上，缓解了切削齿磨损后机械钻速降低的状况。当磨损发生时，模块单元的部分切削刃由于“自锐”暴露在基体外与岩石互作用，但模块单元周围的模块基体也直接与井底岩石接触并发生磨损，分担了一定量的钻压，使直接作用到模块单元上的比压值减小，进而降低了模块齿应有的破岩效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于：提出一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，通过改变切削齿的布置形式，实现切削元件在破岩过程中保持高比压状态，提高切削元件的有效利用率，进而提高钻头的破岩效率。本发明的另一目的在于，提供具有上述钻头切削元件的钻头。本发明目的通过下述技术方案来实现：一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，包括基体和固定在基体上的至少两个切削齿，其中至少一个切削齿为通过基体上设置的凹窝固定的表面切削齿，至少一个切削齿为内部切削齿，所述基体上还设置有至少一个空槽，至少一个内部切削齿通过空槽内设置的凹窝固定在空槽内，且该内部切削齿部分或全部切削刃出露于空槽内表面(切削刃出露高度大于零，乃至大于等于其切削刃总高)。上述方案中，所述基体上设置有至少一个空槽(贯通或不贯通的)，至少一个内部切削齿以部分或全部切削刃出露的形式固定在所述空槽内，当切削元件的磨损超过表面切削齿后，相应位置的内部切削齿快速暴露出来，以锐利的高比压状态继续切削岩石。其中，表面切削齿指齿刃超出基体轮廓线的切削齿，是切削单元承担早期破岩任务的切削齿，如图5所示，此时t≥0时。内部切削齿具体是指在切削齿切削刃全部包含在基体轮廓线内(即t＜0)，当切削单元发生显著磨损后才开始工作的切削齿，此时切削元件基体上的表面切削齿已经显著磨损甚至全部磨掉，因此内部切削也可称作后继切削齿。表面切削齿的设计，将破岩初期总的切削刃长度被控制在一定范围内，该部分切削齿首先与岩石接触而基体材料不与岩石接触，保证了钻进初期切削齿较高的比压值，即保证了切削齿对地层的吃入能力，钻进效率高。当切削元件的磨损超过表面切削齿后，相应位置空槽内的内部切削齿快速暴露出来，以锐利的高比压状态继续破岩。同时，空槽结构的设计，还有利于减少基体与岩石的接触面积，避免了钻压较大的损失，保证切削齿具有较高的比压值，进而保证了钻进时的机械钻速。此外，现有技术切削元件，当磨损量增加时，切削齿切削刃变长，比压值较低，机械钻速急剧下降，而不能继续钻进，导致切削元件的利用率较低。本发明所述的切削齿在磨损量增加时，能保持较高的比压值，因此能够提高切削元件的有效利用率。根据以上所述的主方案，当切削元件布置在钻头体上的固定刀翼上时，切削齿、基体以及刀翼之间的组合布置有较多的方案，较优的包括三种：一是空槽的轴线与刀翼的前端面相垂直或基本垂直，且切削齿的轴线、空槽的轴线以及基体的轴线相互平行，如图2所示；二是空槽的轴线与刀翼的前端面相垂直或基本垂直，基体轴线与切削齿的轴线相平行，且与空槽轴线成一定夹角，如图3所示；三是基体轴线与空槽轴线相平行，切削齿的轴线与基体轴线或空槽轴线成一定夹角，如图4所示。作为优选方式，至少一个所述表面切削齿在基体上的出露高度t大于等于零，且至少一个内部切削齿在空槽内的出露高度h不小于其总高的四分之一。如图5所示，固定在空槽内部的切削齿，其出露高度值h与切削齿总高度H的比值不小于四分之一，即h/H≥1/4。作为优选方式，所述空槽的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑道形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状；所述切削齿的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状；所述基体的截面形状包括圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑道形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。作为优选方式，基体和切削齿的截面形状为圆形，基体的直径不小于16mm，切削齿的直径不大于8mm。作为优选方式，所述切削元件中的至少一个表面切削齿与固定有内部切削齿的空槽相连通。上述方案中，参考图5，当磨损发生时，表面切削齿与空槽结构相连通(图中居中、最大的表面切削齿与空槽部分重合、连通)，能使已被显著磨损的表面切削齿快速脱落基体，而固定在空槽内的内部切削齿暴露出来参与工作，使较慢钻速的钻进持续较短时间(表面切削齿过度磨损后，在一定程度上基体与岩石接触，分担钻压，机械钻速有所下降)。作为优选方式，所述切削元件中至少有一个空槽内未设有内部切削齿。作为优选方式，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石、人造金刚石颗粒、孕镶金刚石齿、立方氮化硼齿或陶瓷齿。作为优选方式，所述基体材料为钢、合金钢、钢结硬质合金或钨钴硬质合金。一种钻头，包括前述的钻头切削元件，所述切削元件用焊接等方法固结在全面钻进、扩孔钻进或边钻边扩的PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头，或PDC刀翼与运动切削结构(牙轮、盘刀、冲旋钻头等在内的具有相对钻头体旋转或滑移的运动单元)相结合的复合钻头上，作为钻头的切削元件。作为优选方式，至少有两个基体结构及尺寸相同或相近，且其表面切削齿出露高度相同或相近的所述切削元件，以同轨方式布置在钻头的不同周向位置，且各切削元件上的表面切削齿在钻头的径向位置彼此错开。该方案中，同轨方式布置是指钻头在理想钻进时，布置在钻头上的切削元件绕钻头中心线具有相同运动轨迹，如图18所示，图中的同轨线即为具有相同运动轨迹的切削元件的轨迹线。本发明的有益效果：(1)表面切削齿在钻进初期切削齿保持较高的钻进比压；随着钻头的钻进，通过设计基体上的切削齿的形状、数量、组合等，使切削元件的有效切削刃长度控制在一定范围内，因而能够保持较高比压值，进而保证较高钻进效率。(2)基体上空槽的设计，使得切削元件磨损发生时，减少基体与岩石的接触与摩擦，减少钻压的损失，进一步保证切削齿较高的比压值，保证钻头具有较高的破岩效率。(3)相比于现有切削元件技术，本发明切削元件的有效利用率较高。对于现有切削元件而言，当切削刃长度达到与直径相当时，切削元件比压降到最低，钻头破岩效率急剧下降，往往会因为机械钻速过慢而起钻，使金刚石的有效利用率大大降低。而本发明切削元件，由于切削齿的有效切削长度被控制在一定范围内，比压值始终保持较高，保证了钻头对地层的吃入能力，提高切削齿的有效利用率，进而延长了钻头的使用寿命。附图说明图1为本发明结构示意图；图2为本发明切削齿、基体以及刀翼之间的布置方式一；图3为本发明切削齿、基体以及刀翼之间的布置方式二；图4为本发明切削齿、基体以及刀翼之间的布置方式三；图5为本发明的空槽结构与表面切削齿相连通的结构示意图；图6为本发明的空槽结构具有不同截面形状；图7为本发明的基体截面形状为跑道形；图8为图7的局部剖视图；图9为本发明的切削齿具有不同的截面形状；图10为本发明的基体截面形状为椭圆形；图11为本发明的基体截面形状为梯形，且切削齿的尺寸大小不相同；图12为本发明的基体的截面形状不相同时，固定在刀翼上的结构示意图；图13为本发明切削元件应用在PDC钻头上的结构示意图；图14为本发明切削元件应用在扩孔钻头上的结构示意图；图15为本发明切削元件应用在交叉刮切复合钻头上的结构示意图，可以同时在盘刀和固定刀翼上应用本发明所述的切削元件；图16为本发明切削元件应用在牙轮—PDC复合钻头上的结构示意图；图17为本发明切削元件应用在冲头—PDC复合钻头上的结构示意图；图18为本发明切削元件同轨布置的结构示意图；图19本发明切削元件同轨布置，且其上的表面切削齿错开布置的结构示意图。具体实施方式下列非限制性实施例用于说明本发明。实施例1：如图1所示，一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，包括基体1和固定在基体上至少2个切削齿，其中至少一个切削齿为表面切削齿21，其通过凹窝固定在基体1上，至少一个切削齿为内部切削齿22，在基体上设置有贯通或不贯通的空槽3，至少一个内部切削齿22以部分切削刃出露的形式通过凹窝固定在空槽3内。本实施例中，基体1以及切削齿的截面形状均为圆形，空槽的截面形状为半圆形。钻进时，出露在基体1外的表面切削齿21首先与地层接触，由于切削刃长度被控制了一定的范围内，因此能保证较高的破岩效率。当表面切削齿21磨损殆尽后，设置在空槽3内的内部切削齿22快速暴露出来参与工作，保证切削元件的持续锋利。由于空槽3的设计，减少了基体1与岩石的接触，减少了钻压的损失，进一步保证了切削元件具有较高的比压值。同时，当空槽3内的内部切削齿22暴露后，与钻进初期的表面切削齿21具有相同或近似相同的破岩机理。切削齿优选为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石齿、天然金刚石、人造金刚石颗粒、孕镶金刚石齿、立方氮化硼齿或陶瓷齿。基体材料优选为钢、合金钢、钢结硬质合金或钨钴硬质合金。根据上述的方案，当切削元件布置在钻头体上的固定刀翼5上时，切削齿、基体1以及刀翼5之布置方法较优的包括三种：一是空槽3的轴线与刀翼5的前端面51相垂直或基本垂直，且切削齿的轴线、空槽3的轴线以及基体1的轴线相互平行，如图2所示，该布置方法加工与安装较为方便；二是空槽3的轴线与刀翼5的前端面51相垂直或基本垂直，基体1轴线与切削齿的轴线相平行，且与空槽3轴线成一定夹角θ，如图3所示；三是基体1轴线与空槽3轴线相平行，切削齿的轴线与基体1轴线或空槽3轴线成一定夹角如图4所示。实施例二如图5所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：空槽3、切削齿以及基体1的截面形状为圆形。作为优选，切削齿的直径不大于8mm，基体的直径不小于16mm。固定在基体1上的表面切削齿21的出露高度大于等于零，即t≥0(图中11为基体轮廓线)。而布置空槽3内部的内切削齿22相对于空槽3的出露高度不小于切削齿总高度的四分之一，即h/H≥1/4。此外，在本实施例中，至少一个表面切削齿21与固定有内部切削齿22的空槽3相连通(图中居中、最大的表面切削齿21与空槽3部分重合、连通)，这种设计能够使发生显著磨损且不能有效工作的表面切削齿21快速脱离基体，而暴露出新的切削刃(固定在空槽3内的内部切削齿)。实施例三本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：空槽3的截面形状包括有椭圆形、梯形以及跑道形，同时允许在同一个空槽3内布置两颗或更多内部切削齿22，如图6所示。正如本领域研究人员所熟知的，空槽3的截面形状还可以为圆形、三角形、跑到形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。实施例四一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，包括基体1和固定在基体上至少切削齿，其中至少一个切削齿为表面切削齿21，至少一个切削齿为内部切削齿22，在基体1上设置有贯通或不贯通的空槽3，至少一个内部切削齿22以部分切削刃出露的形式固定在空槽3内。本实施例中，基体1的截面形状可以为圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑到形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。图7、9所示截面形状为跑道形，图10为椭圆形，图11为梯形。实施例五本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：切削元件中包含有未固定内部切削22齿的空槽3，如图7、8所示。实施例六如图9所述，切削元件的组合形式为不相同的截面形状的切削齿相组合，在基体上有不固定在空槽3内的内部切削齿22。截面形状可以为圆形、椭圆形、梯形、三角形、跑到形、菱形、长方形、正方形、扇形、边数大于等于5的多边形以及它们的组合形状。实施例七布置在基体1上的切削单元截面相同时，其尺寸可以不相同。如图11所示，切削齿的截面形状均为圆形，但其直径d1≠d2。实施例八以不同截面形状的基体1布置在刀翼5上，基体1上的切削齿以规则的形式布置或不规则的形式布置，如图12所示。实施例九如图13所示，本发明切削元件应用在PDC钻头上，钻头包括钻头体4、刀翼5、喷嘴6设置在刀翼上的PDC切削齿。钻头体4的刀翼5上至少设置有一个具有持续锋利切削刃的钻头切削元件。图14为本发明切削元件应用在扩孔钻头上。实施例十如图15所示，钻头为交叉刮切复合钻头，包括钻头体4、盘刀7、固定刀翼5以及喷嘴6，在固定刀翼5上包含至少一个具有持续锋利切削刃的钻头切削元件。盘刀7切削结构上间隔的设置有本发明所述的切削元件，同样也可以以其他的方式设置，亦可以不设置。本发明切削元件也能够应用于牙轮—PDC复合钻头以及其他具有复合形式的复合钻头上。图16为本发明切削元件应用在牙轮—PDC复合钻头上，在钻头体1上包含牙轮8切削结构和固定切削结构，在固定切削结构上设置有本发明所述切削元件。图17为本发明切削齿应用在冲击—PDC复合钻头上，钻头主要由冲头9和固定切削结构组成，在固定切削结构上设置有具有持续锋利切削刃的钻头切削元件。实施例十一如图18、19所示，图中91为同轨线，101为钻头中心线，102为钻头切削轮廓线。在钻头体上有同轨布置的切削元件，但刀翼前端面51上的切削元件(如图所示为本实施例中的前端切削元件71)上的表面切削齿，与后端切削元件81上的表面切削齿采用相互错开的方式固定，这种布置方法能够明显增加表面切削齿的布齿密度，有利用钻头寿命的延长。前述本发明各实施例还可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。比如，实施例1和其他实施例的组合，实施例2-7之间自由组合，实施例8-10与其他实施例的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。