切削齿及其设计方法、PDC钻头

本发明涉及石油天然气、地质勘探用钻井钻头，特别涉及一种切削齿及其设计方法、pdc钻头。

背景技术：

1、目前，pdc钻头(polycrystalline diamond compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)已成为油气钻井领域中的一种主要破岩钻头，世界范围内90％以上的油气井钻井进尺均由pdc钻头完成。pdc钻头所用切削齿为聚晶金刚石复合片，常用的聚晶金刚石复合片为圆柱形，由聚晶金刚石层和硬质合金基底经过高温高压烧结而成。圆柱形切削齿在工作过程中以剪切方式破岩，在软到中硬地层中具有钻速快，进尺高等特点。但是在硬度高、研磨性强以及含坚韧夹层的地层中，常用的圆柱形切削齿难以吃入地层、破岩效率低、磨损严重、使用寿命短，导致钻头机械钻速低、钻井周期长，这无疑增加了钻井成本。

2、因此，目前不少研究人员在常用的圆柱形切削齿的形状上进行了大量改进，研制出了多种异形切削齿，其能显著提高圆柱形切削齿的抗冲击性和耐磨性，拓宽了聚晶金刚石复合片在硬岩地层中的应用范围。然而，在深入软硬夹层及强研磨性地层中，现有的异形切削齿仍然出现了不同程度的磨损和崩坏，钻井效率依然偏低，无法得到有效提升。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种切削齿及其设计方法、pdc钻头，其能够解决在软硬夹层及强研磨性地层中切削齿容易磨损和损坏的问题。

2、本发明实施例的具体技术方案是：

3、一种切削齿，所述切削齿包括：

4、具有相对应的第一端面和第二端面的基底；

5、固定设置在所述基底的所述第一端面上的切削件，所述切削件由聚晶金刚石制成，所述切削件包括：呈柱状的第一切削结构，所述第一切削结构具有第三端面和第四端面，所述第四端面与所述第一端面相固定；第二切削结构，其位于所述第三端面内，所述第二切削结构呈柱状，所述第二切削结构的径向横截面小于所述第一切削结构的径向横截面，所述第二切削结构的上端面具有呈直线状的脊线，所述脊线与所述第一端面之间具有第一预设夹角θ，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域分别沿着远离所述脊线的方向高度逐渐降低。

6、优选地，所述基底由硬质合金制成，所述切削件通过烧结方式固定设置在在所述基底的所述第一端面上，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状和大小完全相同，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状为圆形或近似圆形或椭圆形或近似椭圆形。

7、优选地，所述第二切削结构的中心与所述第一切削结构的中心相同，所述脊线经过所述第二切削结构的中心，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域相对称。

8、优选地，所述切削齿的切削角α，所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度。

9、优选地，所述切削齿的结构参数满足以下关系式：

10、δh＝rcosα-(l+r)·sin(α+θ)，

11、其中，α表示所述切削齿的切削角，r表示第一切削结构的半径，r表示第二切削结构的半径，l表示所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离，δh表示齿高差，即所述脊线高度偏低的一端的端点b在y轴方向到所述第一切削结构的第三端面的边缘d的距离。

12、优选地，所述第一切削结构的半径r等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm；或者，所述第一切削结构的半径r等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于8mm；或者，所述第一切削结构的半径r等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm。

13、优选地，所述切削齿的切削角α在5度至30度之间。

14、优选地，所述第一切削结构的半径r等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm，所述切削齿的切削角α等于15度，所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离l等于1.5mm，所述第一预设夹角θ等于35度，齿高差δh等于1.6mm。

15、一种pdc钻头，所述pdc钻头包括如上述任一所述的切削齿。

16、一种如上述任一所述的切削齿的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

17、选择第一切削结构的半径r以及第二切削结构的半径r；

18、获取切削齿安装在pdc钻头上形成的切削角α，

19、确定所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离l以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ，并使得所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度；

20、根据所述第一切削结构的半径r、所述第二切削结构的半径r、切削角α、所述第二切削结构的底面的中心到脊线的距离l以及所述脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ确定齿高差δh，具体计算公式如下：

21、δh＝rcosα-(l+r)·sin(α+θ)。

22、本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

23、1、本申请切削齿的第二切削结构在脊线处存在集中载荷，使其前方岩石内部形成应力集中区，岩石更容易发生剪切-拉伸破坏，提高切削齿吃入地层的能力，提高钻头破岩效率。

24、2、本申请切削齿利用第一切削结构的脊线的高度较低的端部区域至第二切削结构的第三端面的边缘区域进行切削，从而实现第一切削结构和第二切削结构同轨道联合切削破岩，克服了单一的第一切削结构单次破岩体积小、井底覆盖能力不足的缺点。

25、3、本申请利用具有脊线的第二切削结构攻击性强和不易发生冲击损伤的特点，预先对井底岩石进行破碎，释放地层应力，使之后的第一切削结构更容易切削岩石，可大幅提高岩石破碎效率；另外，具有脊线的第二切削结构可以限制第一切削结构吃入地层的深度，减小钻头“粘滑效应”和冲击损伤，提高钻头使用寿命。

26、参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

技术特征：

1.一种切削齿，其特征在于，所述切削齿包括：

2.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述基底由硬质合金制成，所述切削件通过烧结方式固定设置在在所述基底的所述第一端面上，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状和大小完全相同，所述基底在径向方向的横截面与所述第一切削结构在径向方向的横截面的形状为圆形或近似圆形或椭圆形或近似椭圆形。

3.根据权利要求2所述的切削齿，其特征在于，所述第二切削结构的中心与所述第一切削结构的中心相同，所述脊线经过所述第二切削结构的中心，所述第二切削结构的上端面的所述脊线的两侧区域相对称。

4.根据权利要求1所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的切削角α，所述第一预设夹角θ大于等于0度，α+θ小于90度。

5.根据权利要求3所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的结构参数满足以下关系式：

6.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述第一切削结构的半径r等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm；或者，所述第一切削结构的半径r等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于8mm；或者，所述第一切削结构的半径r等于9.5mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm。

7.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述切削齿的切削角α在5度至30度之间。

8.根据权利要求5所述的切削齿，其特征在于，所述第一切削结构的半径r等于8.0mm，第二切削结构的半径r等于6.5mm，所述切削齿的切削角α等于15度，所述第二切削结构的底面的中心到所述脊线的距离l等于1.5mm，所述第一预设夹角θ等于35度，齿高差δh等于1.6mm。

9.一种pdc钻头，其特征在于，所述pdc钻头包括如权利要求1至8中任一所述的切削齿。

10.一种如权利要求1至8中任一所述的切削齿的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种切削齿及其设计方法、PDC钻头，涉及石油天然气、地质勘探用钻井钻头技术领域，切削齿包括：具有第一端面和第二端面的基底；固定设置在基底的第一端面上的切削件，切削件包括：呈柱状的第一切削结构，第一切削结构具有第三端面和第四端面，第四端面与第一端面相固定；第二切削结构，其位于第三端面内，第二切削结构呈柱状，第二切削结构的径向横截面小于第一切削结构的径向横截面，第二切削结构的上端面具有呈直线状的脊线，脊线与第一端面之间具有第一预设夹角θ，第二切削结构的上端面的脊线的两侧区域分别沿着远离脊线的方向高度逐渐降低。本申请能够解决在软硬夹层及强研磨性地层中切削齿容易磨损和损坏的问题。

技术研发人员：熊超,黄中伟,史怀忠,李根生,赫文豪,史明豪,陈晗
受保护的技术使用者：中国石油大学(北京)
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11