[发明专利]非平面切削齿、固定齿钻头及其制造方法

说明书

本发明提供了一种非平面切削齿，其包括圆柱形的本体和设置在本体的一端的金刚石层。金刚石层的端面形成为具有大致椭圆形截面的切削齿面，沿切削齿面的纵向形成有处于切削齿面上最高位置的纵向切削棱。切削齿面包括靠近本体的底侧面的第一切削面，以及靠近本体的顶侧面的第二切削面，在第一切削面和第二切削面之间形成了横向切削棱。第一切削面相对于底侧面所形成的第一夹角大于第二切削面相对于底侧面所形成的第二夹角。本发明还提供了包含这种非平面切削齿的固定齿钻头，以及该固定齿钻头的制造方法。

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，具体地涉及用于石油天然气以及非常规能源和地质勘探的非平面切削齿，以及包含这种非平面切削齿的固定齿钻头。本发明还涉及这种具有非平面切削齿的固定齿钻头的制造方法。

背景技术

在油气钻井与地质钻探领域，钻头是旋转钻井施工中必不可少的井下工具。合理的钻头设计是提高复杂地层破岩效率、提高钻井速度和降低钻井成本的关键。

目前来说，牙轮钻头与固定齿钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头。牙轮钻头主要通过冲击、压碎作用来破碎岩石，而固定齿钻头主要通过切削、剪切等作用来破碎岩石。

固定齿钻头中的固定切削齿是由超级研磨材料形成的具有硬切削层的切削元件。超级研磨材料可以是聚晶金刚石(PDC)、热稳定性聚晶金刚石(TSP)、多晶立方氮化硼(PCBN)等。其中，PDC切削齿是固定切削齿的代表。

对于PDC切削齿来说，存在两对此消彼长关系的重要评价指标，即抗冲击性和抗磨损性，以及攻击性与切削齿寿命。切削齿的攻击性(其表征了切削齿吃入地层的能力)与使用寿命这一对重要但相反关系的评价指标主要与切削齿的直径、切削角等有关。

通常来说，圆柱形PDC齿只有约40％的切削边缘接触井底。一旦这些有效切削部分发生磨损和断裂，就会严重地影响钻头性能和寿命。为了进一步提高切削齿性能，在本领域中陆续提出了多种非常规的PDC齿，包括旋转齿、异形PDC齿等。

中国专利文献CN106703704A公开了一种非平面切削齿。在该技术中，将传统的平面圆柱型设计更改为屋脊型非平面切削齿，其中在圆柱本体的端部表面设有一条横贯该表面中线的切削脊。切削脊处于圆柱本体的端部表面的最高点，其两端延伸至圆柱本体的端部表面外缘，由此将圆柱本体的端部表面分为两个分别位于切削脊两侧的切削斜面，并且切削斜面的高度自切削脊向圆柱本体的端部表面的外缘线性递减。由此，可以改善钻头的抗冲击能力，并且提高破岩效率。

中国专利文献CN106089091A公开了一种切削刃长度递减的金刚石复合刀片。该金刚石复合片包括齿柱和齿冠，其中齿冠由柱形冠基和对应设置的两个偏楔面及齿顶面组成。两个偏楔面由两个面从齿冠下部两侧向内倾斜并偏转延伸至上端与齿顶面交汇而成。齿顶面与齿冠底面基本相平行，使得齿顶面的宽度从一端到另一端逐渐递减。这种金刚石复合片的自锐性好，切削效率高，且抗突变性破裂能力强。

尽管上述非平面切削齿能够在一定程度上改善钻头的抗冲击能力并提高破岩效率，然而本领域仍然希望能够进一步提高切削齿性能及钻头使用效果，兼顾切削齿的攻击性与寿命，进一步降低钻头破岩能量，达到降低钻井周期和钻井费用的效果。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的非平面切削齿，其能够兼顾切削齿的攻击性与使用寿命，并具有良好的抗冲击与抗磨损性能、强攻击性与强稳定性的组合效果。本发明还提供了包含这种非平面切削齿的钻头，以及这种钻头的制造方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种非平面切削齿，其包括圆柱形的本体和设置在本体的一端的金刚石层。所述金刚石层的端面形成为具有大致椭圆形截面的切削齿面，沿所述切削齿面的纵向形成有处于所述切削齿面上最高位置的纵向切削棱。其中，所述切削齿面包括靠近所述本体的底侧面的第一切削面，以及靠近所述本体的顶侧面的第二切削面，在所述第一切削面和第二切削面之间形成了横向切削棱。所述第一切削面相对于所述底侧面所形成的第一夹角大于所述第二切削面相对于所述的底侧面所形成的第二夹角。