[发明专利]切削齿及具有其的钻头

说明书

本发明提供了一种用于切削地层的钻头和切削齿。钻头包括钻头本体、多个切削齿、多个带有分别容纳切削齿的凹槽的刀翼。多个切削齿中的每一个都具有超硬层，超硬层的两个侧面从基体斜向内延伸至超硬层的顶面，两个侧面之间的凸起部分。凸起部分包括过渡面，过渡面在相邻的两个侧面之间延伸时是凸面。过渡面的曲率沿切削齿轴变化，切削刃处的曲率大于切削齿外圆柱表面的曲率。

技术领域

本发明总体涉及油气勘探和钻井作业用钻头，具体涉及用于钻头中的切削单元，一种切削齿及具有其的钻头。

背景技术

在钻井时，例如为了开采油气或其他应用，通常在钻柱下端连接钻头。通过地面钻杆传动或井下马达或涡轮或两种方法结合旋转钻头。钻头旋转并进入地下地层。当钻头旋转时，切削齿或其研磨结构切割、压碎、剪切和/或研磨地层材料以形成井眼。

参照图1，展示了适于钻穿岩层形成井眼的常规钻头。钻头包括钻头主体3和多个刀翼4，以及用于将钻头连接到钻柱(未示出)的连接件或销32，钻柱(未示出)用于围绕钻头纵向主轴6旋转钻头进行钻井。刀翼4由通道或间隙隔开，这些通道或间隙使钻井液能够流过刀翼4和切削齿5，并清洁和冷却刀翼4和切削齿5。切削齿5以预定的角度方向和径向位置固定在刀翼4中，使工作面503形成相对待钻地层所需的后倾角度。在钻头本体3中形成流体通道31，多个水眼33与流体通道连通。通过液压泵，钻井液以选定的方向和流速在刀翼4之间排出，润滑和冷却钻头、刀翼4和切削齿5。当钻头旋转并穿透地层时，钻井液也会清洗井底和清除岩屑。

钻头本体3基本上是圆柱形的。多个切削齿5位于刀翼4的外缘上，此外，刀翼4的外缘包括锥形部分431、鼻部432、肩部433和保径部分434。锥形部分431靠近钻头中心轴。

在钻头本体3中，保径部分434位于钻头本体3的侧壁上，切削齿5分布在刀翼4的锥形部分431、鼻部432、肩部433和保径部分434上。

参考图2A-2C，典型的切削齿5基本上是圆柱形的，包括圆柱形底部和圆柱形顶部。底部称为基体504，通常由硬质复合材料(例如碳化钨)制成，顶部称为超硬层502，通常由超硬耐研磨材料(例如聚晶金刚石(PCD))制成。基体504和超硬层502通过高压高温工艺烧结在一起。在超硬层502的顶端，加工倒角507，从而在下钻和钻井开始时增加切削刃的耐久性。值得注意的是，倒角507的至少一部分还可以用作钻井作业期间接触地层的工作面。超硬层502的顶面503和倒角面507在顶刃513处相交，超硬层502的圆柱面512和倒角面507也相交于下切削刃514。下切削刃514是主要的切削刃，其曲率与切削齿外圆柱面504的曲率相同。由于倒角507是从下切削刃514向内拉到上切削刃513的，所以倒角的下切削刃的曲率小于上切削刃513的曲率。

钻头装配不同尺寸的切削齿来适应不同的应用。例如，直径较小的切削齿通常用于钻取坚硬地层，因为其曲率较大的切削刃易于穿透或咬合地层。大直径切削齿用于钻取相对较软的地层，因为它们可以从钻头刀翼上延伸更长，从而允许较高的钻速。

然而，许多地层具有混合特征，即，地质地层可能软硬交错或地层硬度随井眼的位置和深度不同而变化，选择切削齿的最佳尺寸并没有想象中那么简单。地质地层的变化可以影响所需的切削齿类型、钻头钻速、钻头转速以及钻头的载荷或钻压。如果在理想操作范围之外操作切削齿，切削齿可能会损坏或严重降低切削齿的寿命。通常适应一种地层的切削齿可能钻遇不同的地层。例如，大直径的切削齿可能会钻穿一个没有预计到的坚硬地层，从而导致切削齿难以咬入地质地层，并降低钻速。