[发明专利]具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头

说明书

本发明提供了一种具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头。PDC钻头包括钻头本体、本发明的多个具有切削脊和倾斜切削面的复合片、以及多个分别容纳具有切削脊和倾斜切削面的复合片的带凹槽的刀翼。具有切削脊和倾斜切削面的复合片(后称切削齿)包括基底；超硬层；超硬层顶部的倾斜面，倾斜面从超硬层切削刃向超硬层后缘向下倾斜。具有切削脊和倾斜切削面的复合片还包括在超硬层的侧壁处从倾斜面的外围延伸到切削刃的倒角。

技术领域

本发明主要涉及油气行业石油勘探钻井作业中使用的钻头。本发明具体地涉及用于石油勘探和钻探操作的钻头领域中的切削元件，一种具有切削脊和倾斜切削面的复合片及PDC钻头。

背景技术

例如在地面钻井开发油气或进行其它应用时，常规的做法是在钻柱下端连接钻头。通过在地面旋转钻柱或通过启动井下螺杆或涡轮转动钻柱，从而旋转钻头。钻头旋转，钻入地下地层。随着钻头旋转，切削齿或研磨性结构切削、压碎、剪切并研磨地层以形成井眼。钻头通常包括由钢或胎体制成的钻头本体。钻头本体具有刀翼或类似结构，多个切削元件以预定方式布置至刀翼或类似结构。刀翼的构造方式以及将切削元件布置在刀翼上的方式除其他因素外，取决于待钻地层的类型以及与钻头链接的钻井钻具组合。

图1展示了适于钻穿岩石地层以形成井眼的常规钻头。该钻头包括钻头本体3和多个刀翼4以及用于将钻头连接至钻柱(未展示)的连接接头或接扣32，该连接接头或接扣32用于使钻头围绕纵向钻头轴线6旋转以钻出井眼。刀翼4由通道或间隙分开，这些通道或间隙使钻井液流过并清洁和冷却刀翼4和切削齿5。切削齿5以预定的角度方向和径向位置放置在刀翼4中，从而使工作面503形成相对于待钻地层理想的后倾角。流体通道31形成在钻头本体3中，并且多个水眼33与流体通道31连通。钻井液可以沿选定的方向和选定的流量被泵入刀翼4之间的空间中以润滑和冷却钻头、刀翼4和切削齿5。当钻头旋转并穿过地层时，钻井液还可以清理井底并排出岩屑。

钻头本体3是圆柱形的。多个切削齿5设置在刀翼4的外边缘上，此外，刀翼4的外边缘包括内锥部分431，鼻部432，肩部433和保径部分434。内锥部分431靠近钻头本体3的中心轴线，保径部分434位于钻头本体3的侧壁上，并且切削齿5分布在刀翼4的内锥部分431，鼻部432，肩部433和保径部分434。

如图2A至图2C所示，显示了典型的切削元件5(也称为切削齿5)，其为圆柱体，具有切削齿轴505，并且包括圆柱体的底端部分和圆柱体的顶端部分。圆柱体底端部分也即基底504通常由诸如碳化钨的硬质复合材料制成，而顶端部分也称为超硬层502通常由诸如聚晶金刚石(PCD)的硬质耐磨材料制成。根据本领域中已知的界面的许多变化设计，基底504与超硬层502之间的界面513可以是平面的或非平面的。通过高压高温工艺将基底504和超硬层502烧结在一起。在超硬层502的顶端，加工倒角507以增加切削刃在进入井眼并至少在初始接触地层开始钻进时的耐用性。熟知本领域的技术人员会认识到，倒角507的至少一部分还可以用作在钻井操作期间接触地下岩层的工作表面。超硬层502的顶面503和倒角507的表面在顶部切削刃515处相交，并且超硬层502的圆柱侧面512和倒角507的表面也在下边缘514处相交，形成主切削刃，其曲率与基底504外圆柱表面的曲率相同。

对于典型的切削齿，超硬层的顶面503(也称为切削面)是平坦的并且平行于基底的底面，即垂直于切削齿轴505。切削面上任意点相对于基底的底面的高度等于切削齿高度506。还应注意的是，如果界面513是平面的，则超硬层的厚度是均匀的。由于超硬层材料和基底材料之间的热膨胀系数的不匹配，可以采用一些非平面的界面513来减小界面处和超硬层内部的残余应力。在这种情况下，超硬层的厚度不均匀，但是切削面仍平行于基底的底面并垂直于切削齿轴线，即切削面与切削齿轴之间的切削面角560为90度。