[发明专利]一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件

说明书

本发明公开了一种具有持续锋利切削刃的钻头切削元件，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，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。本发明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。

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。

发明内容

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。