[发明专利]切削齿及其设计方法、PDC钻头

说明书

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。

技术领域

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

背景技术

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。

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。

发明内容

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。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种切削齿，所述切削齿包括：

具有相对应的第一端面和第二端面的基底；

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。

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。

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。

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。

优选地，所述切削齿的结构参数满足以下关系式：

Δh＝Rcosα-(L+r)·sin(α+θ)，