本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程、水文等技术设备领域，具体涉及一种具有缓冲吸振结构的长寿命模块切削齿，以及采用该切削齿的pdc钻头。
背景技术：
钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。
pdc(polycrystallinediamondcompact——聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的重要一个种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。pdc钻头以切削形式破岩，在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，其上切削齿在井底产生的切削轨迹为同心圆环带。对于常规pdc钻头而言，由于破岩过程中切削齿持续刮切岩石，使得岩石和钻头之间产生连续的摩擦，在热磨损的作用下，切削齿将逐渐变钝。在钻头钻进初期，切削齿磨损量少，齿刃与岩石的接触区域小，切削比压大，机械钻速高；随着磨损量逐渐增加，齿刃与岩石接触区域增加，比压减小，机械钻速逐步降低，直至钻头失效。此外，地层岩石越硬，切削齿侵入岩石难度越高，而使切削齿维持对井底岩石的有效侵入是pdc钻头高效破碎岩石的必要条件。为了提高pdc钻头对岩石的侵入能力，通常钻头要采用较小直径的切削齿，但钻头在硬地层钻进时切削齿的磨损速度快，而小直径切削齿的可磨损高度较小，这就形成了硬地层钻头设计中的一个不易克服的技术矛盾，使硬地层钻头的工作能力受到严重制约。因此，避免切削齿持续刮切岩石，从而降低热磨损是提高钻头(尤其是在高硬度、高研磨性地层中工作的钻头)钻进效率和延长钻头寿命的重要途径。
美国专利“rotattingcuttingelementsforpdcbits”(专利号:us20140326515a1)公开了一种pdc钻头用的旋转切削齿。该专利中的旋转切削齿具有独立的轴承结构，使其安装在钻头刀翼上之后能够相对刀翼体旋转。通过在刀翼上设置旋转齿，使钻头在切削地层时旋转齿的切削端面的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削端面的利用率，从而大幅提高了钻头的使用寿命，显著提高了单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头进钻速度。但在pdc钻头的工作过程中，由于地层环境和破岩过程的复杂性，切削齿通常都会受到来自岩石的冲击作用。由于单颗旋转切削齿的直径限制，其结构尺寸必然较小，从而强度不高，因此这样的切削齿的耐冲击性能较差，容易在冲击载荷下发生破坏。
在钻遇含砾石的地层或者地层软硬交错，变化较为频繁时，复合片所受冲击载荷较大，金刚石复合片容易出现崩齿、脱层、断齿等非磨损的异常失效，从而导致钻头整体失效。现有的金刚石复合片的抗冲击能力主要以改变金刚石复合片中金刚石层与硬质合金基座轴套界面结构降低其残余应力、或者改变材料配方、加工工艺来提高。也有采用球头形、锥形等异形pdc齿，这种异形结构的pdc齿虽然提高了其抗冲击能力，但使用过程中存在钻进切削阻力大，钻头扭矩大，钻进效率低等现象。
技术实现要素：
本发明专利的目的在于：针对常规切削齿存在的不足，提出一种具有缓冲吸振能力的长寿命模块切削齿，以及采用该切削齿的pdc钻头，其中所述的“具有缓冲吸振结构的长寿命模块切削齿”以下简称“模块齿”。该模块齿的异形结构金刚石复合片层可推动切削齿实现有规律的旋转，使切削齿全部切削刃参与岩石切削，同时异形切削刃以犁削的方式破岩，在受到冲击作用时，弹性元件可实现缓冲减振，提高切削齿的抗冲击性，同时可进一步促使中心齿有规律旋转，从而有效降低了切削齿的磨损速率，提高了钻头破岩效率和使用寿命。
本发明所采用的技术方案如下：
一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，包括有钻头体，刀翼、水眼和切削齿，所述刀翼延伸自钻头体，在刀翼底部的钻头体上设置有贯通的水眼；所述切削齿固结在刀翼上，其中部分或全部所述切削齿为由中心齿、轴套和弹性元件组成的模块齿；所述中心齿由金刚石层和基体组成。其特征在于：所述金刚石层端面沿周向分布有3d棘牙，在中心齿和轴套之间设置有弹性元件和限位装置，所述模块齿固结在pdc钻头的刀翼上。
本发明所阐述的技术方案中，中心齿具有两个自由度，即：沿着中心齿轴线的轴向平移自由度和绕着中心齿轴线的旋转自由度。本发明专利所能够实现的有益效果包括：
1、在pdc钻头破岩钻进过程中，切削载荷通过推动中心齿金刚石层上的非对称3d棘牙，使中心齿相对于基座产生扭矩，进而发生单向旋转运动。这能够使金刚石层切削刃在360°范围内均参与切削破岩，这极大的提高了切削齿的耐磨性和使用寿命。
2、同样在切削载荷作用下，通过弹性元件使中心齿与钻头本体间形成弹性互动。特别是在钻进不均质地层，或钻井参数有较大波动时，能够起到缓冲吸振的作用。十分有利于提高切削齿的抗冲击性，从而减缓切削齿发生崩齿、碎裂或断齿等异常失效事故的发生。
3、模块齿的3d棘牙能够以“尖点”接触岩石，以犁削方式破岩。具有侵入能力强、破岩效率高、破碎比功小等优点。
4、中心齿基体通过其上的转动轴与基座轴套齿孔的间隙配合形成旋转连接，其轴承结构可为轴体式，直接将减振旋转齿安装在钻头上；也可为独立式，采用滑动轴承形式，此时基座轴套充当轴承套。整个切削齿作为一个整体，结构简单、便于加工。
作为选择，所述弹性元件为碟簧，所述金刚石层端面沿周向分布有锯齿状3d棘牙，在所述中心齿和轴套间设置的限位装置为卡簧或半圆键。
使用碟簧作为弹性元件，能够为中心齿提供合适的弹性刚度；锯齿状3d棘牙具有非对称结构，在切削载荷作用下能够产生旋转扭矩，推动中心齿旋转；卡簧和半圆键可以作为本发明技术方案中的一种简单、可靠的限位装置。
作为进一步选择，所述轴套为通孔式结构，所述弹性元件设置在靠近金刚石层的一端，所述限位装置设置在相对于金刚石层的另外一端。
这种技术方案结构简单，拆装方便，可实施性强。
作为选择，所述弹性元件为碟簧、或橡胶、或高弹性金属体，或具有弹性的复合材料，或由前述至少两种组合而成。
在pdc钻头钻进不同地层岩石强度时，产生的切削载荷也有较大差别。为进一步提高本发明技术的适用条件，提供多种弹性元件技术方案，以获得不同载荷幅值范围内的缓冲吸振能力。
作为进一步选择，所述弹性元件由碟簧和橡胶组成，并且这两种呈并行或串行布置。
两种不同材质的弹性元件，能够为中心齿提供综合性能更优的组合式阶梯减振效果。如pdc钻头连续钻进软、硬不同地层时，较小弹性刚度的弹性元件在较软地层破岩时发挥主要作用，而较大弹性刚度的弹性元件在较硬地层破岩时发挥主要作用。
作为选择，在所述中心齿和轴套间还设置有密封圈。
钻头在井下工作环境复杂，各类固相颗粒悬浮于钻井液中，若进入轴套与中心齿基体之间的旋转接触面后容易造成磨粒磨损、破坏回转副，增加其相对运动阻力，从而使其无法实现旋转以及导致弹性缓冲能力丧失，影响切削齿以及钻头使用寿命，因此在中心齿与轴套之间设置密封圈。
作为选择，在中心齿和轴套间还设置有滚动轴承。
设置滚动轴承结构，目的在于减小中心齿与轴套件的摩擦阻力，使其转动更为灵活。
作为选择，所述3d棘牙在金刚石层上向中心方向呈内凹分布，或外凸分布。
将3d棘牙设计成内凹或外凸分布，能够为模块齿提供更为灵活的设计方案，能够以更为个性化的切削参数侵入、刮切破碎岩石。
作为选择，所述模块齿通过螺栓与刀翼固定连接。
以螺栓连接方式将模块齿与刀翼固结在一起，具有拆装方便、制造工艺简单，更换或维修简便等特点。
作为选择，所述pdc钻头为常规pdc钻头、盘刀式钻头、pdc-盘刀复合钻头、pdc-牙轮复合钻头等安装有金刚石类切削齿的钻头。
本技术发明旨在提供一种高效、长寿命聚晶金刚石复合片(pdc齿)结构，因此以pdc齿作为切削元件的钻头均可使用本发明所提供的技术方案。
附图说明
本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明中实施例一的结构组成图。
图2为本发明中实施例一的周向旋转驱动工作原理示意图。
图3为本发明中实施例一的轴向弹性缓冲工作原理示意图。
图4为本发明中实施例二的结构示意图。
图5为本发明中实施例三的结构示意图。
图6为本发明中实施例四的结构组成图。
图7为本发明中实施例五的结构组成图。
图8为本发明中实施例六的结构组成图。
图9为本发明中实施例七的结构组成图。
图10为图9的“a-a向”断面图。
图11为本发明中实施例八的结构组成图。
图12为本发明中实施例九的结构组成图。
图13为本发明中实施例十的结构组成图。
图14为本发明中实施例十的“变形-载荷”关系图。
图15为本发明中实施例十一的结构组成图。
图16为本发明中实施例十二的结构组成图。
图17为图16的右视图。
图18为本发明中实施例十三的结构组成图。
图19为本发明中实施例十四的结构组成图。
图20为本发明中实施例十五的结构组成图。
图21为本发明中实施例十六的结构组成图。
图22为本发明中实施例十七的结构组成图。
图23为本发明中实施例十八的结构组成图。
图中标记：1—钻头体；2—刀翼；3—水眼；4—切削齿；5—模块齿；51—中心齿；511—金刚石层；512—基体；52—轴套；53—弹性元件；6—3d棘牙；7—限位装置；8—密封圈；9—轴承；10—螺栓；h1—初始侵入深度；h2—发生吸振变形后的侵入深度；δh—侵入深度变化量；δc—两种弹性元件的高度差；δl—缓冲元件弹性变形量；f—切削载荷；s1—较软弹性元件的刚度阶段；s2—较软、较硬弹性元件复合刚度阶段。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每一个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一：
如图1至图3所示，一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，包括有钻头体(1)，刀翼(2)、水眼(3)和切削齿(4)，所述刀翼(2)延伸自钻头体(1)，在刀翼(2)底部的钻头体(1)上设置有贯通的水眼(3)；所述切削齿(4)固结在刀翼(2)上。其中，部分或全部所述切削齿(4)为由中心齿(51)、轴套(52)和弹性元件(53)组成的模块齿(5)；所述中心齿(51)由金刚石层(511)和基体(512)组成。在所述金刚石层(511)端面沿周向分布有锯齿状3d棘牙(6)，在中心齿(51)和轴套(52)之间设置有碟簧作为弹性元件(53)，卡簧作为限位装置(7)。所述模块齿(5)固结在pdc钻头的刀翼(2)上。
在本发明专利的技术方案中，中心齿(51)有两个自由度，即：沿着中心齿轴线的轴向平移自由度和绕着中心齿轴线的旋转自由度。在pdc钻头破岩钻进时，切削载荷作用在3d棘牙(6)上，由于锯齿状3d棘牙(6)的非对称结构，会使中心齿(51)在扭矩作用下有规律的周向旋转，并能够使切削刃均匀磨损，大大提高钻头的使用寿命。另外，3d棘牙(6)能够以“尖点”接触岩石，以犁削的方式破岩，具有侵入能力强、破岩效率高、破碎比功小等诸多优点。在钻进过程中，当模块齿钻遇砾石或硬夹层时(图3示意)，在弹性元件(53)就会发挥缓冲吸振的作用(侵入深度由h1，降低为h2,)，这能够有效预防金刚石层(511)发生过载冲击破损,降低切削齿发生崩齿、脱层、断齿等异常失效事故率的发生。
实施例二：
如图4所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述3d棘牙(6)在金刚石层(511)上向中心方向呈内凹分布。
内凹形式的3d棘牙(6)能够减小切削齿切削岩石时的等效前角，减小切削过程中的压实效应。特别是在中硬或中硬偏软地层中钻进时，有助于提高破岩效率。
实施例三：
如图5所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述3d棘牙(6)在金刚石层(511)上向中心方向呈外凸分布。
外凸形式的3d棘牙(6)能够增大切削齿切削岩石时的等效前角，在中硬以上地层钻进时，能够提高切削齿金刚石层本身的抗冲击能力。
实施例四：
如图6所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述轴套(52)为通孔式结构，所述弹性元件(53)设置在靠近金刚石层(511)的一端，所述限位装置(7)设置在相对于金刚石层(511)的另外一端。
本实施例具有装、拆方便，便于修复的优点。
实施例五：
如图7所示，本实施例与“实施例四”基本相同。其不同之处在于：在所述弹性元件(53)处还设置有止推轴承(9)。
为进一步提高中心齿(51)的旋转能力，设置止推轴承(9)的目的是为了降低中心齿(51)和轴套(52)间的摩擦阻力，提高切削齿360°切削刃均匀磨损、增强耐磨性的效果。
实施例六：
如图8所示，本实施例与“实施例四”基本相同。其不同之处在于：所述弹性元件(53)设置在相对于金刚石层(511)的另外一端
实施例七：
如图9、图10所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述限位装置(7)为半圆键。
本实施例中的半圆键作为限位装置具有更好的拆装特性。
实施例八：
如图11所示，本实施例与“实施例七”基本相同。其不同之处在于：在所述中心齿(521)与轴套(52)之间还设置有密封圈(8)。
钻头在井下工作环境复杂，各类固相颗粒悬浮于钻井液中，若进入基座轴套与中心齿基体之间的旋转接触面后容易造成磨粒磨损，严重时可能增加其相对运动阻力，从而使其无法实现旋转；若钻井液固相颗粒进入到减振腔室内造成磨粒磨损，从而导致弹性缓冲能力丧失，影响切削齿以及钻头使用寿命，因此设置密封结构可为本方案提供良好的工作环境，提高其可靠性。
实施例九：
如图12所示，本实施例与“实施例八”基本相同。其不同之处在于：在靠近弹性元件(53)处还设置有浮环(9)。
设置浮环的目的同样是为了减小中心齿与轴套件的摩擦阻力，使中心齿转动更为灵活。
实施例十：
如图13、图14所示，本实施例与“实施例七”基本相同。其不同之处在于：所述弹性元件有两种，分别为较小刚度的弹性元件(531)和较大刚度的弹性元件(532)，两者并行安装。并且，较小刚度的弹性元件(531)的高度高于较大刚度的弹性元件(532)δc个高度差。
当中心齿切削破岩时，钻遇较软地层时仅较小刚度的弹性元件(531)工作，在0到δc弹性变形量范围内变化，其对应刚度为s1段；钻遇较硬地层时两者均参与工作，中心齿伸缩量大于δc，其对应刚度为s2段。这进一步拓宽了本发明技术方案的适用范围，即：同一次钻进过程即适用于较软地层，又适用于较硬地层。
实施例十一：
如图15所示，本实施例与“实施例六”基本相同。其不同之处在于：所述限位装置(7)为锁紧滚珠，在基座(521)与轴套(52)设置有密封圈(8)
在轴套上开始小孔(11)，将锁紧滚珠通过该孔安装到锁紧位置，再用塞销填堵。该锁紧方式具有安全性好、可靠性高、摩擦扭矩低等优点。
实施例十二：
如图16、图17所示，本实施例与“实施例十一”基本相同。其不同之处在于：所述3d棘牙(6)的具体形式为多枚pdc齿通过焊接的方式固结在基座(512)上。
该技术方案中，通过合理设计侧转角和前倾角，也能够在切削过程中为中心齿引入扭矩，推动其旋转。
实施例十三：
如图18所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：在同一个轴套(52)上设置有至少两组模块齿。
在同一基座轴套上设置两组及以上中心齿及其配套的弹性元件、轴向限位结构和密封结构等，形成一种多齿组合形式的切削齿，能够减小结构尺寸，充分利用布齿空间，更利于本专利的实施。
实施例十四：
如图19所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：模块齿(5)的固结方式是通过螺栓(10)固定在刀翼(2)上。
该固结方式便于拆装、更换模块齿，成本和制造周期也相应降低，工艺性好。
实施例十五：
如图20所示，本实施例与“实施例十四”基本相同。其不同之处在于：螺栓(10)贯穿于轴套(52)、弹性元件(53)、基座(512)和金刚石层(511)，将模块齿安装到刀翼(2)上。
通过焊接的方式将基座固结在刀翼上，再通过螺栓将模块齿其他零部件组合到一起。这种安装方式具有更高的可靠性。
实施例十六：
如图21所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：在刀翼(2)上直接开设盲孔，作为模块齿的轴套，将弹性元件(53)、中心齿(512)、限位装置(7)等安装固定于盲孔内。
本实施例提出的技术方案简化了模块齿组成结构，进一步提升了安全性。
实施例十七：
如图22所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述pdc钻头为牙轮式pdc复合钻头。
本发明所提出的技术方案，同样适用于牙轮式pdc复合钻头。
实施例十八：
如图23所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：所述pdc钻头为盘刀式pdc复合钻头。
本发明所提出的技术方案，同样适用于盘刀式pdc复合钻头。
1.一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，包括有钻头体(1)，刀翼(2)、水眼(3)和切削齿(4)，所述刀翼(2)延伸自钻头体(1)，在刀翼(2)底部的钻头体(1)上设置有贯通的水眼(3)；所述切削齿(4)固结在刀翼(2)上，其中至少有一颗所述切削齿(4)为由中心齿(51)、轴套(52)和弹性元件(53)组成的模块齿(5)；所述中心齿(51)由金刚石层(511)和基体(512)组成，其特征在于：所述金刚石层(511)端面沿周向分布有3d棘牙(6)，在中心齿(51)和轴套(52)之间设置有弹性元件(53)和限位装置(7)，所述模块齿(5)固结在pdc钻头的刀翼(2)上。
2.如权利要求1所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述金刚石层(511)端面沿周向分布有锯齿状3d棘牙(6)，所述弹性元件(53)为碟簧，并且在所述中心齿(51)和轴套(52)间设置的限位装置(7)为卡簧或半圆键。
3.如权利要求1、2所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述轴套(52)为通孔式结构，所述弹性元件(53)设置在靠近金刚石层(511)的一侧，所述限位装置(7)设置在相对于金刚石层(511)的另外一侧。
4.如权利要求1所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述弹性元件(53)为碟簧、或橡胶、或高弹性金属体，或具有弹性的复合材料，或由前述至少两种组合而成。
5.如权利要求1、4所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述弹性元件(53)由碟簧(531)和橡胶(532)组成，并且这两种呈并行或串行布置。
6.如权利要求1、2所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：在所述中心齿(51)和轴套(52)间还设置有密封圈(8)。
7.如权利要求1、2所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：在中心齿(51)和轴套(52)间还设置有轴承(9)。
8.如权利要求1、2所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述3d棘牙(6)在金刚石层(511)上向中心方向呈内凹分布，或外凸分布。
9.如权利要求1所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述模块齿(5)通过螺栓(10)与刀翼(2)固定连接。
10.如权利要求1所述的一种长寿命模块切削齿及采用该切削齿的pdc钻头，其特征在于：所述pdc钻头为常规pdc钻头、盘刀式pdc钻头、盘刀式pdc复合钻头、牙轮式pdc复合钻头等安装有金刚石类切削齿的钻头。
技术总结