CN104727752A - 一种聚晶金刚石复合齿及其制造方法和一种钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种聚晶金刚石复合齿，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层；硬质合金基体一端为安装部，另一端为工作部；聚晶金刚石层形成于工作部的外表面上，且聚晶金刚石层呈圆锥形结构；其通过在工作部的外表面形成圆锥形的聚晶金刚石层，提高了聚晶金刚石复合齿在工作时吃入地层的能力，从而实现了犁切方式进行破岩，有效地提高了破岩效率；本发明还提供一种聚晶金刚石复合齿的制造方法，用于制造上述聚晶金刚石复合齿；本发明再提供一种钻头，其采用上述聚晶金刚石复合齿，有效地提高了破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及超硬复合材料技术领域，尤其涉及一种聚晶金刚石复合齿及其制造方法和一种钻头。
背景技术
随着油气勘探开发的不断深入，浅层、易开发油气资源越来越少，在深部地层以及复杂地质条件下寻求油气资源正逐渐成为目前海陆勘探开发的重要工作。在深井和复杂地质条件下的油气钻探工作中，经常钻遇碳酸盐岩、火成岩和变质岩等难钻地层，其强度高，硬度大，可钻性差，研磨性强。
目前，为解决上述问题，石油钻井常使用聚晶金刚石复合片（polycrystallinediamond compact，PDC）。由于聚晶金刚石复合片兼具有聚晶金刚石层硬度高、耐磨性好，以及硬质合金基体良好韧性、可焊性的性能，已被广泛应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采、机械加工等领域。
但现有的聚晶金刚石复合片，其多为圆柱形状，聚晶金刚石复合片前端面为平面，以压剪方式破岩，这使得现有的聚晶金刚石复合片在钻进时，吃入硬质地层困难，容易出现“打滑”现象，从而造成破岩效率低，进而大大影响了深部地层及复杂地质条件下油气资源的勘探开发效率。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石复合齿，其有效地提高了破岩效率。
本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石复合齿的制造方法，其制成的聚晶金刚石复合齿可有效地提高了破岩效率。
本发明的目的在于提供一种钻头，其有效地提高了破岩效率。
本发明提供的一种聚晶金刚石复合齿，包括硬质合金基体，其包括安装部以及位于所述硬质合金基体一端的工作部；
聚晶金刚石层，其形成于所述工作部的外表面上，并且呈圆锥形结构。
可选的，所述工作部呈圆锥形结构。
可选的，所述工作部的锥角大于所述聚晶金刚石层的锥角。
可选的，所述工作部的锥角为90～130°；所述聚晶金刚石层的锥角为70～110°。
可选的，所述工作部在锥顶处形成第一球面，所述聚晶金刚石层在锥顶处形成第二球面。
可选的，所述第一球面的曲率半径大于所述第二球面的曲率半径。
可选的，所述第一球面的曲率半径为5～15mm；所述第二球面的曲率半径为1.5～3mm。
可选的，所述工作部的外表面处形成有第一结合构件，所述聚晶金刚石层的内表面处形成有能够与所述第一结合构件形成形状互补式配合的第二结合构件。
可选的，所述聚晶金刚石层的厚度大于或等于2mm，且所述聚晶金刚石层位于锥顶处的厚度为3～6mm。
可选的，所述安装部呈圆柱形。
本发明提供的一种制造上述聚晶金刚石复合齿的方法，将金刚石微粉、结合剂和所述硬质合金基体在温度为1400～1600℃，压力为6～8GPa的真空条件下烧结10～20分钟。
可选的，所述金刚石微粉的粒度为10～100μm。
可选的，所述硬质合金基体为钨钴硬质合金基体，且所述钨钴硬质合金基体中钴含量为5%～10%。
可选的，所述结合剂为钴粉末、铁粉末和镍粉末中的任一种或多种组合。
本发明提供的一种钻头，包括钻头基体和通过上述安装部而安装在所述钻头基体上的上述的聚晶金刚石复合齿，其中，所述聚晶金刚石复合齿与所述钻头基体的表面的夹角为70～75°。
与现有技术相比，本发明提供的聚晶金刚石复合齿，通过在工作部的外表面形成圆锥形的聚晶金刚石层，提高了聚晶金刚石复合齿在工作时吃入地层的能力，从而实现了犁切方式进行破岩，有效地提高了破岩效率。
在进一步的技术方案中，将工作部设置成圆锥形，利用工作部和聚晶金刚石层均为圆锥形，可有效地将聚晶金刚石复合齿吃入地层时所受到的冲击力进行均匀分散，从而可有效地避免聚晶金刚石层发生碎裂；并且进一步的可将工作部的锥角设置在90～130°，将聚晶金刚石层的锥角设置在70°～110°。
在进一步的技术方案中，工作部在锥顶处形成第一球面，聚晶金刚石层在锥顶形成第二球面，使得在工作时聚晶金刚石层与地层的接触面为球面，从而将聚晶金刚石层受到的冲击力均匀地分散到工作部上，进而有效地避免了冲击力过于集中而造成聚晶金刚石层碎裂现象的发生。
在进一步的技术方案中，第一球面的曲率半径为5～15mm，第二球面的曲率半径为1.5～3mm，从而更好地将聚晶金刚石层受到的冲击力均匀地分散到工作部上。
在进一步的技术方案中，在工作部的外表面处形成有第一结合构件，在聚晶金刚石层的内表面处形成有与之相配合的第二结合构件，使得工作部与聚晶金刚石层之间的结合面形成非光滑面，从而可有效地避免工作部与聚晶金刚石层在结合面处的应力集中的问题，进而提高了聚晶金刚石复合齿的抗冲击性能。
在进一步的技术方案中，聚晶金刚石层的厚度大于或等于2mm，且在位于锥顶处的厚度为3～6mm，有效地保证了聚晶金刚石层的整体结构强度，可有效地避免因冲击力过大而造成聚晶金刚石层出现碎裂现象。
在进一步的技术方案中，安装部成圆柱形，可保证聚晶金刚石复合齿与现有的钻头基体进行装配使用，提高其通用性。
与现有技术相比，本发明提供的聚晶金刚石复合齿的制造方法，利用该方法制成的聚晶金刚石复合齿，通过将工作部和聚晶金刚石层均设置成圆锥形，提高了聚晶金刚石复合齿在工作时吃入地层的能力，从而实现了犁切方式进行破岩，有效地提高了破岩效率。
与现有技术相比，本发明提供的钻头，其利用聚晶金刚石复合齿与钻头基体呈一定角度进行安装，进一步提高了聚晶金刚石复合齿在工作时吃入地层的能力，从而实现了犁切方式进行破岩，有效地提高了破岩效率。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明实施例一提供的聚晶金刚石复合齿的结构示意图；
图2为本发明实施例三提供的钻头的工作状态结构示意图。
附图说明：
1-硬质合金基体，11-安装部；
12-工作部，121-第一球面，122-第一结合构件；
2-聚晶金刚石层，21-第二球面，22-第二结合构件；
3-钻头基体，31-安装槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例中提供的聚晶金刚石复合齿，包括硬质合金基体1和聚晶金刚石层2；硬质合金基体1一端为安装部11，另一端为工作部12；聚晶金刚石层2形成于工作部12的外表面上，且聚晶金刚石层2呈圆锥形结构。
使用时，聚晶金刚石复合齿在对地层进行破岩时，通过圆锥形的聚晶金刚石层2可有效地提高吃入地层的能力，并对刃前岩石产生直接的剪切破坏作用，从根本上将现有的聚晶金刚石复合齿的压剪破岩方式变为犁切破岩方式，进而有效地提高了破岩效率；其具体工作示意图可参考图2所示。
本实施例中，由于聚晶金刚石复合齿在对地层进行破岩时，其上的聚晶金刚石层2需要承受破岩时产生的冲击力，并将该冲击力传递至工作部12上，利用工作部12对聚晶金刚石层2起到支撑的作用，因此工作部12与聚晶金刚石层2之间会存在较大的应力，如果应力过于集中便会造成聚晶金刚石层2的碎裂，从而影响聚晶金刚石复合齿的正常使用，并最终影响到破岩效率；为此，如图1所示，可使得工作部12呈圆锥形结构，这样一来，工作部12和聚晶金刚石层2均为圆锥形结构，在聚晶金刚石复合齿对地层进行破岩时，聚晶金刚石层2所受到的冲击力可均匀地分散至工作部12上，从而有效地避免了聚晶金刚石层2与工作部12之间的应力过于集中，进而有效地避免了聚晶金刚石层2的碎裂。
优选的，工作部12的锥角大于聚晶金刚石层2的锥角。
为了进一步提高聚晶金刚石复合齿吃入地层的能力，进一步优选的，可将工作部12的锥角设定在90°～130°；可将聚晶金刚石层2的锥角设定在70°～110°。
本实施例中，由于聚晶金刚石复合齿在对地层进行破岩时，其上的聚晶金刚石层2在锥顶处需要承受较大的破岩冲击力，因此聚晶金刚石层2在锥顶处易因冲击力过于集中而发生聚晶金刚石层2碎裂；为此，如图1所示，可使工作部12在锥顶处形成第一球面121；并使聚晶金刚石层2在锥顶处形成第二球面2；从而在聚晶金刚石复合齿吃入地层时，可有效地减少冲击力在聚晶金刚石层2的锥顶处以及工作部12的锥顶处的集中，进而有效地避免聚晶金刚石层2发生碎裂。
优选的，第一球面121的曲率半径大于第二球面21的曲率半径。
进一步优选的，可将第一球面121的曲率半径设定在5～15mm；将第二球面2的曲率半径设定在1.5～3mm，从而进一步减少冲击力在聚晶金刚石层2的锥顶处以及工作部12的锥顶处的集中，进而有效地避免聚晶金刚石层2发生碎裂。
本实施例中，由于聚晶金刚石复合齿在对地层进行破岩时，其上的聚晶金刚石层2需要承受破岩时产生的冲击力，并将该冲击力传递至工作部12上，利用工作部12对聚晶金刚石层2起到支撑的作用，因此工作部12与聚晶金刚石层2之间会存在较大的应力，如果应力过于集中便会造成聚晶金刚石层2的碎裂，从而影响聚晶金刚石复合齿的正常使用，并最终影响到破岩效率；为此，如图1所示，可在工作部12的外表面处形成有第一结合构件122，并在聚晶金刚石层2的内表面处形成有与第一结合构件122相配合的第二结合构件22；利用第一结合构件122和第二结合构件22使得聚晶金刚石层2与工作部12之间的接触面形成非光滑接触面，从而可有效地减少应力在接触面上的集中，提高聚晶金刚石层2与工作部12的抗冲击性能。
进一步优选的，第一结合构件122和第二结合构件22数量不唯一，也可为多条或多段；且第一结合构件122和第二结合构件22可为连续线段或间断线段；从而使得聚晶金刚石层2与工作部12之间形成齿形、波纹形或台阶形接触面；需要说明的是，上述仅为几种具体实施方式，但第一结合构件122和第二结合构件22的具体结构不仅限于此，其他等同技术方案的简单替换或替代也应落入本发明的保护范围。
本实施例中，由于在工作时，聚晶金刚石层2需要承受较大冲击力，因此聚晶金刚石层2应具有一定的自身结构强度；为此，可使聚晶金刚石层2的厚度大于或等于2mm，从而保证聚晶金刚石层2的整体结构强度，从而有效地避免因冲击力过大而造成聚晶金刚石层2出现碎裂现象。
进一步优选的，由于聚晶金刚石层2在锥顶处会受到的更大的冲击力，因此可将聚晶金刚石层2位于锥顶处的厚度设定在3～6mm。
本实施例中，为了便于聚晶金刚石复合齿与现有钻头进行安装，从而提高其通用性，可使安装部11呈圆柱形；但需要说明的是，安装部11的具体形状不仅限于圆柱形，其他等同技术方案的简单替换或替代也应落入本发明的保护范围。
实施例二：
本实施例中提供的聚晶金刚石复合齿的制造方法，其用于制造上述实施例一中所述的聚晶金刚石复合齿，将金刚石微粉、结合剂和硬质合金基体在温度为1400～1600℃，压力为6～8GPa的真空条件下烧结10～20分钟。
其中优选的，金刚石微粉的粒度为10～100μm。
进一步优选的，硬质合金基体为钨钴硬质合金基体，且钨钴硬质合金基体中钴含量为5%～10%。
进一步优选的，结合剂为钴粉末、铁粉末和镍粉末中的任一种或多种组合。
具体的，可选用粒度为20μm的金刚石微粉，YG6硬质合金基体，并采用钴粉末为结合剂，在1450℃，6.5GPa下烧结10分钟。
实施例三：
如图2所示，本实施例中提供的钻头，包括钻头基体3和通过安装部11而安装在钻头基体上的上述实施例一中所述的聚晶金刚石复合齿中的任一种，聚晶金刚石复合齿与钻头基体3的表面的夹角为70°～75°（如图2中所示α角）。
具体的，钻头基体3上形成有安装槽31，聚晶金刚石复合齿通过安装部11与安装槽31相配合安装在在钻头基体3上；聚晶金刚石复合齿与钻头基体3的表面的夹角为70°～75°（如图2中所示α角）。
其中，聚晶金刚石复合齿与钻头基体3的表面的夹角为70°～75°，即为聚晶金刚石复合齿以前倾角15°～20°（如图2中所示的β角）安装于钻头基体3上；进一步优选的聚晶金刚石复合齿与钻头基体3的夹角为73°，即聚晶金刚石复合齿以前倾角17°安装于钻头基体3上。
具体的，以17°的前倾角将聚晶金刚石复合齿安装于钻头基体3上，钻头的可钻性为8.5级的花岗岩。
其中钻进参数为：钻压30KN，转速100rpm，平均机械钻速为12m/h。
最后应说明的是：以上实施方式及实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式及实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式或实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式或实施例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种聚晶金刚石复合齿，包括：
硬质合金基体，其包括安装部以及位于所述硬质合金基体一端的工作部；
聚晶金刚石层，其形成于所述工作部的外表面上，并且呈圆锥形结构。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述工作部呈圆锥形结构。
3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述工作部的锥角大于所述聚晶金刚石层的锥角。
4.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述工作部的锥角为90～130°；所述聚晶金刚石层的锥角为70～110°。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述工作部在锥顶处形成第一球面，所述聚晶金刚石层在锥顶处形成第二球面。
6.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述第一球面的曲率半径大于所述第二球面的曲率半径。
7.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述第一球面的曲率半径为5～15mm；所述第二球面的曲率半径为1.5～3mm。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述工作部的外表面处形成有第一结合构件，所述聚晶金刚石层的内表面处形成有能够与所述第一结合构件形成形状互补式配合的第二结合构件。
9.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述聚晶金刚石层的厚度大于或等于2mm，且所述聚晶金刚石层位于锥顶处的厚度为3～6mm。
10.根据权利要求1或2所述的聚晶金刚石复合齿，其特征在于，所述安装部呈圆柱形。
11.一种用于制造根据上述权利要求1到10中任一项所述的聚晶金刚石复合齿的方法，其特征在于，将金刚石微粉、结合剂和所述硬质合金基体在温度为1400～1600℃，压力为6～8GPa的真空条件下烧结10～20分钟。
12.根据权利要求11所述的制造聚晶金刚石复合齿的方法，其特征在于，所述金刚石微粉的粒度为10～100μm。
13.根据权利要求11所述的制造聚晶金刚石复合齿的方法，其特征在于，所述硬质合金基体为钨钴硬质合金基体，且所述钨钴硬质合金基体中钴含量为5%～10%。
14.根据权利要求11所述的制造聚晶金刚石复合齿的方法，其特征在于，所述结合剂为钴粉末、铁粉末和镍粉末中的任一种或多种组合。
15.一种钻头，包括钻头基体和通过所述安装部而安装在所述钻头基体上的根据上述权利要求1到10中任一项所述的聚晶金刚石复合齿，其中，所述聚晶金刚石复合齿与所述钻头基体的表面的夹角为70～75°。
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