CN109681125A - 一种内凹凸脊形金刚石复合片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内凹凸脊形金刚石复合片，包括硬质合金基体和设置在硬质合金基体上端的金刚石复合层，所述的金刚石复合层端面设置有2~6条由径向边缘向端面中部延伸的凸脊，凸脊向上凸起，每条凸脊整条或部分从径向边缘向下倾斜延伸交汇于端面中部，构成内凹的凸脊，在凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃。本发明通过在金刚石复合层断面设置内凹的凸脊，凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃，通过内凹的脊型面切削地层，切削面具有较强的犁削作用，提高了复合片的破碎钻进性能，降低了钻进切削阻力，进而提高金刚石钻头的机械钻速。该复合片还具有较好的排屑效果和抗冲击性能，能提高复合片的热稳定性，进一步提高复合片的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金刚石钻头的内凹凸脊形金刚石复合片，属于石油钻探技术领域。
背景技术
上世纪80年代开始，金刚石钻头被广泛地用于石油天然气钻井工程。金刚石钻头主要由钻头体和切削元件构成，金刚石钻头根据切削元件分成三类：PDC（聚晶金刚石）钻头、TSP（热稳定聚晶金刚石）钻头及天然金刚石钻头。PDC钻头主要用于软至中硬地层钻进，经过不断的技术进步，PDC钻头的适用范围越来越广，具有较好的经济价值。TSP钻头主要用于中硬至极硬地层钻进。目前，石油天然气钻井工程中深井作业逐步增多，钻遇的地层也越来越复杂。
在钻遇含致密泥岩时，金刚石复合片难以吃入地层形成有效切削。而当穿过该致密层位后，地层软硬交错，变化较为频繁，复合片所受冲击载荷较大，金刚石复合片容易崩齿失效，从而导致钻头整体失效。因而钻井现场急需一种抗冲击能力强、地层吃入能力强的金刚石复合片。而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、锥形等异形齿PCD层，这种异形结构的PDC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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种钻进性好、抗冲击力强，能延长钻头使用寿命的内凹凸脊形金刚石复合片。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括硬质合金基体和设置在硬质合金基体上端的金刚石复合层，其特征在于所述的金刚石复合层端面设置有2~6条由径向边缘向端面中部延伸的凸脊，所述的凸脊向上凸起，每条凸脊整条或部分从径向边缘向下倾斜延伸交汇于端面中部，构成内凹的凸脊，在凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃。
按上述方案，所述凸脊顶面形状为棱、平面、弧面或宽度渐变曲面。
按上述方案，所述的凸脊向下倾斜的角度，即凸脊与硬质合金基体底面的夹角为3~20°。
按上述方案，所述的凸脊宽度为0.5-4mm之间。
按上述方案，所述的每条凸脊两侧设有向下倾斜的侧翼面，所述的侧翼面为平面、弧面或曲面。
按上述方案，相邻的侧翼面通过过渡曲面相邻接。
按上述方案，所述的金刚石复合层的上端面边缘设置有倒角。
按上述方案，所述切削刃由1条或多条内凹凸脊与边缘交汇形成。
按上述方案，所述的金刚石复合片径向截面为圆形或椭圆形。
按上述方案，所述的金刚石复合层为聚晶金刚石复合层或热稳定聚晶金刚石复合层。
按上述方案，所述的硬质合金基体与金刚石复合层之间的粘结面为平面、凹凸面或沟槽面、环形沟槽面形状。
本发明的有益效果在于：1、通过在金刚石复合层断面设置内凹的凸脊，凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃，通过内凹的脊型面切削地层，切削面具有较强的犁削作用，提高了复合片的破碎钻进性能，降低了钻进切削阻力，进而提高金刚石钻头的机械钻速。2、该复合片还具有较好的排屑效果和抗冲击性能，能提高复合片的热稳定性，进一步提高复合片的寿命。3、在采用多切削面组切削元件时，在一个切削面磨损后可以旋转至另一个未磨损的面继续使用，进而降低钻头的使用成本。
附图说明
图1至图4分别为本发明实施例一的立体图、俯视图和后视图、侧视图。
图5为本发明实施例二的立体图。
图6为本发明实施例三的立体图。
图7至图10分别是本发明实施例四的立体图、俯视图和后视图、侧视图。
图11至图13分别是本发明实施例五的立体图、俯视图和侧视图。
图14是本实施例六的立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一如图1至图4所示，包括金刚石复合层201和硬质合金基体202，金刚石复合层的端面有2条由径向边缘向端面中部延伸的凸脊203、204，每条凸脊整条从径向边缘向下倾斜延伸交汇于端面中部，构成内凹的凸脊，2条凸脊沿周向均布，即两相邻渐变弧面凸脊之间的圆心角为180°。端面的一侧由一条弧面凸脊203和其两侧的侧翼面205、206构成，凸脊203与其两侧面形成一个切削刃，端面的另一侧由一条凸脊204和其两侧的侧翼面207、208构成，凸脊204与其两侧面形成另一个切削刃，两侧对应的侧翼面两两弧面相交，形成圆弧面209、210。本实施例中2条的内凹弧面凸脊为弧面，曲率半径为4mm，切削刃宽为2.1mm，凸脊203与202底平面角度α为5°，凸脊204与202底平面角度β为5°，且两侧侧翼与102底平面夹角为15°，侧翼面之间过渡圆弧面半径为20mm。金刚石复合片径向截面为圆形，直径为15.8mm。所述金刚石复合层边缘设置倒角，倒角可以为斜倒角。
实施例二如图5所示，金刚石复合层的端面有3条内凹凸脊303、304、305，每条内凹弧面凸脊从复合层边缘延伸交汇于端面中心，所述的内凹弧面凸脊沿周向均布，即两相邻凸脊之间的圆心角相等，为120°。其它结构与实施例二相同。
实施例三如图6所示，它与实施例三的不同之处在于：内凹弧面凸脊403、404、405为渐变弧面，其弧面曲率半径由径向最边缘1mm向中心曲率半径6mm线性过渡。三个凸脊与底平面角度相同，均为5°。凸脊两边斜面采用弧面过渡，弧面曲率半径20mm。
实施例四如图7至图10所示，它与实施例一的不同之处在于：金刚石复合片径向截面为椭圆形，长轴半径为12mm，短轴半径为7.94mm，金刚石复合层的端面有2条周向均布、与长轴相吻合交汇于端面中心内凹弧面凸棱503、504。内凹弧面凸棱边缘凸棱半径为4mm。两个凸脊503、504与502底平面夹角α和β均为5°。4个侧翼面505、506、507、508的倾角均相等，与502底平面夹角为15°。所述金刚石复合层边缘设置倒角，倒角可以为斜倒角。
实施例五如图11至图13所示。其与实施二的区别在于其单个切削刃是由两条凸脊及其对应斜面组成。其中凸脊603、604及其相联的斜面构成其中一个切削刃，凸脊605、606及其相联的斜面构成其中另一个切削刃，切削刃宽L为2.6mm。凸脊605、606之间的夹角θ为30°。凸脊603、604与硬质合金602底平面夹角α为5°，凸脊605、606与硬质合金602底平面夹角β为5°，两夹角相同。其余与实施例二相同。
实施例六如图14所示，它与实施例四的不同之处在于：金刚石复合层701中间有一平面706与内凹凸脊703、704、705及其斜面平滑过渡，其余与实施例四相同。
本发明中的金刚石复合层与硬质合金基体在超高压高温条件下烧结而成，然后对金刚石层的端面进行加工成所需形状。
Claims (10)
1.一种内凹凸脊形金刚石复合片，包括硬质合金基体和设置在硬质合金基体上端的金刚石复合层，其特征在于所述的金刚石复合层端面设置有2~6条由径向边缘向端面中部延伸的凸脊，所述的凸脊向上凸起，每条凸脊整条或部分从径向边缘向下倾斜延伸交汇于端面中部，构成内凹的凸脊，在凸脊与径向边缘的交汇处形成正前角切削刃。
2.按权利要求1所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述凸脊顶面形状为棱、平面、弧面或宽度渐变曲面。
3.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊向下倾斜的角度，即凸脊与硬质合金基体底面的夹角为3~20°。
4.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊宽度为0.5-4mm之间。
5.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的每条凸脊两侧设有向下倾斜的侧翼面，所述的侧翼面为平面、弧面或曲面。
6.按权利要求5所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于相邻的侧翼面通过过渡曲面相邻接。
7.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的金刚石复合层的上端面边缘设置有倒角。
8.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述切削刃由1条或多条内凹凸脊与边缘交汇形成。
9.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的金刚石复合片径向截面为圆形或椭圆形。
10.按权利要求1或2所述的内凹凸脊形金刚石复合片，其特征在于所述的金刚石复合层为聚晶金刚石复合层或热稳定聚晶金刚石复合层。
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