CN111425142A - 聚晶金刚石复合片和pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
一种聚晶金刚石复合片和PDC钻头，聚晶金刚石复合片包括：硬质合金基座和金刚石层，金刚石层的一侧与硬质合金基座的第一侧连接，金刚石层的远离硬质合金基座的一侧表面突出地形成有十字形的切削突起，每个切削突起的宽度由金刚石层的中心向外边缘处逐渐变小，相邻两个切削突起之间形成相对于金刚石层的径向平面倾斜的切削面，切削面由金刚石层的中心向外边缘处逐渐倾斜。本发明采用以分布在PDC钻头上的四象限人造聚晶金刚石齿，因而很容易吃入地层，破岩效率高，有效地提供机械钻速和减少钻头泥包，在钻头收到侧向力的作用下能获得更好的破岩效果，稳定的定向工具面的特点，有更好的研磨性和抗冲击性。
Description
技术领域
本发明属于PDC地质钻头制造技术领域，特别涉及一种聚晶金刚石复合片和PDC钻头。
背景技术
目前常规的PDC钻头(polycrystalline diamond compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)是使用的齿采用常规的圆柱形状设计，金刚石层厚度为2.0mm,和硬质合金基底，金刚石层的切削面是平面的，圆周轮廓有特定的倒角要求。切削齿是PDC钻头用于破岩的切削刃，它的性能优劣决定了PDC钻头的使用效果。良好的切削齿性能能够提高PDC钻头的机械钻速和进尺，缩短建井周期，降低钻井综合成本。
现有技术对金刚石层的切削面没有结构性的设计，常规的平面切削齿在应用时，钻井过程中受到钻压的作用以及切削齿吃入地层，结合钻具所输出的扭矩作用下沿着PDC钻头轴线旋转刮切地层，这种破岩机理使得常规切削齿在抗压强度低的软地层应用中具有很高的速度优势。但是，在抗压强度高的硬地层应用中，常规切削齿钻入地层的难度大幅增加，同时在高的转速条件下，切削齿与硬地层反复冲击所产生的高的冲击载荷很容易造成常规切削齿的崩损，制约了PDC钻头在硬地层中的应用。
此外，在定向钻井应用中，常规切削齿刮切破岩的工作机理使得PDC钻头承受更高的反扭矩，易导致定向造斜工具面失稳，影响了PDC钻头在定向钻井中的应用效果。
发明内容
本发明提供了一种聚晶金刚石复合片和PDC钻头，以解决至少一个上述技术问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种聚晶金刚石复合片，包括：硬质合金基座和金刚石层，所述金刚石层的一侧与所述硬质合金基座的第一侧连接，所述金刚石层的远离所述硬质合金基座的一侧表面突出地形成有十字形的切削突起，每个所述切削突起的宽度由所述金刚石层的中心向外边缘处逐渐变小，相邻两个所述切削突起之间形成相对于所述金刚石层的径向平面倾斜的切削面，所述切削面由所述金刚石层的中心向外边缘处逐渐倾斜。
优选地，所述切削突起的两侧轴向侧面为倾斜面。
优选地，所述切削面与所述径向平面之间的夹角为5°。
优选地，所述切削突起的位于所述金刚石层外边缘处的周缘棱边处形成有第一倒角，和/或所述切削突起的径向棱边处形成有第二倒角，和/或所述切削面的周向边缘处均设置有第三倒角。
优选地，所述第一倒角为半径为0.5mm的圆弧形倒角，所述第二倒角为0.5x45°的倒角，所述第三倒角为0.8x40°的倒角。
优选地，所述切削突起的左右两个倾斜面之间的夹角为34.15°，和/或所述切削突起的宽度以20°的夹角由所述金刚石层的中心向外边缘处逐渐变小。
优选地，所述硬质合金基座的远离所述金刚石层的一侧表面上突出地形成有十字形的定位台阶。
优选地，所述定位台阶的厚度为1mm，和/或所述金刚石层的厚度为3.6mm。
本发明还提供了一种PDC钻头，包括上述的聚晶金刚石复合片，所述PDC钻头的刀翼上设置有多个所述聚晶金刚石复合片。
优选地，所述刀翼上开设有齿穴，所述齿穴的底部形成有用于与所述聚晶金刚石复合片底部的定位台阶配合的定位槽，所述聚晶金刚石复合片焊接在所述齿穴中。
本发明采用以分布在PDC钻头上的四象限人造聚晶金刚石齿，因而很容易吃入地层，破岩效率高，尤其是花岗岩地层有着更好的破岩效果，有效地提供机械钻速和减少钻头泥包。在定向井的使用中，四象限人造聚晶金刚石齿的结构特在钻头收到侧向力的作用下能获得更好的破岩效果，稳定的定向工具面的特点，金刚石星形齿特殊的结构设计使得有更好的研磨性和抗冲击性，提高了PDC钻头的使用寿命，具有很好的机械进尺。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的立体图；
图2示意性地示出了本发明的主视图；
图3示意性地示出了图2的C-C剖视图；
图4示意性地示出了本发明的侧视图；
图5示意性地示出了本发明的后视图；
图6示意性地示出了本发明中的钻头的立体图；
图7示意性地示出了图6的A部放大图；
图8示意性地示出了图6的B部放大图。
图中附图标记：1、硬质合金基座；2、金刚石层；3、切削突起；4、切削面；5、倾斜面；6、第一倒角；7、第二倒角；8、第三倒角；9、定位台阶；10、聚晶金刚石复合片；11、刀翼；12、齿穴；13、定位槽；14、齿尖锐角。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的一个方面，提供了一种聚晶金刚石复合片，尤其是石油天然气开发钻井使用的PDC钻头金刚石齿，包括：硬质合金基座1和金刚石层2，所述金刚石层2的一侧与所述硬质合金基座1的第一侧连接，所述金刚石层2的远离所述硬质合金基座1的一侧表面突出地形成有十字形星形结构的切削突起3。
其中，每个所述切削突起3的宽度由所述金刚石层2的中心向外边缘处逐渐变小，相邻两个所述切削突起3之间形成相对于所述金刚石层2的径向平面倾斜的切削面4，所述切削面4由所述金刚石层2的中心向外边缘处逐渐倾斜。
在上述技术方案中，十字形的切削突起3之间被分割成四块切削面4，类似于四个象限，四象限是指四个均等区域的金刚石齿面，从而构成一种四象限人造聚晶金刚石复合片。
本发明采用以分布在PDC钻头上的四象限人造聚晶金刚石齿，因而很容易吃入地层，破岩效率高，尤其是花岗岩地层有着更好的破岩效果，有效地提供机械钻速和减少钻头泥包。在定向井的使用中，四象限人造聚晶金刚石齿的结构特在钻头收到侧向力的作用下能获得更好的破岩效果，稳定的定向工具面的特点，金刚石星形齿特殊的结构设计使得有更好的研磨性和抗冲击性，提高了PDC钻头的使用寿命，具有很好的机械进尺。本发明中的四象限人造聚晶金刚石可多次通过旋转金刚石四个均等区域面某一个转换区域点面位置使用。
为了验证本发明的技术效果，采用专用力学分析SimSolid软件进行四象限人造聚晶金刚石复合片的结构进行力学分析，我们模拟在PDC钻头收到钻井过程中的扭矩和钻压得作用力扭矩在40KN.M、钻压在20吨的情况下测试星形齿所收到了作用力的载荷分析，通过计算出星形齿的金刚石层设计星形结构的应力载荷屈服力达到4.700e+008N/M^2,然后通过PDC钻头的设计根据钻头的每个刀翼吃入地层的特点，计算出星形齿的先以金刚石层的尖锐点的部位，通过软件计算出星形齿分布在钻头的每个齿穴的方向性，这样就能达到从四象限人造聚晶金刚石复合片的点切削的力学结构分布在PDC钻头的径向位置，计算模拟实际当PDC钻头轴向转动后通过钻压和扭矩的作用，形成对岩层的尖点压裂后进行研磨。
此外，还在实验室针对四象限人造聚晶金刚石复合片的尖锐角部分进行了刮切削花岗岩层的实验，通过Remington传感器等到四象限人造聚晶金刚石复合片比传统单象限齿(纯平齿)冷却效果提高2.75倍，能在剪切岩层的瞬间，产生900°高热度，大大提高热敏性和热稳定性，防止金刚石材料钝化和产生电木化。
优选地，所述切削突起3的两侧轴向侧面为倾斜面5。优选地，所述切削面4与所述径向平面之间的夹角为5°。优选地，所述切削突起3的左右两个倾斜面5之间的夹角为34.15°，和/或所述切削突起3的宽度以20°的夹角由所述金刚石层2的中心向外边缘处逐渐变小。
优选地，所述切削突起3的位于所述金刚石层2外边缘处的周缘棱边处形成有第一倒角6，和/或所述切削突起3的径向棱边处形成有第二倒角7，和/或所述切削面4的周向边缘处均设置有第三倒角8。优选地，所述第一倒角6为半径为0.5mm的圆弧形倒角，所述第二倒角7为0.5x45°的倒角，所述第三倒角8为0.8x40°的倒角。
优选地，所述硬质合金基座1的远离所述金刚石层2的一侧表面上突出地形成有十字形的定位台阶9。优选地，所述定位台阶9的厚度为1mm，和/或所述金刚石层2的厚度为3.6mm。
本发明还提供了一种PDC钻头，包括上述的聚晶金刚石复合片10，所述PDC钻头的刀翼11上设置有多个所述聚晶金刚石复合片10。
优选地，所述刀翼11上开设有齿穴12，所述齿穴12的底部形成有用于与所述聚晶金刚石复合片10底部的定位台阶9配合的定位槽13，所述聚晶金刚石复合片10焊接在所述齿穴12中。
在不同的实施例中，本发明分别提供了φ13.0mm、φ16.0mm、φ19.0mm三种尺寸外径的四象限人造聚晶金刚石齿,它包括厚度3.6mm金刚石层和硬质合金基底座，通过高温2000℃高压力(200MPA)进行热处理结合，需要采用特殊的定位治具来控制结构，四象限人造聚晶金刚石齿齿尖锐角定位台阶1.0mm和结构，四角星形凸起尖锐角主切削点位置对称。
其中，金刚石层主要的切屑底层又类似于四角星形状，形成四个不同形状的切削点(即齿尖锐角14)和四个区域的犁地形结构的切削面4。在金刚石表面的四角星形状的尖部我们采用特殊的设计R角度，R 0.5mm的精度要求，这种设计要求提高了尖锐角的载荷应力达到3.000e+008N/M^2；针对四象限人造聚晶金刚石齿面轮廓边缘采用倒直角0.5x45°的设计。在金刚石层的表面位置形成四个位置可以用于PDC钻头切削面。在星形齿硬质合金基座的底部我们设计了定位台阶面相对应钻头齿穴的定位槽，这样通过PDC钻头的本体的力学计算，将四象限人造聚晶金刚石复合片齿准确的定位在每个钻头齿穴中，让每个的四象限人造聚晶金刚石齿的金刚石尖锐角长在钻头的刀翼上，形成一种有规律的分布在钻头刀翼上，让PDC钻头的刀翼上主切削面上形成尖锐的刮点，通过尖锐角吃入岩层后形成20°的延伸反锐利角，通过solid works流体力学软件针对不同的岩层计算出四象限人造聚晶金刚石齿分布在PDC钻头中的运动力学，和作用到岩层的剪切行为轨迹，反映出四象限人造聚晶金刚石齿能更有效的破碎岩层，吃入岩层的深度大，有效的提到了钻头的钻进机速，这样形成的以点带面的结构针对硬的地层起到很好的破碎岩层的效果(尤其是花岗岩层)，其次以点带面，增加四象限人造聚晶金刚石复合片韧性，让泥浆在PDC钻头底部有很好的流动性。结合solid works流体力学软件分析PDC钻头四象限人造聚晶金刚石齿在同等泥浆的排量以及密度的，水力参数下的冷却分析图，金刚石层齿面的凹凸面结合四角星形的曲面结构更提高了星形齿在抗冲击和振动冲击能力比常规的平齿提高30％的冲击强度。从而延长了四象限人造聚晶金刚石齿的使用寿命，使得四象限人造聚晶金刚石齿的钻头进尺效率高。
进一步地，由尖锐角点带动犁形刀切削面4，在切削面4设计有5°的犁形面，形成5°的犁形切削面在破岩层时起到吃入花岗岩岩层的利刃角度的作用，在扭矩40KN.M时，转速80RPM的作用条件下吃入花岗岩层深度在2.35mm/秒。在犁形刀切削面的轮廓设计上，犁形刀刃切削面倒角设计为0.8x40°的倒角，有效的利用犁形刀刃切削面在破花岗岩岩层时减少剪切应力，提高了犁形刀切削面的热效应和冷却效率，从而提升整个四象限人造聚晶金刚石齿的使用寿命。
在PDC钻头的本体刀翼的齿穴底部设计有定位槽，在用钎焊接四象限人造聚晶金刚石齿时，需要将四象限人造聚晶金刚石齿尖锐角定位台阶进行定位焊接，在每个PDC钻头的刀翼上根据钻头设计的流体力学和机械力学分析结合，让钻头刀翼面四象限人造聚晶金刚石齿尖锐角排布形成有规律分布在刀翼上，让让钻头刀翼切削面四象限人造聚晶金刚石齿的切削理念以点带动面的设计，让PDC钻头每个刀翼也形成以多点多面的刮切岩层的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括：硬质合金基座(1)和金刚石层(2)，所述金刚石层(2)的一侧与所述硬质合金基座(1)的第一侧连接，所述金刚石层(2)的远离所述硬质合金基座(1)的一侧表面突出地形成有十字形的切削突起(3)，每个所述切削突起(3)的宽度由所述金刚石层(2)的中心向外边缘处逐渐变小，相邻两个所述切削突起(3)之间形成相对于所述金刚石层(2)的径向平面倾斜的切削面(4)，所述切削面(4)由所述金刚石层(2)的中心向外边缘处逐渐倾斜。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述切削突起(3)的两侧轴向侧面为倾斜面(5)。
3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述切削面(4)与所述径向平面之间的夹角为5°。
4.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述切削突起(3)的位于所述金刚石层(2)外边缘处的周缘棱边处形成有第一倒角(6)，和/或所述切削突起(3)的径向棱边处形成有第二倒角(7)，和/或所述切削面(4)的周向边缘处均设置有第三倒角(8)。
5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述第一倒角(6)为半径为0.5mm的圆弧形倒角，所述第二倒角(7)为0.5x45°的倒角，所述第三倒角(8)为0.8x40°的倒角。
6.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述切削突起(3)的左右两个倾斜面(5)之间的夹角为34.15°，和/或所述切削突起(3)的宽度以20°的夹角由所述金刚石层(2)的中心向外边缘处逐渐变小。
7.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金基座(1)的远离所述金刚石层(2)的一侧表面上突出地形成有十字形的定位台阶(9)。
8.根据权利要求7所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述定位台阶(9)的厚度为1mm，和/或所述金刚石层(2)的厚度为3.6mm。
9.一种PDC钻头，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的聚晶金刚石复合片(10)，所述PDC钻头的刀翼(11)上设置有多个所述聚晶金刚石复合片(10)。
10.根据权利要求9所述的PDC钻头，其特征在于，所述刀翼(11)上开设有齿穴(12)，所述齿穴(12)的底部形成有用于与所述聚晶金刚石复合片(10)底部的定位台阶(9)配合的定位槽(13)，所述聚晶金刚石复合片(10)焊接在所述齿穴(12)中。
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| CN202010405097.XA CN111425142A (zh) | 2020-05-14 | 2020-05-14 | 聚晶金刚石复合片和pdc钻头 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114151017A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-08 | 中海石油(中国)有限公司 | 仿生偏心聚晶金刚石复合片 |
-
2020
- 2020-05-14 CN CN202010405097.XA patent/CN111425142A/zh active Pending
Cited By (1)
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| CN114151017A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-08 | 中海石油(中国)有限公司 | 仿生偏心聚晶金刚石复合片 |
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