CN114961574A - 一种凸脊型金刚石复合片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凸脊型金刚石复合片，包括柱形硬质合金基体和金刚石复合层，所述的金刚石复合层设置在硬质合金基体的一端，两者相联成一体，所述的金刚石复合层端面设置有多条凸脊，各凸脊之间通过斜面和过渡曲面相连，其特征在于所述的凸脊从端面边缘向端面中心延伸，所述的凸脊包括有向上延伸的正凸脊和向下延伸的负凸脊。本发明不仅具有较强的吃入地层能力，实现不同的攻击能力，而且抗冲击性能强；正负凸脊和斜面构成光顺的凹凸起伏的金刚石复合层端面，加之上下起伏的边切削刃与凸脊的组合，形成复合片的多种不同性能的切削刃，使得同一金刚石复合片能应对不同地层钻进需求，实现不同的攻击能力集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种凸脊型金刚石复合片，属于石油钻探技术领域。
背景技术
上世纪80年代开始，金刚石钻头被逐渐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。
现有的金刚石复合片其切削端头大都为平面结构，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PDC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。针对这种现象，中国专利201520471001.4公开一种低切削阻力曲面结构聚晶金刚石复合片，其解决了复杂地层的钻进效率，但利用率及排屑效果并不理想。中国专利201521102644.8公开一种多刃异形结构聚晶金刚石复合片，其解决了复杂地层的钻进效率及利用率，但存在排屑通道不畅等问题。中国专利201721327355.7公开了一种不同刃宽的凸脊齿，实现一齿多地层应用，但存在宽刃凸脊齿应用地层范围较窄的问题。
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凸脊型金刚石复合片，不仅抗冲击能力强，而且具备多攻击能力，能有效的适应多种地层。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括柱形硬质合金基体和金刚石复合层，所述的金刚石复合层设置在硬质合金基体的一端，两者相联成一体，所述的金刚石复合层端面设置有多条凸脊，各凸脊之间通过斜面和过渡曲面相连，其特征在于所述的凸脊从端面边缘向端面中心延伸，所述的凸脊包括有向上延伸的正凸脊和向下延伸的负凸脊。
按上述方案，所述的向上延伸的正凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角为0～20°，进一步的，所述正凸脊的夹角为3～10°，所述的金刚石复合层底平面与柱形硬质合金基体轴线相垂直。
按上述方案，所述的向下延伸的负凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角为小于0°至-20°，进一步的，所述负凸脊的夹角为-3～-10°，所述的金刚石复合层底平面与柱形硬质合金基体轴线相垂直。
按上述方案，所述的凸脊为3～6条，沿周向间隔分布。
按上述方案，所述的端面边缘设置有2种或2种以上不同的倒角，以形成不同的上下起伏的边切削刃。所述的倒角坡面为斜面倒角、弯折面倒角、曲面倒角的一种或几种。
按上述方案，所述的凸脊从端面边缘向端面中心呈平直延伸状或呈拱起弧顶状或下凹弧顶状，即所述凸脊的脊顶正侧向廓线为直线或上凸弧线或下凹弧线。
按上述方案，所述的凸脊形状为弧面、曲面、平面或棱，即所述凸脊的正向廓线为弧线、曲线、直线或折线。
按上述方案，所述的正凸脊和负凸脊沿周向交错布设。
按上述方案，所述的凸脊两侧连接向下倾斜的斜面，所述的斜面为平面或曲面，各斜面之间通过过渡曲面相连，由此构成凹凸起伏的金刚石复合层端面。
按上述方案，所述的金刚石复合层的径向截面与硬质合金基体径向截面相同，为圆形或椭圆形或正多边形。
本发明的有益效果在于：1、通过在金刚石复合层端面设置正凸脊和负凸脊，使得金刚石复合片不仅具有较强的吃入地层能力，实现不同的攻击能力，而且抗冲击性能强；2、正负凸脊和斜面构成光顺的凹凸起伏的金刚石复合层端面，加之相起伏的边切削刃与凸脊的组合，形成复合片的多种不同性能的切削刃，使得同一金刚石复合片能应对不同地层钻进需求，实现不同的攻击能力集成，进一步强化了金刚石复合片的攻击能力及抗冲击能力，将其合理的布设于金刚石钻头上，可使金刚石钻头适应多种复杂地层的钻进需求。
附图说明
图1至图4分别为本发明一个实施例的立体图、俯视图、正视图和侧视图。
图5至图8分别为本发明第二个实施例的立体图、俯视图、正视图和侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
第一个实施例如图1至图4所示，包括圆柱形硬质合金基体102和金刚石复合层101，所述的金刚石复合层设置在硬质合金基体的一端，所述的金刚石复合层为聚晶金刚石复合层，金刚石复合层和硬质合金基体通过超高温高压烧结相联成一体，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、凹凸块面或沟槽面。所述的金刚石复合层端面设置有4条凸脊，包括有向上延伸的2条正凸脊103、105和向下延伸的2条负凸脊104、106，所述的正凸脊和负凸脊沿周向均布并交错布设，各凸脊从端面边缘向端面中心延伸，其中2条正凸脊从边缘至中心逐渐变高，延伸至端面中心，2条负凸脊从边缘至前端逐渐变低，延伸至端面中心距离的约1/2处；所述的各凸脊形状为弧面，即所述凸脊的正向廓线为圆弧线，圆弧曲率半径分别为R1、R2、R3、R4，均相同，为2mm，也可以不相同，并且凸脊从端面边缘向端面中心呈平直延伸状。所述的2条向上延伸的正凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角β、α为5°，所述的2条向下延伸的负凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角θ、γ为-5°，所述的金刚石复合层底平面与柱形硬质合金基体轴线相垂直。所述的凸脊两侧平滑连接向下倾斜的斜面，所述的斜面为平面，其中正凸脊103其两侧斜面107、108，负凸脊104其两侧斜面109、110，正凸脊105其两侧斜面111、112，负凸脊106其两侧斜面113、114，各斜面之间通过过渡曲面平滑相连，由此构成凹凸起伏的金刚石复合层端面。所述的端面边缘设置有2种不同的倒角，所述的倒角坡面为斜面倒角和圆弧倒角，其中在正凸脊周边边缘90°范围为圆弧倒角，在负凸脊周边边缘90°范围为斜面倒角，使得整个端面外周边缘形成不同的上下起伏的边切削刃，并与各个凸脊相组合形成复合片的多种不同性能的切削刃。本实施例金刚石复合片径向截面为圆形，直径为15.8mm。
第二个实施例如图5至图8所示，它与上一个实施例的不同之处在于2条正凸脊203、205为凸起的圆弧线，从端面边缘向端面中心呈拱起弧顶状，所述凸脊的脊顶正侧向廓线为上凸弧线，2条向上延伸的正凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角δ为5°，2条正凸脊结构相同，从边缘至中心逐渐变高，延伸至端面中心；2条负凸脊204、206为内凹的圆弧线，从端面边缘向端面中心呈下凹弧顶状，所述凸脊的脊顶正侧向廓线为下凹弧线，向下延伸的负凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角ε为-5°。金刚石复合层的端面4条凸脊203、204、205、206两侧的斜面为曲面，各斜面之间通过过渡曲面平滑相连，由此构成凹凸起伏的金刚石复合层端面。其它结构与上一个实施例相同。
Claims (10)
1.一种凸脊型金刚石复合片，包括柱形硬质合金基体和金刚石复合层，所述的金刚石复合层设置在硬质合金基体的一端，两者相联成一体，所述的金刚石复合层端面设置有多条凸脊，各凸脊之间通过斜面和过渡曲面相连，其特征在于所述的凸脊从端面边缘向端面中心延伸，所述的凸脊包括有向上延伸的正凸脊和向下延伸的负凸脊。
2.按权利要求1所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的向上延伸的正凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角为0～20°，所述的金刚石复合层底平面与柱形硬质合金基体轴线相垂直。
3.按权利要求2所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的向下延伸的负凸脊其脊顶两端的连线与金刚石复合层底平面的夹角为小于0°至-20°，所述的金刚石复合层底平面与柱形硬质合金基体轴线相垂直。
4.按权利要求2或3所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊为3～6条，沿周向间隔分布。
5.按权利要求2或3所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的端面边缘设置有2种或2种以上不同的倒角，以形成不同的上下起伏的边切削刃；所述的倒角坡面为斜面倒角、弯折面倒角、曲面倒角的一种或几种。
6.按权利要求2或3所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊从端面边缘向端面中心呈平直延伸状或呈拱起弧顶状或下凹弧顶状，即所述凸脊的脊顶正侧向廓线为直线或上凸弧线或下凹弧线。
7.按权利要求6所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊形状为弧面、曲面、平面或棱，即所述凸脊的正向廓线为弧线、曲线、直线或折线。
8.按权利要求2或3所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的正凸脊和负凸脊沿周向交错布设。
9.按权利要求2或3所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的凸脊两侧连接向下倾斜的斜面，所述的斜面为平面或曲面，各斜面之间通过过渡曲面相连，由此构成凹凸起伏的金刚石复合层端面。
10.按权利要求8所述的凸脊型金刚石复合片，其特征在于所述的金刚石复合层端面设置有4条凸脊，包括有向上延伸的2条正凸脊和向下延伸的2条负凸脊，所述的正凸脊和负凸脊沿周向均布并交错布设，各凸脊从端面边缘向端面中心延伸，其中2条正凸脊从边缘至中心逐渐变高，延伸至端面中心，2条负凸脊从边缘至前端逐渐变低，延伸至端面中心距离的约1/2处。
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