CN201184132Y

CN201184132Y - 一种聚晶金刚石复合片

Info

Publication number: CN201184132Y
Application number: CNU2007200822694U
Authority: CN
Inventors: 杨迎新; 伍开松; 况雨春; 李斌; 林敏�; 张彩莹; 阎静
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2017-12-04

Abstract

一种聚晶金刚石复合片，涉及钻井工具中的聚晶金刚石切削元件。本实用新型公开了一种在钻井工作中易于吃入地层的聚晶金刚石复合片，它由聚晶金刚石层1和与之相复合的基体2组成，其特点是，复合片的切削刃轮廓线6由半径为R的同心圆弧段A、B和连接A、B圆弧段的过渡段C、D构成，圆弧段B的长度小于A的长度，过渡段C、D的轮廓线为位于A、B所在圆轮廓线之内的曲线。这种复合片的切削刃轮廓线与岩石相接触的区域较窄，因而吃入地层岩石的能力高于圆形复合片，有利于提高钻头的破岩效率。本实用新型可用于PDC钻头，也适用于其它钻井用钻头或工具。

Description

一种聚晶金刚石复合片

技术领域

本实用新型涉及钻井工具技术领域的聚晶金刚石复合片。

背景技术

聚晶金刚石复合片是钻井工程中的钻井工具特别是聚晶金刚石复合片钻头(即PDC钻头)等破岩工具上使用的切削元件，简称为复合片或切削齿。

聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层1与基体2(基体材料通常为硬质合金)复合而成。聚晶金刚石层极高的硬度使其具有很好的耐磨损能力。同时，由于聚晶金刚石层的硬度远高于基体材料的硬度，在复合片切削岩石的过程中，聚晶金刚石层的磨损速度低于基体的磨损速度，所以复合片具有良好的磨损自锐功能。聚晶金刚石层的外端面是复合片上最重要的切削工作表面，故称为复合片的切削工作面或切削面。复合片的切削面与切削齿侧面的交线为复合片的切削刃轮廓线(在忽略复合片切削面边缘倒角时即为金刚石层外端面的轮廓线)。

目前，PDC钻头等破岩工具上所硬用的一般均为圆形复合片5(见图2)。圆形复合片由聚晶金刚石层1和硬质合金基体2复合而成，复合片的切削刃轮廓线是圆形的，其半径为R。复合片镶焊在钻头体3上。复合片的出露高度H(图1)是重要的钻头结构参数。出露高度H是复合片的切削刃轮廓线超出钻头体冠部表面4的高度尺寸。对圆形复合片而言，直径大的复合片可比直径小的复合片具有更大的出露高度(如图2所示，H₁＞H₂)。

复合片的切削刃轮廓形状与其吃入地层的难易程度密切相关。通常情况下，切削刃轮廓线与岩石相接触的区域越窄，复合片吃入地层就越容易。所以，对于圆形复合片而言，直径小的复合片比直径大的复合片更易于吃入地层。

在实际的钻头设计中，常常希望复合片既易于吃入地层，又能具有较大的出刃高度。然而，这两个目标对复合片直径的要求是相互矛盾的。前者要求减小复合片的直径，而后者要求增加复合片的直径。显然，对于具有圆形切削刃的复合片而言，要解决这个矛盾十分困难。

本实用新型提出一种聚晶金刚石复合片，新复合片吃入地层岩石的能力高于相同尺寸的圆形复合片，有利于提高钻头的破岩效率。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种聚晶金刚石复合片，以增强复合片吃入地层的能力，进而提高PDC钻头或需要以复合片为耐磨切削元件的其它钻井用钻头及工具的破岩效率。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，尽量减小复合片切削刃轮廓线与岩石相接触的区域，使复合片易于吃入地层，具体方案如下：

一种聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层1和基体2，其特征在于：复合片的切削刃轮廓线6由半径为R的同心圆弧段A、B和连接A、B圆弧段的过渡段C、D组成，圆弧段B的长度小于A的长度，过渡段C、D的轮廓线为位于A、B所在圆轮廓线之内的曲线。

本实用新型的优点如下：

一、新型复合片与岩石相接触的切削刃区域较窄，能够在井底岩石上形成比圆形复合片更高的接触应力，所以，新型复合片吃入地层岩石的能力明显高于圆形复合片，有利于提高钻头的破岩效率。

二、在保持复合片与岩石之间的高接触应力的同时，新的复合片可以具备比较大的出露高度，既有利于改善复合片的清洗条件，又有利于提高钻头的钻进效率和工作寿命。

三、新型复合片的切削刃与岩石相接触部分的几何形状选择余地大。通过调整或选择切削刃形状，在钻头设计时可以更方便地根据地层的岩石性质合理地控制复合片吃入地层的难易性。

附图说明

图1为钻头上的聚晶金刚石复合片切削岩石工作状态示意图。

图2为附着常规圆形聚晶金刚石复合片的钻头的刀翼布齿结构示意图。

图3为常规圆形聚晶金刚石复合片的示意图。

图4为新型聚晶金刚石复合片的示意图。

图5为附着新型聚晶金刚石复合片的钻头的刀翼布齿结构示意图(钻头的心部切削齿采用新型复合片7，其它切削齿采用圆形复合片)。

图6至图47为新型聚晶金刚石复合片切削刃轮廓线示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。

一种聚晶金刚石复合片，它与圆形复合片一样包括聚晶金刚石层1和基体2，所不同的是：圆形复合片的切削刃轮廓线6是单一曲率的圆，而本实用新型提出的复合片的切削刃轮廓线6为包含在一个圆形区域之内的非圆曲线，且切削刃轮廓线上有二个或二个以上的部位与此圆形区域的轮廓线相重合(如图4中的A、B部位)，所重合之部位可为圆弧，也可为点，但至少有一段为圆弧，其余部位(如图4中的C、D部位)则可以是其它曲线或直线。因为这种复合片与岩石相接触的切削刃区域较窄，能够在井底岩石上形成比圆形复合片更高的接触应力，所以，新的复合片吃入地层岩石的能力明显高于圆形复合片，有利于提高钻头的破岩效率。

图6、图7是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线上有二段同心圆弧，二圆弧的同侧端点各通过一段圆弧或椭圆弧相连接。

图8是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线上有二段同心圆弧，二圆弧的同侧端点各通过一段直线相连接。

图9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线上有二段同心圆弧，二圆弧的同侧端点各通过二段或二段以上彼此相连的直线、圆弧或椭圆弧相连接。

图25是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线为由二条曲线构成的闭合曲线，其一为一段圆弧，其二为由二段直线构成的复合曲线，两直线段的交点在圆弧所在圆上，且整条切削刃轮廓线为非对称曲线。

图26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线为由二条曲线构成的闭合曲线，其一为一段圆弧，其二为由二段或二段以上的直线、圆弧或椭圆弧等构成的复合曲线，该复合曲线除与圆弧相接的端点之外，有一点在圆弧所在圆上。

图45、46、47是新型聚晶金刚石复合片的一种，复合片的切削刃轮廓线为由二条曲线构成的闭合曲线，其一为一段圆弧，其二为由包含二个或二个以上的由直线、圆弧、椭圆弧等曲线构成的锯齿状凸起的复合曲线，该复合曲线除与圆弧相接的端点之外，至少有一点在圆弧所在圆上。

以上列举的各种复合片，其共同特点是：

1.复合片的切削刃轮廓线包含在一个圆形区域之内，且切削刃轮廓线上有二个或二个以上的部位或区段与此圆形区域的轮廓线相重合。所以，复合片的直径是决定其最大可磨损长度以及可占据最大布齿空间的重要结构参数。

2.复合片的切削刃轮廓线与此圆形区域的轮廓线相重合之部位至少包含一段圆弧。这段圆弧是附着区圆弧，一般涵盖的圆周角范围较宽，由此生成的复合片的侧面可成为复合片与钻头体之间的镶焊联接面(附着面)。

3.在复合片的切削刃上与附着区圆弧相对的部位，形成了一个或若干个相对狭窄的切削工作区域，该区域的切削刃与岩石相接触时，无论是接触区域的刃宽还是金刚石切削工作面的接触面积，都可明显小于与复合片同直径的圆形复合片在同等切削条件下的数值。所以当压入载荷(钻压)相同时，新型复合片可以达到的吃入岩石的深度大于同直径的圆形复合片。

基于局部强度和局部耐磨性的考虑，在上述的各种新型聚晶金刚石复合片中，复合片切削刃轮廓线上的不同曲线(包括直线)段之间的交点，除了相切点以外，均可以用圆角或倒角过渡。采用圆角或倒角过渡后的切削刃轮廓线应视为与原轮廓线具有相同的结构特征。

图5为以这些新型复合片作为切削破岩元件的PDC钻头的刀翼布齿结构图，图中采用了新型复合片与圆形复合片的组合布齿结构设计，其中钻头的心部切削齿采用了新型复合片7，而心部以外的其它切削齿则采用了常规的圆形复合片。这种基于新型复合片技术的钻头切削结构设计，可以达到更高的破岩效率。

新型复合片不仅可用于PDC钻头，也适用于需要以聚晶金刚石复合片为耐磨切削元件的其它钻井用钻头或工具。

Claims

1、一种聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层(1)和与之相复合的基体(2)，其特征在于：复合片切削刃轮廓线(6)由半径为R的同心圆弧段A、B和连接A、B圆弧段的过渡段C、D组成，圆弧段B的长度小于A的长度，过渡段C、D的轮廓线为位于A、B所在圆轮廓线之内的曲线。