CN202493221U

CN202493221U - 一种聚晶金刚石复合片钻头

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Publication number: CN202493221U
Application number: CN2012201123908U
Authority: CN
Inventors: 王建奎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-23

Abstract

本实用新型提供了一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头体和设置在钻头体刀翼上的若干个聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合片构成钻头的切削齿，所述聚晶金刚石复合片包括基体和聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的端面对应钻头体刀翼的外周面设置、切削齿的切削面为聚晶金刚石层的侧面。彻底改变现有石油钻井PDC钻头切削齿挤压地层的破岩机理为剪切地层的破岩机理，可大幅提高PDC钻头的钻井速度和大幅延长石油钻井PDC钻头的使用寿命，同时提高PDC钻头抗砾石地层和抗塑性地层的能力，提高PDC钻头适应各种地层岩性的能力。

Description

一种聚晶金刚石复合片钻头

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井领域，具体是石油天然气钻井行业内使用的一种聚晶金刚石复合片钻头。

背景技术

由于世界能源日趋紧张，石油天然气钻井活动不断增加，所以对石油天然气钻井钻头的需求量也越来越大。石油天然气钻井聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头）由于钻井速度高和使用寿命长，因此得到了极其广泛的应用。PDC钻头核心部件是聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC复合片2），PDC复合片2作为PDC钻头的破岩切削元件其抗研磨性能和抗冲击性能直接影响PDC钻头实际钻井的综合性能。

如图1～图2所示，为现有PDC钻头用PDC复合片2的切削原理模型示意图。定义PDC复合片的切削面4为沿着PDC复合片2的位移方向和地层3接触的平面或曲面，标记CEN为PDC钻头中心线，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向，标记PR为坐标系YZ平面内的井底形状曲线，标记PN为PDC复合片2的切削后角定位面，标记V为PDC复合片的切削面4和PR井底形状曲线交点的切削方向，标记TR为单个PDC复合片2在一定的切入深度条件下切削地层3后的切削轨迹。当对钻头施加一定的向下（即Z轴方向）钻压时，钻头体将向下钻压传递给PDC复合片2，使PDC复合片2切入地层3。同时钻头的旋转运动驱动PDC复合片2产生位移运动，从而实现PDC复合片2切削地层3的目的。多个相同作用的PDC复合片2被布置在PDC钻头的不同刀翼1和不同位置上，形成所有PDC复合片2的切削轨迹TR覆盖整个井底截面形状，从而实现PDC钻头钻进地层3的目的。

如图3所示，为图1中PN平面剖视图，是现有PDC钻头用PDC复合片2的几何结构及挤压地层3的破岩机理示意图，标记V为切削齿的位移运动方向。现有石油钻井PDC钻头用PDC复合片2由硬质合金基体和聚晶金刚石复合相互组成一体，整个PDC复合片2为圆柱形结构，并且聚晶金刚石端部平面作为PDC复合片的切削面4。当PDC复合片2切入地层3沿着V方向切削地层3时，PDC复合片2的聚晶金刚石端部平面对地层3产生挤压作用，使PDC复合片2下部的地层3受多向压应力作用，当地层3受到的压应力超过地层3的抗压强度时地层3被压碎裂，这就是现有石油钻井PDC钻头用PDC复合片2破岩机理。由于是挤压破岩机理，不可避免的存在诸多问题。

1. 因为地层3岩性的抗压强度比抗剪切强度高很多，因此挤压破岩的破岩效率低，影响PDC钻头的机械钻速。

2. PDC复合片2的位移运动推动碎裂的岩石被挤压出地层3时，岩石和PDC复合片2的聚晶金刚石端部平面发生强烈的摩擦产生巨大的热量使PDC复合片2聚晶金刚石的温度大幅增加，导致PDC复合片2的抗研磨能力大幅降低，降低PDC钻头的使用寿命。

3. 由于PDC复合片2和地层3接触3的切削面4为聚晶金刚石平面，当钻遇砾石地层3时PDC复合片2聚晶金刚石平面和地层3砾石发生激烈正碰撞，导致聚晶金刚石崩损或脱落，使PDC复合片2失去破岩能力，最终导致PDC钻头失效。这也是PDC钻头钻遇砾石地层3时被迫起钻，换用牙轮钻头钻穿砾石地层3再下PDC钻头实施下部无砾石地层3钻进的主要原因。

4. 当地层3的岩性具有一定的塑性时，PDC复合片2下部的地层3无法被压碎只能被压缩，导致PDC钻头不适应塑性地层3不能实现正常钻进。

5. 上述第3条和第4条导致现有PDC钻头适应地层3岩性能力差，PDC钻头设计制造厂家被迫不断设计制造新型号PDC钻头来适应未钻遇地层3的岩性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种切削效率高的聚晶金刚石复合片钻头。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头体和设置在钻头体刀翼上的若干个聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合片构成钻头的切削齿，所述聚晶金刚石复合片包括基体和聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的端面对应钻头体刀翼的外周面设置、切削齿的切削面为聚晶金刚石层的侧面。

所述刀翼的刃口处设置有用于安装聚晶金刚石复合片的凹槽，基体的端面和侧面对应该凹槽安装。

所述基体为圆柱体，聚晶金刚石层为锥度圆台体，两者的中心线重合，聚晶金刚石层的小端与基体端面重合连接，聚晶金刚石层的侧面为锥面。

所述切削齿的切削后角小于或等于聚晶金刚石层锥度的1/2。

所述切削齿的切削后角为5至45度。

所述聚晶金刚石层的锥度为10至90度。

所述硬质合金基体圆柱形结构的直径为8至30毫米。

所述聚晶金刚石层的大端直径为8至30毫米。

本实用新型所产生的有益效果是：

本实用新型的聚晶金刚石复合片钻头，彻底改变了现有PDC切削齿聚晶金刚石平面挤压地层的破岩机理。应用本实用新型锥形切削齿于PDC钻头上，当PDC锥形切削齿切入地层沿着V方向切削地层时，PDC锥形切削齿的聚晶金刚石锥形面对地层产生剪切作用，使PDC锥形切削齿下部的地层主要受剪切应力作用，当地层受到的剪切应力超过地层的抗剪切强度时地层被剥落分离，从而实现PDC锥形切削齿剪切破岩机理。由于是剪切破岩机理，相比挤压破岩机理具有很大的优势。

1. 因为地层的抗剪切强度比地层的抗压强度低很多，因此剪切破岩的破岩效率高，大幅提高PDC钻头的机械钻速。

2. PDC锥形切削齿的位移运动起到剥落分离地层岩石的作用，岩石和PDC锥形切削齿的聚晶金刚石锥形面产生的摩擦热量不会使PDC锥形切削齿聚晶金刚石的温度大幅增加，因此PDC锥形切削齿的抗研磨能力大幅提高，大幅延长PDC钻头的使用寿命。

3. 由于PDC锥形切削齿和地层接触的切削面为锥形面而非平面，当钻遇砾石地层时大大减少切削齿聚晶金刚石切削面和砾石的正碰撞几率，减少聚晶金刚石的崩损或脱落，大幅提高切削齿的抗冲击能力，提高PDC钻头抗砾石地层的能力。

4. 当地层的岩性具有一定的塑性时，PDC锥形切削齿下部的塑性地层受剪切，PDC钻头仍然能实现正常钻进，提高PDC钻头抗塑性地层的能力。

5. 上述第3条和第4条改善了现有PDC钻头适应地层岩性能力差的不足，大幅提高PDC钻头适应地层岩性的能力。

本实用新型改善了PDC钻头的破岩效率，大幅提高PDC钻头的钻井速度。基于剪切地层的破岩机理，能够大大降低本实用新型切削齿切削面和地层的摩擦发热，提高切削齿的抗研磨能力，大幅延长PDC钻头的使用寿命，同时极大改善现有PDC钻头适应地层岩性能力差的不足，提高PDC钻头抗砾石地层和抗塑性地层的能力，提高PDC钻头适应各种地层岩性的能力。本实用新型PDC锥形切削齿的制造完全不改变现有PDC切削齿的原材料、加工工艺和制造设备，并且不改变现有PDC切削齿技术标准和检验规范，即不需要任何创造性劳动就能实施，可以广泛应用在石油及天然气、地质和煤炭钻井工程行业内，易于大规模使用和推广。

附图说明

图1为现有PDC切削齿的切削原理模型示意图；

图2为图1的X向视图；

图3为图1中PN平面剖视图；

图4为本实用新型PDC切削齿的切削原理模型示意图；

图5为图4的X向视图；

图6为图4中PN平面剖视图；

图7为本实用新型PDC锥形切削齿的结构示意图；

图8为本实用新型PDC钻头的一种具体实施方式的结构示意图。

图中标号表示：1-刀翼，2-现有PDC复合片，3-地层，4-切削面，5-本实用新型聚晶金刚石复合片，6-钻头体，10-基体，11-聚晶金刚石层。

a-聚晶金刚石层的锥形角度，b-PDC锥形切削齿的切削后角，d-硬质合金基体的直径，D-聚晶金刚石层的大端直径。

CEN为PDC钻头中心线，以GEN上PDC钻头钻进方向为Z轴建立坐标系，则： PR为坐标系YZ平面内的井底形状曲线，PN为PDC切削齿的切削后角定位面，V为PDC切削齿切削面和PR井底形状曲线交点的切削方向，TR为PDC切削齿切削面的切削轨迹（在给定的PDC切削齿切入地层深度条件下）。

具体实施方式

如图4～图8所示，本实用新型是一种聚晶金刚石复合片钻头，本实用新型的钻头体6沿轴向具有若干个刀翼1，刀翼1采用螺旋型线设计或直沟槽设计、在钻头体6外周面上等分或不等分布置。钻头体刀翼1上设置有若干个聚晶金刚石复合片5、构成钻头的切削齿，该聚晶金刚石复合片5包括基体10和聚晶金刚石层11。基体10一般多为硬质合金基体10，聚晶金刚石层11是由金刚石微粉和粘结剂在高温高压条件下聚合而成的复合晶体材料，具有高硬度、高耐磨性和相对高的热导率等优点。刀翼1的刃口处设置有用于安装聚晶金刚石复合片5的凹槽，基体10的端面和侧面对应该凹槽安装；聚晶金刚石层11的端面对应刀翼1的外周面设置、聚晶金刚石复合片5（切削齿）的切削面4为聚晶金刚石层11的侧面。

这里对聚晶金刚石复合片5不做限定，因为聚晶金刚石复合片5可以为各种形状，其横截面可以是圆形、椭圆、多边形等等。效果最佳的是横截面形状为圆形的聚晶金刚石复合片5，为达到更好的切削效果，将聚晶金刚石复合片5（切削齿）的切削面4设计为锥面，使其磨损后，还能具有至少两个刃部。具体如下：

标记CEN为PDC钻头中心线，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向，标记PR为坐标系YZ平面内的井底形状曲线，标记PN为PDC锥形切削齿的切削后角b定位面，标记V为PDC锥形切削齿切削面4和PR井底形状曲线PR交点的切削方向，标记TR为PDC锥形切削齿切削面4的切削轨迹（在给定的PDC锥形切削齿切入地层3深度条件下）。标记a为锥形聚晶金刚石层11结构的锥形角度，标记d为圆柱形硬质合金基体10的直径，标记D为锥形聚晶金刚石结构的大端直径。

聚晶金刚石复合片5锥形切削齿（以下简称PDC锥形切削齿）由硬质合金基体10和聚晶金刚石层11相互复合组成一体：硬质合金基体10的主体结构为圆柱形，直径d为8至30毫米；聚晶金刚石层11的主体结构为锥度圆台形，其侧面为锥面：锥形小端直径等于硬质合金基体10直径d，锥形大端直径D为8至30毫米，锥度角a为10至90度。硬质合金基体10和聚晶金刚石层11的中心线CEN重合，聚晶金刚石层11的锥形小端与硬质合金基体10端面重合结合成为一个整体，PDC锥形切削齿应用于石油钻井PDC钻头上，聚晶金刚石层11的侧面——锥形面，作为PDC钻头切削齿剪切地层3的切削面4。

当对钻头施加一定的向下（即Z轴方向）钻压时，钻头体6将向下钻压传递给PDC锥形切削齿（聚晶金刚石复合片5），使PDC切削齿（聚晶金刚石复合片5）切入地层3。同时钻头的旋转运动驱动PDC锥形切削齿（聚晶金刚石复合片5）产生位移运动，从而实现PDC锥形切削齿（聚晶金刚石复合片5）切削地层3的目的。多个相同作用的PDC锥形切削齿（聚晶金刚石复合片5）被布置在PDC钻头的不同刀翼1和不同位置上，形成所有PDC锥形切削齿（聚晶金刚石复合片5）的切削轨迹TR覆盖整个井底截面形状，从而实现PDC钻头钻进地层3的目的。

本实用新型PDC锥形切削齿应用于PDC钻头上，只要PDC锥形切削齿的切削后角b满足以下条件：b＜a/2，即可实现PDC锥形切削齿锥形切削面4剪切地层3的破岩机理。因此，聚晶金刚石层11的锥度选择为10至90度，则切削齿的切削后角b为5至45度。为保持PDC锥形切削齿锥形切削面4有效的剪切破岩效果，足够的切削前角是必要的，推荐切削前角为10至15度，因此PDC锥形切削齿的聚晶金刚石层11的锥形角度a最佳为40至70度。在实际应用中，推荐PDC锥形切削齿的切削后角b为10至20度。当然以上的数据一定要根据地层3岩性的变化进行适当的调整，才能达到最佳的剪切破岩效果。

PDC锥形切削齿的硬质合金圆柱体镶嵌在钻头体6的设计安装孔中，再通过银钎料与钻头体6钎接来实现PDC锥形切削齿固定在PDC钻头上。该钎接技术为成熟技术，不需要任何创造性劳动就能实施。

图8为本实用新型PDC锥形切削齿应用于PDC钻头的钻头设计数学模型。钻头设计直径为6英寸，保径长度为2英寸，5个切削刀翼1。其中，本实用新型PDC锥形切削齿锥形聚晶金刚石层11的大端直径D为15.88毫米，锥形聚晶金刚石的锥形角度a为50度，PDC锥形切削齿切削后角b为15度。

Claims

1. 一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头体和设置在钻头体刀翼上的若干个聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合片构成钻头的切削齿，所述聚晶金刚石复合片包括基体和聚晶金刚石层，其特征在于：所述聚晶金刚石层的端面对应钻头体刀翼的外周面设置、切削齿的切削面为聚晶金刚石层的侧面。

2.根据权利要求1中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述刀翼的刃口处设置有用于安装聚晶金刚石复合片的凹槽，基体的端面和侧面对应该凹槽安装。

3.根据权利要求1中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述基体为圆柱体，聚晶金刚石层为锥度圆台体，两者的中心线重合，聚晶金刚石层的小端与基体端面重合连接，聚晶金刚石层的侧面为锥面。

4.根据权利要求1或3中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述切削齿的切削后角小于或等于聚晶金刚石层锥度的1/2。

5.根据权利要求4中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述切削齿的切削后角为5至45度。

6.根据权利要求4中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述聚晶金刚石层的锥度为10至90度。

7.根据权利要求3中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述硬质合金基体圆柱形结构的直径为8至30毫米。

8.根据权利要求3中所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述聚晶金刚石层的大端直径为8至30毫米。