CN203383738U - 一种聚晶金刚石复合片切削齿 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种聚晶金刚石复合片切削齿，包括聚晶金刚石层和基体，两者通过相对设置的接合面连接、复合而成，聚晶金刚石层的外端面作为切削齿的切削面，所述聚晶金刚石层外端面的尺寸略小于基体接合面的尺寸。本实用新型在最终磨削加工时，只需对基体的外表面进行磨削加工，不破坏聚晶金刚石层在高温高压下合成的外表面；节省了大量的磨削加工时间和大量的磨削加工磨料，降低了生产成本，提高了生产效率；保留聚晶金刚石层外表面金刚石颗粒7之间的D-D键连接，保障金刚石颗粒7的完整度，提高了聚晶金刚石层外表面的强度和耐磨性；本实用新型应用于石油天然气PDC钻头上，提高了PDC钻头的耐磨性和抗冲击能力，延长使用寿命，提高钻井效率。

Description

一种聚晶金刚石复合片切削齿

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井工具领域，进一步涉及在石油天然气钻井作业中、广泛使用的聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头），具体是一种PDC钻头上作为钻头切削单元的聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC切削齿）。 

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，即PDC切削齿。PDC切削齿作为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切削齿的切削原理模型示意图。定义PDC切削齿的切削面为沿着PDC切削齿的位移方向和地层接触的平面或曲面，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切削齿的切削后角定位面，标记V为PDC切削齿切削面和PR井底形状曲线交点的切削方向，标记TR为单个PDC切削齿在一定的切入深度条件下切削地层后的切削轨迹。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切削齿，使PDC切削齿切入地层。同时钻头的旋转运动驱动PDC切削齿产生位移运动，从而实现PDC切削齿切削地层的目的。多个相同作用的PDC切削齿被布置在PDC钻头的不同刀翼和不同位置上，形成所有PDC切削齿的切削轨迹覆盖整个井底截面形状TR，从而实现PDC钻头钻进地层的目的。 

如图3所示，为图1中PN平面剖视图，是现有PDC钻头用PDC切削齿的几何结构及挤压地层的破岩机理示意图，标记1为PDC钻头的钻头体，标记2为现有PDC钻头用PDC切削齿的几何结构形状，标记3为地层，标记4为PDC切削齿的切削面，标记V为切削齿的位移运动方向。现有石油天然气钻井PDC钻头用PDC切削齿由硬质合金基体和聚晶金刚石复合相互组成一体， 整个PDC切削齿为圆柱形结构，并且聚晶金刚石端部平面作为PDC切削齿的切削面。当PDC切削齿切入地层沿着V方向切削地层时，PDC切削齿的聚晶金刚石端部平面对地层产生挤压作用，使PDC切削齿下部的地层受多向压应力作用，当地层受到的压应力超过地层的抗压强度时地层被压碎裂，这就是现有石油天然气钻井PDC钻头用PDC切削齿破岩机理。 

如图4所示，为现有PDC切削齿的结构示意图。标记5为硬质合金基体，标记6为聚晶金刚石层。PDC切削齿是金刚石微粉和已成型的硬质合金基体在高温高压下合成的复合体，通常加压到5～6GPa和升温超过1300°C时，原始的金刚石晶粒的边界已经消失，所有的金刚石晶粒基本连成一体，形成以D-D键结合的多晶体，如图5所示。由于PDC切削齿内的金刚石颗粒7是本体相连，并且排列没有方向，因此PDC切削齿的耐磨性接近单晶金刚石，但其抗冲击性却大大超出。PDC切削齿内的粘接金属钴源于硬质合金基体，并促使与基体紧密相连，从而提高了PDC切削齿的韧性。基于以上特性，因此PDC切削齿最适合作为PDC钻头的切削单元，被广泛应用于石油天然气PDC钻头。现有PDC切削齿有如下的结构和性能特征： 

① PDC切削齿是硬质合金基体和聚晶金刚石的复合体。

② PDC切削齿整体为一圆柱体，具有同一外径D，两端面垂直于圆柱体中心线。 

③ 硬质合金基体是PDC切削齿与PDC钻头连接的载体，被钎焊在PDC钻头的钻头体上。（聚晶金刚石和钎焊钎接料没有亲和力，无法实现和钻头体的直接钎接） 

④ 聚晶金刚石层端面作为切削面直接与地层接触，起破碎和切削地层岩石的作用，如图4所示。

⑤ 聚晶金刚石层端面与外圆的结合棱边有45°倒角C2，主要是提高聚晶金刚石棱边的抗冲击能力，如图3～图4所示。 

⑥ 硬质合金基体端面与外圆的结合棱边有45°倒角C1，主要是保证硬质合金基体端面和外圆能和钻头体焊接孔有效接触，提高PDC切削齿与钻头体的钎焊可靠性，如图3～图4所示。 

金刚石微粉和已成型的硬质合金基体经过高温高压合成后，制成PDC切削齿产品坯料，还需要加工成如图4所示规整的形状。较为典型的主要加工内容为： 

① 磨整体外圆D；

② 磨金刚石层端面；

③ 磨硬质合金基体端面；

④ 磨倒角C1；

⑤ 磨倒角C2；

⑥ 抛光。

以上加工内容主要为磨削加工，存在诸如下述问题。 

① 由于金刚石层具有极高的耐磨性，因此磨削加工极其耗费时间和磨料。随着PDC切削齿的制造技术不断提高，其耐磨性不断提高，因此其磨削加工成本也不断增加。有时，一颗PDC切削齿的磨削加工要耗时一天甚至更长。保守估计，一颗国产PDC切削齿的磨削加工成本接近其总加工成本的10～20%，而一颗进口PDC切削齿的磨削加工成本接近其总加工成本的20～30%甚至更高。 

② 根据上述PDC切削齿的结构和性能特征第③条，磨削硬质合金基体外圆、端面和倒角是必须的（钎焊要求）。但磨削金刚石的外圆、端面和倒角则不是必须的，其目的让PDC切削齿产品有耐看的外观。 

③ 如图5～图6所示，金刚石合成表面是非常坚固和耐磨的表面，因为金刚石颗粒7之间在合成之后形成了极其坚固的D-D键连接。但是，在磨削加工金刚石合成表面后，会破坏PDC切削齿表面金刚石颗粒7之间起连接作用的D-D键，降低金刚石表面的强度和耐磨性。并且，将完整的金刚石颗粒7破坏，留下部分金刚石残渣，即使留下大部分金刚石，其被磨削后的磨削表面已经形成表面微缺陷B，进一步降低金刚石表面的强度和耐磨性。 

在对PDC切削齿进行磨削加工时会产生大量的热量，因为PDC切削齿内的粘接金属钴的热膨胀系数比金刚石的的热膨胀系数大，钴受热膨胀后、推动挤压周围的金刚石颗粒7，使得金刚石颗粒7之间的D-D键破坏，降低金刚石表面的强度和耐磨性。 

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种应用于石油天然气钻井PDC钻头上的PDC切削齿，具有极其高的耐磨性和抗冲击性、可以极大提高PDC钻头的使用寿命。 

本实用新型所采用的技术方案是： 

一种聚晶金刚石复合片切削齿，包括聚晶金刚石层和基体，两者通过相对设置的接合面连接、复合而成，聚晶金刚石层的外端面作为切削齿的切削面，所述聚晶金刚石层外端面的尺寸略小于基体接合面的尺寸。

所述聚晶金刚石层和基体呈圆柱状、两者的中心线重合设置，聚晶金刚石层的外径小于基体的外径。 

所述基体接合面的外缘处设置有倒角或倒圆。 

所述聚晶金刚石层呈圆锥台状、基体呈圆柱状，两者的中心线重合设置，聚晶金刚石层的大端为接合面、其外径等于基体的外径，聚晶金刚石层的小端为外端面、其外径小于基体的外径。 

所述聚晶金刚石层外端面的外缘处设置有倒角或倒圆。 

本实用新型所产生的有益效果是： 

① 本发明只需最终磨削加工硬质合金基体的外表面（比较好磨削加工），无需磨削加工聚晶金刚石层在高温高压下合成后的外表面（比较难磨削加工），节省了大量的磨削加工时间和大量的磨削加工磨料，降低了生产成本，保守估计可降低生产成本约10～30%，并且进一步提高了生产效率。

② 本发明保留了聚晶金刚石层在高温高压下合成后的外表面，即保留了所述外表面金刚石之间的D-D键连接，并且保留了所述外表面完整的金刚石颗粒7，大大提高了聚晶金刚石层外表面的强度和耐磨性，如图11所示。 

③ 本发明应用于PDC钻头上，大大提高PDC钻头的耐磨性和抗冲击能力，大大延长PDC钻头的使用寿命，进一步提高PDC钻头的钻井效率。 

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的PN平面剖视图；

图4为现有PDC切削齿的结构示意图；

图5为现有PDC切削齿磨削加工前、聚晶金刚石层的微观结构示意图；

图6为现有PDC切削齿磨削加工后、聚晶金刚石层的微观结构示意图；

图7为本发明PDC切削齿第一种实施方式的切削原理示意图；

图8为本发明PDC切削齿第一种实施方式的结构示意图；

图9为本发明PDC切削齿第二种实施方式的切削原理示意图；

图10为本发明PDC切削齿第二种实施方式的结构示意图；

图11为本发明PDC切削齿聚晶金刚石层的微观结构示意图。

图中标号表示：CEN为PDC钻头中心线，以CEN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）。 

1-钻头体，2-切削齿，3-地层，4-切削面，5-基体，6-聚晶金刚石层，7-金刚石颗粒7。 

D-PDC切削齿基体外径，H-PDC切削齿总高度，h-聚晶金刚石层高度，C1-基体倒角，C2-聚晶金刚石层倒角，d-聚晶金刚石层外径，R-聚晶金刚石层倒圆半径，A-聚晶金刚石层圆锥体半锥角度，f-金刚石合成表面，f’-磨削后金刚石表面，B-磨削表面微缺陷，f1-金刚石端面，f2-金刚石倒角面，f3-金刚石圆柱面。 

具体实施方式

如图7～11所示，本实用新型是一种聚晶金刚石复合片切削齿2，包括聚晶金刚石层6和基体5，两者通过相对设置的接合面连接、复合而成。复合而成的PDC切削齿2通过基体5镶嵌在钻头体1的设计安装孔中，再通过银钎料与钻头体1钎焊来实现PDC切削齿2的固定连接。只需保证本实用新型PDC切削齿2的基体5外径D和PDC切削齿2的总高度H这两项参数与现有PDC切削齿2的相应尺寸一致，即可安全有效地实现本实用新型聚晶金刚石复合片切削齿2和PDC钻头体1的连接，并且不用改变现有的已经成熟的PDC钻头设计模型或模具。 

聚晶金刚石层6的外端面作为切削齿2的切削面4，聚晶金刚石层6的外端面直接与地层接触，起破碎和切削地层岩石的作用。本具体实施方式中，基体5是硬质合金基体，聚晶金刚石复合片切削齿2是由金刚石微粉和已成型的硬质合金基体5在高温高压下合成的复合体。 

本实用新型的聚晶金刚石层6外端面的尺寸略小于基体5接合面的尺寸，且聚晶金刚石层6外端面的外缘处设置有倒角或倒圆。因此，后期对聚晶金刚石复合片切削齿2进行磨削加工时，不会加工到聚晶金刚石层6的外端面（切削面4）。 

实施例一 

如图7、8所示，是一种聚晶金刚石层6和基体5呈圆柱状的聚晶金刚石复合片切削齿2，聚晶金刚石层6和基体5的中心线重合设置，且聚晶金刚石层6的外径小于基体5的外径。具体的：

硬质合金基体5为圆柱体（即直圆柱、正圆柱）、其两个端面均与圆柱体中心线垂直，硬质合金基体5的外径为8至120毫米。聚晶金刚石层6也是圆柱体（即直圆柱、正圆柱）、其两个端面均与圆柱体中心线垂直，聚晶金刚石层6的外径为8至120毫米、但略小于硬质合金基体5的外径。具体的：

基体5的外径 － 聚晶金刚石层6的外径 ≥ 聚晶金刚石复合片切削齿2周面的磨削加工量。

将聚晶金刚石层6的中心线和硬质合金基体5的中心线重合设置，使得硬质合金基体5的外端面（接合面）与聚晶金刚石复合片6的内端面（接合面）连接复合。基体5接合面的外缘处设置有倒角或倒圆，具体的：硬质合金基体5接合面与其外圆的结合棱边设置有倒圆或倒角。 

基体5与聚晶金刚石复合片6通过接合面连接复合、制得聚晶金刚石复合片切削齿2后，还需对切削齿2的外圆进行磨削加工到指定尺寸，才能将复合有聚晶金刚石复合片6的基体5钎焊在PDC钻头的钻头体1上。由于聚晶金刚石复合片6的外径小于基体5的外径，对切削齿2进行磨削加工时，只磨削基体5的外圆、不磨削聚晶金刚石复合片6的外圆，即保留了聚晶金刚石层6外表面上金刚石颗粒7之间的D-D键连接，保障聚晶金刚石层6外表面上金刚石颗粒7的完整度。 

实施例二 

如图9、10所示，是一种聚晶金刚石层6呈圆锥台状、基体5呈圆柱状的聚晶金刚石复合片切削齿2，聚晶金刚石层6和基体5的中心线重合设置，且聚晶金刚石层6的大端为接合面、其外径等于基体5的外径，聚晶金刚石层6的小端为外端面、其外径小于基体5的外径。具体的：

硬质合金基体5为圆柱体（即直圆柱、正圆柱）、其两个端面均与圆柱体中心线垂直，硬质合金基体5的外径为8至120毫米。聚晶金刚石层6是圆锥台体（即圆台）、其两个端面均与圆锥台体中心线垂直。聚晶金刚石层6的大端（接合面）外径为8至120毫米、与硬质合金基体5的外径相同；聚晶金刚石层6的小端（切削面）外径比硬质合金基体5的外径略小，使得聚晶金刚石层6的半锥角在0.1°～30°之间。具体的：

基体5的外径 － 聚晶金刚石层6的小端外径 ≥ 聚晶金刚石复合片切削齿2周面的磨削加工量。

将聚晶金刚石层6的中心线和硬质合金基体5的中心线重合设置，使得硬质合金基体5的外端面（接合面）与聚晶金刚石复合片6的大端（接合面）连接复合。在制得聚晶金刚石复合片切削齿2后，还需对切削齿2的外圆进行磨削加工到指定尺寸，才能将复合有聚晶金刚石复合片6的基体5钎焊在PDC钻头的钻头体1上。由于聚晶金刚石复合片6呈圆锥台状，对切削齿2进行磨削加工时，只磨削聚晶金刚石复合片6大端的极小一部分，只需保留合理和足够的磨削加工余量即可。因此，该后期的磨削作业对聚晶金刚石复合片6的外表面上金刚石颗粒7之间的D-D键连接，基本不会有影响。 

如图11所示，本实用新型的聚晶金刚石复合片切削齿2保留了聚晶金刚石层6在高温高压下合成后的外表面，即保留了聚晶金刚石层6外表面上金刚石颗粒7之间的D-D键连接，保障聚晶金刚石层6外表面上金刚石颗粒7的完整，大大提高了聚晶金刚石层6外表面的强度和耐磨性。同时，本实用新型还节省了大量的磨削加工时间和大量的磨削加工磨料，降低了生产成本，提高了生产效率。 

Claims (5)

1.一种聚晶金刚石复合片切削齿，包括聚晶金刚石层和基体，两者通过相对设置的接合面连接、复合而成，聚晶金刚石层的外端面作为切削齿的切削面，其特征在于：所述聚晶金刚石层外端面的尺寸略小于基体接合面的尺寸。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片切削齿，其特征在于：所述聚晶金刚石层和基体呈圆柱状、两者的中心线重合设置，聚晶金刚石层的外径小于基体的外径。

3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片切削齿，其特征在于：所述基体接合面的外缘处设置有倒角或倒圆。

4.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片切削齿，其特征在于：所述聚晶金刚石层呈圆锥台状、基体呈圆柱状，两者的中心线重合设置，聚晶金刚石层的大端为接合面、其外径等于基体的外径，聚晶金刚石层的小端为外端面、其外径小于基体的外径。

5.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片切削齿，其特征在于：所述聚晶金刚石层外端面的外缘处设置有倒角或倒圆。

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