CN204476287U - 复合齿 - Google Patents

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许三平
秦雷
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Beijing Shangdelong Superhard Materials Technology Development Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种复合齿,包括齿本体和锥球形金刚石层;所述齿本体包括球状顶部、圆台部、承载过渡部、圆柱体、导向过渡部和导向体;所述导向过渡部固定于所述导向体上;所述圆柱体固定于所述导向过渡部上;所述承载过渡部固定于所述圆柱体上;所述圆台部的一端固定于所述承载过渡部上;所述球状顶部固定于所述圆台部的另一端上;所述承载过渡部与所述圆台部和所述圆柱体圆滑连接;所述锥球形金刚石层覆盖于所述球状顶部和圆台部。所述承载过渡部能过降低复合齿的内部应力,且能提高复合齿的抗弯强度;导向体能避免复合齿压入到钻头齿孔时对齿孔的损伤,从而避免复合齿从齿孔中脱落。

Description

复合齿
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种石油、天然气、矿山及地热资源钻探领域,尤其涉及一种聚晶金刚石复合片钻头上所用的复合齿。
背景技术
[0002] 在地下资源钻探工程中,最常见的钻井钻头有三牙轮钻头和聚晶金刚石复合片钻头两种。聚晶金刚石复合片钻头英文为Polycrystalline Diamond Compact bit,因此,通常将其称为PDC钻头。
[0003] 岩石的剪切强度通常远远小于其抗压强度,显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性,采用安装在钻头体上的切削齿通过犁削方式来破碎岩石,从而达到了快速钻井的目的。
[0004] 由于地下岩石的组成成分非常复杂且多变,经常含有很高比例的石英,或者非常致密,普通材料甚至硬质合金材料做成的切削元件在破碎岩石时都很容易磨损,为了提高PDC钻头切削齿的使用寿命,图1公开了聚晶金刚石-硬质合金复合片3和聚晶金刚石-硬质合金复合齿4作为PDC钻头切削齿,所述聚晶金刚石-硬质合金复合齿4由一层聚晶金刚石和硬质合金本体通过高温超高压的工艺条件下烧结而成。其利用聚晶金刚石的极高耐磨性以及硬质合金的良好韧性及可焊性。
[0005] 现有技术的聚晶金刚石复合齿的典型外观为下部为圆柱体,上部为球顶,中部为锥体(有时没有),下部为硬质合金基体。聚晶金刚石层最大外径与硬质合金的最大外径一致。人们尝试采取了不同方法来提高复合齿的性能。如申请(专利)号为201320435384.0通过改进聚晶金刚石与硬质合金接触面的结构,以提高聚晶金刚石层与硬质合金本体的结合强度,达到提高复合齿抗冲击性的目的。如申请(专利)号201120180532.X公开了在金刚石层的前端增设一个圆锥体以避免卡钻事故的复合齿结构。
[0006] PDC钻头I通常包括3-6个刀翼2和5_9水孔5。一般采用钎焊工艺在每个刀翼上焊接一些金刚石复合片3。对于抗压强度非常高的地层,有的PDC钻头上还镶嵌了金刚石复合齿4。如美国专利US2012205163公开了一种包含锥形复合齿的PDC钻头切削结构,其目的在于利用其所述的锥形复合齿的锥顶部位对地层岩石进行预破碎,以达到提高钻井速度的目的。美国专利US8851207也公开了一种刀翼上设有凿入切削元件的PDC钻头结构,也是为了达到相同的目的。
[0007] 如图2所示,现有技术的复合齿为了提高锥形复合齿4的预破碎效率,通常锥形复合齿4的锥形部分高度较高,其圆锥体与圆柱体结合部位成尖角,内部应力很大;且复合齿安装在PDC钻头体上时,圆锥体部分完全露出,当锥顶部位接触岩石、犁削岩石时,复合齿受到很大的横向力,因此存在复合齿的锥形部分与圆柱部分断裂的风险。而且,由于现有技术的锥形复合齿底面与柱面夹角成90°,在将锥形复合齿压入到PDC钻头体的齿孔时,齿孔孔壁容易损坏,因固齿力不足而导致复合齿脱落。实用新型内容
[0008] 本实用新型目的是提供一种复合齿,所述复合齿具有较高的抗弯强度,而且不易从齿孔脱落。
[0009] 本实用新型解决技术问题采用如下技术方案:一种复合齿,其包括齿本体和锥球形金刚石层;
[0010] 所述齿本体包括球状顶部、圆台部、承载过渡部、圆柱体、导向过渡部和导向体;
[0011] 所述导向体为圆台状回转体,所述导向过渡部固定于所述导向体直径较大的一端;
[0012] 所述圆柱体固定于所述导向过渡部上;所述圆柱体的回转轴线与所述导向过渡部和所述导向体的轴线重合;
[0013] 所述承载过渡部固定于所述圆柱体上;
[0014] 所述圆台部的直径较大的一端固定于所述承载过渡部上;
[0015] 所述球状顶部固定于所述圆台部的另一端上,且所述球状顶部与所述圆台部的旋转轴线重合,且母线相切;
[0016] 所述承载过渡部与所述圆台部和所述圆柱体圆滑连接;
[0017] 所述锥球形金刚石层覆盖于所述球状顶部和圆台部上。
[0018] 可选的,所述承载过渡部为回转体,所述承载过渡部的回转轴线与所述圆柱体和所述圆台部的回转轴线重合;所述承载过渡部的上表面和下表面平行,且所述承载过渡部的母线为向外凸出的弧线。
[0019] 可选的,所述承载过渡部的上表面和下表面之间具有第一夹角,所述第一夹角为小于30度的锐角。
[0020] 可选的,所述导向过渡部与所述圆柱体和所述导向体圆滑连接。
[0021] 可选的,所述圆台部的锥角为30° -150°。
[0022] 可选的,所述球状顶部的球径为2-10mm。
[0023] 可选的,所述导向体的母线与其回转轴线之间的夹角为15-45°。
[0024] 可选的,所述锥球形金刚石层的厚度为0.5_5mm。
[0025] 可选的,所述圆柱体的外表面沿所述圆柱体的高度方向设置有多个锯齿状凸起;所述锯齿状凸起沿所述圆柱体的外表面的周向均匀分布。
[0026] 可选的,所述锯齿状凸起的齿高为0.8mm,两个相邻的锯齿表面之间的夹角为
55。。
[0027] 本实用新型具有如下有益效果:本实用新型的复合齿采用了承载过渡部连接所述圆台部和圆柱体,而且所述承载过渡部与所述圆台部和圆柱体圆滑连接,避免了圆台体和圆柱体结合部位的尖角,减少了应力集中,从而使得所述复合齿具有较高的抗弯强度;而且所述复合齿采用了导向体结构,在将所述复合齿插入所述钻头齿孔时,能对所述复合齿进行导向,避免了因为所述复合齿对所述钻头齿孔孔壁的破坏,因固齿力不足而导致复合齿脱落。
附图说明
[0028] 图1为现有技术中的roc钻头的结构示意图;
[0029] 图2为现有技术中的复合齿的剖视图;
[0030] 图3为本实用新型的复合齿的结构示意图;
[0031] 图4为图3的剖视图;
[0032] 图5为本实用新型的复合齿的另一结构的结构示意图;
[0033] 图6为本实用新型的复合齿的另一结构的结构示意图;
[0034] 图7为图6的A-A剖视图;
[0035] 图中标记示意为:11_球状顶部;12-圆台部;13-承载过渡部;14_圆柱体;15_导向过渡部;16-导向体;17-锥球形金刚石层;18-锯齿状凸起。
具体实施方式
[0036] 下面结合实施例对本实用新型的技术方案作进一步阐述。
[0037] 实施例1
[0038] 本实施例提供了一种复合齿,其包括齿本体和锥球形金刚石层17。
[0039] 所述齿本体包括球状顶部11、圆台部12、承载过渡部13、圆柱体14、导向过渡部15和导向体16 ;所述导向体16为回转体,优选地,可以为圆台状;所述导向过渡部15为回转体,优选地,所述导向过渡部15的母线为向外凸出的弧线,所述导向过渡部15固定于所述导向体16上,所述导向体16与所述导向过渡部15相固定的一端的直径大于其另一端的直径,以在将所述齿本体压入钻头齿孔时,能避免对所述钻头齿孔造成损伤,从而避免复合齿从钻头齿孔中脱落,提高了聚晶金刚石复合片钻头性能;所述圆柱体14固定于所述导向过渡部15上,且所述圆柱体14的回转轴线与所述导向体16和导向过渡部15的回转轴线重入口 ο
[0040] 所述承载过渡部13固定于所述圆柱体14上;本实施例中,优选地,所述承载过渡部13与所述圆柱体14圆滑连接;所述承载过渡部13可以为回转体,此时所述承载过渡部13的上表面和下表面平行,所述承载过渡部13的母线为向外凸出的弧线;且所述承载过渡部13的回转轴线与所述圆柱体14的回转轴线重合;当所述圆台部12固定于所述承载过渡部13上时;所述圆台部12的回转轴线与所述承载过渡部13的回转轴线重合;当然所述承载过渡部13也可以为下述形状,此时所述承载过渡部13的上表面与下表面之间具有第一夹角,所述第一夹角可以为小于30°的锐角,此时,所述圆台部12固定于所述承载过渡部13的上端;所述圆台部12的回转轴线与所述圆柱体14的回转轴线之间形成第二夹角,所述第二夹角与所述第一夹角的角度相同。
[0041] 当所述球状顶部11固定于所述圆台部12时,其固定于所述圆台部12直径较小的一端,所述圆台部12的直径较大的一端固定于所述承载过渡部13,而且所述球状顶部11的母线与所述圆台部12的母线相切,所述圆台部12与所述承载过渡部13圆滑连接。
[0042] 所述锥球形金刚石层17为聚晶金刚石层,所述锥球形金刚石层17覆盖所述球状顶部11和圆台部12上;所述锥球形金刚石层17通过高温、超高压工艺复合于所述球状顶部11和所述圆台部12上;更优选地,为提高所述锥球形金刚石层17与所述齿本体的复合强度,所述圆台部12上开设有槽,所述槽从所述圆台部12与所述承载过渡部13的连接处起,终止于所述球形顶部11的顶端;当所述锥球形金刚石层17成型于所述齿本体时,所述锥球形金刚石层17位于所述槽内,而且所述锥球形金刚石层17与所述承载过渡部13圆滑连接;而且所述锥球形金刚石层17的厚度为0.5-5_,优选的,所述锥球形金刚石层17的厚度为2mm或者3mm。
[0043] 本实施例中,为提高所述齿本体的强度,所述齿本体采用硬质合金材质制备;优选地,所述球状顶部11、圆台部12、承载过渡部13、圆柱体14、导向过渡部15和导向体16 —体成型。
[0044] 本实施例中,为使得所述齿本体插入钻头齿孔时,所述导向体16具有更好地导向效果,所述导向过渡部15的两端分别于所述导向体16和圆柱体14圆滑连接。
[0045] 本实施例中,所述复合齿的总高度为10_30mm,优选地,所述复合齿的总高度为25mm ;所述圆柱体14的直径为12_25mm,优选地,所述圆柱体14的直径为19mm ;所述圆柱体14的高度为3-12mm,优选地,所述圆柱体14的高度为1mm ;所述圆台部12的锥角为30-120°,优选地,所述圆台部12的锥角为90°,所述球状顶部的球径为2-10mm,优选地,所述球状顶部的球径为6mm ;所述导向体16的母线与其中心线的夹角为15-45°,优选地,所述导向体16的母线与其中心线的夹角为25°。
[0046] 本实施例中,为防止复合齿在钻头齿孔内因受外力而旋转,所述圆柱体14的外表面沿所述圆柱体14的高度方向设置有多个锯齿状凸起18 ;所述锯齿状凸起18沿所述圆柱体14的外表面的周向均匀分布;更优选地,所述锯齿状凸起18的齿高为0.8_,两个相邻的锯齿表面之间的夹角为55°。
[0047] 以上实施例的先后顺序仅为便于描述,不代表实施例的优劣。
[0048] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种复合齿,其特征在于,包括齿本体和锥球形金刚石层(17); 所述齿本体包括球状顶部(11)、圆台部(12)、承载过渡部(13)、圆柱体(14)、导向过渡部(15)和导向体(16); 所述导向体(16)为圆台状回转体,所述导向过渡部(15)固定于所述导向体(16)直径较大的一端; 所述圆柱体(14)固定于所述导向过渡部(15)上;所述圆柱体(14)的回转轴线与所述导向过渡部(15)和所述导向体(16)的轴线重合; 所述承载过渡部(13)固定于所述圆柱体(14)上; 所述圆台部(12)的直径较大的一端固定于所述承载过渡部(13)上; 所述球状顶部(11)固定于所述圆台部(12)的另一端上,且所述球状顶部(11)与所述圆台部(12)的旋转轴线重合,且母线相切; 所述承载过渡部(13)与所述圆台部(12)和所述圆柱体(14)圆滑连接; 所述锥球形金刚石层(17)覆盖于所述球状顶部(11)和圆台部(12)上。
2.根据权利要求1所述的复合齿,其特征在于,所述承载过渡部(13)为回转体,所述承载过渡部(13)的回转轴线与所述圆柱体(14)和所述圆台部(12)的回转轴线重合;所述承载过渡部(13)的上表面和下表面平行,且所述承载过渡部(13)的母线为向外凸出的弧线。
3.根据权利要求1所述的复合齿,其特征在于,所述承载过渡部(13)的上表面和下表面之间具有第一夹角,所述第一夹角为小于30度的锐角。
4.根据权利要求2或3所述的复合齿,其特征在于,所述导向过渡部(15)与所述圆柱体(14)和所述导向体(16)圆滑连接。
5.根据权利要求4所述的复合齿,其特征在于,所述圆台部(12)的锥角为.30。 -150。。
6.根据权利要求5所述的复合齿,其特征在于,所述球状顶部(11)的球径为2-10mm。
7.根据权利要求6所述的复合齿,其特征在于,所述导向体(16)的母线与其回转轴线之间的夹角为15-45°。
8.根据权利要求1所述的复合齿,其特征在于,所述锥球形金刚石层(17)的厚度为.0.5_5mm.
9.根据权利要求1所述的复合齿,其特征在于,所述圆柱体(14)的外表面沿所述圆柱体(14)的高度方向设置有多个锯齿状凸起(18);所述锯齿状凸起(18)沿所述圆柱体(14)的外表面的周向均匀分布。
10.根据权利要求9所述的复合齿,其特征在于,所述锯齿状凸起(18)的齿高为.0.8_,两个相邻的锯齿表面之间的夹角为55°。
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