CN204782793U - 一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层通过高温、高压、烧结复合在硬质合金基体的表面，在硬质合金基体和聚晶金刚石层上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔。本实用新型根据聚晶金刚石复合片切削加工的特点，在聚晶金刚石复合片的内部设置一个冷却通道，同时在PDC钻头体上也设置通往各个聚晶金刚石复合片的冷却液分支，聚晶金刚石复合片内部的冷却通道与PDC钻头体上的冷却液分支连通，形成在每一个聚晶金刚石复合片内部有一条冷却液流出的分支孔，PDC钻头的冷却液除了在原有的流出孔喷出外，还同时通过聚晶金刚石复合片内部的冷却通道喷向聚晶金刚石复合片的切削面前端。

Description

一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片

技术领域

本实用新型涉及到一种金刚石复合片产品，具体涉及一种PDC钻头上所用的聚晶金刚石复合片，属石油天然气、矿产及地热资源钻探技术领域。

背景技术：

在地下资源钻探工程中，最常使用的钻头包括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的英文为PolycrystallineDiamondCompactbit，因此，通常将其称为PDC钻头。无论是牙轮钻头或是PDC钻头，在钻井过程中，通常都使用钻井液（也称为泥浆）来冷却钻头并将破碎了的岩屑从井底携带出地面。

由于岩石的剪切强度远远小于其抗压强度，如白云岩的抗压强度为50～76Mpa，而其抗剪强度仅为8～12.7Mpa，显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易的多。PDC钻头的正是利用了岩石这一力学特性，采用安装在钻头体上的复合片通过犁削方式来破碎岩石，从而达到了快速钻进的目的。

由于地下岩石的组成成分复杂且多变，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钻头切削元件的使用寿命，人们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，实用新型了聚晶金刚石-硬质合金复合片，将复合片通过钎焊方式焊接在PDC钻头上作为切削元件。

虽然PDC钻头在破岩效率及耐磨性方面比牙轮钻头具有显著的优势，但是也存在着明显的不足。牙轮钻头是通过牙轮滚动的方式，使牙轮上的切削齿冲击破碎岩石，其切削齿接触岩石的时间短，当切削齿离开岩石时，能够得到充分的冷却。而PDC钻头在工作过程中，金刚石复合片始终与地下的岩石接触，摩擦发热量大，单靠现有外置的钻井液来冷却，是十分不充分的，以至金刚石复合片的表面温度很容易就超过700℃，而这样将使得钻头的耐磨性及强度急剧下降。因此很有必要对此加以改进。

通过专利检索没发现有与本实用新型相同技术的专利文献报道，与本实用新型有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN201410543935，名称为“一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头”的实用新型专利，该专利公开了一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头,该PDC钻头，包括成为一体的钻头体、刀翼、排屑槽和水眼，所述排屑槽在相邻的刀翼之间，排屑槽的左侧为刀翼的前端面，排屑槽的右侧为刀翼的后端面；所述刀翼的前端面上钎焊有用于切削岩石的PDC齿；所述水眼包含常规水眼和横向水眼，该常规水眼设置于PDC齿前方的排屑槽上，而横向水眼设置在刀翼的径向端面处，其喷射出口方向指向对面的排削槽。

2、专利号为CN201420134012，名称为“一种油田勘探用PDC钻头”的实用新型专利，该专利公开了一种油田勘探用PDC钻头，包括钻头本体，钻头本体上设有钻头冠部，钻头冠部上设有主刀翼和副刀翼，主刀翼的顶端和副刀翼的顶端上分别设有单排的切削齿，钻头冠部上设有水嘴，钻头冠部上设有水嘴喷射装置，水嘴喷射装置包括金属给水管、主流喷射板和分流喷射板，主流喷射板和分流喷射板上分别设有喷射孔。

3、专利号为CN201420015277，名称为“一种新型四刀翼PDC钻头”的实用新型专利，该专利公开了一种新型四刀翼PDC钻头，它包括钻头冠部、喷嘴、PDC复合片、设置在钻头冠部的主刀翼和副刀翼，所述的钻头冠部上设置有两个相对立的主刀翼和两个相对立的副刀翼，所述的两个主刀翼均呈抛物线冠状，两个主刀翼上均设置有多个沿抛物线方向设置的PDC复合片，两个副刀翼上均设置有PDC复合片；所述的钻头冠部上设置有五个可更换的喷嘴。

4、专利号为CN201010157707，名称为“肩部圆弧型PDC钻头”的实用新型专利，该专利公开了一种肩部圆弧型PDC钻头，包括上体和下体，上体上端设有螺纹，下体上设有切削齿，上体和下体中心设有水眼，该水眼上部为直孔，下部呈放射状倾斜，其特征在于所述上体和下体为一次加工完成的肩部为圆弧过度的整体式结构，形成钢体PDC钻头。

上述这些专利虽然都涉及到PDC钻头的冷却，也提出了一些结构性的改进，但都没有从根本上改变PDC钻头的冷却方式，都还是在PDC钻头的中间或钻齿旁边设置冷却喷嘴，通过喷嘴喷出冷却浆液来冷却球齿，但这样仍不能解决球齿切削面出的温度容易过高的问题，因此仍有待进一步加以改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有PDC钻头的冷却方式所存在的不足，提出一种冷却效果更好的冷却装置，该冷却装置既可有效冷却PDC钻头聚晶金刚石复合片的切削刃口，且结构简单，容易实现，从而避免金刚石复合片因工作温度太高而导致的耐磨性及强度降低的问题，从而提高PDC钻头的寿命。

为了达到这一目的，本实用新型提供了一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层通过高温、高压、烧结复合在硬质合金基体的表面，其特征在于，在硬质合金基体和聚晶金刚石层上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔。

进一步地，所述的穿透性冷却通孔为直孔。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔为直孔和锥孔组成。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔为双曲线的喇叭形内孔，且靠硬质合金入口处为大口，聚晶金刚石层出口为小口。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔是倾斜设置的，由硬质合金入口处到聚晶金刚石层出口以倾斜聚晶金刚石复合片的刃口垂线8-10度斜向聚晶金刚石复合片的刃口。

本实用新型的优点在于：

本实用新型采取在硬质合金基体和聚晶金刚石层上开穿透性冷却通孔，通过冷却孔喷出冷却液，主要有以下特点：

1）在硬质合金基体和聚晶金刚石层上开穿透性冷却通孔，形成在每一个聚晶金刚石复合片内部有一条冷却液流出的分支孔，PDC钻头的冷却液除了在原有的流出孔喷出外，还同时通过聚晶金刚石复合片内部的冷却通道喷向聚晶金刚石复合片的切削面前端。

2）硬质合金基体和聚晶金刚石层上的穿透性冷却通孔紧靠在切削刃口处，从冷却通孔流出的冷却液可以直接冷却到切削刃口，可有效降低刃口处的温度，完全防止刃口的烧损；

3）从冷却通孔流出的冷却液可以直接冲刷到刃口处的被切削物质，减少钻头与被切削五之间的摩擦，提高钻头的耐磨性；

4）本实用新型应用于PDC钻头，当泥浆压力很高时，泥浆通过冷却通道还能形成高压射流，高压射流能过对岩石进行预破碎，释放岩石的应力，降低岩石的强度，从而提高PDC钻头的钻井速度。

附图说明

图1是本实用新型结构原理示意图；

图2是本实用新型的一种复合片剖示图，其冷却通道为直孔且与复合片同心；

图3是本实用新型的第二种复合片剖示图，其冷却通道由直孔和圆锥孔组合而成；

图4是本实用新型的第三种复合片剖示图，其冷却通道为双曲线内孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本实用新型。

实施例一

通过附图1和2可以看出，本实用新型涉及一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片包括硬质合金基体3和聚晶金刚石层4，聚晶金刚石层通过高温、高压、烧结复合在硬质合金基体的表面；聚晶金刚石复合片卡在PDC钻头本体1的凹槽2内；在硬质合金基体3和聚晶金刚石层4上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔6。复合片的外径D为20mm，高度H为16mm，冷却通道6的直径为5mm，聚晶金刚石复合层的厚度为2mm。冷却通孔6与PDC钻头本体1的泥浆孔5相连通。当PDC钻头切削加工物料7时，通过冷却通道6流出的冷却液直接冷却聚晶金刚石层4的切削刃口。

进一步地，所述的穿透性冷却通孔6为直孔。

进一步地，所述的硬质合金基体3和聚晶金刚石层4上垂向设置的穿透性通孔是倾斜设置的，由硬质合金入口处到聚晶金刚石层出口以倾斜聚晶金刚石复合片的刃口垂线8-9度斜向聚晶金刚石复合片的刃口。

实施例二

实施例二的结构与实施例一基本是一样的，如附图3所示，一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层通过高温、高压、烧结复合在硬质合金基体的表面，其特征在于，在硬质合金基体和聚晶金刚石层上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔。冷却通孔6由直孔和圆锥孔8组合而成。直孔的直径为3mm，圆锥孔8的锥角α为15°。复合片的外径D为15mm，高度H为12mm聚晶金刚石复合层的厚度为2mm。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔是倾斜设置的，由硬质合金入口处到聚晶金刚石层出口以倾斜聚晶金刚石复合片的刃口垂线9-10度斜向聚晶金刚石复合片的刃口。

实施例三

实施例三的结构与实施例一基本是一样的，如附图4所示，一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层通过高温高压烧结复合在硬质合金基体的表面，其特征在于，在硬质合金基体和聚晶金刚石层上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性冷却通孔为双曲线的喇叭形内孔，且靠硬质合金入口处为大口，聚晶金刚石层出口为小口。复合片的外径D为30mm，高度H为25mm，聚晶金刚石复合层的厚度为3mm。

进一步地，所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔是倾斜设置的，由硬质合金入口处到聚晶金刚石层出口以倾斜聚晶金刚石复合片的刃口垂线8.5度斜向聚晶金刚石复合片的刃口。

上述所列实施例，只是结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的优点在于：

1）在硬质合金基体和聚晶金刚石层上开穿透性冷却通孔，形成在每一个聚晶金刚石复合片内部有一条冷却液流出的分支孔，PDC钻头的冷却液除了在原有的流出孔喷出外，还同时通过聚晶金刚石复合片内部的冷却通道喷向聚晶金刚石复合片的切削面前端

2）硬质合金基体和聚晶金刚石层上的穿透性冷却通孔紧靠在切削刃口处，从冷却通孔流出的冷却液可以直接冷却到切削刃口，可有效降低刃口处的温度，完全防止刃口的烧损；

3）从冷却通孔流出的冷却液可以直接冲刷到刃口处的被切削物质，减少钻头与被切削物之间的摩擦，提高钻头的耐磨性；

4）本实用新型应用于PDC钻头，当泥浆压力很高时，泥浆通过冷却通道还能形成高压射流，高压射流能过对岩石进行预破碎，释放岩石的应力，降低岩石的强度，从而提高PDC钻头的钻井速度。

Claims (5)

1.一种带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层复合在硬质合金基体的表面，其特征在于：在硬质合金基体和聚晶金刚石层上穿透硬质合金基体和聚晶金刚石层开有穿透性冷却通孔。

2.如权利要求1所述的带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述的穿透性冷却通孔为直孔。

3.如权利要求1所述的带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述的穿透性冷却通孔为直孔和锥孔组合。

4.如权利要求1所述的带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述的穿透性冷却通孔为双曲线的喇叭形内孔，且靠硬质合金入口处为大口，聚晶金刚石层出口为小口。

5.如权利要求2至4任意一项所述的带内部冷却孔的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述的硬质合金基体和聚晶金刚石层上垂向设置的穿透性通孔是倾斜设置的，由硬质合金入口处到聚晶金刚石层出口以倾斜聚晶金刚石复合片的刃口垂线8-10度斜向聚晶金刚石复合片的刃口。