CN211173946U - 一种油气井钻探用pdc钻齿及使用该钻齿的钻头 - Google Patents

Abstract

一种油气井钻探用PDC钻齿及使用该钻齿的钻头，包括沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的上端面具有两个以上绕所述硬质合金基体周向分布的侧曲面，所述侧曲面为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，所述侧曲面的外侧向所述硬质合金基体的下端倾斜，任意相邻的两个所述侧曲面在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口。用于解决现有的PDC钻齿易磨损造成切削阻力变大、排屑效果不理想的问题。

Description

一种油气井钻探用PDC钻齿及使用该钻齿的钻头

技术领域

本实用新型属于超硬复合材料领域，其主要涉及石油(气)钻采等领域，尤其涉及一种油气井钻探用PDC钻齿及使用该钻齿的钻头。

背景技术

聚晶金刚石复合片（简称PDC）是将金刚石微粉与硬质合金基体组装在一起后，在六面 顶压机上在高温高压条件下烧结而成的超硬复合材料。它兼顾了聚晶金刚石高硬度、高耐磨性和硬质合金基体良好的抗冲击韧性、可焊性的优点，目前被世界公认为是石油（气）钻探、地质勘探、煤田钻采、水井钻进等行业最理想的钻进材料。

钻齿的工作层表面结构是决定其耐磨性、抗冲击性以及切削阻力的重要因素，现在使用的平齿、异形齿以及锥形齿等结构的聚晶金刚石复合片钻齿在使用过程中伴随着钻齿磨损会导致切削接触面变大，进而造成切削阻力变大的问题，且在钻进过程中排屑效果不理想。

因此，亟待一种聚晶金刚石复合片钻齿予以解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种油气井钻探用PDC钻齿及使用该钻齿的钻头，用于解决现有的PDC钻齿易磨损造成切削阻力变大、排屑效果不理想的问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种油气井钻探用PDC钻齿，包括沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的上端面具有两个以上绕所述硬质合金基体周向分布的侧曲面，所述侧曲面为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，所述侧曲面的外侧向所述硬质合金基体的下端倾斜，任意相邻的两个所述侧曲面在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口。

优选地，所述聚晶金刚石层的上端面的顶面为中心位置处内凹的内凹曲面结构。

优选地，所述顶面的曲率半径为所述聚晶金刚石层直径的1～5倍。

优选地，所述硬质合金基体的下部为圆柱结构，所述硬质合金基体的上部为衔接在所述圆柱结构上端圆台结构，所述硬质合金基体与所述聚晶金刚石层的结合面为圆台结构的上顶面及侧面，所述侧面上具有两个以上放射状分布的、沿所述硬质合金基体径向延伸的弧形缺口。

优选地，所述弧形缺口与所述硬质合金基体的轴线夹角范围为1°～89°。

优选地，所述侧面上、在任意相邻的两个所述弧形缺口之间的位置处具有两条以上周向延伸的弧形凹槽。

优选地，所述弧形凹槽呈与所述上底面同圆心的样式排布。

一种钻头，包括钻头基体以及焊接在所述钻头基体上的钻齿，关键在于，所述钻齿包括沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的上端面具有两个以上绕所述硬质合金基体周向分布的侧曲面，所述侧曲面为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，所述侧曲面的外侧向所述硬质合金基体的下端倾斜，任意相邻的两个所述侧曲面在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口。

优选地，所述聚晶金刚石层的上端面的顶面为中心位置处内凹的内凹曲面结构。

优选地，所述顶面的曲率半径为所述聚晶金刚石层直径的1～5倍。

优选地，所述硬质合金基体的下部为圆柱结构，所述硬质合金基体的上部为衔接在所述圆柱结构上端圆台结构，所述硬质合金基体与所述聚晶金刚石层的结合面为圆台结构的上顶面及侧面，所述侧面上具有两个以上放射状分布的、沿所述硬质合金基体径向延伸的弧形缺口。

优选地，所述弧形缺口与所述硬质合金基体的轴线夹角范围为1°～89°。

优选地，所述侧面上、在任意相邻的两个所述弧形缺口之间的位置处具有两条以上周向延伸的弧形凹槽。

优选地，所述弧形凹槽呈与所述上底面同圆心的样式排布。

采用本实用新型技术方案的有益效果为：

通过在聚晶金刚石层的上端面设置有外侧向下倾斜的侧曲面，相邻侧曲面构成的外宽内窄的楔形切削刃口，独特的外宽内窄的倒楔形刃口解决了传统的钻齿磨损后会导致切削接触面变大的问题，同时具有倒楔形刃口的钻齿在钻进中能时刻保持着高速率状态，提升排屑效果。

附图说明

图1为一种油气井钻探用PDC钻齿的具体实施例的整体示意图；

图2为一种油气井钻探用PDC钻齿的具体实施例的硬质合金基体示意图；

图3为一种油气井钻探用PDC钻齿的具体实施例的硬质合金基体主视图。

其中，图1、2、3中，1-聚晶金刚石层，11-顶面，12-侧曲面，13-楔形切削刃口，2-硬质合金基体，21-弧形凹槽，22-弧形缺口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

一种油气井钻探用PDC钻齿的实施例1

如图1、2、3所示，一种油气井钻探用PDC钻齿，包括沿上下方向延伸的硬质合金基体2以及设置在硬质合金基体2上端的聚晶金刚石层1，关键在于，聚晶金刚石层1的上端面具有两个以上绕硬质合金基体2周向分布的侧曲面12，侧曲面12为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，侧曲面12的外侧向硬质合金基体2的下端倾斜，任意相邻的两个侧曲面12在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口13；进一步地，聚晶金刚石层1的上端面的顶面11为中心位置处内凹的内凹曲面结构；进一步地，硬质合金基体2的下部为圆柱结构，硬质合金基体2的上部为衔接在所述圆柱结构上端圆台结构，硬质合金基体2与聚晶金刚石层1的结合面为圆台结构的上底面及侧面，所述侧面上具有两个以上放射状分布的、沿硬质合金基体2径向延伸的弧形缺口22；进一步地，所述侧面上、在任意相邻的两个弧形缺口22之间的位置处具有两条以上周向延伸的弧形凹槽21，弧形凹槽21呈与所述上底面同圆心的样式排布。

作为优选方案，如图1所示，侧曲面12设置为三个，顶面11的曲率半径为PDC钻齿直径的2倍。进一步地，如图2、3所示，弧形缺口22设置为三个，所述侧面上、在任意相邻的两个弧形缺口22之间的位置处的弧形凹槽21设置为两条。

本实施例中的PDC钻齿直径为16mm，侧曲面12为外凸曲面结构，聚晶金刚石层1的顶面11的曲率半径R为32mm，楔形切削刃口13外侧一端宽度为1.5mm，楔形切削刃口13由外向聚晶金刚石层1的中心方向逐渐缩小，最窄部分宽度为0.9mm。进一步地，弧形缺口22与硬质合金基体2的轴线夹角为45°。

一种油气井钻探用PDC钻齿的实施例2

如图1、2、3所示，一种油气井钻探用PDC钻齿，包括沿上下方向延伸的硬质合金基体2以及设置在硬质合金基体2上端的聚晶金刚石层1，关键在于，聚晶金刚石层1的上端面具有两个以上绕硬质合金基体2周向分布的侧曲面12，侧曲面12为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，侧曲面12的外侧向硬质合金基体2的下端倾斜，任意相邻的两个侧曲面12在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口13；进一步地，聚晶金刚石层1的上端面的顶面11为中心位置处内凹的内凹曲面结构；进一步地，硬质合金基体2的下部为圆柱结构，硬质合金基体2的上部为衔接在所述圆柱结构上端圆台结构，硬质合金基体2与聚晶金刚石层1的结合面为圆台结构的上底面及侧面，所述侧面上具有两个以上放射状分布的、沿硬质合金基体2径向延伸的弧形缺口22；进一步地，所述侧面上、在任意相邻的两个弧形缺口22之间的位置处具有两条以上周向延伸的弧形凹槽21，弧形凹槽21呈与所述上底面同圆心的样式排布。

作为优选方案，如图1所示，侧曲面12设置为三个，顶面11的曲率半径为PDC钻齿直径的2倍。进一步地，如图2、3所示，弧形缺口22设置为三个，所述侧面上、在任意相邻的两个弧形缺口22之间的位置处的弧形凹槽21设置为两条。

本实施例中的PDC钻齿直径为16mm，侧曲面12为内凹曲面结构，聚晶金刚石层1的顶面11的曲率半径R为32mm，楔形切削刃口13外侧一端宽度为1.5mm，楔形切削刃口13由外向聚晶金刚石层1的中心方向逐渐缩小，最窄部分宽度为0.9mm。进一步地，弧形缺口22与硬质合金基体2的轴线夹角为45°。

使用时，顶面11采用中心位置处内凹的内凹曲面结构，极大程度上提供了PDC钻齿的容屑能力，两个相邻的侧曲面12形成的外宽内窄的楔形切削刃口13解决了传统的钻齿磨损后会导致切削接触面变大的问题，同时具有外宽内窄楔形刃口的钻齿在钻进中能时刻保持着高速率状态，提升排屑效果；硬质合金基体2上弧形凹槽21及弧形缺口22的设置，使得聚晶金刚石层1和硬质合金基体2相互嵌合，即相当于在聚晶金刚石层1边缘处局部增厚，在一定程度上减轻了钻进中泥浆、岩屑等对硬质合金基体2的冲蚀。

一种钻头的实施例1

一种钻头，包括钻头基体以及焊接在所述钻头基体上的钻齿，所述钻齿包括但不限于上述一种油气井钻探用PDC钻齿的实施例1、2中的油气井钻探用PDC钻齿。

使用时，将PDC钻齿按照固定刃口方向焊接在油气井用钻头基体上，当钻头在钻进时，PDC钻齿的楔形切削刃口13在钻压和扭矩作用下可轻松克服地层应力吃入岩层并向前滑动，岩石在楔形切削刃口13的作用下迅速沿其剪切方向产生破碎并产生塑性流动，被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出的泥浆带至钻头与井壁间的环空运至井外，而聚晶金刚石层1与硬质合金基体2相互嵌合的设计在一定程度上减轻了钻进中泥浆、岩屑等对硬质合金基体的冲蚀，减少了钻头失效情况的出现，使得PDC钻头逐渐钻入岩层深部。

以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种油气井钻探用PDC钻齿，包括沿上下方向延伸的硬质合金基体以及设置在所述硬质合金基体上端的聚晶金刚石层，其特征在于：所述聚晶金刚石层的上端面具有两个以上绕所述硬质合金基体周向分布的侧曲面，所述侧曲面为外凸曲面结构或者内凹曲面结构，所述侧曲面的外侧向所述硬质合金基体的下端倾斜，任意相邻的两个所述侧曲面在其连接位置处构成外宽内窄的楔形切削刃口。

2.根据权利要求1所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述聚晶金刚石层的上端面的顶面为中心位置处内凹的内凹曲面结构。

3.根据权利要求2所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述顶面的曲率半径为所述聚晶金刚石层直径的1～5倍。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述硬质合金基体的下部为圆柱结构，所述硬质合金基体的上部为衔接在所述圆柱结构上端圆台结构，所述硬质合金基体与所述聚晶金刚石层的结合面为圆台结构的上顶面及侧面，所述侧面上具有两个以上放射状分布的、沿所述硬质合金基体径向延伸的弧形缺口。

5.根据权利要求4所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述弧形缺口与所述硬质合金基体的轴线夹角范围为1°～89°。

6.根据权利要求5所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述侧面上、在任意相邻的两个所述弧形缺口之间的位置处具有两条以上周向延伸的弧形凹槽。

7.根据权利要求6所述的一种油气井钻探用PDC钻齿，其特征在于：所述弧形凹槽呈与所述上底面同圆心的样式排布。

8.一种钻头，包括钻头基体以及焊接在所述钻头基体上的钻齿，其特征在于：所述钻齿为权利要求1-7中任意一项所述的油气井钻探用PDC钻齿。

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