CN212508100U - Pdc复合片及pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种PDC复合片及PDC钻头，PDC复合片包含合金基体以及金刚石聚晶层，金刚石聚晶层设置于合金基体的前端。其中，金刚石聚晶层的前端的直径大于合金基体的直径，金刚石聚晶层的后端的直径等于合金基体的直径。据此，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中，能够使流经的钻井液形成双流通形态/路径，从而实现PDC复合片的自我清洗、冷却等功能，并提供降本增效的功效。通过上述设计，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中不易产生发热，从而能够缓解因发热造成的先期磨损。

Description

PDC复合片及PDC钻头

技术领域

本实用新型涉及钻井设备技术领域，尤其涉及一种PDC复合片及PDC钻头。

背景技术

PDC复合片作为石油钻头上使用的产品，其发展技术直接影响着石油勘探领域的转变与创新，特别是近两年发展的非常规油气钻井技术，朝着钻进更深，地层更复杂的方向发展，传统的PDC复合片在钻进复杂地层时难以达到钻井技术要求的指标。PDC复合片造成钻井周期延长，在钻井领域约占70％～80％。其中，现有PDC复合片受其结构所限，在钻进过程中易产生发热而造成的先期磨损。

实用新型内容

本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种有效缓解先期磨损的PDC复合片。

本实用新型的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述PDC复合片的PDC钻头。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

根据本实用新型的一个方面，提供一种PDC复合片，包含合金基体以及金刚石聚晶层，所述金刚石聚晶层设置于所述合金基体的前端。其中，所述金刚石聚晶层的前端的直径大于所述合金基体的直径，所述金刚石聚晶层的后端的直径等于所述合金基体的直径。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石聚晶层的前端的直径与所述合金基体的直径之间的差值为0.05mm～0.2mm。和/或，所述金刚石聚晶层的前端的直径为13mm～21mm。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石聚晶层的周向表面为环状圆锥面，所述环状圆锥面在所述金刚石聚晶层的由后端至前端的方向上向外倾斜。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石聚晶层的周向表面相对于轴向的倾斜角度为0°～16°。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述金刚石聚晶层的前端面为平面。或者，所述金刚石聚晶层的前端面具有两个由中间至两侧向后倾斜的斜面，所述两个斜面分别为半圆形，每个所述斜面具有直径边和半圆弧边，且所述两个斜面的所述两个直径边重合。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述合金基体的前端设置有凸环结构，所述凸环结构由所述合金基体前端的周向表面沿径向向外凸伸而成，所述金刚石聚晶层的前端的直径大于所述凸环结构的直径。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述凸环结构在轴向上的厚度为1mm～5mm。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述PDC复合片还包含套筒。所述套筒套设于所述合金基体的其余部分的外周，所述套筒的内径等于所述合金基体的其余部分的直径，所述套筒的外径等于所述金刚石聚晶层的前端的直径，所述套筒沿轴向开设有开口，所述开口沿轴向切断所述套筒而使所述套筒的径向截面呈“C”字型。其中，所述套筒具有两个相对布置的侧切面，所述两个侧切面共同定义所述开口，两个所述侧切面的在所述套筒的前端与后端之间的延伸方向相平行或者具有夹角。

根据本实用新型的其中一个实施方式，所述合金基体的前端面为向前凸伸的圆锥面，所述圆锥面的轴心与所述合金基体的轴心重合，所述合金基体的前端面上设置有多个颗粒凸起。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种PDC钻头，包含PDC复合片。其中，所述PDC复合片为本实用新型提出的并在上述实施方式中所述的PDC复合片。

由上述技术方案可知，本实用新型提出的PDC复合片及PDC钻头的优点和积极效果在于：

本实用新型提出的PDC复合片包含合金基体以及金刚石聚晶层，金刚石聚晶层设置于合金基体的前端，且金刚石聚晶层的前端的直径大于合金基体的直径，金刚石聚晶层的后端的直径等于合金基体的直径。据此，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中，能够使流经的钻井液形成双流通形态/路径，从而实现PDC复合片的自我清洗、冷却等功能，并提供降本增效的功效。通过上述设计，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中不易产生发热，从而能够缓解因发热造成的先期磨损。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施方式的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种PDC复合片的结构示意图；

图2是图1示出的PDC复合片在钻进过程中与地层的相对位置示意图；

图3是图2的右视图；

图4是图1示出的PDC复合片的金刚石聚晶层的轴向剖视图；

图5是图1示出的PDC复合片的合金基体的结构示意图；

图6是图1示出的PDC复合片的局部轴向剖视图；

图7是根据另一示例性实施方式示出的一种PDC复合片的结构示意图；

图8是根据又一示例性实施方式示出的一种PDC复合片的金刚石聚晶层的轴向剖视图。

附图标记说明如下：

100.合金基体；

110.凸环结构；

120.本体；

130.圆锥面；

131.颗粒凸起；

200.金刚石聚晶层；

210.斜面；

300.套筒；

310.开口；

311.侧切面；

400.地层；

h.厚度；

φ1.第一直径；

φ2.第二直径；

φ3.第三直径；

φ4.第四直径；

φ5.第五直径；

α.倾斜角度。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本实用新型。

在对本实用新型的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本实用新型的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本实用新型的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本实用新型范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本实用新型的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本实用新型的范围内。

参阅图1，其代表性地示出了本实用新型提出的PDC复合片的结构示意图。在该示例性实施方式中，本实用新型提出的PDC复合片是以应用于石油钻井设备的PDC钻头为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本实用新型的相关设计应用于其他类型的钻头或其他钻井设备中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本实用新型提出的PDC复合片的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的PDC复合片主要包含合金基体100以及金刚石聚晶层200。配合参阅图2至图8，图2中代表性地示出了PDC复合片在钻进过程中与地层400的相对位置示意图；图3中代表性地示出了图2的右视图；图4中代表性地示出了PDC复合片的金刚石聚晶层200的轴向剖视图；图5中代表性地示出了PDC复合片的合金基体100的结构示意图；图6中代表性地示出了PDC复合片的局部轴向剖视图；图7中代表性地示出了另一示例性实施方式中的PDC复合片的结构示意图；图8中代表性地示出了又一示例性实施方式中的PDC复合片的金刚石聚晶层200的轴向剖视图。以下将结合上述附图，对本实用新型提出的PDC复合片的各主要组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。

需说明的是，如图1至图6所示，在下述说明中，金刚石聚晶层200的前端和后端是相对金刚石聚晶层200的轴向(金刚石聚晶层200、合金基体100的轴线重合，金刚石聚晶层200的轴向即为合金基体100的轴向，亦即整个PDC复合片的轴向)而言，金刚石聚晶层200的前端即轴向上远离合金基体100的一端，金刚石聚晶层200的后端即轴向上邻近合金基体100的一端，金刚石聚晶层200即以其后端连接于合金基体100的前端。再者，所谓合金基体100的直径，可以理解为合金基体100的最大直径，即本实施方式中是以合金基体100包含直径不同的凸环结构110和本体120(凸环结构110和本体120的具体结构将在下述内容说明)为例进行说明，则下述的合金基体100的直径是指其凸环结构110的直径。当合金基体100不包含凸环结构110而仅包含本体120时，则下述的合金基体100的直径是指本体120的直径。另外，为了便于理解和说明，本说明书中是将金刚石聚晶层200的前端的直径定义为第一直径φ1，将合金基体100的本体120的直径定义为第二直径φ2，将合金基体100的凸环结构110的直径定义为第三直径φ3，将金刚石聚晶层200的后端的直径定义为第四直径φ4，并将下述说明的套筒300的外径定义为第五直径φ5。

如图1至图6所示，在本实施方式中，金刚石聚晶层200设置在合金基体100的前端，可以采用例如高温高压的方式进行结合。其中，金刚石聚晶层200的前端的直径大于合金基体100的直径，且金刚石聚晶层200的后端的直径等于合金基体100的直径。即，第一直径φ1大于第三直径φ3，第四直径φ4等于第三直径φ3。容易理解的是，在其他实施方式中，当合金基体100未设置凸环结构110而仅具有本体120时，则应为第一直径φ1大于第二直径φ2，第四直径φ4等于第二直径φ2。据此，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中，能够使流经的钻井液形成双流通形态/路径(如图3所示)，从而实现PDC复合片的自我清洗、冷却等功能，并提供降本增效的功效。通过上述设计，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中不易产生发热，从而能够缓解因发热造成的先期磨损。另外，本实用新型利用金刚石聚晶层200的前端的直径大于合金基体100的直径的差异性设计，能够有利于PDC复合片在钻进过程中更加快速地切入地层400。

较佳地，如图1所示，在本实施方式中，金刚石聚晶层200的前端的直径与合金基体100的直径之间的差值，即第一直径φ1与第三直径φ3之间的差值可以优选为0.05mm～0.2mm，例如0.05mm、0.08mm、0.14mm、0.2mm等。在其他实施方式中，金刚石聚晶层200的前端的直径与合金基体100的直径之间的差值亦可小于0.05mm，或者大于0.2mm，例如0.04mm、0.22mm等，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1所示，在本实施方式中，金刚石聚晶层200的前端的直径，即第一直径φ1可以优选为13mm～21mm，例如13mm、15mm、17.5mm、21mm等。在其他实施方式中，金刚石聚晶层200的前端的直径亦可小于13mm，或者大于21mm，例如12mm、22.5mm等，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1和图4所示，在本实施方式中，金刚石聚晶层200的周向表面可以优选为环状圆锥面130，即圆锥台结构的轴向锥面，且该环状圆锥面130是在金刚石聚晶层200的由后端至前端的方向上向外倾斜。在其他实施方式中，金刚石聚晶层200的周向表面亦可采用其他形状，例如弧面等，并不以本实施方式为限。

进一步地，如图4所示，基于金刚石聚晶层200的周向表面可以优选为环状圆锥面130的设计，在本实施方式中，金刚石聚晶层200的周向表面相对于轴向的倾斜角度α可以优选为0°～16°，即，倾斜角度α大于0°且小于或者等于16°，例如，1°、4°、9°、16°等。需说明的是，如图2和图3所示，原则上该倾斜角度α越大，对于PDC复合片相对地层400的吃入将越为有利，然而当倾斜角度α过大时，例如大于16°时，较大的倾斜角度α将可能会对整体结构强度造成影响。因此，在其他实施方式中，当不考虑结构强度或者能够保证结构强度时，上述倾斜角度α亦可大于16°，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1和图4所示，在本实施方式中，金刚石聚晶层200的前端面(即前端的端面)可以优选为具有两个斜面210，且这两个斜面210分别是由中间至两侧向后倾斜。具体而言，这两个斜面210分别可以优选为半圆形，且每个斜面210分别具有直径边和半圆弧边，两个斜面210的两个直径边重合，该直径边即可视为金刚石聚晶层200的前端面在径向平面上的正投影的直径。通过上述设计，具有上述结构的金刚石聚晶层200的PDC复合片能够更加适应于研磨性地层400的钻进需要。在其他实施方式中，金刚石聚晶层200的前端面亦可采用其他设计，例如，如图8所示，在该实施方式中，金刚石聚晶层200的前端面为平面，以使PDC复合片能够更加适应于均质地层400的钻进需要，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1至图3、图5和图6所示，在本实施方式中，合金基体100的前端(即合金基体100的连接于金刚石聚晶层200的一端)可以优选地设置有凸环结构110。具体而言，该凸环结构110是由合金基体100前端的周向表面沿径向向外凸伸而成，该凸环结构110的材质可以优选地包含硬质合金。在此基础上，凸环结构110的周向表面亦呈圆柱面，且凸环结构110的直径即为合金基体100的最大直径，则金刚石聚晶层200的前端的直径大于凸环结构110的直径，且金刚石聚晶层200的后端的直径等于凸环结构110的直径，亦即，第一直径φ1大于第三直径φ3，且第二直径φ2等于第三直径φ3。通过上述设计，在合金基体100与金刚石聚晶层200的结合过程中，凸环结构110能够提供支撑作用。

进一步地，如图5所示，基于合金基体100的前端设置有凸环结构110的设计，在本实施方式中，凸环结构110在轴向上的厚度h可以优选为1mm～5mm，例如1mm、2.5mm、4mm、5mm等。在其他实施方式中，凸环结构110在轴向上的厚度h亦可小于1mm，或者大于5mm，例如0.6mm、7mm等，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图1至图3所示，在本实施方式中，本实用新型提出的PDC复合片还可以优选地包含套筒300。具体而言，该套筒300套设在合金基体100的其余部分的外周，所谓“其余部分”即合金基体100的未设置凸环结构110的部分，在本说明书中是将该部分定义为本体120。当然，亦可将凸环结构110理解为环绕凸设在本体120的前端。其中，套筒300的内径等于合金基体100的本体120的直径，即套筒300的内径等于第二直径φ2。套筒300的外径等于金刚石聚晶层200的前端的直径，即第五直径φ5等于第一直径φ1。并且，套筒300沿轴向开设有开口310，该开口310沿轴向将套筒300切断，而使套筒300的径向截面大致呈“C”字型的结构。

进一步地，如图1至图3所示，基于PDC复合片还包含套筒300，且套筒300开设有开口310的设计，在本实施方式中，套筒300具有两个相对布置的侧切面311，这两个侧切面311即共同定义出上述开口310。在此基础上，两个侧切面311的在套筒300的前端与后端之间的延伸方向可以优选地具有一夹角，从而使开口310大致呈梯形的斜开口形状。在其他实施方式中，开口310亦可采用其他形状，例如，如图7所示，在该实施方式中，套筒300的两个侧切面311在套体的前端与后端之间的延伸方向大致平行，从而使开口310大致呈矩形的方开口形状，并不以本实施方式为限。

较佳地，如图5和图6所示，在本实施方式中，合金基体100的前端面可以优选地采用向前凸伸的圆锥面130的设计。其中，该圆锥面130的轴心与合金基体100的轴心重合。另外，合金基体100的前端面的上述呈圆锥面130的凸起部分的材质可以选用硬质合金，合金基体100是以该凸起部分与金刚石聚晶层200连接，相当于为金刚石聚晶层200在其后方设置了具有缓冲作用的合金基座，从而能够增强结构的抗冲击性。

进一步地，如图5和图6所示，基于合金基体100的前端面采用圆锥面130的设计，在本实施方式中，合金基体100的呈圆锥面130的前端面上可以优选地设置有多个颗粒凸起131。据此，合金基座经由上述设计，能够为金刚石聚晶层200在其后方设置了大致呈颗粒状伞形结构的缓冲基座。通过上述设计，多个颗粒凸起131能够增加合金基体100与金刚石聚晶层200之间的接触面积，从而进一步优化合金基体100与金刚石聚晶层200之间的结合强度。

另外，本实用新型提出的PDC复合片的整体结构可以采用圆柱状的结构，亦可采用椭圆柱状的结构。当PDC复合片采用圆柱状结构时，金刚石聚晶层、合金基体均呈圆柱状的结构或者圆环状结构，在此基础上，上述各结构所谓的直径的描述和相对关系中，各所述的直径即均为圆形的直径。当PDC复合片采用椭圆柱状结构时，金刚石聚晶层、合金基体均呈椭圆柱状的结构。在此基础上，上述各结构所谓的直径的描述和相对关系中，各所述的直径即均为椭圆形的长轴直径或者均为短轴直径。其中，当本实用新型提出的PDC复合片采用圆柱状的结构时，其适用于现有的主流PDC钻头，可作为设备的通用切削件。当PDC复合片采用椭圆柱在的结构时，其出刃更高，更加利于切削，则适用于对切削需求更大的设备。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的PDC复合片仅仅是能够采用本实用新型原理的许多种PDC复合片中的几个示例。应当清楚地理解，本实用新型的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的PDC复合片的任何细节或PDC复合片的任何部件。

基于上述对本实用新型提出的PDC复合片的几个示例性实施方式的详细说明，以下将对本实用新型提出的PDC钻头的一实施方式进行说明。

在本实施方式中，本实用新型提出的PDC钻头包含多个PDC复合片。其中，这些PDC复合片中的至少其中一部分可以选用为本实用新型提出的并在上述实施方式中详细说明的PDC复合片。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的PDC钻头仅仅是能够采用本实用新型原理的许多种PDC钻头中的几个示例。应当清楚地理解，本实用新型的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的PDC钻头的任何细节或PDC钻头的任何部件。

综上所述，本实用新型提出的PDC复合片包含合金基体以及金刚石聚晶层，金刚石聚晶层设置于合金基体的前端，且金刚石聚晶层的前端的直径大于合金基体的直径。据此，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中，能够使流经的钻井液形成双流通形态/路径，从而实现PDC复合片的自我清洗、冷却等功能，并提供降本增效的功效。通过上述设计，本实用新型提出的PDC复合片在钻进过程中不易产生发热，从而能够缓解因发热造成的先期磨损。另外，本实用新型提出的PDC复合片，能够缓解与研磨性较强的岩性接触的区域切削过热，并加快例如螺杆钻具、涡轮钻具等高速钻具在钻进过程中的携岩效果，更加利于井底的清洗，从而有助于提高单位时间内的钻进米数。

以上详细地描述和/或图示了本实用新型提出的PDC复合片及PDC钻头的示例性实施方式。但本实用新型的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本实用新型提出的PDC复合片及PDC钻头进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本实用新型的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种PDC复合片，包含合金基体以及金刚石聚晶层，所述金刚石聚晶层设置于所述合金基体的前端；其特征在于，所述金刚石聚晶层的前端的直径大于所述合金基体的直径，所述金刚石聚晶层的后端的直径等于所述合金基体的直径。

2.根据权利要求1所述的PDC复合片，其特征在于，所述金刚石聚晶层的前端的直径与所述合金基体的直径之间的差值为0.05mm～0.2mm；和/或，所述金刚石聚晶层的前端的直径为13mm～21mm。

3.根据权利要求1所述的PDC复合片，其特征在于，所述金刚石聚晶层的周向表面为环状圆锥面，所述环状圆锥面在所述金刚石聚晶层的由后端至前端的方向上向外倾斜。

4.根据权利要求3所述的PDC复合片，其特征在于，所述金刚石聚晶层的周向表面相对于轴向的倾斜角度为0°～16°。

5.根据权利要求1所述的PDC复合片，其特征在于，所述金刚石聚晶层的前端面为平面；或者，所述金刚石聚晶层的前端面具有两个由中间至两侧向后倾斜的斜面，所述两个斜面分别为半圆形，每个所述斜面具有直径边和半圆弧边，且所述两个斜面的所述两个直径边重合。

6.根据权利要求1所述的PDC复合片，其特征在于，所述合金基体的前端设置有凸环结构，所述凸环结构由所述合金基体前端的周向表面沿径向向外凸伸而成，所述金刚石聚晶层的前端的直径大于所述凸环结构的直径。

7.根据权利要求6所述的PDC复合片，其特征在于，所述凸环结构在轴向上的厚度为1mm～5mm。

8.根据权利要求6所述的PDC复合片，其特征在于，所述PDC复合片还包含：

套筒，套设于所述合金基体的其余部分的外周，所述套筒的内径等于所述合金基体的其余部分的直径，所述套筒的外径等于所述金刚石聚晶层的前端的直径，所述套筒沿轴向开设有开口，所述开口沿轴向切断所述套筒而使所述套筒的径向截面呈“C”字型；

其中，所述套筒具有两个相对布置的侧切面，所述两个侧切面共同定义所述开口，两个所述侧切面的在所述套筒的前端与后端之间的延伸方向相平行或者具有夹角。

9.根据权利要求1所述的PDC复合片，其特征在于，所述合金基体的前端面为向前凸伸的圆锥面，所述圆锥面的轴心与所述合金基体的轴心重合，所述合金基体的前端面上设置有多个颗粒凸起。

10.一种PDC钻头，包含PDC复合片，其特征在于，所述PDC复合片为权利要求1～9任一项所述的PDC复合片。

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