一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体和牙轮，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮上设置有切削齿，牙轮上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿，PDC组合齿由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体和覆盖本体支撑面60％以上区域的聚晶金刚石层构成，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层紧密贴合，并由外侧的两本体夹持呈四层夹心结构；PDC组合齿设置在牙轮上时，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75‑90°之间。本发明专利技术能够提高单牙轮钻头的破岩效率和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头
本专利技术属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，具体的讲涉及一种单牙轮钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿(切削齿)对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的切削齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头牙轮上的切削齿一部分(牙轮前端)始终与井底接触破岩，一部分切削齿轮换与井底接触破岩,这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区(牙轮前端，如图5的21)和交替接触区(如图5的22)。单牙轮钻头钻进过程中牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断地变化：牙轮恒接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～180°之间变化。这使单牙轮钻头上无法直接应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片(PDC齿)等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于聚晶金刚石复合片(PDC齿)是由本体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮切效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前本体在后。如果PDC齿在工作过程中直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是单牙轮钻头的致命弱点，切削齿易磨损严重影响了单牙轮钻头的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，以提高单牙轮钻头的破岩效率和使用寿命。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，包括钻头体和牙轮，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮上设置有切削齿，牙轮上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿，PDC组合齿由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体和覆盖本体支撑面60％以上区域的聚晶金刚石层构成(优选由本体和覆盖本体整个支撑面的聚晶金刚石层构成)，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层紧密贴合，并由外侧的两本体夹持呈四层夹心结构，且靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度均小于中间聚晶金刚石层厚度的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度均大于中间聚晶金刚石层厚度的3倍；PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75-90°。聚晶金刚石复合片又称PDC齿(PolycrystallineDiamondCompact)或PDC复合片，由聚晶金刚石层和本体两部分组成(参考图6)。PDC齿采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成。金刚石微粉形成PDC齿的聚晶金刚石层(厚度一般在0.5-3mm之间)，硬质合金基片成为PDC齿的本体。PDC齿既具有金刚石的高硬度、高耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。PDC齿适合于以刮切的方式工作，由于PDC齿的聚晶金刚石层的硬度和耐磨性远远高于硬质合金材料的本体，因此PDC齿在刮切工作时具有自锐性，即聚晶金刚石层的磨损速度明显慢于本体，使PDC齿的切削刃(硬而耐磨的聚晶金刚石层)始终保持锐利状态。PDC齿刮切工作时，起主要刮切作用的是聚晶金刚石层。PDC齿的聚晶金刚石层硬而脆，本体相对软但具有很好的抗冲击韧性，因此PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前本体在后进行刮切(参考图7)，即本体处在聚晶金刚石层的后部推持支撑着聚晶金刚石层。如果PDC齿在工作过程中反向运动，本体在前聚晶金刚石层在后进行刮切，聚晶金刚石层直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂或脱落，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。本专利中，PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线，是指垂直于PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的直线。牙轮轮廓曲面，是指在设置切削齿前，原牙轮实体表面(曲面)。牙轮轮廓曲面某点处的法线，是指垂直于该点切平面的直线。牙轮上的PDC组合齿设置点，是指在设置PDC组合齿前，原牙轮表面上用以设置切削齿的定位(参考)点。轴平面是指过牙轮轴线的平面；过PDC组合齿设置点的轴平面是指既过PDC组合齿设置点又过牙轮轴线的平面，即由PDC组合齿设置点和牙轮轴线确定的平面。本专利中将两颗聚晶金刚石层相贴合的PDC齿形成的PDC组合齿设置在单牙轮钻头的牙轮上，其较现有技术的有益效果是：1、本专利单牙轮钻头上的PDC组合齿由两颗聚晶金刚石层相贴合的PDC齿构成，PDC组合齿的聚晶金刚石层处在两PDC齿的硬质合金本体的中间，形成前后都有硬质合金本体中间是聚晶金刚石层的组合齿。PDC组合齿在刮切破岩过程中，无论组合齿相对岩石的刮切方向如何，各PDC齿的聚晶金刚石层均不会像普通单颗PDC齿那样使本体在前聚晶金刚石层在后刮切岩石。PDC组合齿的两颗PDC齿的聚晶金刚石层是相互紧密贴合的，当一颗PDC齿的本体在前聚晶金刚石层在后时，另一颗PDC齿的聚晶金刚石层将在前而本体在后，刮切过程中总有本体在后推持支撑着聚晶金刚石层。这样，无论切削齿相对岩石的运动方向如何改变，PDC组合齿都不会像单颗独立的PDC齿那样发生聚晶金刚石层的崩裂或脱落。另外，牙轮上的PDC组合齿由两颗PDC齿组合构成，其耐磨性远远高于普通牙轮钻头上采用的硬质合金齿。因此，PDC组合齿应用在单牙轮钻头的牙轮上将能明显提高钻头牙齿的耐磨性，进而提高钻头的使用寿命。2、本专利的PDC组合齿采用两颗PDC齿组合而成的四层夹心结构(本体-聚晶金刚石层-聚晶金刚石层-本体)，可以直接采用现有PDC齿直接组合而成，最为简单高效。根据本专利前述内容，本领域技术人员可知，作为本专利结构的一种容易想到的替代：三层夹心结构(本体-聚晶金刚石层-本体)，这种结构可以想到的两种实现方式，一种是直接整体成型，这种方案理论上可以实现，但由于实际加工过程过于困难，几乎无法实现，无法具备本专利在产业上应用的显著便利高效优势；另一种是现有PDC齿与单独本体的组合，同样地，需要额外设计加工一个单独的本体，无法具备本专利在产业上应用的显著便利高效优势。这是因为，PDC齿的聚晶金刚石层与单独的本体直接贴合，当PDC齿反向刮切时，单独本体为PDC齿的聚晶金刚石层提供的是接触式的机械推力，单独本体与聚晶金刚石层未形成紧密融合，PDC齿的聚晶金刚石层受反向作用力刮切磨损时，聚晶金刚石层的磨损脱落与单独的PDC齿反向刮切时的磨损脱落类似。单独本体只能给聚晶金刚石层机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，包括钻头体和牙轮，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮上设置有切削齿，其特征在于：牙轮上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿，PDC组合齿由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体和覆盖本体支撑面60％以上区域的聚晶金刚石层构成，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层紧密贴合，并由外侧的两本体夹持呈四层夹心结构，且靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度均小于中间聚晶金刚石层厚度的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度均大于中间聚晶金刚石层厚度的3倍；PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75‑90°。

【技术特征摘要】
1.一种具有PDC组合齿的单牙轮钻头，包括钻头体和牙轮，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮上设置有切削齿，其特征在于：牙轮上的切削齿至少有一颗为PDC组合齿，PDC组合齿由两颗PDC齿组合而成，PDC齿由本体和覆盖本体支撑面60%以上区域的聚晶金刚石层构成，两颗PDC齿的组合方式为聚晶金刚石层紧密贴合，并由外侧的两本体夹持呈四层夹心结构，且靠近牙轮部分的厚度大于远离牙轮部分的厚度，最远离牙轮的尖端部分的两侧本体厚度均小于中间聚晶金刚石层厚度的2倍，固定于牙轮内的两侧本体厚度均大于中间聚晶金刚石层厚度的3倍；PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角在75-90°。2.如权利要求1所述的具有PDC组合齿的单牙轮钻头，其特征在于：PDC组合齿的聚晶金刚石层贴合面的法线与牙轮上该PDC组合齿设置点处的牙轮轮廓曲面的法线的夹角为90°。3.如权利要求1或2所述的具有PDC组合齿的单牙轮钻头，其特征在于：PDC组合齿的聚晶金刚石层平面与过该PDC组合齿设置点的轴平面之间的夹角在45-90°；所述轴平面是指过牙轮轴线的平面；过PDC组合齿设置点...

【专利技术属性】
技术研发人员：程文明，陈炼，杨迎新，杨燕，范晓勒，
申请(专利权)人：西南交通大学，四川川石·克锐达金刚石钻头有限公司，西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51