一种PDC齿及采用该齿的PDC钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种PDC齿及采用该齿的PDC钻头，PDC齿从上至下设置有聚晶金刚石平面薄层、硬质合金层、聚晶金刚石曲面层、硬质合金层、聚晶金刚石平面层、硬质合金层，其中包括三个工作面，所述聚晶金刚石平面薄层构成第一工作面，所述聚晶金刚石曲面层构成第二工作面，所述聚晶金刚石平面层构成第三工作面。在较软地层中，由第一工作面切削地层；在中硬地层中，由二工作面继续切削地层；在硬地层中，由第三工作面继续切削地层。三层聚晶金刚石层根据不同的地层条件来发挥作用，既保留了PDC齿在软地层破岩效率高的特点，又增强PDC齿在难钻地层的吃入及抗冲击能力，提高钻头的破岩效率和延长使用寿命，从而降低钻井成本。从而降低钻井成本。从而降低钻井成本。

【技术实现步骤摘要】
一种PDC齿及采用该齿的PDC钻头


[0001]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
，特别是涉及一种PDC齿及采用该齿的PDC钻头。

技术介绍

[0002]聚晶金刚石复合片是钻井工程中的钻井工具、破岩工具上使用的切削元件，简称为复合片或PDC齿。常规聚晶金刚石复合片通常由聚晶金刚石层与基体(基体材料通常为硬质合金)在高温高压下复合而成，因此复合片既具有聚晶金刚石层有高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。
[0003]复合片的切削刃轮廓形状与其吃入地层的难易程度密切相关，一般情况下，切削刃轮廓线与岩石相接触的区域越小，复合片吃入地层就越容易。通常新钻头的切削齿吃入地层的能力强，钻头机械钻速度高，但当钻头钻进一段时间切削齿有磨损后，钻头的机械钻速会明显下降。这是因为，新钻头切削齿的切削刃轮廓线为弧线，与岩石接触的齿尖轮廓曲率半径小，切削齿容易吃入地层；当切削齿有磨损后，切削齿变钝，切削齿与岩石接触的轮廓线曲率半径变大或变为直线，接触范围变大，切削齿难以有效地吃入地层，破岩效率降低，从而降低机械钻速。常规复合片的聚晶金刚石层通常为连续的整体，在软地层中吃入地层的能力强，但在硬地层中易因受振动、冲击等而出现聚晶层成块或整体脆崩脱落。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是克服上述现有技术的不足之处，提供一种能根据不同的地层条件来分别发挥作用，既保留了PDC齿在较软地层中吃入能力强的优势，又增强PDC齿在较硬地层或复杂难钻地层的吃入能力以及抗冲击能力的PDC 齿及采用该齿的PDC钻头。
[0005]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0006]一种PDC齿，其特征在于：PDC齿从上至下设置有聚晶金刚石平面薄层、硬质合金层、聚晶金刚石曲面层、硬质合金层、聚晶金刚石平面层、硬质合金层，其中PDC齿包括三个工作面，所述聚晶金刚石平面薄层构成第一工作面，所述聚晶金刚石曲面层构成第二工作面，所述聚晶金刚石平面层构成第三工作面。
[0007]这样的PDC齿在较软地层中，由聚晶金刚石平面薄层构成的第一工作面发挥刮切作用；在中硬地层中，聚晶金刚石平面薄层因冲击振动等因素脆崩、脱落，由聚晶金刚石曲面层构成的第二工作面继续切削地层，比第一工作面有更强的吃入能力及抗冲击能力；在硬地层中，聚晶金刚石曲面由于振动冲击等原因崩落，由聚晶金刚石平面层构成的第三工作面继续切削地层。三部分聚晶金刚石层根据不同的地层条件来分别发挥作用，既保留了PDC齿在较软地层中吃入能力强的优势，又增强PDC齿在较硬地层或复杂难钻地层的吃入能力以及抗冲击能力，提高钻头的破岩效率和延长钻头寿命，从而降低钻井成本。
[0008]进一步选择，所述聚晶金刚石薄层、聚晶金刚石曲面层、聚晶金刚石平面层的横截面与硬质合金层横截面形状一致。
[0009]上述方案中，所述聚晶金刚石薄层、聚晶金刚石曲面层、聚晶金刚石平面层的横截面与硬质合金层横截面形状一致，横截面形状包括圆形，椭圆形，梯形，扇形。
[0010]进一步选择，所述聚晶金刚石曲面层为斧型齿，即PDC齿的第二工作面为斧型齿的工作面。
[0011]进一步选择，所述聚晶金刚石曲面层为奔驰齿，即PDC齿的第二工作面为奔驰齿的工作面。
[0012]进一步选择，所述聚晶金刚石曲面层为内凹齿，即PDC齿的第二工作面为内凹齿的工作面。
[0013]上述方案中，聚晶金刚石曲面层包括斧型齿、奔驰齿、内凹齿3种不同类型的齿形，这样能够提高PDC齿对不同地层的适应性，拓宽切削齿的应用范围。
[0014]进一步选择，所述聚晶金刚石平面薄层、聚晶金刚石曲面层、聚晶金刚石平面层的下表面与硬质合金上表面为结合面，该结合面为平面、波浪形曲面、内凹球面。
[0015]上述方案中，聚晶金刚石平面薄层、聚晶金刚石曲面层、聚晶金刚石平面层的下表面与硬质合金结合，该结合面为平面、波浪形曲面、内凹球面各种复杂曲面，增加聚晶层与硬质合金层的接触面积和体积，从而提高切削齿的抗冲击能力和抗高温能力。
[0016]进一步选择，所述聚晶金刚石平面薄层厚度不大于1.5mm,且聚晶金刚石曲面层厚度的范围为2mm至6mm，聚晶金刚石平面层厚度范围为2mm至6mm。
[0017]上述方案中，参考图2，所述聚晶金刚石平面薄层厚度不大于1.5mm,即h1 ≤1.5mm，且聚晶金刚石曲面层厚度的范围为2mm至6mm，即2mm≤h2≤6mm, 聚晶金刚石平面层厚度范围为2mm至6mm,2mm≤h3≤6mm，限定不同聚晶金刚石层的层厚使不同聚晶金刚石层的作用能够最大发挥，大幅度的提升PDC齿在软硬夹层、不均值地层的适应能力。
[0018]一种PDC钻头，包括有钻头体，刀翼、水眼和切削齿，所述刀翼延伸自钻头体，在刀翼底部的钻头体上设置有贯通的水眼，所述切削齿固结在刀翼上，其特征在于：至少一个钻头的刀翼上采用根据权利要求1、2、3、4、5、6或7 所述PDC齿。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0020]1.常规聚晶金刚石复合片在硬地层容易出现整体脱落或者部分脆崩，本专利技术的PDC齿利用多个工作面的结构特点，保留在较软地层中的刮切优势，同时增强在硬地层中吃入地层能力和抗冲击能力，扩大了PDC齿适用地层的范围，即从软地层到硬地层甚至中硬地层，延长了PDC齿的使用寿命。
[0021]2.本专利技术复合片的第二工作面由聚晶金刚石曲面层构成，切削齿在岩石上易于形成应力集中，有利于有效地吃入地层，提高破岩效率，同时聚晶金刚石曲面齿抗冲击能力增加，切削齿稳定性增加，减小PDC齿冲击失效的发生。
[0022]3.三个工作面中的聚晶金刚石单元之间互不接触，即使某块聚晶金刚石单元发生脆崩脱落，也不易波及影响到其它单元。因此，本专利技术能有效减少和避免聚晶金刚石层的大面积或整体脆崩脱落失效，从而提高复合片在硬地层中的使用寿命。
[0023]4.本专利技术的聚晶金刚石单元与硬质合金层之间相互嵌入，同时聚晶金刚石薄层与硬质合金层的结合面为球面、波浪形曲面等等，纵向方向增加聚晶金刚石与基体之间的接触面积，从而使聚晶金刚石与基体之间固结得更牢靠，有利于延长复合片的使用寿命。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的立体结构示意图；
[0025]图2是本专利技术的轴向剖视图；
[0026]图3是本专利技术PDC齿第一工作面崩碎第二工作面工作的示意图；
[0027]图4是本专利技术PDC齿第二工作面崩碎第三工作面工作的示意图；；
[0028]图5是本专利技术PDC齿第二工作面为内凹面示意图；
[0029]图6是本专利技术PDC齿聚晶金刚石层与硬质合金层接合面为波浪曲面示意图；图7是采用该齿的PDC钻头示意图；
[0030]图中1
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聚晶金刚石平面薄层，11
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第一工作面，2
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聚晶金刚石曲面层，21
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第二工作面，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PDC齿，其特征在于：PDC齿从上至下设置有聚晶金刚石平面薄层、硬质合金层、聚晶金刚石曲面层、硬质合金层、聚晶金刚石平面层、硬质合金层，其中PDC齿包括三个工作面，所述聚晶金刚石平面薄层构成第一工作面，所述聚晶金刚石曲面层构成第二工作面，所述聚晶金刚石平面层构成第三工作面。2.根据权利要求1所述一种PDC齿，其特征在于：所述聚晶金刚石薄层、聚晶金刚石曲面层、聚晶金刚石平面层的横截面与硬质合金层横截面形状一致。3.根据权利要求1、2所述一种PDC齿，其特征在于：所述聚晶金刚石曲面层为斧型齿，即PDC齿的第二工作面为斧型齿的工作面。4.根据权利要求1、2所述一种PDC齿，其特征在于：所述聚晶金刚石曲面层为奔驰齿，即PDC齿的第二工作面为奔驰齿的工作面。5.根据权利要求1、2所述一种P...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄奎林，李华，杨迎新，牛世伟，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：