[實用新型]一種聚晶金剛石復合片切削齒

有效

• 申請號: 201320450460.5
• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN203383738U
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 王建奎
• 申請（專利權）人: 王建奎
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46
• 代理公司: 成都蓉信三星專利事務所(普通合伙) 51106
• 代理人: 段雪茵

技術領域

本實用新型涉及石油天然氣鉆井工具領域，進一步涉及在石油天然氣鉆井作業中、廣泛使用的聚晶金剛石復合片鉆頭（以下簡稱PDC鉆頭），具體是一種PDC鉆頭上作為鉆頭切削單元的聚晶金剛石復合片切削齒（以下簡稱PDC切削齒）。?

背景技術

由于世界能源日趨緊張，石油天然氣鉆井活動不斷增加，所以對石油天然氣鉆井鉆頭的需求量也越來越大。石油天然氣鉆井PDC鉆頭由于鉆井速度高和使用壽命長，因此得到了極其廣泛的應用。PDC鉆頭核心部件是聚晶金剛石復合片切削齒，即PDC切削齒。PDC切削齒作為PDC鉆頭的破巖切削元件，其抗研磨性能和抗沖擊性能直接影響PDC鉆頭實際鉆井的綜合性能。?

如圖1～圖2所示，為現有PDC鉆頭用PDC切削齒的切削原理模型示意圖。定義PDC切削齒的切削面為沿著PDC切削齒的位移方向和地層接觸的平面或曲面，標記CEN為PDC鉆頭中心線，坐標系Z軸和PDC鉆頭中心線重合并且指向PDC鉆頭的鉆進方向，標記PR為坐標系YZ平面內的井底形狀曲線，標記PN為PDC切削齒的切削后角定位面，標記V為PDC切削齒切削面和PR井底形狀曲線交點的切削方向，標記TR為單個PDC切削齒在一定的切入深度條件下切削地層后的切削軌跡。當對鉆頭施加一定的向下（即Z軸方向）鉆壓時，鉆頭體將向下鉆壓傳遞給PDC切削齒，使PDC切削齒切入地層。同時鉆頭的旋轉運動驅動PDC切削齒產生位移運動，從而實現PDC切削齒切削地層的目的。多個相同作用的PDC切削齒被布置在PDC鉆頭的不同刀翼和不同位置上，形成所有PDC切削齒的切削軌跡覆蓋整個井底截面形狀TR，從而實現PDC鉆頭鉆進地層的目的。?

如圖3所示，為圖1中PN平面剖視圖，是現有PDC鉆頭用PDC切削齒的幾何結構及擠壓地層的破巖機理示意圖，標記1為PDC鉆頭的鉆頭體，標記2為現有PDC鉆頭用PDC切削齒的幾何結構形狀，標記3為地層，標記4為PDC切削齒的切削面，標記V為切削齒的位移運動方向。現有石油天然氣鉆井PDC鉆頭用PDC切削齒由硬質合金基體和聚晶金剛石復合相互組成一體，?整個PDC切削齒為圓柱形結構，并且聚晶金剛石端部平面作為PDC切削齒的切削面。當PDC切削齒切入地層沿著V方向切削地層時，PDC切削齒的聚晶金剛石端部平面對地層產生擠壓作用，使PDC切削齒下部的地層受多向壓應力作用，當地層受到的壓應力超過地層的抗壓強度時地層被壓碎裂，這就是現有石油天然氣鉆井PDC鉆頭用PDC切削齒破巖機理。?

如圖4所示，為現有PDC切削齒的結構示意圖。標記5為硬質合金基體，標記6為聚晶金剛石層。PDC切削齒是金剛石微粉和已成型的硬質合金基體在高溫高壓下合成的復合體，通常加壓到5～6GPa和升溫超過1300°C時，原始的金剛石晶粒的邊界已經消失，所有的金剛石晶?；具B成一體，形成以D-D鍵結合的多晶體，如圖5所示。由于PDC切削齒內的金剛石顆粒7是本體相連，并且排列沒有方向，因此PDC切削齒的耐磨性接近單晶金剛石，但其抗沖擊性卻大大超出。PDC切削齒內的粘接金屬鈷源于硬質合金基體，并促使與基體緊密相連，從而提高了PDC切削齒的韌性?；谝陨咸匦裕虼薖DC切削齒最適合作為PDC鉆頭的切削單元，被廣泛應用于石油天然氣PDC鉆頭。現有PDC切削齒有如下的結構和性能特征：?

①?PDC切削齒是硬質合金基體和聚晶金剛石的復合體。

②?PDC切削齒整體為一圓柱體，具有同一外徑D，兩端面垂直于圓柱體中心線。?

③?硬質合金基體是PDC切削齒與PDC鉆頭連接的載體，被釬焊在PDC鉆頭的鉆頭體上。（聚晶金剛石和釬焊釬接料沒有親和力，無法實現和鉆頭體的直接釬接）?

④?聚晶金剛石層端面作為切削面直接與地層接觸，起破碎和切削地層巖石的作用，如圖4所示。

⑤?聚晶金剛石層端面與外圓的結合棱邊有45°倒角C2，主要是提高聚晶金剛石棱邊的抗沖擊能力，如圖3～圖4所示。?

⑥?硬質合金基體端面與外圓的結合棱邊有45°倒角C1，主要是保證硬質合金基體端面和外圓能和鉆頭體焊接孔有效接觸，提高PDC切削齒與鉆頭體的釬焊可靠性，如圖3～圖4所示。?

金剛石微粉和已成型的硬質合金基體經過高溫高壓合成后，制成PDC切削齒產品坯料，還需要加工成如圖4所示規整的形狀。較為典型的主要加工內容為：?

①?磨整體外圓D；

②?磨金剛石層端面；

③?磨硬質合金基體端面；

④?磨倒角C1；

⑤?磨倒角C2；

⑥?拋光。

以上加工內容主要為磨削加工，存在諸如下述問題。?