專利名稱：一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及石油天然氣鉆井領(lǐng)域，具體是石油天然氣鉆井行業(yè)內(nèi)使用的一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭。
背景技術(shù)：
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。石油天然氣鉆井聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(以下簡稱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(yīng)用。PDC鉆頭核心部件是聚晶金剛石復(fù)合片切削齒(以下簡稱PDC復(fù)合片2)，PDC復(fù)合片2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I 圖2所示，為現(xiàn)有PDC鉆頭用PDC復(fù)合片2的切削原理模型示意圖。定 義PDC復(fù)合片的切削面4為沿著PDC復(fù)合片2的位移方向和地層3接觸的平面或曲面，標(biāo)記CEN為PDC鉆頭中心線，坐標(biāo)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(biāo)記PR為坐標(biāo)系YZ平面內(nèi)的井底形狀曲線，標(biāo)記PN為PDC復(fù)合片2的切削后角定位面，標(biāo)記V為PDC復(fù)合片的切削面4和PR井底形狀曲線交點的切削方向，標(biāo)記TR為單個PDC復(fù)合片2在一定的切入深度條件下切削地層3后的切削軌跡。當(dāng)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復(fù)合片2，使PDC復(fù)合片2切入地層
3。同時鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動PDC復(fù)合片2產(chǎn)生位移運動，從而實現(xiàn)PDC復(fù)合片2切削地層3的目的。多個相同作用的PDC復(fù)合片2被布置在PDC鉆頭的不同刀翼I和不同位置上，形成所有PDC復(fù)合片2的切削軌跡TR覆蓋整個井底截面形狀，從而實現(xiàn)PDC鉆頭鉆進地層3的目的。如圖3所示，為圖I中PN平面剖視圖，是現(xiàn)有PDC鉆頭用PDC復(fù)合片2的幾何結(jié)構(gòu)及擠壓地層3的破巖機理示意圖，標(biāo)記V為切削齒的位移運動方向?，F(xiàn)有石油鉆井roc鉆頭用PDC復(fù)合片2由硬質(zhì)合金基體和聚晶金剛石復(fù)合相互組成一體，整個roc復(fù)合片2為圓柱形結(jié)構(gòu)，并且聚晶金剛石端部平面作為roc復(fù)合片的切削面4。當(dāng)roc復(fù)合片2切入地層3沿著V方向切削地層3時，PDC復(fù)合片2的聚晶金剛石端部平面對地層3產(chǎn)生擠壓作用，使PDC復(fù)合片2下部的地層3受多向壓應(yīng)力作用，當(dāng)?shù)貙?受到的壓應(yīng)力超過地層3的抗壓強度時地層3被壓碎裂，這就是現(xiàn)有石油鉆井PDC鉆頭用PDC復(fù)合片2破巖機理。由于是擠壓破巖機理，不可避免的存在諸多問題。I.因為地層3巖性的抗壓強度比抗剪切強度高很多，因此擠壓破巖的破巖效率低，影響PDC鉆頭的機械鉆速。2. PDC復(fù)合片2的位移運動推動碎裂的巖石被擠壓出地層3時,巖石和PDC復(fù)合片2的聚晶金剛石端部平面發(fā)生強烈的摩擦產(chǎn)生巨大的熱量使PDC復(fù)合片2聚晶金剛石的溫度大幅增加，導(dǎo)致PDC復(fù)合片2的抗研磨能力大幅降低，降低PDC鉆頭的使用壽命。3.由于PDC復(fù)合片2和地層3接觸3的切削面4為聚晶金剛石平面，當(dāng)鉆遇礫石地層3時PDC復(fù)合片2聚晶金剛石平面和地層3礫石發(fā)生激烈正碰撞，導(dǎo)致聚晶金剛石崩損或脫落，使PDC復(fù)合片2失去破巖能力，最終導(dǎo)致PDC鉆頭失效。這也是PDC鉆頭鉆遇礫石地層3時被迫起鉆，換用牙輪鉆頭鉆穿礫石地層3再下PDC鉆頭實施下部無礫石地層3鉆進的主要原因。4.當(dāng)?shù)貙?的巖性具有一定的塑性時，PDC復(fù)合片2下部的地層3無法被壓碎只能被壓縮，導(dǎo)致roc鉆頭不適應(yīng)塑性地層3不能實現(xiàn)正常鉆進。5.上述第3條和第4條導(dǎo)致現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)地層3巖性能力差，PDC鉆頭設(shè)計制造廠家被迫不斷設(shè)計制造新型號roc鉆頭來適應(yīng)未鉆遇地層3的巖性。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種切削效率高的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭。本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，包括鉆頭體和設(shè)置在鉆頭體刀翼上的若干個聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合片構(gòu)成鉆頭的切削齒，所述聚晶金剛石復(fù)合片包括基體和聚晶金剛石層，所述聚晶金剛石層的端面對應(yīng)鉆頭體刀翼的外周面設(shè)置、切削齒的切削面為聚晶金剛石層的側(cè)面。所述刀翼的刃口處設(shè)置有用于安裝聚晶金剛石復(fù)合片的凹槽，基體的端面和側(cè)面對應(yīng)該凹槽安裝。所述基體為圓柱體，聚晶金剛石層為錐度圓臺體，兩者的中心線重合，聚晶金剛石層的小端與基體端面重合連接，聚晶金剛石層的側(cè)面為錐面。所述切削齒的切削后角小于或等于聚晶金剛石層錐度的1/2。所述切削齒的切削后角為5至45度。所述聚晶金剛石層的錐度為10至90度。所述硬質(zhì)合金基體圓柱形結(jié)構(gòu)的直徑為8至30毫米。所述聚晶金剛石層的大端直徑為8至30毫米。本實用新型所產(chǎn)生的有益效果是本實用新型的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，徹底改變了現(xiàn)有PDC切削齒聚晶金剛石平面擠壓地層的破巖機理。應(yīng)用本實用新型錐形切削齒于PDC鉆頭上，當(dāng)PDC錐形切削齒切入地層沿著V方向切削地層時，PDC錐形切削齒的聚晶金剛石錐形面對地層產(chǎn)生剪切作用，使PDC錐形切削齒下部的地層主要受剪切應(yīng)力作用，當(dāng)?shù)貙邮艿降募羟袘?yīng)力超過地層的抗剪切強度時地層被剝落分離，從而實現(xiàn)PDC錐形切削齒剪切破巖機理。由于是剪切破巖機理，相比擠壓破巖機理具有很大的優(yōu)勢。I.因為地層的抗剪切強度比地層的抗壓強度低很多，因此剪切破巖的破巖效率聞，大幅提聞PDC鉆頭的機械鉆速。2. PDC錐形切削齒的位移運動起到剝落分離地層巖石的作用，巖石和PDC錐形切削齒的聚晶金剛石錐形面產(chǎn)生的摩擦熱量不會使PDC錐形切削齒聚晶金剛石的溫度大幅增加，因此PDC錐形切削齒的抗研磨能力大幅提高，大幅延長PDC鉆頭的使用壽命。3.由于PDC錐形切削齒和地層接觸的切削面為錐形面而非平面，當(dāng)鉆遇礫石地層時大大減少切削齒聚晶金剛石切削面和礫石的正碰撞幾率，減少聚晶金剛石的崩損或脫落，大幅提高切削齒的抗沖擊能力，提高PDC鉆頭抗礫石地層的能力。[0025]4.當(dāng)?shù)貙拥膸r性具有一定的塑性時，PDC錐形切削齒下部的塑性地層受剪切，PDC鉆頭仍然能實現(xiàn)正常鉆進，提高PDC鉆頭抗塑性地層的能力。5.上述第3條和第4條改善了現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)地層巖性能力差的不足，大幅提高PDC鉆頭適應(yīng)地層巖性的能力。本實用新型改善了 PDC鉆頭的破巖效率，大幅提高PDC鉆頭的鉆井速度?；诩羟械貙拥钠茙r機理，能夠大大降低本實用新型切削齒切削面和地層的摩擦發(fā)熱，提高切削齒的抗研磨能力，大幅延長PDC鉆頭的使用壽命，同時極大改善現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)地層巖性能力差的不足，提高PDC鉆頭抗礫石地層和抗塑性地層的能力，提高PDC鉆頭適應(yīng)各種地層巖性的能力。本實用新型PDC錐形切削齒的制造完全不改變現(xiàn)有PDC切削齒的原材料、力口工工藝和制造設(shè)備，并且不改變現(xiàn)有PDC切削齒技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗規(guī)范，即不需要任何創(chuàng)造性勞動就能實施，可以廣泛應(yīng)用在石油及天然氣、地質(zhì)和煤炭鉆井工程行業(yè)內(nèi)，易于大規(guī)模使用和推廣。

圖I為現(xiàn)有PDC切削齒的切削原理模型示意圖；圖2為圖I的X向視圖；圖3為圖I中PN平面剖視圖；圖4為本實用新型PDC切削齒的切削原理模型示意圖；圖5為圖4的X向視圖；圖6為圖4中PN平面剖視圖；圖I為本實用新型PDC錐形切削齒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實用新型PDC鉆頭的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號表示I-刀翼，2-現(xiàn)有PDC復(fù)合片，3-地層，4-切削面，5_本實用新型聚晶金剛石復(fù)合片，6-鉆頭體，10-基體，11-聚晶金剛石層。a_聚晶金剛石層的錐形角度，b-PDC錐形切削齒的切削后角，d_硬質(zhì)合金基體的直徑，D-聚晶金剛石層的大端直徑。CEN為PDC鉆頭中心線，以GEN上PDC鉆頭鉆進方向為Z軸建立坐標(biāo)系，則PR為坐標(biāo)系YZ平面內(nèi)的井底形狀曲線，PN為PDC切削齒的切削后角定位面，V為PDC切削齒切削面和PR井底形狀曲線交點的切削方向，TR為PDC切削齒切削面的切削軌跡(在給定的PDC切削齒切入地層深度條件下)。
具體實施方式
如圖4 圖8所示，本實用新型是一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，本實用新型的鉆頭體6沿軸向具有若干個刀翼1，刀翼I采用螺旋型線設(shè)計或直溝槽設(shè)計、在鉆頭體6外周面上等分或不等分布置。鉆頭體刀翼I上設(shè)置有若干個聚晶金剛石復(fù)合片5、構(gòu)成鉆頭的切削齒，該聚晶金剛石復(fù)合片5包括基體10和聚晶金剛石層11?；w10 —般多為硬質(zhì)合金基體10，聚晶金剛石層11是由金剛石微粉和粘結(jié)劑在高溫高壓條件下聚合而成的復(fù)合晶體材料，具有高硬度、高耐磨性和相對高的熱導(dǎo)率等優(yōu)點。刀翼I的刃口處設(shè)置有用于安裝聚晶金剛石復(fù)合片5的凹槽，基體10的端面和側(cè)面對應(yīng)該凹槽安裝；聚晶金剛石層11的端面對應(yīng)刀翼I的外周面設(shè)置、聚晶金剛石復(fù)合片5 (切削齒)的切削面4為聚晶金剛石層11的側(cè)面。這里對聚晶金剛石復(fù)合片5不做限定，因為聚晶金剛石復(fù)合片5可以為各種形狀，其橫截面可以是圓形、橢圓、多邊形等等。效果最佳的是橫截面形狀為圓形的聚晶金剛石復(fù)合片5，為達到更好的切削效果，將聚晶金剛石復(fù)合片5 (切削齒)的切削面4設(shè)計為錐面，使其磨損后，還能具有至少兩個刃部。具體如下標(biāo)記CEN為PDC鉆頭中心線，坐標(biāo)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(biāo)記PR為坐標(biāo)系YZ平面內(nèi)的井底形狀曲線，標(biāo)記PN為PDC錐形切削齒的切削后角b定位面，標(biāo)記V為PDC錐形切削齒切削面4和PR井底形狀曲線PR交點的切削方向，標(biāo)記TR為PDC錐形切削齒切削面4的切削軌跡(在給定的PDC錐形切削齒切入地層 3深度條件下)。標(biāo)記a為錐形聚晶金剛石層11結(jié)構(gòu)的錐形角度，標(biāo)記d為圓柱形硬質(zhì)合金基體10的直徑，標(biāo)記D為錐形聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的大端直徑。聚晶金剛石復(fù)合片5錐形切削齒(以下簡稱PDC錐形切削齒)由硬質(zhì)合金基體10和聚晶金剛石層11相互復(fù)合組成一體硬質(zhì)合金基體10的主體結(jié)構(gòu)為圓柱形，直徑d為8至30毫米；聚晶金剛石層11的主體結(jié)構(gòu)為錐度圓臺形，其側(cè)面為錐面錐形小端直徑等于硬質(zhì)合金基體10直徑d，錐形大端直徑D為8至30毫米，錐度角a為10至90度。硬質(zhì)合金基體10和聚晶金剛石層11的中心線CEN重合，聚晶金剛石層11的錐形小端與硬質(zhì)合金基體10端面重合結(jié)合成為一個整體，PDC錐形切削齒應(yīng)用于石油鉆井PDC鉆頭上，聚晶金剛石層11的側(cè)面一錐形面，作為PDC鉆頭切削齒剪切地層3的切削面4。當(dāng)對鉆頭施加一定的向下(即Z軸方向)鉆壓時，鉆頭體6將向下鉆壓傳遞給roc錐形切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)，使PDC切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)切入地層3。同時鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動roc錐形切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)產(chǎn)生位移運動，從而實現(xiàn)roc錐形切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)切削地層3的目的。多個相同作用的PDC錐形切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)被布置在PDC鉆頭的不同刀翼I和不同位置上，形成所有PDC錐形切削齒(聚晶金剛石復(fù)合片5)的切削軌跡TR覆蓋整個井底截面形狀，從而實現(xiàn)PDC鉆頭鉆進地層3的目的。本實用新型PDC錐形切削齒應(yīng)用于PDC鉆頭上，只要PDC錐形切削齒的切削后角b滿足以下條件b < a/2,即可實現(xiàn)PDC錐形切削齒錐形切削面4剪切地層3的破巖機理。因此，聚晶金剛石層11的錐度選擇為10至90度，則切削齒的切削后角b為5至45度。為保持PDC錐形切削齒錐形切削面4有效的剪切破巖效果，足夠的切削前角是必要的，推薦切削前角為10至15度，因此PDC錐形切削齒的聚晶金剛石層11的錐形角度a最佳為40至70度。在實際應(yīng)用中，推薦PDC錐形切削齒的切削后角b為10至20度。當(dāng)然以上的數(shù)據(jù)一定要根據(jù)地層3巖性的變化進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能達到最佳的剪切破巖效果。PDC錐形切削齒的硬質(zhì)合金圓柱體鑲嵌在鉆頭體6的設(shè)計安裝孔中，再通過銀釬料與鉆頭體6釬接來實現(xiàn)PDC錐形切削齒固定在PDC鉆頭上。該釬接技術(shù)為成熟技術(shù)，不需要任何創(chuàng)造性勞動就能實施。圖8為本實用新型PDC錐形切削齒應(yīng)用于PDC鉆頭的鉆頭設(shè)計數(shù)學(xué)模型。鉆頭設(shè)計直徑為6英寸，保徑長度為2英寸，5個切削刀翼I。其中，本實用新型PDC錐形切削齒錐形聚晶金剛石層11的大端直徑D為15. 88毫米，錐形聚晶金剛石的錐形角度a為50度，PDC錐形切削齒切削后角b為15度?！?br> 權(quán)利要求1.一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，包括鉆頭體和設(shè)置在鉆頭體刀翼上的若干個聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合片構(gòu)成鉆頭的切削齒，所述聚晶金剛石復(fù)合片包括基體和聚晶金剛石層，其特征在于所述聚晶金剛石層的端面對應(yīng)鉆頭體刀翼的外周面設(shè)置、切削齒的切削面為聚晶金剛石層的側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述刀翼的刃口處設(shè)置有用于安裝聚晶金剛石復(fù)合片的凹槽，基體的端面和側(cè)面對應(yīng)該凹槽安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述基體為圓柱體，聚晶金剛石層為錐度圓臺體，兩者的中心線重合，聚晶金剛石層的小端與基體端面重合連接，聚晶金剛石層的側(cè)面為錐面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述切削齒的切削后角小于或等于聚晶金剛石層錐度的1/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述切削齒的切削后角為5至45度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述聚晶金剛石層的錐度為10至90度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述硬質(zhì)合金基體圓柱形結(jié)構(gòu)的直徑為8至30毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，其特征在于所述聚晶金剛石層的大端直徑為8至30毫米。
專利摘要本實用新型提供了一種聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，包括鉆頭體和設(shè)置在鉆頭體刀翼上的若干個聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合片構(gòu)成鉆頭的切削齒，所述聚晶金剛石復(fù)合片包括基體和聚晶金剛石層，所述聚晶金剛石層的端面對應(yīng)鉆頭體刀翼的外周面設(shè)置、切削齒的切削面為聚晶金剛石層的側(cè)面。徹底改變現(xiàn)有石油鉆井PDC鉆頭切削齒擠壓地層的破巖機理為剪切地層的破巖機理，可大幅提高PDC鉆頭的鉆井速度和大幅延長石油鉆井PDC鉆頭的使用壽命，同時提高PDC鉆頭抗礫石地層和抗塑性地層的能力，提高PDC鉆頭適應(yīng)各種地層巖性的能力。
文檔編號E21B10/46GK202493221SQ201220112390
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者王建奎 申請人:王建奎