具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井工具技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于PDC鉆頭上的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片。
【背景技術(shù)】
[0002]PDC 鉆頭(PDC 為英文 Polycrystalline Diamond Compact bit 的縮寫，PDC 鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡稱)，是石油天然氣鉆井等行業(yè)常用的一種鉆井工具。PDC鉆頭大致由鉆頭體、切削齒、噴嘴及排肩槽等幾部分組成，PDC鉆頭是依靠安裝在鉆頭體上的切削齒切削地層的，其中，聚晶金剛石復(fù)合片(簡稱復(fù)合片或PDC齒)作為切削元件，是切削齒的核心，復(fù)合片一般為圓片狀，由硬質(zhì)合金基體(通常為碳化鎢)作為襯底與聚晶金剛石層復(fù)合而成，聚晶金剛石層的前面用作復(fù)合片的切削工作面，也稱為刃面。
[0003]PDC鉆頭破碎塑性巖石時，聚晶金剛石復(fù)合片在軸向壓力下吃入地層，同時復(fù)合片聚晶金剛石層刃面前的巖石在扭轉(zhuǎn)力的作用下不斷發(fā)生塑性變形，最終脫離母巖并被鉆井液帶走。當(dāng)鉆遇泥質(zhì)巖類地層時，由于泥質(zhì)巖中粘土礦物水化膨脹，巖肩塑性增強，極易粘附于復(fù)合片刃面上，不易被鉆井液攜帶脫離井底，隨著巖肩在復(fù)合片刃面上的堆積加劇，逐漸擴展到排肩槽內(nèi)，直至形成整個鉆頭泥包。
[0004]目前，提高PDC鉆頭自身防泥包性能的措施主要包括三方面:(I)鉆頭結(jié)構(gòu)改進；
(2)水力設(shè)計優(yōu)化；(3)鉆頭體表面處理。對于PDC鉆頭來說，泥包是由復(fù)合片刃面上巖肩的堆積開始的，而上述方法雖對整個鉆頭泥包的形成具有一定的預(yù)防效果，但未能從泥包形成初期進行有效控制。因此，很有必要設(shè)計一種能夠預(yù)防泥質(zhì)巖肩粘附的聚晶金剛石復(fù)入Ur
π / I ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，降低巖肩與復(fù)合片粘附的可能性，避免巖肩在復(fù)合片刃面上的附著和堆積，從根本上預(yù)防PDC鉆頭泥包的產(chǎn)生。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體和復(fù)合于所述硬質(zhì)合金基體上的聚晶金剛石層，在所述聚晶金剛石層的刃面上設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)。
[0007]優(yōu)選的，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括若干徑向溝槽，若干所述徑向溝槽沿所述刃面的徑向呈放射狀布置，將所述刃面分割成若干個扇區(qū)；優(yōu)選相鄰兩條所述徑向溝槽的夾角Θ =10 ?30°。
[0008]優(yōu)選的，所述溝槽結(jié)構(gòu)還進一步包括與所述徑向溝槽連通的若干弧形的周向溝槽，若干所述周向溝槽以所述刃面的中心為圓心呈同心分布。
[0009]優(yōu)選的，相鄰扇區(qū)的所述周向溝槽交錯設(shè)置。
[0010]優(yōu)選的，相鄰扇區(qū)的兩相鄰所述周向溝槽的間距為W，同一扇區(qū)內(nèi)兩相鄰所述周向溝槽的間距為2w，優(yōu)選w = 0.5?1mm。
[0011]優(yōu)選的，所述溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面呈矩形、梯形、三角形或弧形；所述溝槽結(jié)構(gòu)的寬度 a = 0.1 ?0.2mm，深度 b = 0.05 ?0.1mm。
[0012]采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，由于在聚晶金剛石層的刃面上設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽結(jié)構(gòu)的設(shè)置減小了鉆井過程中巖肩與刃面的接觸面積，從而降低了巖肩與復(fù)合片刃面間的粘附力；同時，刃面上的溝槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成了鉆井液的流動通道，鉆井液可以進入到溝槽內(nèi)，潤滑復(fù)合片刃面，降低巖肩與刃面的摩擦力和粘附力。
[0013]將溝槽結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計為沿刃面的徑向呈放射狀布置的若干徑向溝槽，以及與徑向溝槽連通的若干弧形的周向溝槽，大量的徑向溝槽與周向溝槽的存在，進一步減小了巖肩與刃面的接觸面積，降低了巖肩與復(fù)合片刃面間的粘附力；構(gòu)成了更多的鉆井液流動通道，進一步降低了巖肩與刃面的摩擦力和粘附力。
[0014]綜上所述，本發(fā)明的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片能夠有效提高聚晶金剛石復(fù)合片的防粘附性能，降低刃面與泥質(zhì)巖肩的粘附機率，避免巖肩在復(fù)合片刃面前的附著和堆積，從根本上預(yù)防了鉆頭泥包的形成，達(dá)到了減少鉆井輔助時間，提高鉆頭鉆進效率，降低鉆井成本的目的。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例一具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是圖1的俯視不意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明實施例二具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是圖3的俯視不意圖；
[0019]圖5是橫截面呈矩形的溝槽結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0020]圖6是橫截面呈三角形的溝槽結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0021]圖7是橫截面呈梯形的溝槽結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0022]圖8是橫截面呈弧形的溝槽結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
[0023]圖中:1_硬質(zhì)合金基體；2_聚晶金剛石層；3-刃面；41_徑向溝槽；42_周向溝槽。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行非限制性的詳細(xì)說明。
[0025]實施例一
[0026]如圖1和圖2所示，實施例一的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體I和復(fù)合于該硬質(zhì)合金基體I上的聚晶金剛石層2，在聚晶金剛石層2的刃面3上設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)，本實施例中，溝槽結(jié)構(gòu)包括若干徑向溝槽41，若干徑向溝槽41以刃面3的圓心為起點沿刃面3的徑向呈放射狀布置，將刃面3分割成若干個扇區(qū)。其中，相鄰的兩條徑向溝槽41之間的夾角Θ = 10?30°，圖中示意出了 Θ = 30°的情形。
[0027]如圖5、圖6、圖7和圖8所示，溝槽的橫截面可設(shè)計為矩形、梯形、三角形、弧形或其它適合的多種形狀；其中，溝槽的寬度a = 0.1?0.2mm，溝槽的深度b = 0.05?0.1mm0
[0028]實施例二
[0029]如圖3和圖4所示，實施例二的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，與實施例一基本相同，不同之處在于:在實施例一的基礎(chǔ)上，對溝槽結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計，實施例二中的溝槽結(jié)構(gòu)還包括與徑向溝槽41連通的若干弧形的周向溝槽42，若干周向溝槽42以刃面3的中心為圓心呈同心分布。其中，相鄰扇區(qū)的周向溝槽42最好交錯設(shè)置，與徑向溝槽41配合，延長了鉆井液迂回流動通道長度，可延長鉆井液在溝槽內(nèi)的儲存時間，有利于降低巖肩與刃面的摩擦力和粘附力。其中，相鄰扇區(qū)的兩相鄰的周向溝槽42的間距為W，同一扇區(qū)內(nèi)兩相鄰的周向溝槽42的間距為2w，優(yōu)選w = 0.5?1mm。
[0030]綜上所述，本發(fā)明的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，由于在聚晶金剛石層的刃面上設(shè)置有相互貫通的大量的溝槽，巖肩與復(fù)合片刃面的接觸面積少，粘附力降低；鉆井液可以進入到溝槽內(nèi)，潤滑復(fù)合片刃面，巖肩可被鉆井液攜帶脫離井底，從而避免了巖肩在復(fù)合片刃面前的附著和堆積，從根本上預(yù)防了 PDC鉆頭泥包的形成。
[0031]以上所述僅是本發(fā)明較佳實施方式的舉例，其中未詳細(xì)述及的部分均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的公知常識。本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，任何基于本發(fā)明的技術(shù)啟示而進行的等效變換，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，包括:硬質(zhì)合金基體和復(fù)合于所述硬質(zhì)合金基體上的聚晶金剛石層，其特征在于，在所述聚晶金剛石層的刃面上設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括若干徑向溝槽，若干所述徑向溝槽沿所述刃面的徑向呈放射狀布置，將所述刃面分割成若干個扇區(qū)。3.如權(quán)利要求2所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)還包括與所述徑向溝槽連通的若干弧形的周向溝槽，若干所述周向溝槽以所述刃面的中心為圓心呈同心分布。4.如權(quán)利要求3所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，相鄰扇區(qū)的所述周向溝槽交錯設(shè)置。5.如權(quán)利要求4所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，相鄰扇區(qū)的兩相鄰所述周向溝槽的間距為w，同一扇區(qū)內(nèi)兩相鄰所述周向溝槽的間距為2w。6.如權(quán)利要求5所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，w= 0.5?Imnin7.如權(quán)利要求2-6任一項所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，相鄰兩條所述徑向溝槽的夾角Θ = 10?30°。8.如權(quán)利要求1所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)的橫截面呈矩形、梯形、三角形或弧形。9.如權(quán)利要求8所述的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)的寬度a = 0.1?0.2謹(jǐn)，深度b = 0.05?0.1謹(jǐn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，包括硬質(zhì)合金基體和復(fù)合于其上的聚晶金剛石層，在聚晶金剛石層的刃面上設(shè)置有溝槽結(jié)構(gòu)；溝槽結(jié)構(gòu)包括沿刃面的徑向呈放射狀布置的若干徑向溝槽，若干徑向溝槽將刃面分割成若干個扇區(qū)，以及與徑向溝槽連通的若干弧形的周向溝槽，若干周向溝槽以刃面的中心為圓心呈同心分布，相鄰扇區(qū)的周向溝槽交錯設(shè)置。本發(fā)明的具有防粘附特性的聚晶金剛石復(fù)合片，刃面上大量溝槽的設(shè)置，使巖屑與刃面的接觸面積少，粘附力降低；鉆井液可以進入到溝槽內(nèi)，潤滑復(fù)合片刃面，巖屑可被鉆井液攜帶脫離井底，從而避免了巖屑在復(fù)合片刃面前的附著和堆積，從根本上預(yù)防了PDC鉆頭泥包的形成。
【IPC分類】E21B10/46
【公開號】CN105134086
【申請?zhí)枴緾N201510508988
【發(fā)明人】黃勇, 朱麗紅, 鄒德永, 王京印, 陳修平, 于金平, 王濱, 孟祥雨
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月18日