[实用新型]一种聚晶金刚石复合片切削齿

说明书

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井工具领域，进一步涉及在石油天然气钻井作业中、广泛使用的聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头），具体是一种PDC钻头上作为钻头切削单元的聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC切削齿）。 

背景技术

由于世界能源日趋紧张，石油天然气钻井活动不断增加，所以对石油天然气钻井钻头的需求量也越来越大。石油天然气钻井PDC钻头由于钻井速度高和使用寿命长，因此得到了极其广泛的应用。PDC钻头核心部件是聚晶金刚石复合片切削齿，即PDC切削齿。PDC切削齿作为PDC钻头的破岩切削元件，其抗研磨性能和抗冲击性能直接影响PDC钻头实际钻井的综合性能。 

如图1～图2所示，为现有PDC钻头用PDC切削齿的切削原理模型示意图。定义PDC切削齿的切削面为沿着PDC切削齿的位移方向和地层接触的平面或曲面，标记CEN为PDC钻头中心线，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向，标记PR为坐标系YZ平面内的井底形状曲线，标记PN为PDC切削齿的切削后角定位面，标记V为PDC切削齿切削面和PR井底形状曲线交点的切削方向，标记TR为单个PDC切削齿在一定的切入深度条件下切削地层后的切削轨迹。当对钻头施加一定的向下（即Z轴方向）钻压时，钻头体将向下钻压传递给PDC切削齿，使PDC切削齿切入地层。同时钻头的旋转运动驱动PDC切削齿产生位移运动，从而实现PDC切削齿切削地层的目的。多个相同作用的PDC切削齿被布置在PDC钻头的不同刀翼和不同位置上，形成所有PDC切削齿的切削轨迹覆盖整个井底截面形状TR，从而实现PDC钻头钻进地层的目的。 

如图3所示，为图1中PN平面剖视图，是现有PDC钻头用PDC切削齿的几何结构及挤压地层的破岩机理示意图，标记1为PDC钻头的钻头体，标记2为现有PDC钻头用PDC切削齿的几何结构形状，标记3为地层，标记4为PDC切削齿的切削面，标记V为切削齿的位移运动方向。现有石油天然气钻井PDC钻头用PDC切削齿由硬质合金基体和聚晶金刚石复合相互组成一体， 整个PDC切削齿为圆柱形结构，并且聚晶金刚石端部平面作为PDC切削齿的切削面。当PDC切削齿切入地层沿着V方向切削地层时，PDC切削齿的聚晶金刚石端部平面对地层产生挤压作用，使PDC切削齿下部的地层受多向压应力作用，当地层受到的压应力超过地层的抗压强度时地层被压碎裂，这就是现有石油天然气钻井PDC钻头用PDC切削齿破岩机理。 

如图4所示，为现有PDC切削齿的结构示意图。标记5为硬质合金基体，标记6为聚晶金刚石层。PDC切削齿是金刚石微粉和已成型的硬质合金基体在高温高压下合成的复合体，通常加压到5～6GPa和升温超过1300°C时，原始的金刚石晶粒的边界已经消失，所有的金刚石晶粒基本连成一体，形成以D-D键结合的多晶体，如图5所示。由于PDC切削齿内的金刚石颗粒7是本体相连，并且排列没有方向，因此PDC切削齿的耐磨性接近单晶金刚石，但其抗冲击性却大大超出。PDC切削齿内的粘接金属钴源于硬质合金基体，并促使与基体紧密相连，从而提高了PDC切削齿的韧性。基于以上特性，因此PDC切削齿最适合作为PDC钻头的切削单元，被广泛应用于石油天然气PDC钻头。现有PDC切削齿有如下的结构和性能特征： 

① PDC切削齿是硬质合金基体和聚晶金刚石的复合体。

② PDC切削齿整体为一圆柱体，具有同一外径D，两端面垂直于圆柱体中心线。 

③ 硬质合金基体是PDC切削齿与PDC钻头连接的载体，被钎焊在PDC钻头的钻头体上。（聚晶金刚石和钎焊钎接料没有亲和力，无法实现和钻头体的直接钎接） 

④ 聚晶金刚石层端面作为切削面直接与地层接触，起破碎和切削地层岩石的作用，如图4所示。

⑤ 聚晶金刚石层端面与外圆的结合棱边有45°倒角C2，主要是提高聚晶金刚石棱边的抗冲击能力，如图3～图4所示。 

⑥ 硬质合金基体端面与外圆的结合棱边有45°倒角C1，主要是保证硬质合金基体端面和外圆能和钻头体焊接孔有效接触，提高PDC切削齿与钻头体的钎焊可靠性，如图3～图4所示。 

金刚石微粉和已成型的硬质合金基体经过高温高压合成后，制成PDC切削齿产品坯料，还需要加工成如图4所示规整的形状。较为典型的主要加工内容为： 

① 磨整体外圆D；

② 磨金刚石层端面；

③ 磨硬质合金基体端面；

④ 磨倒角C1；

⑤ 磨倒角C2；

⑥ 抛光。

以上加工内容主要为磨削加工，存在诸如下述问题。