CN215718492U - 多刃聚晶金刚石复合片及其钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多刃聚晶金刚石复合片及其钻头，该多刃聚晶金刚石复合片包括：呈柱状的硬质合金基体，粘接在所述硬质合金基体一端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述硬质合金基体相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。本实用新型能够提高使用寿命，增加PDC钻头的钻进距离，降低钻井成本。

Description

多刃聚晶金刚石复合片及其钻头

技术领域

本实用新型涉及一种切削工具技术领域，尤其涉及一种多刃聚晶金刚石复合片及其钻头。

背景技术

聚晶金刚石(简称“PDC”)钻头已经广泛应用于石油与天然气钻井工程中。随着油气开采深度增加，遇到的地层越来越复杂，特别是在一些坚硬、非均质岩层，对钻头的要求也越来越高。

PDC具有强度高、脆性强、韧性差的特点。对于常规的单齿PDC结构，在坚硬、非均质岩层中，受到如砾岩、花岗岩等坚硬岩石撞击时，非常容易发生边缘崩齿、甚至破碎，而带崩齿损伤的PDC会迅速失效，导致PDC钻头无法继续钻进，过早失效，进而会使得更换PDC钻头频率增加，延长钻井周期，增加了钻井的成本。

应该注意，上面对背景技术的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多刃聚晶金刚石复合片及其钻头，能够提高使用寿命，增加PDC钻头的钻进距离，降低钻井成本。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种多刃聚晶金刚石复合片，包括：呈柱状的硬质合金基体，粘接在所述硬质合金基体一端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述硬质合金基体相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

在一种优选的实施方式中，所述聚晶金刚石层最薄厚度不低于0.5毫米，所述切割部的整体高度在0.5毫米～5.0毫米之间。

在一种优选的实施方式中，所述预定内侧夹角在30°至179°之间。

在一种优选的实施方式中，所述切割部的高度相同，所述切割部的高度自中心向两侧对称平行分布；或者，所述切割部的高度不同，所述切割部的高度自中心向两侧递减。

在一种优选的实施方式中，相邻两个切割面之间相交形成的相交线为脊线，相邻两个所述脊线之间的间距介于所述多刃聚晶金刚石复合片直径的1/64-7/8。

在一种优选的实施方式中，所述脊线呈与所述多刃聚晶金刚石复合片底面相平行的直线型，或者，呈带有弧度的曲线。

在一种优选的实施方式中，当所述脊线与呈带有弧度的曲线时，所述脊线相对所述多刃聚晶金刚石复合片底面向上凹或者向上凸，所述脊线的弧形半径至少为4.0毫米。

在一种优选的实施方式中，每个切割部所形成的预定夹角相同或者不同，当所述多刃聚晶金刚石层边缘位置的厚度低于0.5毫米时，位于最外侧的两个切割部的斜面由斜直面过渡为斜曲面并延伸至所述多刃聚晶金刚石复合片的边缘。

一种多刃聚晶金刚石复合片，包括：呈柱状的硬质合金基体，粘接在所述硬质合金基体一端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述硬质合金基体相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向经过中心点且相交的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

一种钻头，包括上述任一所述的多刃聚晶金刚石复合片。

本实用新型的特点和优点是：本申请所提供的多刃聚晶金刚石复合片主要包括：聚晶金刚石层和粘结在所述的聚晶金刚石层下方的硬质合金基体。所述聚晶金刚石层上下表面均为曲面结构，所述聚晶金刚石层下表面曲面结构增加了与所述硬质合金基体的接触面积，所述聚晶金刚石层上表面曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成预定夹角，相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部，该切割部具体可以呈斧形结构。多个切割部形成多刃齿，可以缓冲来自非均质地层中岩石的冲击，降低损伤，提高聚晶金刚石复合片使用寿命，进而增加了聚晶金刚石钻头的钻进距离，降低了钻井成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请第一种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的侧视图；

图5是本申请第二种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的结构示意图；

图6是图5的主视图；

图7是图5的俯视图；

图8是图5的侧视图；

图9是本申请第三种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的结构示意图；

图10是本申请第四种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的主视图；

图11是本申请第四种实施方式中提供的一种五刃齿形结构PDC的主视图；

图12是本申请第五种实施方式中提供的一种九刃齿形结构PDC的结构示意图；

图13是本申请第五种实施方式中提供的一种九刃齿形结构PDC的俯视图；

图14是本申请第六种实施方式中提供的一种九刃齿形结构PDC的结构示意图；

图15是本申请第六种实施方式中提供的一种九刃齿形结构PDC的俯视图。

图16是本申请第七种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的结构示意图；

图17是本申请第七种实施方式中提供的一种三刃齿形结构PDC的俯视图。

附图标记说明。

101、聚晶金刚石层；102、硬质合金基体；103、第一斜面；104、第二斜面；105、第三斜面；106、第四斜面；107、第五斜面；108、第六斜面；109、第一脊线；110、第二脊线；111、第三脊线；120、斜坡面。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型的目的是提供一种多刃聚晶金刚石复合片及其钻头，该多刃聚晶金刚石复合片为一种在坚硬地层有效持续钻进的多刃齿形结构的PDC。多刃齿结构相比平面齿、单刃齿结构提高了与岩石的接触面积，从而提高了在坚硬岩石上的破岩效率。另外，多刃齿可以缓冲来自非均质地层中岩石的冲击，降低损伤提高了PDC使用寿命，进而增加了PDC钻头的钻进距离，从而降低了钻井成本。

请参阅图1至图8，本申请实施方式中提供的一种多刃聚晶金刚石复合片可以包括：呈柱状的硬质合金基体102，粘接在所述硬质合金基体102一端的聚晶金刚石层101，所述聚晶金刚石层101具有与所述硬质合金基体102相接触的第一表面(下表面，即远离岩石侧)以及与所述第一表面相对的第二表面(上表面，即靠近岩石侧)，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

在本实施方式中，该多刃聚晶金刚石复合片主要包括：聚晶金刚石层101和粘结在所述的聚晶金刚石层101下方的硬质合金基体102。所述聚晶金刚石层101上下表面均为曲面结构，所述聚晶金刚石层101下表面曲面结构增加了与所述硬质合金基体102的接触面积，所述聚晶金刚石层101上表面曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成预定夹角，相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部，该切割部具体可以呈斧形结构。多个切割部形成多刃齿，可以缓冲来自非均质地层中岩石的冲击，降低损伤，提高了聚晶金刚石复合片的使用寿命，进而增加了PDC钻头的钻进距离，降低了钻井成本。

此外，切割面贯通第二表面且相互平行的结构也有便于降低该多刃聚晶金刚石复合片的加工制造难度。

具体的，对于多刃聚晶金刚石复合片而言，单个斧形结构的个数可以为两个，可以为三个，也可以为三个以上。在本申请的实施方式中，主要以设置有三个斧形结构的实施方式进行举例说明，其他个数的实施方式可以进行类比参照，本申请在此不再一一展开详述。

在第一个实施方式中，如图1、图2、图3和图4所示，为一种三刃齿形结构的多刃聚晶金刚石复合片，该多刃聚晶金刚石复合片可以包括聚晶金刚石层101和粘结在聚晶金刚石层101下方的硬质合金基体102。所述聚晶金刚石层101下方与硬质合金基体102接触以曲面设计为主，增加了接触面积。所述聚晶金刚石层101为非平面结构，非平面结构由延伸方向相平行的切割面，具体的，相邻两个切割面之间相交形成的相交线为脊线。其中该切割面呈斜面的形式，两两斜面(第一斜面103和第二斜面104，第三斜面105和第四斜面106，第五斜面107和第六斜面108)构成的三个斧形结构(第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111)组成。斜面可以是平面也可以是曲面。所述聚晶金刚石层101的非平面结构并不局限于三个斧形结构，可以是两个、四个甚至更多个。

三刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片的脊线包括：第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111。该三条脊线可以是直线，也可以是曲线。在一些实施方式中，例如，第一实施方式和第二实施方式中，三条脊线可以是平行的。此外，在第三实施方式中，三条脊线也可以为相交的状态。

其中，第二脊线110通过齿(多刃聚晶金刚石复合片)的轴心，第一脊线109和第三脊线111关于第二脊线110对称。任意相邻两条脊线之间的间距范围约为多刃聚晶金刚石复合片直径的1/64～7/8。聚晶金刚石层101的整体高度为0.5～5.0毫米，最薄厚度不低于0.5毫米。

具体的，如图2所示，为三刃齿形结构PDC的正视图，经过所述多刃聚晶金刚石复合片中心的中心切割部即以第二脊线110为脊线的斧形结构夹角(即预定内侧夹角)范围是30°～179°，以第一脊线109和第三脊线111的斧形结构与以第二脊线110为脊线的斧形结构夹角相同。切削齿边缘层厚不低于0.5毫米，如果无法保证0.5毫米，位于最外侧的两个切割部第一斜面103和第六斜面108需要进行曲面平滑处理。

在本说明书中，斧形结构的脊线呈直线型或带有弧度曲线形(包括向上凹或向上凸)。

如图4所示，三刃斧形结构PDC的侧视图，弧形半径不低于4.0毫米。该切割部的刃角(即预定内侧夹角)可以为135°，第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111为直线。

此外，本申请说明书中还提供一种三刃齿形结构的多刃聚晶金刚石复合片，该多刃聚晶金刚石复合片的与上述实施方式不同之处在于：第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111呈弧线型。

在第二个实施方式中，如图5、图6、图7和图8所示，为另一种三刃齿形结构的多刃聚晶金刚石复合片，该实施方式中所提供的多刃聚晶金刚石复合片与上述第一个实施方式中所提供多刃聚晶金刚石复合片不同之处主要在于切割部(斧形结构)夹角不同。该三刃齿形结构PDC的斧形结构夹角θ为164°。同样的，该第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111可以呈直线型也可以呈弧线型。

如附图9所示，在第三个实施方式中，该多刃聚晶金刚石复合片可以包括：呈柱状的硬质合金基体102，粘接在所述硬质合金基体102一端的聚晶金刚石层101，所述聚晶金刚石层101具有与所述硬质合金基体102相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向经过中心点且相交的切割面，相邻两个切割面之间相交形成预定夹角，相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

具体的，该多刃聚晶金刚石复合片可以为脊线呈相交型的三刃齿形结构PDC，斧形结构的夹角为164°，第一脊线109、第二脊线110和第三脊线111的交点在轴心上，脊线间夹角为15°～30°。

如附图10和图11所示，在第四个实施方式中，该多刃聚晶金刚石复合片与上述实施方式不同之处在于：切割部的高度不同，所述切割部的高度自中心向两侧递减。

具体的，该多刃聚晶金刚石复合片为一种五刃齿形结构PDC，斧形结构的夹角为164°，以中间脊线为中心轴，另外位于该中间脊线两侧的脊线成对称分布，且斧形结构的高度依次递减，上述结构主要为了实现中间脊线预破岩，这种阶梯式破岩方式使得坚硬岩石更容易破碎下来。

在本说明书所提供的多刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片中，所述脊线可以呈直线型，与所述多刃聚晶金刚石复合片底面平行；或者，呈带有弧度的曲线(包括向上凹或者向上凸)。具体的，该曲线的弧形半径范围至少为4.0毫米。

在一个实施方式中，当脊线呈直线型时，多刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片的多个平行直线结构的斧形结构可以沿着多刃聚晶金刚石复合片边缘周向分布，增加多刃聚晶金刚石复合片的切削刃，具体的圆周方向夹角可以为72°、90°、120°或者为其他角度。

在另一个实施方式中，当脊线呈上凹曲线型时，多刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片的多个上凹平行曲线结构的斧形结构，沿多刃聚晶金刚石复合片边缘周向分布成多个工作面，脊线向中心处倾斜，成内凹形多刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片。

在另一个实施方式中，当脊线呈上凸曲线型时，多刃齿形结构多刃聚晶金刚石复合片的多个上凸平行曲线结构的斧形结构，沿多刃聚晶金刚石复合片边缘周向分布成多个工作面，脊线沿着半径至中心处逐渐向上凸，并且切平上表面的工作面结构。

具体的，请结合参阅图12和图13，九刃齿形结构PDC是由三个三刃齿形结构PDC按照120°夹角分布设计。该PDC的所有脊线由PDC中心向齿边缘倾斜，为避免应力集中，将切削齿顶端进行削平处理。当然，不局限于九刃齿，还可以由四个三刃齿结构PDC按照90°分布设计，成十二刃齿结构。

请结合参阅图14和图15，九刃齿形结构PDC是由三个三刃齿形结构PDC按照120°夹角分布设计。该齿结构的所有脊线由PDC边缘向中心倾斜，该切削齿成内凹型。当然，不局限于九刃齿，还可以由四个三刃齿结构PDC按照90°分布设计，成十二刃齿结构。

在本说明书所提供的实施方式中，该多刃聚晶金刚石复合片可以整体呈具有一定高度的柱状。具体的，如上实施方式中所对应的附图，该多刃聚晶金刚石复合片可以呈圆柱体型，此外，该多刃聚晶金刚石复合片还可以为类圆柱体型，或者在圆柱体型的基础上进行加工(例如去除一定的材料)后获得的异形结构。此外该多刃聚晶金刚石复合片还可以为其他的规则或非规则柱体结构。

请结合参阅图16和图17，该实施方式中所提供的多刃聚晶金刚石复合片相对于上述实施方式中所提供的多刃聚晶金刚石复合片而言，设置有贯通聚晶金刚石层101与所述硬质合金基体102的斜坡面120。具体的，该斜坡面120的个数可以为两个，当然，该斜坡面120还可以为一个或者是三个以上。通过设置该斜坡面120能够用于辅助排岩。此外，该多刃聚晶金刚石复合片的构造还可以为其他形状，本申请在此不再一一展开介绍。

在本说明书中还提供一种钻头，该钻头可以包括上述任一所述的多刃聚晶金刚石复合片，设置有该多刃聚晶金刚石复合片的钻头至少具有多刃聚晶金刚石复合片所带来的技术效果，使用寿命长，钻进距离大，钻井成本低。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括：呈柱状的硬质合金基体，粘接在所述硬质合金基体一端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述硬质合金基体相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向相平行的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

2.如权利要求1所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层最薄厚度不低于0.5毫米，所述切割部的厚度在0.5毫米～5.0毫米之间。

3.如权利要求2所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述预定内侧夹角在30°至179°之间。

4.如权利要求2所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述切割部的高度相同，所述切割部的高度自中心向两侧对称平行分布；或者，所述切割部的高度不同，所述切割部的高度自中心向两侧递减。

5.如权利要求3所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，相邻两个切割面之间相交形成的相交线为脊线，相邻两个所述脊线之间的间距介于所述多刃聚晶金刚石复合片直径的1/64-7/8。

6.如权利要求5所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述脊线呈与所述多刃聚晶金刚石复合片底面相平行的直线型，或者，呈带有弧度的曲线。

7.如权利要求6所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，当所述脊线与呈带有弧度的曲线时，所述脊线相对所述多刃聚晶金刚石复合片底面向上凹或者向上凸，所述脊线的弧形半径至少为4.0毫米。

8.如权利要求1所述的多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，每个切割部所形成的预定内侧夹角相同或者不同，当所述多刃聚晶金刚石层边缘位置的厚度低于0.5毫米时，位于最外侧的两个切割部的斜面由斜直面过渡为斜曲面并延伸至所述多刃聚晶金刚石复合片的边缘。

9.一种多刃聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括：呈柱状的硬质合金基体，粘接在所述硬质合金基体一端的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层具有与所述硬质合金基体相接触的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和第二表面均为曲面结构，所述第二表面的曲面结构包括至少四个整体延伸方向经过中心点且相交的切割面，相邻两个切割面之间相交形成相对的预定内侧夹角和预定外侧夹角，所述预定内侧夹角与所述预定外侧夹角之和为360°；相交的两个所述切割面之间相配合构成贯通所述第二表面的切割部。

10.一种钻头，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的多刃聚晶金刚石复合片。

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