一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片发明专利

专利名称：一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111362065.7

专利申请（专利权）人：深圳市海明润超硬材料股份有限公司,中国石油大学(北京)
权利人地址：广东省深圳市宝安区福永凤凰兴业三路3号美盈(凤凰)智汇创新园A7栋102

专利发明（设计）人：赵星,郭大萌,刘维,未九森

专利摘要：本发明公开的一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和粘结在所述聚晶金刚石层下方的硬质合金基体；所述聚晶金刚石层的上表面与所述硬质合金基体的底面形成第一夹角；所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片自所述上表面向所述底面方向设有侧切面，所述侧切面包括至少两个。本发明的PDC可以在坚硬地层和非均质地层能够有效吃入且保持高的抗冲击性、耐磨性和更长使用寿命；利用对侧切面角度的调节和聚晶金刚石面的调节，对固有钻头的后倾角进行调节，使得本发明的破岩方式为铲入破岩后再由表面完成犁削，所述侧切边的设计有利于排屑和对泥浆的快速导流，从而快速降低PDC表面的切削温度，并且降低钻井成本。

主权利要求：
1.一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括聚晶金刚石层和粘结在所述聚晶金刚石层下方的硬质合金基体；
所述聚晶金刚石层远离所述硬质合金基体的一面为上表面，所述上表面为平面结构，所述硬质合金基体远离所述聚晶金刚石层的一面为底面，所述底面与水平面平行，所述上表面与所述底面形成第一夹角；
所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片自所述上表面向所述底面方向设有侧切面，所述侧切面包括至少两个；所述侧切面为对称切面；
所述第一夹角为1°30°；所述侧切面与所述底面形成第二夹角，所述第二夹角为60°~ ~
90°；每两个所述侧切面会形成一个刃口，所述侧切面在所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的上表面的夹角在75°150°之间；所述聚晶金刚石层的表面粗糙度为Ra0.002μm~ ~
0.05μm；所述侧切面的表面粗糙度不超过250μm；
对所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的棱角进行切削，相对于所述聚晶金刚石层的上表面形成具有倾斜面的倒角，所述倒角的角度为60°。
2.根据权利要求1所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述刃口的宽度为0.5 8mm。
~
3.根据权利要求1所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片具有四个侧切面。
4.根据权利要求1所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述刃口为单一刃口或多刃口。 说明书 : 一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片技术领域[0001] 本发明涉及切削工具技术领域，尤其涉及一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片。背景技术[0002] 聚晶金刚石复合片（PDC）钻头是一种旋转式阻力钻头，用于钻探石油和天然气井时钻穿地层。其上安置的PDC齿是由一层聚晶金刚石层与硬质合金基体在高温高压下烧结成的复合材料。由于它既具有突然金刚石的硬度与耐磨性，又同时兼具硬质合金的高抗冲击强度，故聚晶金刚石复合片制作的钻头被广泛的用于石油和天然气钻井工程中。[0003] 但是随着油气开采的深度增加，遇到的地层结构越来越复杂，特别是一些坚硬、非均质岩层，常规的PDC齿已无法满足现代化钻井进尺和机械钻速的要求。[0004] 因此，现有技术还有待于改进和发展。发明内容[0005] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，旨在解决现有技术中的聚晶金刚石复合片对坚硬、非均质岩层的开采无法满足现代化钻井进尺和机械钻速的问题。[0006] 本发明的技术方案如下：[0007] 一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和粘结在所述聚晶金刚石层下方的硬质合金基体；[0008] 所述聚晶金刚石层远离所述硬质合金基体的一面为上表面，所述上表面为平面结构，所述硬质合金基体远离所述聚晶金刚石层的一面为底面，所述底面与水平面平行，所述上表面与所述底面形成第一夹角；[0009] 所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片自所述上表面向所述底面方向设有侧切面，所述侧切面包括至少两个。[0010] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述第一夹角为1°30°。~[0011] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述侧切面与所述底面形成第二夹角，所述第二夹角为60°90°。~[0012] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，每两个所述侧切面会形成一个刃口，所述侧切面在所述聚晶金刚石复合片的上表面的夹角在75°150°之间。~[0013] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述刃口的宽度为0.5 8mm。~[0014] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片具有四个侧切面。[0015] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述聚晶金刚石层的表面粗糙度为Ra0.002μm 0.05μm。~[0016] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述侧切面的表面粗糙度不超过250μm。[0017] 所述的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，其中，所述刃口为单一刃口或双刃口或多刃口。[0018] 有益效果：本发明提供一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和粘结在所述聚晶金刚石层下方的硬质合金基体；所述聚晶金刚石层远离所述硬质合金基体的一面为上表面，所述上表面为平面结构，所述硬质合金基体远离所述聚晶金刚石层的一面为底面，所述底面与水平面平行，所述上表面与所述底面形成第一夹角；所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片自所述上表面向所述底面方向设有侧切面，所述侧切面包括至少两个。通过设置所述第一夹角和所述侧切面的个数以及所述侧切面倾斜角度，得到一种可以在坚硬地层和非均质地层能够有效吃入且保持高的抗冲击性、耐磨性和更长使用寿命的聚晶金刚石复合片；利用对侧切面角度的调节和聚晶金刚石面的调节，对钻头齿固有的后倾角进行调节，使得本发明的破岩方式为铲入破岩后再由表面完成犁削，所述侧切边的设计有利于排屑和对泥浆的快速导流，从而快速降低表面的切削温度，并且提高PDC钻头在坚硬地层的钻进速度，同时降低钻井成本。附图说明[0019] 图1为本发明一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的侧视图；[0020] 图2为本发明一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的俯视图；[0021] 图3为本发明一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的实施方式1的示意图；[0022] 图4为本发明一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的实施方式2的示意图。具体实施方式[0023] 本发明提供一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0024] 本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、”第二”的特征可以明示或隐约地包括一个或者更多个所述特征。[0025] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。[0026] 目前，随着油气开采深度的增加，现有的聚晶金刚石复合片在遇到复杂的地层结构时，如坚硬或非均质岩层，其钻井进尺和机械钻速已达不到现代化生产的需求，并且，在遇到坚硬或非均质层时，PDC的耐磨性和抗冲击性均达不到生产的标准，导致PDC损伤严重，提高了油气开采的成本。[0027] 基于此，请参照附图1‑2，本发明提供一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100包括聚晶金刚石层10和粘接在所述聚晶金刚石层10下方的硬质合金基体20；所述聚晶金刚石层10远离所述硬质合金基体20的一面为上表面101，所述上表面101为平面结构；所述硬质合金基体20远离所述聚晶金刚石层10的一面为底面201，所述底面201与水平面平行，所述上表面101与所述底面201形成第一夹角α。[0028] 在一些实施例中，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100自所述上表面101向所述底面201方向设有侧切面30，所述侧切面30包括至少两个。[0029] 在一些实施例中，如图3‑4所示，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100具有四个侧切面30。[0030] 需要说明的是，本发明提供的实施例的侧切面为对称切面，如图1所示，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100具有两个侧切面且对称分布；如图3‑4所示，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100具有四个侧切面，且对称设置。但所述侧切面的个数并不限于此，可根据实际钻井需要进行调整。[0031] 在一些实施例中，所述第一夹角α为1°30°。通过所述第一夹角的调整，可以调整~钻头的切削角度。一般钻头的切削角度为15°20°，但是针对特殊混合性的地层，20°的后倾~角提供不了足够的切削力，切削能量在还未进入地面时就产生了损耗，本发明通过调整所述第一夹角，从复合片端的改变直接调整钻头切入的角度，最大程度的利用切削能量，避免切削能量损耗。[0032] 在一些实施例中，所述侧切面30与所述底面201形成第二夹角θ，所述第二夹角为60°90°。对所述侧切面30与所述底面201形成的第二夹角θ进行调节，可以应对不同钻头的~切削环境要求，再通过调节所述第一夹角α，以及对固有钻头的后倾角进行调节，使得本发明所提供的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的破岩方式为铲入破岩后再由上表面完成犁削，所述第二夹角在60°90°之间有利于排屑和对泥浆进行快速导流，从而达到快速降~低表面切削温度的目的，并且提高PDC钻头在坚硬地层的钻进速度，同时降低钻井成本。[0033] 在一些实施例中，每两个所述侧切面30会形成一个刃口40，所述侧切面30在所述聚晶金刚石复合片的上表面101的夹角β（刃口夹）在75°150°之间。使所述夹角β在75°~ ~150°之间有利于延长所述PDC钻头的使用寿命，夹角过小时，所述PDC钻头的强度不够，在遇到坚硬或不均质的岩层时，容易开裂或出现磨损严重；当夹角过大时，所述PDC钻头的切削效率低，无法满足生产需要的钻井进尺和机械钻速。[0034] 在一些实施例中，所述刃口为单一刃口或双刃口或多刃口。如图2所示，该PDC钻头为单一刃口；如图3‑4所示，该PDC钻头为多刃口。[0035] 需要说明的是，所述单一刃口是指单一方向，有两个侧切面30的夹角会形成一个刃口；当所述PDC钻头有两个方向或多个方向具有多个侧切面时，就会增加相应的刃口个数。[0036] 在一些实施例中，对所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100的棱角进行切削，形成具有一定斜面的倒角50，如图1‑2所示，将反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100的棱角进行切削，相对于所述聚晶金刚石层的上表面形成一个倾斜面。[0037] 实施方式1中，如图3所示，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片具有四个侧切面30，且所述聚晶金刚石层和所述硬质合金基体的棱角经过切削具有倒角50。[0038] 实施方式2中，如图4所示，所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片具有四个侧切面30，所述硬质合金基体的棱角经过切削具有倒角50。[0039] 在一些实施例中，所述聚晶金刚石的上表面101及倒角50需要进行表面研磨和抛光处理，使得所述倒角和所述聚晶金刚石层的表面粗糙度为Ra0.002μm 0.05μm。~[0040] 在一些实施例中，所述刃口40的宽度w为0.5 8mm。所述刃口的宽度直接影响所述~PDC钻头切入地层时的金刚石面的切削力，宽度减小时可以减小切削力，并且在相同的钻压下，增加进尺，减小了扭矩带来的能量消耗。在实际的应用中，需要配合不同类型的地层对宽度w以及倒角尺寸进行调整，使能量消耗达到最小。[0041] 具体地，作为举例说明，本发明提供一个实际大井案例1，如下：[0042] 将所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片100应用在特殊软塑性地层，例如碳酸岩或泥岩等地层，这类地层的特点是初始阶段岩层较为坚硬，完成初级破岩后，岩层变为较软的地层，钻进效率会受到严重影响。案例1使用附图2设计的反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，13型复合片，w为1.5mm，倒角0.4mm，倒角角度为60°，所述第一夹角（反倾角）α为15°，刃口夹β为90°，6刀翼钻头。对比传统型复合片，本发明所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的切削力减少25%，相同钻压下ROP提升超过40%。对比反倾角为0°的切边齿，本发明所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的切削力减少10%，相同钻压下ROP提高15%，并且未出现泥浆包齿现象。[0043] 在一些实施例中，对所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片的侧切面进行表面研磨及抛光处理，使得所述侧切面的表面粗糙度不超过250μm。抛光后的金刚石和硬质合金面，可以减小岩屑与PDC钻头边缘位置的摩擦力，并且可以进行快速排屑，有利于金刚石切削刃口位置的快速散热，从而延长所述PDC钻头的使用寿命，达到节约成本的目的。[0044] 综上所述，本发明提供一种反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层和粘结在所述聚晶金刚石层下方的硬质合金基体；所述聚晶金刚石层远离所述硬质合金基体的一面为上表面，所述上表面为平面结构，所述硬质合金基体远离所述聚晶金刚石层的一面为底面，所述底面与水平面平行，所述上表面与所述底面形成第一夹角；所述反倾角窄刃切边口聚晶金刚石复合片自所述上表面向所述底面方向设有侧切面，所述侧切面包括至少两个。通过设置所述第一夹角和所述侧切面的个数以及所述侧切面倾斜角度，得到一种可以在坚硬地层和非均质地层能够有效吃入且保持高的抗冲击性、耐磨性和更长使用寿命的聚晶金刚石复合片；利用对侧切面角度的调节和聚晶金刚石面的调节，对固有钻头的后倾角进行调节，使得本发明的破岩方式为铲入破岩后再由表面完成犁削，所述侧切边的设计有利于排屑和对泥浆的快速导流，从而快速降低表面的切削温度，并且提高PDC钻头在坚硬地层的钻进速度，同时降低钻井成本。[0045] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-11-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113982492B