一种石油钻探用非平面聚晶金刚石复合片及钻头的制作方法

本发明属于超硬复合材料技术领域，主要涉及石油钻探、矿区掘进等工程设备，尤其涉及一种石油钻探用非平面聚晶金刚石复合片及钻头。

背景技术：

聚晶金刚石复合片（pdc）是由聚晶金刚石微粉与硬质合金基体在高温高压环境下烧结而成，其问世成为聚晶金刚石应用技术发展史上一个重要的里程碑。目前，pdc作为超耐磨切削元件广泛应用于石油、天然气钻探等领域。

随着勘探理念的创新发展，非常规油气勘探取得迅猛发展，较深复杂地层使用的钻头设计及pdc的性能需要不断提升，尤其是钻进极硬、塑性等难钻进地层，往往会因难吃入等，出现钻进慢，甚至卡钻等问题。

鉴于上述的极难钻探地层，申请号为201520471001.4、201720243420.1、201721524171.x均提供一种克服硬地层难钻进、排屑等曲面结构异形齿，但相应技术方案在极硬、塑性等难钻进地层的吃入能力及钻进效率尚有欠缺。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种石油钻探用非平面聚晶金刚石复合片及钻头，本发明造型独特，而且能够有效延长钻头寿命，提高钻头在极硬、塑性等难钻进地层的吃入能力及钻进效率，降低钻探成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种石油钻探用非平面聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体，所述聚晶金刚石层暴露至外界的顶面由至少两个表面结构组成，且表面结构与聚晶金刚石层的周向外缘面构成数个周向分布于聚晶金刚石层周向外缘面的切削刃，切削刃呈沿聚晶金刚石层径向延伸设置；且至少一个切削刃的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构。

所述切削刃在聚晶金刚石层的周向外缘面的周向分布，至少应包括切削刃之间呈环形分布或非环形分布的方式。切削刃的数量至少应当为1-5个，当然也不排除更多数量切削刃的成型以及排布方式。

优选的，所述切削刃两侧的非水平面结构之间呈10°-179°夹角。

优选的，所述切削刃两侧的非水平面结构与硬质合金基体的轴线夹角呈1°-89°夹角。

优选的，所述切削刃两侧的非水平面结构的最小间距为聚晶金刚石层圆周长度的1/30-3/5。

优选的，所述切削刃两侧的非水平面结构呈斜平面、曲面或两者的组合。

优选的，所述表面结构包括斜平面、曲面或两者的组合。

优选的，所述曲面呈外凸状或内凹状或两者的组合。

包括上述石油钻探用非平面聚晶金刚石复合片的钻头，所述钻头包括开设有水道的钻头体，钻头体上周向设置有多条刀翼以及连通水道的水眼，所述非平面聚晶金刚石复合片的硬质合金基体与刀翼上远离钻头体的侧面连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：利用本发明所述的非平面聚晶金刚石复合片作为钻头的耐磨齿，可以利用其结构独特的切削刃来降低pdc工作区域的磨削热，减少崩齿现象的发生，提高岩层吃入能力及机速，可有效提高钻井钻进效率、降低成本。

附图说明

图1为实施例1所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图2为实施例2所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图3为实施例3所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图4为实施例4所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图5为实施例5所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图6为实施例6所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图7为实施例7所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图8为实施例8所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图9为实施例9所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图10为实施例10所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图11为实施例11所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图12为实施例12所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图13为实施例13所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图14为实施例14所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图15为实施例15所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图16为实施例16所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图17为实施例17所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图18为实施例18所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图19为实施例19所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图20为实施例20所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图21为实施例21所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图22为实施例22所述非平面聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图23为具体实施方式中所示包括非平面聚晶金刚石复合片的钻头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

实施例1

如图1所示，一种双刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由两个表面结构102组成，表面结构102呈斜平面且两个斜平面对接将聚晶金刚石层100形成屋脊状结构。表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成2个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈90°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈12°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/10。

实施例2

如图2所示，一种双刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由两个表面结构102组成，表面结构102呈斜平面且两个斜平面对接将聚晶金刚石层100形成屋脊状结构。表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成2个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，每个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，每个切削刃103两侧的非水平面结构121为斜平面且相互之间呈90°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈12°夹角，每个切削刃103两侧的非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/10。

实施例3

如图3所示，一种双刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由两个表面结构102组成，表面结构102呈斜平面且两个斜平面对接将聚晶金刚石层100形成屋脊状结构。表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成2个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈90°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈12°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/10。

实施例4

如图4所示，一种双刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由两个表面结构102组成，表面结构102呈斜平面且两个斜平面对接将聚晶金刚石层100形成屋脊状结构。表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成2个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈90°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈12°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/10。

实施例5

如图5所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈上凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。

实施例6

如图6所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈上凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，每个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，每个切削刃103两侧的非水平面结构121为斜平面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，每个切削刃103两侧的非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。

实施例7

如图7所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈上凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。

实施例8

如图8所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈上凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。

实施例9

如图9所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为下凹的凹面。

实施例10

如图10所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为下凹的凹面。

实施例11

如图11所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为下凹的凹面。

实施例12

如图12所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈外凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为上凸的部分球面状曲面。

实施例13

如图13所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈外凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为上凸的部分球面状曲面。

实施例14

如图14所示，一种三刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由3个表面结构102组成，表面结构102呈外凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成3个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈100°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈8°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/12。所述表面结构102为上凸的部分球面状曲面。

实施例15

如图15所示，一种四刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由4个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成4个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈110°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/15。

实施例16

如图16所示，一种四刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由4个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成4个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，每个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，每个切削刃103两侧的非水平面结构121为斜平面且相互之间呈110°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7°夹角，每个切削刃103两侧的非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/15。

实施例17

如图17所示，一种四刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由4个表面结构102组成，表面结构102呈外凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成4个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈110°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/15。

实施例18

如图15所示，一种四刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由4个表面结构102组成，表面结构102呈外凸曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成4个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈110°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/15。

实施例19

如图19所示，一种五刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由5个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成5个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为斜平面且相互之间呈105°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7.5°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/14。

实施例20

如图20所示，一种五刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由5个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成5个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，每个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，每个切削刃103两侧的非水平面结构121为斜平面且相互之间呈105°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7.5°夹角，每个切削刃103两侧的非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/14。

实施例21

如图21所示，一种五刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由5个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成5个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121为内凹曲面且相互之间呈105°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7.5°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/14。

实施例22

如图22所示，一种五刃的非平面聚晶金刚石复合片，所述复合片包括聚晶金刚石层100及复合包裹于聚晶金刚石层底部的硬质合金基体200，所述聚晶金刚石层100暴露至外界的顶面由5个表面结构102组成，表面结构102呈内凹曲面。且表面结构102与聚晶金刚石层的周向外缘面101构成5个沿聚晶金刚石层径向延伸的切削刃103，其中一个切削刃103的两侧聚晶金刚石层及硬质合金基体上分布有一体延伸的非水平面结构121，两非水平面结构121由数个外凸曲面排列组成且两非水平面结构整体之间呈105°夹角，非水平面结构121与硬质合金基体周向外缘面201的轴线呈7.5°夹角，两非水平面结构121的最小间距为聚晶金刚石层100圆周长度的1/14。

一种非平面聚晶金刚石复合片的钻头，如图23所示，包括开设有水道的钻头体1，所述钻头体1上周向设置有多条刀翼2以及连通水道的水眼3，所述非平面聚晶金刚石复合片4的硬质合金基体与刀翼上远离钻头体的侧面连接。

所述非平面聚晶金刚石复合片4包括但不限于实施例1-22所示的双刃、三刃、四刃和五刃非平面聚晶金刚石复合片的择一或相互之间的组合。