一种异型pdc切削齿钻头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明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)，更具体地，本发明涉及一种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】
[0002] roc钻头主要由钻头体、切削齿和接头等组成。钻头体按材料一般可分为胎体和 钢体两种，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。胎体钻头的钻头体是采用不同粒度的碳 化钨粉以及不同配比的浸渍金属料装入设计好的石墨模具中经无压浸渍高温烧结而成，上 面预留了切削齿位置。钢体钻头的钻头体是采用整块合金钢毛坏经机加工而成。roc钻 头的切削齿分为复合片式切削齿和齿柱式切削齿两种结构，它们按一定规律布置在钻头体 上。复合片是由聚晶金刚石层和碳化钨衬底组成，一般为圆片状，聚晶金刚石层是复合片切 削齿的核心。
[0003] 目前，PDC钻头上所使用的一般均为圆形复合片。圆形复合片由切削刃轮廓线为 圆形的聚晶金刚石层和硬质合金基体复合而成。圆形复合片的长度和宽度相等，均等于复 合片的直径。一般而言，对于完整的圆形复合片而言，大直径复合片的耐磨寿命比小直径复 合片更长，同时占据的钻头布齿空间也比小直径复合片更大。复合片的切削刃轮廓形状与 其吃入地层的难易程度密切相关。通常情况下，切削刃轮廓线的曲率半径越小，复合片吃入 地层就越容易。对于圆形复合片而言，切削刃轮廓线上每一点的曲率半径是相同的。因此， 直径小的复合片比直径大的复合片更易于吃入地层。在实际的钻头设计中，常常希望复合 片既易于吃入地层，又能具有高的耐磨寿命。然而，这两个目标对复合片直径的要求是相互 矛盾的。前者要求减小复合片的直径，而后者要求增加复合片的直径。显然，对于具有圆形 切削刃的复合片而言，要解决这个矛盾十分困难。为此人们又提出了异形复合片技术，其可 以达到在满足复合片吃入地层难易性要求的同时，使复合片的工作长度满足耐磨寿命要求 的目的。
[0004] 在岩石的各种力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，抗压强度最高，并且抗 压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。所以切削是破碎岩石的最有效方法。早期的刮 刀钻头在今天仍在使用，其主要原因就是它属于切削型钻头。而roc钻头实质上就是微 型切削片刮刀钻头，由于聚晶金刚石层极薄（〇.6mm左右）极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性 高100倍以上，因此，在切削岩石过程中切削刃口能保持自锐。锐利的刃口切入地层后，沿 扭矩作用方向移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点。roc钻头是依靠切削齿 切削破碎地层岩石的，因此切削齿的工作性能特点基本上决定整个roc钻头的工作性能 特点。而切削齿的性能特点又取决于聚晶金刚石层和钨钴合金衬底组合的结构特性，具体 表现在：（1)高硬度和耐磨性。在钻头工作时，聚晶金刚石层直接与地层岩石接触进行切 肖IJ，由于它的高硬度、高耐磨性，PDC切削齿具有很高的硬度和耐磨性；（2)自锐性好。roc 钻头复合片最重要的、最有利于钻进的特性是它的"自锐性"，聚晶金刚石层的磨损速度远 低于碳化钨衬底，因此在复合片底部逐渐磨损的过程中，聚晶金刚石层始终保持一定的微 小出刃量，形成锐利的切削刃，承担了切削齿的大部分钻压，容易吃入地层，从而形成了"锐 利"的切削刃。因此roc钻头在钻井过程中，能始终保持较高的机械钻速；（3)整体强度 好。金刚石层较脆，但复合片由于有碳化钨衬底作支撑，能承受很大的载荷，并具有一定的 抗冲击韧性，能避免金刚石层的整体性破坏，因而复合片的整体强度很好。
[0005] 但PDC钻头切削齿同时又具有如下缺陷，主要为：（1)热稳定性差。复合片是由多 种物质组成的，当温度超过700°C时，由于复合片中不同物质的热膨胀系数不同引起的内 应力能导致复合片内部产生裂纹而碎裂。在350-700°C的温度范围内，随着温度升高，复合 片的磨损速度上升很快。在钻井过程中，复合片的底部在一定压力作用下沿地层岩石表面 滑动，产生了大量的摩擦热，使切削齿在冷却不好的条件下，温度迅速升高，有可能导致复 合片的加速磨损。因此在roc钻头工作时，必须有充分的水力来配合钻头进行清洗运移岩 肩，冷却切削齿，最大限度地保证钻头具有较高的机械钻速和较长的使用寿命。同时，决定 了roc钻头不宜钻进硬度较高的地层；（2)抗冲击性差。由于锐利的切削齿刃口（即聚晶 金刚石层）承担了切削齿的大部分钻压，且聚晶金刚石层较脆，因而切削齿的出刃部分遇到 冲击载荷时很容易折断，因此切削齿的抗冲击性相对较差。这就要求从钻头结构设计到使 用过程中力求保证钻头工作平稳，同时也决定了roc钻头不宜钻进含有砾石、黄铁矿等岩 石的地层。PDC钻头的这些主要性能特点决定了PDC钻头是一种适合于软到中硬均质地 层的切削型钻头。因而如何扩大roc钻头在复杂地层的使用范围是目前钻井行业急需努 力解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，提供一种特殊结构的聚晶金刚石复合片，以达到提高钻头切 削齿的耐磨寿命并改善切削齿吃入地层特性从而扩大PDC钻头在复杂底层的使用寿命的 目的。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种异型PDC切削齿钻头，包括异型PDC切削齿，所述切削齿包括基体和金刚石复合 层，其中，所述金刚石复合层至少由两个不在同一平面上的曲面构成。
[0008] 更具体地，所述金刚石复合层为一圆台，所述基体为一圆柱体，所述圆台底面直径 与所述圆柱体直径相同，所述金刚石复合层与所述金刚石复合层连接在一起。
[0009] 更具体地，所述金刚石复合层包括顶面、前侧面、后侧面一、后侧面二、后沟槽面、 侧沟面、底面，所述顶面的轮廓线构成切削轮廓，所述切削轮廓与岩石接触的部位构成主切 削刃，所述顶面的面积小于所述底面的面积，所述顶面轮廓线（即切削轮廓）向着所述底面 的轮廓线的方向延伸，从而构成连接所述顶面与所述底面之间的侧部，所述切削轮廓包括 主切削刃、侧切削刃一、后切削刃一、后切削刃二、侧切削刃二，所述侧部包括前侧面、后侧 面一、后侧面二、后沟槽面、侧沟面，所述侧切削刃一和侧切削刃二均分为前后两段，所述主 切削刃、所述侧切削刃一的前段和所述侧切削刃二的前段向着所述底面的方向延伸构成所 述前侧面，所述后切削刃一向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面一，所述后切削刃二 向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面二，所述后侧面一、所述后侧面二与所述底面的 轮廓线之间围成所述后沟槽面，所述侧切削刃二的后段向着所述底面的方向延伸并与所述 前侧面和所述后侧面二之间围成所述侧沟面，所述侧切削刃一的后段向着所述底面的方向 延伸并与所述前侧面和所述后侧面一之间围成另一侧沟面。
[0010] 更具体的，所述切削轮廓为心形状，所述顶面与所述底面之间平行。
[0011] 更具体的，所述主切削刃、所述后切削刃一、所述后切削刃二为圆弧，所述侧切削 刃一、所述侧切削刃二为直线，所述主切削刃与所述侧切削刃一之间平滑过渡，所述主切削 刃与所述侧切削刃二之间平滑过渡，所述后切削刃一与所述侧切削刃一之间平滑过渡，所 述后切削刃二与所述侧切削刃二之间平滑过渡，所述后切削刃一与所述后切削刃二相交。
[0012] 更具体地，所述顶面所在的平面与所述底面所在的平面之间形成一锐角，所述锐 角的角度为5° -30°之间。
[0013] 本发明还提供一种硬质合金齿，基体与金刚石复合层均由相同的硬质合金材料所 构成，而其结构参数与本发明中的异型PDC切削齿钻头的切削齿的结构参数结构相同。
[0014] 本发明的有益效果是： 本发明的异型roc切削齿钻头提高了roc钻头在复杂地层的钻进效率，减小了泥包现 象的发生。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明聚晶金刚石复合片的立体图。
[0016] 图1中：1.基体，2.金刚石复合层，3.顶面，4.前侧面，5.后侧面一，6.后侧面二， 7.后沟槽面，8.侧沟面，9.主切削刃，10.切削轮廓，11.底面，12.侧切削刃一，13.侧切削 刃二，14.后切削刃一，15.后切削刃二。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做出简要说明。
[0018] 首先，本发明中关于方向"前"、"后"、"左"、"右"、"上(顶)"、"下(底)