一种钻探用高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的制作方法

本发明属于超硬复合材料技术领域，尤其涉及一种钻探用高效排屑预成形聚晶金刚石复合片，主要用于石油钻井、工程掘进和探矿等领域。

背景技术：

金刚石以其超高的硬度、耐磨性被视为理想的钻进材料和切削加工材料，而聚晶金刚石复合片（PDC）的问世则成为金刚石应用技术发展史上一个重要的里程碑。目前，PCD复合片作为超耐磨切削元件已在旋转钻头、金刚石钻头等工具中使用，其广泛应用于石油、天然气钻探等领域。随着勘探理念转变、创新，非常规油气（比如页岩油、气等）勘探取得迅猛发展，较深复杂地层使用的钻头设计及其聚晶金刚石复合片的性能需要不断提升，尤其是钻进坚硬岩层、坚韧夹层等地层，往往会因难进尺、排屑不通畅等，出现崩齿，甚至卡钻等严重钻井事故。

鉴于上述的极难钻探地层且钻头易出现崩齿问题，专利CN200820070865.5提供一种解决因裂纹在表面扩展致使崩齿问题，而在高效排屑方面尚不能胜任。本发明提出一种钻探用高效排屑预成形聚晶金刚石复合片，利用其锋利切削刃齿及畅达的排屑结构予以综合解决难钻进、崩齿、泥包等难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过改变PCD复合片的聚晶金刚石层的上表面及外缘表面结构，提供一种极锋利的钻探用高效排屑预成形聚晶金刚石复合片，此PCD复合片在用于难钻探地层中可克服难钻进、减少崩齿问题，避免发生泥包等钻井事故，提高钻头寿命及钻井平台的操控平稳性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钻探用高效排屑预成形聚晶金刚石复合片，其包括聚晶金刚石层及与聚晶金刚石层相粘结的硬质合金支撑体。其中，所述聚晶金刚石层包括上表面及外缘表面，所述上表面与外缘表面在至少部分交界区域形成切削刃齿和排屑凹槽。

进一步，所述的切削刃齿与聚晶金刚石层外缘表面成一定角度且大于或等于90°。

进一步，所述的切削刃齿高不低于0.3mm、径向长度不小于0.5 mm。

进一步，所述的切削刃齿和排屑凹槽沿径向延伸呈环形分布。

进一步，所述排屑凹槽与聚晶金刚石层外缘表面成一定角度且大于或等于90°。

进一步，所述的切削刃齿、排屑凹槽与外缘表面之间设有倒角或无倒角。

进一步，所述的切削刃齿与排屑凹槽之间的纵向夹角小于60°。

进一步，所述聚晶金刚石层上表面中心部位存在容屑凹槽。

进一步，所述容屑凹槽呈圆形、方形等。

进一步，所述容屑凹槽深度小于聚晶金刚石厚度1/10。

本发明的有益效果为：本发明在钻采钻进过程中，利用此高效排屑预成形聚晶金刚石复合片作为耐磨切削元件，其结构存在锋利的切削刃齿和畅达的排屑凹槽或容屑结构，可降低PCD复合片工作区域磨削热，减少崩齿，避免排屑不畅发生泥包等钻井事故，可大幅度提高钻井钻进效率和钻井平台的操控平稳性。

附图说明

图1是本发明中一种无容屑结构的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图2是本发明中一种带容屑结构的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图3是一种四刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图4是另一种四刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图5是一种五刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图6是另一种五刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图7是一种八刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图8是另一种八刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图9是一种十刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图10是另一种十刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图11是一种十二刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图；

图12是另一种十二刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明，下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅局限于下面的实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前体下所获得其它所有实施例，均将属于本发明保护的范畴。

如图1和2所示，本发明包括聚晶金刚石层100及与其相粘结的硬质合金支撑体200。所述聚晶金刚石层100包括上表面101及外缘表面102，所述上表面101与外缘表面102在至少部分交界区域形成切削刃齿103和排屑凹槽104。此外，如参考图2所示，所述聚晶金刚石层上表面中心部位存在有容屑凹槽105。

实施例一

如图3和图4所示，其是具有相似结构的四刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片。参考图3所示，此四刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.87mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为90°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以22°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为112°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.35 mm。参考图4所示，此四刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.83mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为99.5°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以33.2°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为123.2°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.35 mm。

实施例二

如图5和图6所示，其是具有相似结构的五刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片。参考图5所示，此五刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.91mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为90°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以20°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为110°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.35 mm。参考图6所示，此五刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.87mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为100.1°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以35.6°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为125.6°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.35 mm。

实施例一和实施例二所提供的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片适用于极硬岩层、坚韧夹层等复杂地层的钻探，尤其极硬岩层。此多刃齿结构也大大提高复合片的利用率及降低钻探成本等。

实施例三

如图7和图8所示，其是具有相似结构的八刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片。参考图7所示，此八刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.78mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为90°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以23°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为113°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。参考图8所示，此八刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.76mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为99.3°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以32.8°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为122.8°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。

实施例四

参考附图9、10所示，其是具有相似结构的十刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片。参考图9所示，此十刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.69mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为90°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以25°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为115°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。参考图10所示，此十刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.68mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为99.1°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以36.5°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为126.5°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。

实施例五

如图11和图12所示，其是具有相似结构的十二刃齿的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片。参考图11所示，此十二刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.72mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为90°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以26°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为116°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。参考图12所示，此十二刃齿复合片的切削刃齿103径向延伸长度1.70mm、高度1.23mm，其与外缘表面102的角度为99.7°；而排屑凹槽104与切削刃齿103以38.3°相连呈环形分布，其与外缘表面102的角度为128.3°。切削刃齿103、排屑凹槽104与外缘表面102之间倒角为0.40 mm。

实施例三、实施例四及实施例五所提供的高效排屑预成形聚晶金刚石复合片适用于极硬岩层、坚韧夹层等复杂地层的钻探，尤其坚韧夹层及较深的复杂地层。此多刃齿结构可解决地层难钻进、机速慢及易发生泥包等问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案前提下，还可做出若干修改或等同替代，这均视为本发明的保护范畴。