一种聚晶金刚石复合片及采用此复合片的钻头的制作方法

本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻井设备技术邻域，具体涉及针对硬地、难钻地层的一种新型聚晶金刚石复合片及采用此复合片的钻头。

背景技术：

聚晶金刚石复合片是钻井工程中的钻井工具、破岩工具上使用的切削元件，简称为复合片或PDC齿。常规聚晶金刚石复合片通常由聚晶金刚石层与基体（基体材料通常为硬质合金）在高温高压下复合而成，因此复合片既具有聚晶金刚石层有高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。

聚晶金刚石层的外端面是复合片上最重要的切削工作表面，故称为复合片的切削工作面或切削面；复合片的工作面与侧面的交线为复合片的切削刃轮廓线。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，一般情况下，切削刃轮廓线与岩石相接触的区域越小，复合片吃入地层就越容易。

新钻头切削齿的切削刃轮廓线为曲线，与岩石接触的齿尖轮廓曲率半径小，切削齿容易吃入地层；当切削齿有磨损后，切削齿变钝，切削齿与岩石接触的轮廓线曲率半径变大或变为直线，接触范围变大，切削齿难以有效地吃入地层，破岩效率降低，从而降低机械钻速。当钻头钻进硬地层、高研磨性地层、软硬交错夹层、砾夹层、破碎岩层等地层时，传统复合片的聚晶金刚石层通常为平整的圆形，齿与切削岩石之间的比压较小，且容易因受振动而发生聚晶金刚石层的成块或整体脆崩脱落，切削齿磨损加快，极易出现聚晶金刚石层的碎裂、脱层甚至剥落，从而导致整个钻头的失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对硬地层、高研磨性地层、软硬交错夹层、砾夹层等地层提供一种适用于难钻地层的聚晶金刚石复合片及采用此复合片的钻头。

本实用新型的技术方案如下：

一种聚晶金刚石复合片及采用此复合片的钻头，聚晶金刚石复合片由基体和聚晶金刚石层组成，其特征是：复合片金刚石层的长宽不等，切削工作面为具有棱脊形状的曲面；

本专利中，为了便于理解，参考图示，如图所示基体横截面长度L，宽度B，切削刃高度h, 切削刃宽度w，棱线偏角为。切削齿切削刃（或称切削齿刃、切削刃或齿刃）是指聚晶金刚石层的工作面与侧面的交线；棱线是指切削齿工作面上两相邻曲面之间的交线，如图8（b）中所示的直线71；棱脊是指棱线附近的凸起区域，其中，棱脊可只包含一条棱线及其附近的凸起区域，也可包含多条棱线以及这些棱线共同构成的突起区域；棱脊基准线是指棱脊两外侧棱线之间切削刃中点M处切削刃的法线MN,如图8（b）所示；棱脊宽度w是指在垂直于棱脊方向的平面内该棱脊最外侧两棱线与该平面两交点之间的距离，如图1所示；棱脊高度h是指棱脊最高点到齿刃最低点沿切削齿中心轴线的距离，如图2所示；棱线偏角是指在切削齿俯视平面内，棱线投影与棱脊基准线投影之间的夹角。

上述方案中，聚晶金刚石复合片工作面不再为平面，而是一个具有外凸棱脊的曲面，以棱脊切入地层时获得高比压，且切削齿以犁削的方式破岩，其吃入地层的能力大大增强；复合片在具有抗冲击能力强的同时也具有自平衡作用，可在一定程度上减少其横向力。

作为选择，所述基体横截面为椭圆形，在聚晶金刚石层工作曲面形成棱脊。

上述方案中，显著增加齿的可磨损高度，提升齿的工作寿命。

作为选择，复合片工作面上设有一个棱脊，棱脊两侧的曲面为平面或内凹曲面。作为较优的选择，棱脊两侧的曲面为内凹的柱面，特别是圆柱面。

上述方案中，切削刃变得更为突出，增大了切削刃吃入地层的能力，有效的提高了破岩效率。

作为选择，在聚晶金刚石层工作曲面所形成棱脊的宽度w取值不大于硬质合金基体宽度B的20%，即。

上述方案中，将切削刃宽度限定在一定范围内，在切削刃宽度方向上提高刃口的锋利度，切削刃宽度不恒定，能够提高切削刃吃入地层能力。

作为选择，棱脊两外侧棱线偏角取值范围是 ，棱脊沿棱脊基准线由宽变窄。进一步，棱脊两外侧棱线不平行且关于棱脊基准线不对称。

上述方案中，将棱线偏角控制在一定范围内，在切削刃切削方向提高刃口的锋利度，偏角不同形成非对称的棱脊，丰富刃口类型，拓宽复合片适用范围。

作为选择，在聚晶金刚石层工作面形成多个棱脊，棱脊方向至少2个不平行，且切削刃分布在复合片工作曲面的圆周上。

上述方案中，多个切削刃分布在复合片的圆周上，切削齿在岩石上易于形成应力集中，复合片在井底形成多条交叉切痕，有利于有效地吃入地层，提高破岩效率。

作为优选，在聚晶金刚石层工作面形成多个棱脊，且至少2个棱脊的高度不同。

上述方案中，切削刃高度不相同，相当于多级齿分布，提高复合片的使用寿命。

作为优选，钻头由至少两个固定刀翼组成，包括相对钻头旋转或滑移运动的切削单元，刀翼间的流道中设置有水眼，刀翼上设置有切削齿，且钻头上至少有一个切削齿采用此复合片。

作为优选，钻头运动切削单元上至少一个切削齿采用此复合片，进一步，钻头运动切削单元上至少一组（以齿圈等为单位）切削齿采用此复合片。

上述方案中，新型复合片用于牙轮、盘刀等运动切削单元上，能够有效的提高钻头整体的破岩效率。

作为优选，所述聚晶金刚石复合片可与常规PDC切削齿、椭圆PDC齿、锥形齿等在钻头上以前后、上下、交错、同轨、异轨等方式组合使用。

上述方案中，聚晶金刚石复合片与常规切削齿等方式组合使用，钻头将以刮切、犁削、冲击多种方式破岩，能显著提高钻头钻进效率。

有益效果：本实用新型与传统的聚晶金刚石复合片以及PDC钻头相比，

1、聚晶金刚石复合片工作面不在为平面，而是一个向外凸起的曲面，切削齿以棱脊切入地层时获得高比压，且以犁削的方式破岩，其吃入地层的能力大大增强；

2、由于新型复合片具有抗冲击能力强且具有自平衡作用，可在一定程度上减少钻头横向力，提升齿的工作寿命，有效提高钻头的工作性能。

3、复合片的横截面长宽度不相等，能够显著增加齿的可磨损高度，提升齿的工作寿命；

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本实用新型中聚晶金刚石复合片示意图。

图2为图1的主视图。

图3为本实用新型中由圆弧-直线构成的聚晶金刚石复合片长宽不等的示意图。

图4为本实用新型中由圆弧-直线-圆弧构成的聚晶金刚石复合片轮廓长宽不等的示意图。

图5为本实用新型中由圆弧-椭圆构成的聚晶金刚石复合片轮廓长宽不等的示意图。

图6为本实用新型中椭圆型柱体聚晶金刚石复合片，复合片工作面上设有一个棱脊，且棱脊两侧的曲面为内凹曲面。

图7为本实用新型中聚晶金刚石复合片棱线不平行且关于棱脊基准线不对称的示意图。

图8为本实用新型中聚晶金刚石复合片棱线不平行，但关于棱脊基准线对称的示意图。

图9为本实用新型中聚晶金刚石复合片有多个棱脊，且至少两个棱脊高度不相等的示意图。

图10为图9的主视图。

图11为本实用新型中聚晶金刚石复合片有多个棱脊，且棱脊相互平行的示意图。

图12为图11的主视图。

图13为聚晶金刚石层复合片上至少两个棱脊相互不平行，且切削刃分布在复合片工作曲面的圆周上的示意图。

图14为图13的主视图。

图15采用本实用新型聚晶金刚石复合片的固定翼钻头示意图。

图16为图15钻头切削齿的井底覆盖图。

图17固定翼钻头上采用本实用新型聚晶金刚石复合片、锥形齿、常规PDC复合片的示意图。

图18为图17钻头刀翼3的径向布齿图。

图19为PDC-牙轮复合钻头的固定翼上采用本实用新型聚晶金刚石复合片的示意图。

图20为图19复合钻头切削齿的井底覆盖图。

图21为PDC-盘刀复合钻头的固定翼和盘刀上均采用本实用新型聚晶金刚石复合片的示意图。

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-新型聚晶金刚石复合片、3-固定刀翼、4-喷嘴、5-聚晶金刚石层、6-基体、7-棱脊、71-棱线。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本实用新型

聚晶金刚石复合片基本实施例：

如图1至14所示：一种聚晶金刚石复合片，其中复合片包括聚晶金刚石层（5）、基体（6）、棱脊（7），其特征在于：复合片金刚石层的长宽不等，在聚晶金刚石层工作面上形成棱脊。

聚晶金刚石复合片实施例1

如图3至5所示，聚晶金刚石复合片工作面上设有一个棱脊（7）且金刚石层的长宽不等。

聚晶金刚石复合片实施例2

如图6所示，聚晶金刚石复合片轮廓为椭圆型柱体，复合片工作面上设有一个棱脊（7），棱脊两侧的曲面为内凹曲面。

聚晶金刚石复合片实施例3

如图9至13所示，基体横截面为椭圆形，在聚晶金刚石层工作曲面形成棱脊（7）。

聚晶金刚石复合片实施例4

如图7所示，棱脊两侧棱线偏角不相等，两棱线互不平行且关于棱脊基准线不对称。

聚晶金刚石复合片实施例5

如图8所示，棱脊宽度w取值不大于硬质合金基体宽度B的20%，即，在切削过程中，切削齿刃的宽度不恒定。

聚晶金刚石复合片实施例6

如图9至12所示，在聚晶金刚石层（5）工作曲面形成多个棱脊（7），且各棱脊相互平行。

聚晶金刚石复合片实施例7

如图13至14所示，在聚晶金刚石层（5）工作面形成多个棱脊（7），至少两个棱脊（7）相互不平行，且以分布在复合片工作面的圆周上。

聚晶金刚石复合片实施例8

如图9、10所示，在聚晶金刚石层（5）工作曲面形成多个棱脊（7），各棱脊高度不同。

钻头基本实施例：

钻头上至少有两个固定刀翼和若干可相对钻头转动或平移的切削结构，且钻头上至少采用一个上述聚晶金刚石复合片。

钻头实施例1

如图15、图16所示，钻头上具有五个固定刀翼，各刀翼除保径区域外，全部设置有上述新型聚晶金刚石复合片。

钻头实施例2

如图17、图18所示，钻头上具有五个固定刀翼，各刀翼上均设置有上述新型聚晶金刚石复合片，且同时设置有常规复合片和尖锥齿。

钻头实施例3

如图19、图20所示，钻头上具有两个固定刀翼和两个牙轮，各刀翼上均设置有上述新型聚晶金刚石复合片。

钻头实施例3

如图21所示，钻头上具有两个固定刀翼和两个盘刀，各刀翼和盘刀上均设置有上述新型聚晶金刚石复合片。

钻头实施例4

如图15至21所示，所述新型聚晶金刚石复合片可与常规PDC切削齿、椭圆齿、锥形齿等在钻头上前后、上下、交错、同轨、异轨等方式组合使用。