一种聚晶金刚石复合片及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种聚晶金刚石复合片及其应用，属于超硬材料领域，具体涉及一种广泛用于石油、地质等领域的能够实现正切削角度的聚晶金刚石复合片。
【背景技术】
[0002]聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compacts)是由聚晶金刚石层与硬质合金层构成的超硬复合材料。由于它具有金刚石聚晶层极高的耐磨性和硬质合金的抗冲击韧性，被广泛地应用于地质和石油钻探中。
[0003]在聚晶金刚石复合片切削物体时，称通过切削刃某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面为基面，通过切削刃上某一指定点，与切削刃相切并垂直于该点基面的平面为切削平面。切肩沿其流出的刀具表面为前刀面，刀具后面为后刀面。在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角为切削角度。前刀面在基面之下时切削角度为正值，相反为负值。后仰角是指在正交平面内测量的后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。举例说明，如图1所示:3为被切削件，4为聚晶金刚石复合片，α为切削角度，图1中切削角度为正值，β为后仰角。
[0004]聚晶金刚石复合片钻头简称I3DC钻头(PolycrystallineDiamond Compact bit)，其破碎岩石的实质为剪切破岩。岩石抗压强度一般为抗剪强度的5-12倍。但负的切削角度使得聚晶金刚石复合片在破岩过程中，其前刀面下方的岩石会受多向压缩状态，不易形成较大体积的剪切破碎，严重影响了 PDC钻头切削齿的破岩效果，制约了钻井速度的提高。
[0005]由于目前现有的聚晶金刚石复合片结构都是圆柱形的，如前所述，后仰角又一般为正值，如图2所示，复合片的后刀面与前刀面为垂直关系，所以目前应用聚晶金刚石复合片的钻头其切削角度都为负值。如果切削角度大于或等于零，那么后仰角将变为负值，导致切削齿的后部接触岩石，对切削齿吃入地层形成阻碍作用，影响切削齿的破岩效果，因此无法采用正切削角度。
[0006]专利ZL 200520080649.5公开了一种锐角PDC切削件钻头，专利ZL200620113547.3公开了一种正前角切削结构的PDC钻头。在上述两个专利(都为I3DC钻头)中，为实现正的切削角度，都是对PDC钻头进行整形而成，具体方法为加工现有圆柱形复合片的硬质合金部分。采用整形的方法处理常规聚晶金刚石复合片主要有三个问题:
(I)硬质合金硬度大，耐磨性强，整形难度大；(2)整形的聚晶金刚石复合片形状不规则，不利于焊接；(3)整形的聚晶金刚石复合片，破坏了聚晶金刚石复合片原有的完整性，严重影响复合片强度。
【发明内容】
[0007]为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种聚晶金刚石复合片及其应用。
[0008]为达到上述目的，本发明提供一种聚晶金刚石复合片，包括聚晶金刚石层及硬质合金层，其中，所述聚晶金刚石层平面与所述聚晶金刚石复合片的母线成20° -88°的夹角。
[0009]根据本发明所述的聚晶金刚石复合片，所述“夹角”为聚晶金刚石层平面所形成的椭圆的长轴与聚晶金刚石复合片的母线所成的角，当该角为锐角时，其为所述“夹角”，当该角为钝角时，该钝角的补角为所述“夹角”，其示意图如图13所示；
[0010]上述“母线”为穿过所述聚晶金刚石复合片并与圆柱形的聚晶金刚石复合片的轴线相平行的直线。
[0011]根据本发明所述的聚晶金刚石复合片，优选地，所述聚晶金刚石层平面与所述聚晶金刚石复合片的母线成70° -88°的夹角。
[0012]本发明还提供了上述聚晶金刚石复合片在PDC钻头中的应用。
[0013]根据本发明所述的应用，优选地，所述聚晶金刚石层平面与所述聚晶金刚石复合片的母线所成的夹角为20°到88°，后仰角为0°到30°，切削角度为-30°到15° ;可获得较高的耐用性和切削速率。
[0014]将本发明的聚晶金刚石复合片应用于PDC钻头，在切削过程中，切削齿受到的切削力通常可用下式(I)表示:
[0015]Fn= tan( α+ω J*Req*A 式(I)
[0016]式(I)中，FnS切削齿受到的切削力；Req为常量，其被定义为岩石内在的特定力或岩石应力的等价参数；α为切削角度；ω。为岩石作用的摩擦角；Α为切削面积；并且Req、ω。和A均不随切削角度α的变化而变化。因此在-90°至Ij 90°范围内随切削角度的增加，破碎岩石的切削力也会相应增加，因此大切削角度的PDC钻头切削效率高。
[0017]根据本发明所述的应用，优选地，所述聚晶金刚石层平面与所述聚晶金刚石复合片的母线所成的夹角为70°到88°，后仰角为0°到20°，切削角为-10°到0° ;可获得较高耐用性。
[0018]根据本发明所述的应用，优选地，所述聚晶金刚石层平面与所述聚晶金刚石复合片的母线所成的夹角为70°到88°，后仰角为0°到20°，切削角为0°到10° ;可获得较高切削速率。
[0019]根据本发明所述的聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石层与所述聚晶金刚石复合片的母线所成的夹角、后仰角、切削角度之和等于90°为本领域的公知技术常识。
[0020]本发明的聚晶金刚石复合片可以扩大其作为切削件的切削角度范围，并且打破了聚晶金刚石复合片作为切削件时后仰角与切削角度之间固定不变的关系，可以使得聚晶金刚石复合片在保持最优后仰角的情况下，任意改变聚晶金刚石复合片的切削角度，形成剪切破岩效果更加明显的PDC钻头切削结构，有利于钻井速度的提高。与此同时也克服了整形聚晶金刚石复合片所带来的问题，使得复合片形状规则，易于焊接，强度可靠。
[0021]本发明所提供的聚晶金刚石复合片可以通过只改变聚晶金刚石层与聚晶金刚石复合片母线之间的夹角，即只改变聚晶金刚石复合片，就可以改变其作为切削件的切削角度，因此本发明还可以简化PDC钻头的制造工艺。
【附图说明】
[0022]图1为聚晶金刚石复合片切削物体时的示意图；
[0023]图2为常规负切削角度切削结构的PDC钻头的示意图；
[0024]图3为实施例1提供的聚晶金刚石复合片的示意图；
[0025]图4为实施例2提供的实施例1所述的聚晶金刚石复合片用于PDC钻头的切削示意图；
[0026]图5为实施例3提供的聚晶金刚石复合片的示意图；
[0027]图6为实施例4提供的实施例3所述的聚晶金刚石复合片用于PDC钻头的切削示意图；
[0028]图7为实施例5提供的聚晶金刚石复合片的示意图；
[0029]图8为实施例6提供的实施例5所述的聚晶金刚石复合片用于PDC钻头的切削示意图；
[0030]图9为实施例7提供的聚晶金刚石复合片的示意图；
[0031]图10为实施例8提供的实施例7所述的聚晶金刚石复合片用于PDC钻头的切削示意图；
[0032]图11为实施例9提供的聚晶金刚石复合片的示意图；
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