一種鑽探用高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的製作方法

2023-07-27 10:50:11

本發明屬於超硬複合材料技術領域，尤其涉及一種鑽探用高效排屑預成形聚晶金剛石複合片，主要用於石油鑽井、工程掘進和探礦等領域。

背景技術：

金剛石以其超高的硬度、耐磨性被視為理想的鑽進材料和切削加工材料，而聚晶金剛石複合片（PDC）的問世則成為金剛石應用技術發展史上一個重要的裡程碑。目前，PCD複合片作為超耐磨切削元件已在旋轉鑽頭、金剛石鑽頭等工具中使用，其廣泛應用於石油、天然氣鑽探等領域。隨著勘探理念轉變、創新，非常規油氣（比如頁巖油、氣等）勘探取得迅猛發展，較深複雜地層使用的鑽頭設計及其聚晶金剛石複合片的性能需要不斷提升，尤其是鑽進堅硬巖層、堅韌夾層等地層，往往會因難進尺、排屑不通暢等，出現崩齒，甚至卡鑽等嚴重鑽井事故。

鑑於上述的極難鑽探地層且鑽頭易出現崩齒問題，專利CN200820070865.5提供一種解決因裂紋在表面擴展致使崩齒問題，而在高效排屑方面尚不能勝任。本發明提出一種鑽探用高效排屑預成形聚晶金剛石複合片，利用其鋒利切削刃齒及暢達的排屑結構予以綜合解決難鑽進、崩齒、泥包等難題。

技術實現要素：

本發明的目的在於通過改變PCD複合片的聚晶金剛石層的上表面及外緣表面結構，提供一種極鋒利的鑽探用高效排屑預成形聚晶金剛石複合片，此PCD複合片在用於難鑽探地層中可克服難鑽進、減少崩齒問題，避免發生泥包等鑽井事故，提高鑽頭壽命及鑽井平臺的操控平穩性。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種鑽探用高效排屑預成形聚晶金剛石複合片，其包括聚晶金剛石層及與聚晶金剛石層相粘結的硬質合金支撐體。其中，所述聚晶金剛石層包括上表面及外緣表面，所述上表面與外緣表面在至少部分交界區域形成切削刃齒和排屑凹槽。

進一步，所述的切削刃齒與聚晶金剛石層外緣表面成一定角度且大於或等於90°。

進一步，所述的切削刃齒高不低於0.3mm、徑向長度不小於0.5 mm。

進一步，所述的切削刃齒和排屑凹槽沿徑向延伸呈環形分布。

進一步，所述排屑凹槽與聚晶金剛石層外緣表面成一定角度且大於或等於90°。

進一步，所述的切削刃齒、排屑凹槽與外緣表面之間設有倒角或無倒角。

進一步，所述的切削刃齒與排屑凹槽之間的縱向夾角小於60°。

進一步，所述聚晶金剛石層上表面中心部位存在容屑凹槽。

進一步，所述容屑凹槽呈圓形、方形等。

進一步，所述容屑凹槽深度小於聚晶金剛石厚度1/10。

本發明的有益效果為：本發明在鑽採鑽進過程中，利用此高效排屑預成形聚晶金剛石複合片作為耐磨切削元件，其結構存在鋒利的切削刃齒和暢達的排屑凹槽或容屑結構，可降低PCD複合片工作區域磨削熱，減少崩齒，避免排屑不暢發生泥包等鑽井事故，可大幅度提高鑽井鑽進效率和鑽井平臺的操控平穩性。

附圖說明

圖1是本發明中一種無容屑結構的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖2是本發明中一種帶容屑結構的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖3是一種四刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖4是另一種四刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖5是一種五刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖6是另一種五刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖7是一種八刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖8是另一種八刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖9是一種十刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖10是另一種十刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖11是一種十二刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖；

圖12是另一種十二刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片的結構示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地理解本發明，下面將結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅局限於下面的實施例。基於本發明中實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前體下所獲得其它所有實施例，均將屬於本發明保護的範疇。

如圖1和2所示，本發明包括聚晶金剛石層100及與其相粘結的硬質合金支撐體200。所述聚晶金剛石層100包括上表面101及外緣表面102，所述上表面101與外緣表面102在至少部分交界區域形成切削刃齒103和排屑凹槽104。此外，如參考圖2所示，所述聚晶金剛石層上表面中心部位存在有容屑凹槽105。

實施例一

如圖3和圖4所示，其是具有相似結構的四刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片。參考圖3所示，此四刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.87mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為90°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以22°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為112°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.35 mm。參考圖4所示，此四刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.83mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為99.5°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以33.2°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為123.2°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.35 mm。

實施例二

如圖5和圖6所示，其是具有相似結構的五刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片。參考圖5所示，此五刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.91mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為90°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以20°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為110°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.35 mm。參考圖6所示，此五刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.87mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為100.1°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以35.6°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為125.6°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.35 mm。

實施例一和實施例二所提供的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片適用於極硬巖層、堅韌夾層等複雜地層的鑽探，尤其極硬巖層。此多刃齒結構也大大提高複合片的利用率及降低鑽探成本等。

實施例三

如圖7和圖8所示，其是具有相似結構的八刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片。參考圖7所示，此八刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.78mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為90°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以23°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為113°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。參考圖8所示，此八刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.76mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為99.3°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以32.8°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為122.8°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。

實施例四

參考附圖9、10所示，其是具有相似結構的十刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片。參考圖9所示，此十刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.69mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為90°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以25°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為115°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。參考圖10所示，此十刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.68mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為99.1°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以36.5°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為126.5°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。

實施例五

如圖11和圖12所示，其是具有相似結構的十二刃齒的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片。參考圖11所示，此十二刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.72mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為90°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以26°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為116°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。參考圖12所示，此十二刃齒複合片的切削刃齒103徑向延伸長度1.70mm、高度1.23mm，其與外緣表面102的角度為99.7°；而排屑凹槽104與切削刃齒103以38.3°相連呈環形分布，其與外緣表面102的角度為128.3°。切削刃齒103、排屑凹槽104與外緣表面102之間倒角為0.40 mm。

實施例三、實施例四及實施例五所提供的高效排屑預成形聚晶金剛石複合片適用於極硬巖層、堅韌夾層等複雜地層的鑽探，尤其堅韌夾層及較深的複雜地層。此多刃齒結構可解決地層難鑽進、機速慢及易發生泥包等問題。

以上所述僅為本發明的優選實施例，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的技術方案前提下，還可做出若干修改或等同替代，這均視為本發明的保護範疇。