[发明专利]一种聚晶金刚石复合片钻头

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井领域，具体是石油天然气钻井行业内使用的一种聚晶金刚石复合片钻头。

背景技术

由于世界能源日趋紧张，石油天然气钻井活动不断增加，所以对石油天然气钻井钻头的需求量也越来越大。石油天然气钻井聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头）由于钻井速度高和使用寿命长，因此得到了极其广泛的应用。PDC钻头核心部件是聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC复合片2），PDC复合片2作为PDC钻头的破岩切削元件其抗研磨性能和抗冲击性能直接影响PDC钻头实际钻井的综合性能。

如图1～图2所示，为现有PDC钻头用PDC复合片2的切削原理模型示意图。定义PDC复合片的切削面4为沿着PDC复合片2的位移方向和地层3接触的平面或曲面，标记CEN为PDC钻头中心线，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向，标记PR为坐标系YZ平面内的井底形状曲线，标记PN为PDC复合片2的切削后角定位面，标记V为PDC复合片的切削面4和PR井底形状曲线交点的切削方向，标记TR为单个PDC复合片2在一定的切入深度条件下切削地层3后的切削轨迹。当对钻头施加一定的向下（即Z轴方向）钻压时，钻头体将向下钻压传递给PDC复合片2，使PDC复合片2切入地层3。同时钻头的旋转运动驱动PDC复合片2产生位移运动，从而实现PDC复合片2切削地层3的目的。多个相同作用的PDC复合片2被布置在PDC钻头的不同刀翼1和不同位置上，形成所有PDC复合片2的切削轨迹TR覆盖整个井底截面形状，从而实现PDC钻头钻进地层3的目的。

如图3所示，为图1中PN平面剖视图，是现有PDC钻头用PDC复合片2的几何结构及挤压地层3的破岩机理示意图，标记V为切削齿的位移运动方向。现有石油钻井PDC钻头用PDC复合片2由硬质合金基体和聚晶金刚石复合相互组成一体， 整个PDC复合片2为圆柱形结构，并且聚晶金刚石端部平面作为PDC复合片的切削面4。当PDC复合片2切入地层3沿着V方向切削地层3时，PDC复合片2的聚晶金刚石端部平面对地层3产生挤压作用，使PDC复合片2下部的地层3受多向压应力作用，当地层3受到的压应力超过地层3的抗压强度时地层3被压碎裂，这就是现有石油钻井PDC钻头用PDC复合片2破岩机理。由于是挤压破岩机理，不可避免的存在诸多问题。

1. 因为地层3岩性的抗压强度比抗剪切强度高很多，因此挤压破岩的破岩效率低，影响PDC钻头的机械钻速。

2.  PDC复合片2的位移运动推动碎裂的岩石被挤压出地层3时，岩石和PDC复合片2的聚晶金刚石端部平面发生强烈的摩擦产生巨大的热量使PDC复合片2聚晶金刚石的温度大幅增加，导致PDC复合片2的抗研磨能力大幅降低，降低PDC钻头的使用寿命。

3. 由于PDC复合片2和地层3接触3的切削面4为聚晶金刚石平面，当钻遇砾石地层3时PDC复合片2聚晶金刚石平面和地层3砾石发生激烈正碰撞，导致聚晶金刚石崩损或脱落，使PDC复合片2失去破岩能力，最终导致PDC钻头失效。这也是PDC钻头钻遇砾石地层3时被迫起钻，换用牙轮钻头钻穿砾石地层3再下PDC钻头实施下部无砾石地层3钻进的主要原因。

4. 当地层3的岩性具有一定的塑性时，PDC复合片2下部的地层3无法被压碎只能被压缩，导致PDC钻头不适应塑性地层3不能实现正常钻进。

5. 上述第3条和第4条导致现有PDC钻头适应地层3岩性能力差，PDC钻头设计制造厂家被迫不断设计制造新型号PDC钻头来适应未钻遇地层3的岩性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种切削效率高的聚晶金刚石复合片钻头。

本发明所采用的技术方案是：

一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头体和设置在钻头体刀翼上的若干个聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合片构成钻头的切削齿，所述聚晶金刚石复合片包括基体和聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层的端面对应钻头体刀翼的外周面设置、切削齿的切削面为聚晶金刚石层的侧面。

所述刀翼的刃口处设置有用于安装聚晶金刚石复合片的凹槽，基体的端面和侧面对应该凹槽安装。

所述基体为圆柱体，聚晶金刚石层为锥度圆台体，两者的中心线重合，聚晶金刚石层的小端与基体端面重合连接，聚晶金刚石层的侧面为锥面。

所述切削齿的切削后角小于或等于聚晶金刚石层锥度的1/2。

所述切削齿的切削后角为5至45度。

所述聚晶金刚石层的锥度为10至90度。

所述硬质合金基体圆柱形结构的直径为8至30毫米。