[发明专利]一种异型PDC切削齿钻头

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井工具领域，进一步涉及在石油天然气钻井作业中、广泛使用的聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头），更具体地，本发明涉及一种PDC钻头上作为钻头切削单元的聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC切削齿）。

背景技术

PDC 钻头主要由钻头体、切削齿和接头等组成。钻头体按材料一般可分为胎体和钢体两种，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。胎体钻头的钻头体是采用不同粒度的碳化钨粉以及不同配比的浸渍金属料装入设计好的石墨模具中经无压浸渍高温烧结而成，上面预留了切削齿位置。钢体钻头的钻头体是采用整块合金钢毛坏经机加工而成。PDC 钻头的切削齿分为复合片式切削齿和齿柱式切削齿两种结构，它们按一定规律布置在钻头体上。复合片是由聚晶金刚石层和碳化钨衬底组成，一般为圆片状，聚晶金刚石层是复合片切削齿的核心。

目前，PDC钻头上所使用的一般均为圆形复合片。圆形复合片由切削刃轮廓线为圆形的聚晶金刚石层和硬质合金基体复合而成。圆形复合片的长度和宽度相等，均等于复合片的直径。一般而言，对于完整的圆形复合片而言，大直径复合片的耐磨寿命比小直径复合片更长，同时占据的钻头布齿空间也比小直径复合片更大。 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。通常情况下，切削刃轮廓线的曲率半径越小，复合片吃入地层就越容易。对于圆形复合片而言，切削刃轮廓线上每一点的曲率半径是相同的。因此，直径小的复合片比直径大的复合片更易于吃入地层。 在实际的钻头设计中，常常希望复合片既易于吃入地层，又能具有高的耐磨寿命。然而，这两个目标对复合片直径的要求是相互矛盾的。前者要求减小复合片的直径，而后者要求增加复合片的直径。显然，对于具有圆形切削刃的复合片而言，要解决这个矛盾十分困难。为此人们又提出了异形复合片技术，其可以达到在满足复合片吃入地层难易性要求的同时，使复合片的工作长度满足耐磨寿命要求的目的。

在岩石的各种力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，抗压强度最高，并且抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。所以切削是破碎岩石的最有效方法。早期的刮刀钻头在今天仍在使用，其主要原因就是它属于切削型钻头。而 PDC 钻头实质上就是微型切削片刮刀钻头，由于聚晶金刚石层极薄(0.6mm 左右)极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高 100 倍以上，因此，在切削岩石过程中切削刃口能保持自锐。锐利的刃口切入地层后，沿扭矩作用方向移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点。PDC 钻头是依靠切削齿切削破碎地层岩石的，因此切削齿的工作性能特点基本上决定整个 PDC 钻头的工作性能特点。而切削齿的性能特点又取决于聚晶金刚石层和钨钴合金衬底组合的结构特性，具体表现在:（1）高硬度和耐磨性。在钻头工作时，聚晶金刚石层直接与地层岩石接触进行切削，由于它的高硬度、高耐磨性，PDC 切削齿具有很高的硬度和耐磨性；（2）自锐性好。 PDC 钻头复合片最重要的、最有利于钻进的特性是它的“自锐性”，聚晶金刚石层的磨损速度远低于碳化钨衬底，因此在复合片底部逐渐磨损的过程中，聚晶金刚石层始终保持一定的微小出刃量，形成锐利的切削刃，承担了切削齿的大部分钻压，容易吃入地层，从而形成了“锐利”的切削刃。因此 PDC 钻头在钻井过程中，能始终保持较高的机械钻速；（3）整体强度好。金刚石层较脆，但复合片由于有碳化钨衬底作支撑，能承受很大的载荷，并具有一定的抗冲击韧性，能避免金刚石层的整体性破坏，因而复合片的整体强度很好。