CN105134086B - 具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和复合于其上的聚晶金刚石层，在聚晶金刚石层的刃面上设置有沟槽结构；沟槽结构包括沿刃面的径向呈放射状布置的若干径向沟槽，若干径向沟槽将刃面分割成若干个扇区，以及与径向沟槽连通的若干弧形的周向沟槽，若干周向沟槽以刃面的中心为圆心呈同心分布，相邻扇区的周向沟槽交错设置。本发明的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，刃面上大量沟槽的设置，使岩屑与刃面的接触面积少，粘附力降低；钻井液可以进入到沟槽内，润滑复合片刃面，岩屑可被钻井液携带脱离井底，从而避免了岩屑在复合片刃面前的附着和堆积，从根本上预防了PDC钻头泥包的形成。

Description

具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井工具技术领域，尤其涉及一种应用于PDC钻头上的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片。

背景技术

PDC钻头(PDC为英文Polycrystalline Diamond Compact bit的缩写，PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称)，是石油天然气钻井等行业常用的一种钻井工具。PDC钻头大致由钻头体、切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成，PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，其中，聚晶金刚石复合片(简称复合片或PDC齿)作为切削元件，是切削齿的核心，复合片一般为圆片状，由硬质合金基体(通常为碳化钨)作为衬底与聚晶金刚石层复合而成，聚晶金刚石层的前面用作复合片的切削工作面，也称为刃面。

PDC钻头破碎塑性岩石时，聚晶金刚石复合片在轴向压力下吃入地层，同时复合片聚晶金刚石层刃面前的岩石在扭转力的作用下不断发生塑性变形，最终脱离母岩并被钻井液带走。当钻遇泥质岩类地层时，由于泥质岩中粘土矿物水化膨胀，岩屑塑性增强，极易粘附于复合片刃面上，不易被钻井液携带脱离井底，随着岩屑在复合片刃面上的堆积加剧，逐渐扩展到排屑槽内，直至形成整个钻头泥包。

目前，提高PDC钻头自身防泥包性能的措施主要包括三方面：(1)钻头结构改进；(2)水力设计优化；(3)钻头体表面处理。对于PDC钻头来说，泥包是由复合片刃面上岩屑的堆积开始的，而上述方法虽对整个钻头泥包的形成具有一定的预防效果，但未能从泥包形成初期进行有效控制。因此，很有必要设计一种能够预防泥质岩屑粘附的聚晶金刚石复合片。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，降低岩屑与复合片粘附的可能性，避免岩屑在复合片刃面上的附着和堆积，从根本上预防PDC钻头泥包的产生。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和复合于所述硬质合金基体上的聚晶金刚石层，在所述聚晶金刚石层的刃面上设置有沟槽结构。

优选的，所述沟槽结构包括若干径向沟槽，若干所述径向沟槽沿所述刃面的径向呈放射状布置，将所述刃面分割成若干个扇区；优选相邻两条所述径向沟槽的夹角θ﹦10～30°。

优选的，所述沟槽结构还进一步包括与所述径向沟槽连通的若干弧形的周向沟槽，若干所述周向沟槽以所述刃面的中心为圆心呈同心分布。

优选的，相邻扇区的所述周向沟槽交错设置。

优选的，相邻扇区的两相邻所述周向沟槽的间距为w，同一扇区内两相邻所述周向沟槽的间距为2w，优选w＝0.5～1mm。

优选的，所述沟槽结构的横截面呈矩形、梯形、三角形或弧形；所述沟槽结构的宽度a＝0.1～0.2mm，深度b＝0.05～0.1mm。

采用了上述技术方案后，本发明的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，由于在聚晶金刚石层的刃面上设置有沟槽结构，沟槽结构的设置减小了钻井过程中岩屑与刃面的接触面积，从而降低了岩屑与复合片刃面间的粘附力；同时，刃面上的沟槽结构构成了钻井液的流动通道，钻井液可以进入到沟槽内，润滑复合片刃面，降低岩屑与刃面的摩擦力和粘附力。

将沟槽结构进一步优化设计为沿刃面的径向呈放射状布置的若干径向沟槽，以及与径向沟槽连通的若干弧形的周向沟槽，大量的径向沟槽与周向沟槽的存在，进一步减小了岩屑与刃面的接触面积，降低了岩屑与复合片刃面间的粘附力；构成了更多的钻井液流动通道，进一步降低了岩屑与刃面的摩擦力和粘附力。

综上所述，本发明的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片能够有效提高聚晶金刚石复合片的防粘附性能，降低刃面与泥质岩屑的粘附机率，避免岩屑在复合片刃面前的附着和堆积，从根本上预防了钻头泥包的形成，达到了减少钻井辅助时间，提高钻头钻进效率，降低钻井成本的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片立体结构示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是本发明实施例二具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片立体结构示意图；

图4是图3的俯视示意图；

图5是横截面呈矩形的沟槽结构剖视示意图；

图6是横截面呈三角形的沟槽结构剖视示意图；

图7是横截面呈梯形的沟槽结构剖视示意图；

图8是横截面呈弧形的沟槽结构剖视示意图；

图中：1-硬质合金基体；2-聚晶金刚石层；3-刃面；41-径向沟槽；42-周向沟槽。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行非限制性的详细说明。

实施例一

如图1和图2所示，实施例一的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体1和复合于该硬质合金基体1上的聚晶金刚石层2，在聚晶金刚石层2的刃面3上设置有沟槽结构，本实施例中，沟槽结构包括若干径向沟槽41，若干径向沟槽41以刃面3的圆心为起点沿刃面3的径向呈放射状布置，将刃面3分割成若干个扇区。其中，相邻的两条径向沟槽41之间的夹角θ﹦10～30°，图中示意出了θ﹦30°的情形。

如图5、图6、图7和图8所示，沟槽的横截面可设计为矩形、梯形、三角形、弧形或其它适合的多种形状；其中，沟槽的宽度a＝0.1～0.2mm，沟槽的深度b＝0.05～0.1mm。

实施例二

如图3和图4所示，实施例二的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，与实施例一基本相同，不同之处在于：在实施例一的基础上，对沟槽结构进一步优化设计，实施例二中的沟槽结构还包括与径向沟槽41连通的若干弧形的周向沟槽42，若干周向沟槽42以刃面3的中心为圆心呈同心分布。其中，相邻扇区的周向沟槽42最好交错设置，与径向沟槽41配合，延长了钻井液迂回流动通道长度，可延长钻井液在沟槽内的储存时间，有利于降低岩屑与刃面的摩擦力和粘附力。其中，相邻扇区的两相邻的周向沟槽42的间距为w，同一扇区内两相邻的周向沟槽42的间距为2w，优选w＝0.5～1mm。

综上所述，本发明的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，由于在聚晶金刚石层的刃面上设置有相互贯通的大量的沟槽，岩屑与复合片刃面的接触面积少，粘附力降低；钻井液可以进入到沟槽内，润滑复合片刃面，岩屑可被钻井液携带脱离井底，从而避免了岩屑在复合片刃面前的附着和堆积，从根本上预防了PDC钻头泥包的形成。

以上所述仅是本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，包括：硬质合金基体和复合于所述硬质合金基体上的聚晶金刚石层，在所述聚晶金刚石层的刃面上设置有沟槽结构；其特征在于，

所述沟槽结构包括若干径向沟槽，若干所述径向沟槽以刃面的圆心为起点沿所述刃面的径向呈放射状布置，将所述刃面分割成若干个扇区；

所述沟槽结构还包括与所述径向沟槽连通的若干弧形的周向沟槽，若干所述周向沟槽以所述刃面的中心为圆心呈同心分布，相邻扇区的所述周向沟槽交错设置；

所述沟槽结构的宽度a＝0.1～0.2mm，深度b＝0.05～0.1mm。

2.如权利要求1所述的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，相邻扇区的两相邻所述周向沟槽的间距为w，同一扇区内两相邻所述周向沟槽的间距为2w。

3.如权利要求2所述的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，w＝0.5～1mm。

4.如权利要求1-3任一项所述的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，相邻两条所述径向沟槽的夹角θ﹦10～30°。

5.如权利要求1所述的具有防粘附特性的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述沟槽结构的横截面呈矩形、梯形、三角形或弧形。