金刚石复合材料及所制作的钻头.pdf

本发明涉及钻井钻头上切削刃的新型材料及采用该材料而制成的钻头。
    在钻井施工中，钻头是最重要的直接破碎井底地层岩石的工具。钻头的性能极大地影响着钻井速度和经济效益。

    七十年代中后期以来，用聚晶金刚石或聚晶金刚石和硬质合金复合材料作为钻头的切削刃，使金刚石钻头对各种地层的适应性有了长足的进步。在其适用的地层范围内，由于它耐磨，抗冲蚀能力强，不存在牙轮钻头掉牙轮造成事故的危险，具有进尺高，寿命长，机械钻速快，投资省，经济效益高等特点，而且能在定向井、丛式井的钻井作业中配合井底液力钻具优质高效地工作。所以它越来越多地占领了钻头市场，产品也不断得到发展。目前大量使用的是复合片金刚石切削刃钻头，即PDC钻头。这种钻头在软-中较均质的地层中钻井已取得了较好效果及高经济指标。在钻头选择及规程运用合适的情况下，其技术经济指标已开始超过休斯牙轮钻头，初步显示了它的生命力。但目前在我国钻井施工中，各井地层性质变化不完全与设计相符，只有事后才能准确掌握，加之地层裂缝、不均质性及PDC片加工工艺质量上的离散性等复杂因素的影响，致使PDC钻头先期损坏，机械钻速不理想，操作规程不易掌握。再者，PDC片耐磨材料是等厚度金刚石聚晶薄片，自磨锐作用不明显，其前面是一平面，故通过岩石裂缝或不均质岩石界面时必产生扭转阻力冲击，这些都严重地影响着PDC钻头机械钻速的提高，使用效果地发挥和大面积的推广应用。

    本发明的目的在于为避免上述不足而提供的新型金刚石复合材料及所制作的钻头。本发明保留了PDC钻头用金刚石与硬质合金复合材料作为切削刃的优点，克服其固有缺点而设计。

    本发明的具体构成是：金刚石柱体断面为中间厚两边薄的似凸透镜形（包括聚晶金刚石和天然金刚石制成的柱体）。作为基本耐磨材料，金刚石柱体被偏置在长圆柱形及正八边形或八边以上的正多边形的高抗弯强度的硬质合金柱体内，构成金刚石硬质合金复合柱体。金刚石柱体的凸面与硬质合金柱体的最近方的圆柱面近乎平行且很接近，金刚石柱体的一端紧靠复合柱体的顶面，整个金刚石柱体被硬质合金柱体所包裹。钻头外径设计成亚级配，其直径级差值较小，为4-6毫米。

    下面结合附图对本发明做详细说明：

    图1为新型金刚石复合材料及所制作的钻头的结构图。

    图2为A-A剖面图。

    金刚石柱体（2）断面为中间厚两边薄的似凸透镜形（包括聚晶金刚石和天然金刚石制成的柱体），因而中心部分耐磨，在切削井底岩石过程中始终呈弧形凸出状，这样有利于对井底岩石开出沟槽，而槽边的岩石增加了自由面，利于被剪切破碎，提高了破碎效率。由于切削刃的前面是弧形面，表面硬质合金薄层被磨掉后露出的金刚石表面仍然是弧形面，因此，单个切削刃的弧形前面在切削地层时，绝大多数情况下是逐步通过岩石裂缝或不均质岩石界面，这就大幅度减少了切削刃所遇到的阻力冲击。

    金刚石柱体被偏置在长圆柱形及正八边形或八边以上的正多边形的高抗弯强度的硬质合金柱体内，构成金刚石硬质合金复合柱体（3）。金刚石柱体的凸面（5）与硬质合金柱体（6）的最近方的圆柱面（4）近乎平行且很接近，金刚石柱体的一端紧靠复合柱体的顶端（1），整个金刚石柱体被硬质合金柱体所包裹。这样在钻头加工时在限定温度加热过程中不易由于过热而破坏金刚石的原有性能。由于裹包金刚石选用高抗弯强度的硬质合金，其耐磨度远低于金刚石，所以随着金刚石柱体顶端的磨耗，距顶端周围2-3毫米内切削刃的前面及两个侧面的硬质合金被磨掉，而后面将被磨低0.1-0.3毫米左右，这样的自磨锐作用将大大减弱了由于切削刃磨损后顶部与井底接触面积大幅度增加的趋势，使切削刃顶端对井底岩石压强减少的趋势变缓，有利于大幅度提高机械钻速。钻头外径设计成亚级配，其直径级差值较小，一般4-6毫米。如常用的8.5吋级钻头，外径为215.9毫米，其外径亚级配为211.9毫米，215.9毫米，219.9毫米，223.9毫米，227.9毫米。这就便于在大段较均质又不太硬的地层中在钻头外径磨小的情况下连续使用该种钻头，以致钻完全井，利于大幅度地扩展其使用井段。

    切削刃弧形前面的顶点布置呈弥散形分布，原则上任何两个顶点都避免布置在钻头底面的同一根直径线上，以使钻头整体所受的扭矩尽量均匀，从而保证钻头在工作中尽可能少地避免因扭矩冲击引起钻压冲击，这就有利于提高钻头在井底的有效工作行成，大幅度提高机械钻速，有效地防止切削刃的折断。

    本发明设计简单，新颖，使用方便，对地层的适应性广，是一类实用的、经济效益很高的新型钻井用钻头切削刃材料及采用该材料制成的钻头。