PDC钻头及其保径齿的制作方法

本实用新型涉及地质钻探用钻井工具技术领域，尤其涉及一种PDC钻头及其保径齿。

背景技术：

金刚石钻头保径在金刚石钻头最大直径处，是钻头的关键部位，保径的性能直接影响钻头的使用效果。保径分为近工作面保径和保径面，近工作面保径部位的保径齿一般和工作面的切削齿类型相同，从胎体表面出露一定的高度。保径面保径齿一般采用硬质合金、人造聚晶金刚石、天然金刚石或PDC齿，保径面保径齿一般身体镶藏在保径面胎体内，只有一个表面刚好露出胎体表面达到钻头的最大直径形成保径，传统使用的钻头保径面上保径齿的安装方式为保径齿的金刚石层的外圆面刚好露出胎体表面达到钻头的最大直径形成保径。

在软地层中钻进时，机械钻速快，进尺多，但在较硬地层时，尤其是在某些研磨性极强的定向井或水平井中，保径齿由于同时承受钻头钻进过程中的压力及与岩层之间的摩擦力，导致保径齿被快速磨损，至失去保径能力，从而造成井眼缩径，钻头报废；另外，保径齿的保径面与井壁长时间接触，摩擦产生的大量热量容易造成保径齿产生热裂纹而破损，保径齿破损使得钻头保径耐磨性下降，在保径齿失效情况下钻头容易发生缩径，从而造成井眼缩径，钻头报废。因此保径齿的排屑及冷却问题对于保径齿的使用寿命具有很大的影响。

申请号CN201020626778.0的专利公开了一种高耐磨保径布齿PDC钻头，该专利通过在保径面增加金刚石层的端面向外的PDC保径齿，提高保径面区的耐磨性，但是该专利没有考虑保径齿的排屑及冷却问题，

因此，发明设计一种具有耐磨性，同时具有较好排屑及冷却能力的保径齿，以提高其使用寿命，进而提高钻头使用寿命成为一种必要。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种PDC钻头及其保径齿，旨在提高其耐磨性，同时具有较好排屑及冷却能力。

为实现上述目的，本实用新型提供一种PDC钻头保径齿，包括聚晶金刚石层和硬质合金基体，所述聚晶金刚石层和硬质合金基体通过高温高压烧结成一体，所述聚晶金刚石层的顶面为向上凸起的弧顶面，聚晶金刚石层的顶弧面上开设有多个与钻头的自转方向平行设置的凹槽型流道，凹槽型流道由聚晶金刚石层一侧端面边缘延伸至另一侧端面边缘，凹槽型流道具有两侧壁以及连接两侧壁的底面，凹槽型流道的底面与聚晶金刚石层的底面平行设置，凹槽型流道侧壁与底面之间夹角大于90°。

优选地，所述凹槽型流道侧壁与底面之间通过圆角过渡连接。

优选地，所述凹槽型流道侧壁与底面之间夹角为120°~150°。

优选地，所述凹槽型流道的数量为3~5个。

优选地，所述聚晶金刚石层的弧顶面占整个聚晶金刚石层未开槽时顶面积的40%~60%。

优选地，所述凹槽型流道的深度占聚晶金刚石层厚度的5%~15%。

优选地，在凹槽型流道的长度方向，凹槽型流道的底面宽度均匀一致。

优选地，多个凹槽型流道平行设置。

优选地，多个凹槽型流道的底面与聚晶金刚石层底面之间的距离相等。

本实用新型进一步提出一种PDC钻头，包括如上所述的PDC钻头保径齿。

本实用新型提出的PDC钻头保径齿，具有以下有益效果：

（1）类似梯形结构的凹槽型流道增加了钻头与井壁接触时的环空面积，增大了排屑空间，钻头自传时产生的岩屑通过泥浆携带经凹槽型流道顺势沿反向排除，加快岩屑排屑能力，同时，泥浆从凹槽型流道中流过对保径齿起到了冷却降温作用，避免保径齿产生热裂纹而损坏，延长其使用寿命；

（2）流道底部倒圆角的设计相比现有技术中的直角来说，能够使岩屑在流道里流通更为顺畅，防止岩屑在直角部位堆积，更有利于排屑；

（3）保径齿通过向上凸起的弧面结构与井壁接触，减小了与井壁接触时受到的摩擦阻力，提高了保径齿的耐磨性，延长了其使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型PDC钻头保径齿优选实施例的剖面结构示意图；

图2为本实用新型PDC钻头保径齿优选实施例的俯视结构示意图；

图3为图1所示圆圈处的放大结构示意图。

图中，1-聚晶金刚石层，2-硬质合金基体，3-弧顶面，4-凹槽型流道。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型提出一种PDC钻头保径齿。

参照图1至图3，本优选实施例中，一种PDC钻头保径齿，包括聚晶金刚石层1和硬质合金基体2，聚晶金刚石层1和硬质合金基体2通过高温高压烧结成一体，聚晶金刚石层1的顶面为向上凸起的弧顶面3，聚晶金刚石层1的顶弧面上开设有多个与钻头的自转方向平行设置的凹槽型流道4，凹槽型流道4由聚晶金刚石层1一侧端面边缘延伸至另一侧端面边缘，凹槽型流道4具有两侧壁以及连接两侧壁的底面，凹槽型流道4的底面与聚晶金刚石层1的底面平行设置，凹槽型流道4侧壁与底面之间夹角大于90°（即形成一近似梯形的截面）。

凹槽型流道4与钻头的自转方向平行设置是指凹槽型流道4的轨迹方向与保径齿的轴线垂直设置。

进一步地，凹槽型流道4侧壁与底面之间通过圆角过渡连接。现有技术中，大部分流道的底部都是直角设计，长期使用时容易造成岩屑堆积，而本实施例中流道底部采用倒圆角的设计，能够使岩屑在流道里流通更为顺畅，防止岩屑在直角部位堆积，更有利于排屑。

进一步地，凹槽型流道4侧壁与底面之间夹角为120°~150°。截面为梯形其两侧边的倾角越大，钻头与井壁接触时的环空面积越大，排屑能力越强，携带岩屑的泥浆对保径齿的冷却效果越好。而倾角过大会导致保径齿的耐磨性降低，过小则会降低其排屑能力不足，所以倾角的选择应兼顾耐磨性和排屑能力。

进一步地，凹槽型流道4的数量为3~5个。凹槽型流道4的数量越多，排屑能力越强，携带岩屑的泥浆对保径齿的冷却效果越好，但是耐磨性会逐渐降低，反之，凹槽型流道4数量越少，耐磨性增强，但是排屑能力减弱，冷却效果降低。凹槽型流道4数量应选择合适的值，同时兼顾耐磨性和排屑能力。

进一步地，聚晶金刚石层1的弧顶面3（指除去凹槽型流道4开槽后弧顶面3的面积）占整个聚晶金刚石层1未开槽时顶面积（指凹槽型流道4未开设凹槽型流道4时弧顶面3的面积）的40%~60%。弧顶面3占整个聚晶金刚石层1的面积越大，钻头与井壁的接触面积越大，钻头钻进时受到的摩擦力越大，降低了耐磨性，但是弧顶面3面积过小，则排屑能力不足，所以弧顶面3所占面积的确定应兼顾耐磨性和排屑能力。

进一步地，凹槽型流道4的深度占聚晶金刚石层1厚度的5%~15%。凹槽型流道4的深度过深，容易造成岩屑堆积，不利于排屑，而凹槽型流道4的深度过浅，则达不到较好的排屑效果，所以应选择合适的流道深度来达到较好的排屑效果。

优选在凹槽型流道4的长度方向，凹槽型流道4的底面宽度均匀一致，即底面的左、右两侧边平行设置。多个凹槽型流道4平行设置，即多个凹槽型流道4的轨迹方向平行设置。多个凹槽型流道4的底面与聚晶金刚石层1底面之间的距离相等，从而可进一步提高岩屑排屑能力。

本实施例提出的PDC钻头保径齿，具有以下有益效果：

（1）类似梯形结构的凹槽型流道4增加了钻头与井壁接触时的环空面积，增大了排屑空间，钻头自传时产生的岩屑通过泥浆携带经凹槽型流道4顺势沿反向排除，加快岩屑排屑能力，同时，泥浆从凹槽型流道4中流过对保径齿起到了冷却降温作用，避免保径齿产生热裂纹而损坏，延长其使用寿命；

（2）流道底部倒圆角的设计相比现有技术中的直角来说，能够使岩屑在流道里流通更为顺畅，防止岩屑在直角部位堆积，更有利于排屑；

（3）保径齿通过向上凸起的弧面结构与井壁接触，减小了与井壁接触时受到的摩擦阻力，提高了保径齿的耐磨性，延长了其使用寿命。

本实用新型进一步提出一种PDC钻头。

本优选实施例中，一种PDC钻头，包括PDC钻头保径齿，该PDC钻头保径齿的具体结构和有益效果参照上述实施例，本实用新型对此不再赘述。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。