一種聚晶金剛石復合片及其應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚晶金剛石復合片及其應用，屬于超硬材料領域，具體涉及一種廣泛用于石油、地質(zhì)等領域的能夠?qū)崿F(xiàn)正切削角度的聚晶金剛石復合片。
【背景技術】
[0002]聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compacts)是由聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層構成的超硬復合材料。由于它具有金剛石聚晶層極高的耐磨性和硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性，被廣泛地應用于地質(zhì)和石油鉆探中。
[0003]在聚晶金剛石復合片切削物體時，稱通過切削刃某一指定點，并與該點切削速度方向相垂直的平面為基面，通過切削刃上某一指定點，與切削刃相切并垂直于該點基面的平面為切削平面。切肩沿其流出的刀具表面為前刀面，刀具后面為后刀面。在正交平面內(nèi)測量的前刀面和基面間的夾角為切削角度。前刀面在基面之下時切削角度為正值，相反為負值。后仰角是指在正交平面內(nèi)測量的后刀面與切削平面的夾角，一般為正值。舉例說明，如圖1所示:3為被切削件，4為聚晶金剛石復合片，α為切削角度，圖1中切削角度為正值，β為后仰角。
[0004]聚晶金剛石復合片鉆頭簡稱I3DC鉆頭(PolycrystallineDiamond Compact bit)，其破碎巖石的實質(zhì)為剪切破巖。巖石抗壓強度一般為抗剪強度的5-12倍。但負的切削角度使得聚晶金剛石復合片在破巖過程中，其前刀面下方的巖石會受多向壓縮狀態(tài)，不易形成較大體積的剪切破碎，嚴重影響了 PDC鉆頭切削齒的破巖效果，制約了鉆井速度的提高。
[0005]由于目前現(xiàn)有的聚晶金剛石復合片結構都是圓柱形的，如前所述，后仰角又一般為正值，如圖2所示，復合片的后刀面與前刀面為垂直關系，所以目前應用聚晶金剛石復合片的鉆頭其切削角度都為負值。如果切削角度大于或等于零，那么后仰角將變?yōu)樨撝?，導致切削齒的后部接觸巖石，對切削齒吃入地層形成阻礙作用，影響切削齒的破巖效果，因此無法采用正切削角度。
[0006]專利ZL 200520080649.5公開了一種銳角PDC切削件鉆頭，專利ZL200620113547.3公開了一種正前角切削結構的PDC鉆頭。在上述兩個專利(都為I3DC鉆頭)中，為實現(xiàn)正的切削角度，都是對PDC鉆頭進行整形而成，具體方法為加工現(xiàn)有圓柱形復合片的硬質(zhì)合金部分。采用整形的方法處理常規(guī)聚晶金剛石復合片主要有三個問題:
(I)硬質(zhì)合金硬度大，耐磨性強，整形難度大；(2)整形的聚晶金剛石復合片形狀不規(guī)則，不利于焊接；(3)整形的聚晶金剛石復合片，破壞了聚晶金剛石復合片原有的完整性，嚴重影響復合片強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種聚晶金剛石復合片及其應用。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供一種聚晶金剛石復合片，包括聚晶金剛石層及硬質(zhì)合金層，其中，所述聚晶金剛石層平面與所述聚晶金剛石復合片的母線成20° -88°的夾角。
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的聚晶金剛石復合片，所述“夾角”為聚晶金剛石層平面所形成的橢圓的長軸與聚晶金剛石復合片的母線所成的角，當該角為銳角時，其為所述“夾角”，當該角為鈍角時，該鈍角的補角為所述“夾角”，其示意圖如圖13所示；
[0010]上述“母線”為穿過所述聚晶金剛石復合片并與圓柱形的聚晶金剛石復合片的軸線相平行的直線。
[0011]根據(jù)本發(fā)明所述的聚晶金剛石復合片，優(yōu)選地，所述聚晶金剛石層平面與所述聚晶金剛石復合片的母線成70° -88°的夾角。
[0012]本發(fā)明還提供了上述聚晶金剛石復合片在PDC鉆頭中的應用。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的應用，優(yōu)選地，所述聚晶金剛石層平面與所述聚晶金剛石復合片的母線所成的夾角為20°到88°，后仰角為0°到30°，切削角度為-30°到15° ;可獲得較高的耐用性和切削速率。
[0014]將本發(fā)明的聚晶金剛石復合片應用于PDC鉆頭，在切削過程中，切削齒受到的切削力通?？捎孟率?I)表示:
[0015]Fn= tan( α+ω J*Req*A 式(I)
[0016]式(I)中，F(xiàn)nS切削齒受到的切削力；Req為常量，其被定義為巖石內(nèi)在的特定力或巖石應力的等價參數(shù)；α為切削角度；ω。為巖石作用的摩擦角；Α為切削面積；并且Req、ω。和A均不隨切削角度α的變化而變化。因此在-90°至Ij 90°范圍內(nèi)隨切削角度的增加，破碎巖石的切削力也會相應增加，因此大切削角度的PDC鉆頭切削效率高。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的應用，優(yōu)選地，所述聚晶金剛石層平面與所述聚晶金剛石復合片的母線所成的夾角為70°到88°，后仰角為0°到20°，切削角為-10°到0° ;可獲得較高耐用性。
[0018]根據(jù)本發(fā)明所述的應用，優(yōu)選地，所述聚晶金剛石層平面與所述聚晶金剛石復合片的母線所成的夾角為70°到88°，后仰角為0°到20°，切削角為0°到10° ;可獲得較高切削速率。
[0019]根據(jù)本發(fā)明所述的聚晶金剛石復合片，所述聚晶金剛石層與所述聚晶金剛石復合片的母線所成的夾角、后仰角、切削角度之和等于90°為本領域的公知技術常識。
[0020]本發(fā)明的聚晶金剛石復合片可以擴大其作為切削件的切削角度范圍，并且打破了聚晶金剛石復合片作為切削件時后仰角與切削角度之間固定不變的關系，可以使得聚晶金剛石復合片在保持最優(yōu)后仰角的情況下，任意改變聚晶金剛石復合片的切削角度，形成剪切破巖效果更加明顯的PDC鉆頭切削結構，有利于鉆井速度的提高。與此同時也克服了整形聚晶金剛石復合片所帶來的問題，使得復合片形狀規(guī)則，易于焊接，強度可靠。
[0021]本發(fā)明所提供的聚晶金剛石復合片可以通過只改變聚晶金剛石層與聚晶金剛石復合片母線之間的夾角，即只改變聚晶金剛石復合片，就可以改變其作為切削件的切削角度，因此本發(fā)明還可以簡化PDC鉆頭的制造工藝。
【附圖說明】
[0022]圖1為聚晶金剛石復合片切削物體時的示意圖；
[0023]圖2為常規(guī)負切削角度切削結構的PDC鉆頭的示意圖；
[0024]圖3為實施例1提供的聚晶金剛石復合片的示意圖；
[0025]圖4為實施例2提供的實施例1所述的聚晶金剛石復合片用于PDC鉆頭的切削示意圖；
[0026]圖5為實施例3提供的聚晶金剛石復合片的示意圖；
[0027]圖6為實施例4提供的實施例3所述的聚晶金剛石復合片用于PDC鉆頭的切削示意圖；
[0028]圖7為實施例5提供的聚晶金剛石復合片的示意圖；
[0029]圖8為實施例6提供的實施例5所述的聚晶金剛石復合片用于PDC鉆頭的切削示意圖；
[0030]圖9為實施例7提供的聚晶金剛石復合片的示意圖；
[0031]圖10為實施例8提供的實施例7所述的聚晶金剛石復合片用于PDC鉆頭的切削示意圖；
[0032]圖11為實施例9提供的聚晶金剛石復合片的示意圖；
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