一种PDC齿及PDC钻头
技术领域
本实用新型涉及地质勘探设备技术领域，尤其是一种PDC齿及PDC钻头。
背景技术
在石油地质钻井工程中，针对不同的地质岩层特性，会选用不同的钻头，其中最常见的是金刚石复合片钻头，即PDC钻头。在掘进过程中，切削岩层主要依靠PDC钻头刀翼上的PDC齿来工作，该PDC齿也被称为PDC钻头的“牙齿”。
现有技术中的PDC齿一般为圆柱形，且是由单层聚晶金刚石复合片与硬质合金基体组成，其硬质合金基底焊接在钻头齿窝里，硬质合金基底大部分被镶嵌在钻头内，只露出局部一点点，一旦这种PDC齿在掘进过程中，表层聚晶金刚石复合片被磨削掉缺之后，裸露的硬质合金基底因强度不够，脆性大而无法承担巨大的磨削压力，最终导致PDC齿失效。一旦PDC齿失效，岩层就会对钻头本体造成伤害，严重时只能停机更换钻头，进而导致钻井效率低下。
实用新型内容
解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种PDC齿，其所设置的切削层是由多层聚晶金刚石错位叠加组成，具备有效的自锐性能，显著增强PDC齿的磨削能力，可提高钻头寿命，减少停机更换下钻频率，提高工作效率，节约钻井成本。
本实用新型的技术方案如下：
一种PDC齿，包括基体，
设于所述基体上的台阶结构；
所述台阶结构包括至少两层切削层，所述切削层依次叠加设置；
最顶层的切削层至最底层的切削层周长逐层增加；
所述切削层为聚晶金刚石复合片。
优选地，所述基体和所述切削层一体成型。
优选地，最底层的所述切削层水平截面为椭圆形。
优选地，所述切削层侧壁与岩壁之间的夹角θ为5°～45°。
优选地，所述聚晶金刚石复合片的厚度为1～4mm。
优选地，所述台阶结构的厚度占所述PDC齿高度的30％～40％。
一种PDC钻头，包括钻头体和钻头冠部；
所述钻头冠部上设有刀翼；
所述刀翼上设有上述的PDC齿。
在现有技术中，当钻头进行掘进工作时，受到恶劣的工作环境及较硬岩层的影响，而PDC齿通常为圆柱形，圆柱形PDC齿与岩壁接触的侧面会产生热量，当热量积聚到一定程度且无法通过钻井液完全带走时，圆柱形PDC齿会受到磨损而发生崩缺等，在失去聚晶金刚石保护层的庇护下，硬质合金基底因强度不够，脆性大而无法承担巨大的磨削压力，最终导致整个PDC齿失效。一旦PDC齿失效，岩层就会对钻头本体造成伤害，严重时只能停机更换钻头，进而导致钻井效率低下。
首先，本实用新型提供的PDC齿，包括基体，在基体上设置有由多层聚晶金刚石复合片错位叠加组成的台阶结构切削层，台阶结构包括至少两层切削层，切削层依次叠加设置。多层聚晶金刚石复合片切削层与硬质合金基体组合为一个整体，这样使得所述PDC齿兼具金刚石聚晶的极高耐磨性和硬质合金的高抗冲击韧性的两个优点，并且切削层一直能保持锐利的切削刃。
接着，在此基础上，本申请的PDC齿设置有至少两层切削层，切削层依次叠加设置，最顶层的切削层至最底层的切削层的周长逐层增加。由于PDC钻头在井下作业时，其刀翼鼻部设置的PDC齿都是与井壁成5°～45°，这样台阶式多层聚晶金刚石片的叠加设计的设置方式，当最顶层的切削层在进行切削作业时，其下一层的切削层承受的作用力不大或者不作用，当最顶层的切削层因磨损崩缺时，下一层的切削层则开始工作，依次循环。每层切削层上均由聚晶金刚石复合片构成，这样使得每层切削层均具有极高的耐磨性和抗冲击力的同时，还可延长单个PDC齿的使用时间，进而延长单个PDC齿的使用寿命，减少起下钻趟数，提高单趟进尺数，节省钻井成本。
本实用新型提供一种PDC钻头，包括钻头体；设于钻头体上的刀翼；所述刀翼上设有上述的台阶式的多层PDC齿，同样能达到上述效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的齿体的结构图；
图2为本实用新型实施例提供的齿体的俯视图；
图3为本实用新型实施例提供的齿体工作状态的示意图；
图4为本实用新型实施例提供的齿体的细节示意图。
附图中的标号说明：1、基体；2、台阶结构；3、切削层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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。
请如图1至图4所示，在现有技术中，当钻头进行掘进工作时，受到恶劣的工作环境及较硬岩层的影响，而PDC齿通常为圆柱形，圆柱形PDC齿与岩壁接触的侧面会产生热量，当热量积聚到一定程度且无法通过钻井液完全带走时，圆柱形PDC齿会受到磨损而发生崩缺，在失去聚晶金刚石保护层的庇护下，硬质合金基底因强度不够，脆性大而无法承担巨大的磨削压力，最终导致PDC齿失效。一旦PDC齿失效，岩层就会对钻头本体造成伤害，严重时只能停机更换钻头，进而导致钻井效率低下。
首先，本实用新型提供的PDC齿，包括基体1，在基体1上设置台阶结构2，台阶结构2包括至少两层切削层3，切削层3依次叠加设置，多层聚晶金刚石复合片切削层3构成的台阶结构2与硬质合金基体1组合为一个整体，这样使得所述PDC齿兼具金刚石聚晶的极高耐磨性和硬质合金的高抗冲击韧性的两个优点，并且切削层一直能保持锐利的切削刃。
接着，在此基础上，本申请的PDC齿设置有至少两层切削层3，切削层3依次叠加设置，最顶层的切削层3至最底层的切削层3的周长逐层增加。由于PDC钻头在井下作业时，其刀翼鼻部设置的PDC齿都是与井壁成5°～45°，这样台阶式多层聚晶金刚石片的叠加设计的设置方式，当最顶层的切削层3在进行切削作业时，其下一层的切削层3承受的作用力不大或者不作用，当最顶层的切削层3因磨损崩缺时，下一层的切削层3则开始工作，依次循环。每层切削层3上均由聚晶金刚石复合片构成，这样使得每层切削层3均具有极高的耐磨性和抗冲击力的同时，还可延长单个PDC齿的使用时间，进而延长单个PDC齿的使用寿命，减少起下钻趟数，提高单趟进尺数，节省钻井成本。
本实用新型提供一种PDC钻头，包括钻头体；设于钻头体上的刀翼；刀翼上设有上述的PDC齿，同样能达到上述效果。
其中，基体1和切削层3一体成型。基体1采用碳化钨粉末及Co/N i等粘接相，经烧结成为硬质合金；切削层3上的多层聚晶金刚石复合片则是借助热压等外力附着在基体1上叠加组成台阶式切削层3，这样使得所述多层台阶式PDC齿兼具极高耐磨性和高抗冲击，这样PDC齿同时具备切削破岩和磨削破岩两种功能。
进一步地，最底层的切削层3水平截面为椭圆形。当最顶层的切削层3上的聚晶金刚石复合片磨损崩缺后，下一层的切削层3上表面同样附着有聚晶金刚石复合片，此时，下一层的切削层3开始工作，如此反复替换，一个PDC齿上可设置多个聚晶金刚石复合片，如此，能够节约资源，提高生产效率。
本实用新型提供的实施例中，切削层3侧壁与岩壁之间的夹角θ为5°～45°。切削层3侧壁与岩壁之间的夹角θ，能够影响切削层3距离井壁高度H，而H的高度决定了PDC齿的作业效率。当切削层3侧壁与岩壁之间的夹角θ为5°～45°时，既能够保证切削层3在作业中的自锐性，又能保证切削层3的磨削能力以及作业效率。各个切削层3逐层叠加且水平面截面积依次增大(从上至下)，切削层3侧壁与岩壁之间的夹角θ为5°～45°时，每层切削层3的切削作业互不干扰，当最顶层切削层3上的聚晶金刚石复合片磨损后，下一层切削层3上的聚晶金刚石复合片作为新的切削面进行工作，保证PDC齿能够正常工作。进一步地，切削层3的厚度能够根据不同需求定制，使PDC齿能够适用于多种环境，增大PDC齿的适用范围。
其中，聚晶金刚石复合片的厚度为1～4mm，使聚晶金刚石复合片达到一个保证削磨效果和控制成本的平衡状态，保证阶梯状切削齿2的锐度，同时又不会浪费材料。
进一步地，台阶结构2的厚度占PDC齿高度的30％～40％，将台阶结构2的整体厚度控制在占PDC齿厚度的30％～40％，扩大PDC齿磨削井壁的有效工作面积，提高其钻进效率。
本实用新型提供一种PDC钻头，包括钻头体和钻头冠部；钻头冠部上设有刀翼；刀翼上设有上述的PDC齿。
本说明书中各实施例采用递进方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
