CN101725324A

CN101725324A - 一种热压金刚石钻头及其制备方法

Info

Publication number: CN101725324A
Application number: CN200910272930A
Authority: CN
Inventors: 杨展; 潘秉锁; 方小红; 杨凯华
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: CN101725324B

Abstract

本发明公开了一种热压金刚石钻头及其制造方法。该钻头至少包括若干切削单元和水口，切削单元包括支撑体和若干分散于支撑体中的金刚石复合体，金刚石复合体中金刚石浓度为90％～105％，钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚石复合体。制备方法先采用热压方法或电镀方法预制金刚石复合体；然后在模具中将柱状金刚石复合体分散定位在作为支撑体的合金粉末中，通过中频电炉热压烧结成金刚石钻头。这种热压金刚石钻头具有出刃好，效率高，使用寿命长的特点，能够有效钻进硬至坚硬致密弱研磨性岩层，从根本上解决了长期困扰钻探界的难题。

Description

一种热压金刚石钻头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热压金刚石钻头的结构及其制备方法；热压金刚石钻头用于地质勘探、石油钻井和工程勘察，同时用于地质灾害的防治，属于地质工程领域。

背景技术

60年代后期我国开始研制人造金刚石钻头，至今为止，制造金刚石钻头仍然采用热压方法和电镀方法为主。热压方法制造的钻头具有较高的硬度和耐磨性，可以适应多数岩层钻进的需要。但是，对于钻进坚硬致密弱研磨性岩层却无能为力，表现为钻进时效极低，一般为0.3～0.4m/h；钻头的使用寿命短，只有8～10m左右。电镀方法制造的钻头虽然具有适应性较广，钻进速度较高，但也不能适应于钻进坚硬致密弱研磨性岩层。随着地质找矿向地层深部发展，岩层越来越硬，坚硬致密弱研磨性岩层出现的几率越来越高，几乎所有的金属矿钻探，都会遇到这类岩层，严重地影响着地质勘探的进程，提高了钻探的成本，成为了长期困扰探矿工程技术人员的一大难题。

多少年以来，探矿工程技术人员付出多少辛勤的劳动，都希望研制出高性能的钻头，解决这类岩层的钻进难的问题，但都没有成功。以往的研究者都采用同一种思路，即设计软而耐磨性低的胎体，工作层内部为均质结构，期望钻头中的金刚石出刃快、出刃好，以此达到提高钻进速度的目的。然而，事实却表明软而耐磨性低的胎体不能适应该类岩层钻进，其主要原因是这种胎体不能适应高钻压的条件，软胎体出现塑性蠕变不能使金刚石有效出刃，金刚石不能有效地切入岩石，不能达到设计的预期目的。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，并提供一种新型结构的热压金刚石钻头及其制造方法，本发明的金刚石钻头的切削单元包括破碎岩石的金刚石复合体部分与支撑体部分，金刚石复合体部分的硬度高，耐磨性强；支撑体部分的硬度较低，能有力地固结、支撑和保护复合体工作层，并与钻头刚体牢固结合。该钻头具有出刃好，在正常的钻进规程条件下，在坚硬致密弱研磨性岩层中钻进可以取得效率高，钻头使用寿命长的特点。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种热压金刚石钻头，至少包括若干切削单元和水口，切削单元包括支撑体和若干分散于支撑体中的金刚石复合体，金刚石复合体中金刚石浓度为90％～105％，钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚石复合体。

上述金刚石复合体呈柱状，为方柱状或圆柱状，边长或直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm。金刚石复合体按二环或三环排列规律分散于支撑体中。每个切削单元内的金刚石复合体覆盖钻头孔底环状破碎面，金刚石复合体间的重叠系数2％～3％。金刚石复合体的硬度为HRc32～45，耐磨性为0.32～0.45×10^-5ML。

上述的支撑体材料为铁-镍-锰-青铜合金，其硬度为HRc20～HRc22，耐磨性为0.60～0.65×10^-5ML。

本发明还提供乐上述热压金刚石钻头的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)用热压方法或电镀方法预制柱状金刚石复合体；

(2)在模具中将柱状金刚石复合体按规律分散定位在作为支撑体的合金粉末中，通过中频电炉热压烧结成金刚石钻头。

步骤(1)采用热压方法预制金刚石复合体是首先以碳化钨-青铜基材料为胎体材料，金刚石品级为SMD_30～35，金刚石浓度为90％～100％，将胎体材料和金刚石分别称量后混合均匀，然后一次性装入模具内后进行热压烧结，经冷却、脱模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体，制得金刚石复合体形状为方柱状或圆柱状，其直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm；制得金刚石复合体的硬度为HRc35～45，耐磨性为0.32～0.40×10^-5ML。

步骤(1)用电镀方法预制金刚石复合体是采用电镀金刚石钻头的镍-钴合金镀液及其电镀工艺，以镍-钴合金材料为胎体材料，金刚石品级为SMD_25～30，金刚石浓度95％～105％；制得形状为方柱状，方柱边长为3.5～5.5mm、长度为6～8mm，硬度为HRc32～38，耐磨性为0.35～0.45×10^-5ML的金刚石复合体。

本发明采用逆向思维方法，对于钻进坚硬致密弱研磨性岩层的钻头，不是采用软而研磨性低的胎体，而是采用硬而较高耐磨性的胎体制备成钻头的主体部分，即金刚石复合体部分，用于破碎岩石。钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚石复合体，比普通金刚石钻头工作层少55～40％的面积，在相同的钻进压力下提高了钻头的单位面积钻压，而且能够实现多刀多刃的效果，提高了钻进速度。支撑体用以包镶和支撑金刚石复合体，提高钻头的整体结合强度。支撑体不具备破碎岩石的能力，因而其硬度较低、耐磨性也较低，消耗钻压很小。设计支撑体的目的，解决了金刚石复合体的规格较小、其抗弯强度较小以及与钻头刚体的结合强度不够的问题。

研究与试验结果表明，本发明的金刚石钻头，在钻进坚硬致密弱研磨性岩石时，与普通钻头相比，钻进速度能提高2.5倍以上，钻头的使用寿命提高2倍以上，钻探成本明显下降，从根本上解决了长期以来这类岩层钻进难的问题。

说明书附图

图1、图2、图3、图4为本发明提供的金刚石复合体分散规律不同的热压金刚石钻头的结构示意图。

图中，1.金刚石复合体，2.支撑体，3.水口。

具体实施方式

本发明提供的热压金刚石钻头至少包括切削单元和水口3，切削单元金刚石复合体1和支撑体2，若干金刚石复合体1分散于支撑体2中，金刚石复合体1中金刚石浓度为90％～105％，钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚石复合体。金刚石复合体的硬度为HRc35～48，耐磨性为0.32～0.45×10^-5ML。支撑体为铁-镍-锰-青铜合金，其中铁占45％～52％，镍占10％～15％，锰占3％～5％，铜合金占30～35％，其硬度为HRc20～HRc22，耐磨性为0.60～0.65×10^-5ML，支撑体的硬度低、耐磨性低；主要作用是在热压条件下牢固地包镶金刚石复合体并和钻头刚体实现强力结合。金刚石复合体1呈柱状，为方柱状或圆柱状，边长或直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm。金刚石复合体按二环或三环排列规律分散于支撑体中，如图1、图2、图3所示为金刚石复合体按三环排列规律分散于支撑体中，即切削单元内的若干柱状金刚石复合体沿切削单元径向和切削运动方向错落分布，以保证每个金刚石复合体破碎岩石量相等，钻头环状孔底岩石被有效切削掉；如图3所示为金刚石复合体按二环排列规律分散于支撑体中，即切削单元内的金刚石复合体的规格不相等，其不同规格的复合体优化组合成不同规格钻头的切削单元。切削单元内的金刚石复合体长度≤切削单元径向长度，长度等于切削单元径向长度的柱状金刚石复合体分布于长度小于切削单元径向长度的柱状金刚石复合体的两侧。每个切削单元内的金刚石复合体覆盖钻头孔底环状破碎面，金刚石复合体重叠的系数为2％～3％。金刚石复合体采用热压方法或电镀方法预制成，可以通过调整金刚石复合体的配方与金刚石参数，获得不同的工作性能，满足钻进可钻性为9～12级高硬度岩石的需要。

下面对金刚石复合体、支撑体以及热压金刚石钻头制备方法进行详细说明。

(1)金刚石复合体：

本发明从坚硬致密弱研磨性岩石的力学性质出发，研究其破碎机理，认识到钻进该类岩石必须采用大而合理的钻压，使得金刚石能够有效地切入岩石中；由于钻杆柱的结构特点和钻压值有限，只能优化设计钻头的工作层面积，使得单位面积上的钻压值能够达到有效的切入岩石中，才能保证钻头有效钻进。通过计算和优化后，得出钻头的工作层面积为钻头工作层面积的45～60％最佳，能满足钻头在可钻性9～12级岩石范围内，能够获得好的钻进效果。

通过分析与试验，金刚石复合体的硬度在HRc32～HRc45范围合理，其耐磨性为0.32～0.45×10^-5ML范围能保证金刚石有好的出刃和切入效果。金刚石复合体的性能调节主要通过调整复合体的成分含量比与金刚石参数(粒度与浓度)来实现。

由于地质勘探用的钻头规格多，对金刚石复合体的规格必定有不同要求，为了满足不同钻头的需要，可以设计出多种规格的金刚石复合体，由不同规格的复合体组合使用，比较灵活、方便；同时，还能提高复合体在支撑体中的联结强度，实现多刀、多刃的结构，提高破碎岩石的效果。①方柱状边长：3.5～5.5mm；其高均为6～8mm。②圆柱状直径：φ3.5～5.5mm；其高均为6～8mm。

(2)金刚石复合体预制：

金刚石复合体可以采用热压的方法或采用电镀方法预制。

①热压方法：

采用热压方法预制金刚石复合体，采用高强度、高密度的石墨为材料，加工出石墨模具。首先将碳化钨-镍-锰-青铜材料等胎体材料和金刚石分别按比例称量后混合均匀，再分别称量出每个复合体的重量装入模具内后进行热压烧结，经冷却、脱模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体。制得的金刚石复合体形状为方柱状或圆柱状，其直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm；制得金刚石复合体的硬度为HRc35～45，耐磨性为0.32～0.40×10^-5ML。其中，金刚石复合体的胎体材料中，碳化钨占45％～55％，镍占7％～9％，锰占2％～4％，青铜占28％～35％；金刚石品级为SMD_30～35，金刚石浓度为90％～100％。

②电镀方法：

用电镀方法预制金刚石复合体是采用电镀金刚石钻头的镍-钴合金镀液及其电镀工艺，经过一定时间的电镀，即可电镀出各种规格的金刚石复合体。其中金刚石复合体的胎体材料为镍-钴合金材料，金刚石品级为SMD_25～30，金刚石浓度95％～105％；制得形状为方柱状的金刚石复合体，其边长为3.5～5.5mm，长度为6～8mm；制得硬度为HRc32～38，耐磨性为0.35～0.45×10^-5ML的金刚石复合体。

(3)支撑体：

支撑体在钻头中是包镶金刚石复合体和联结钻头刚体的重要部分，它只在钻头成型热压时才体现出它的作用和价值。它的基本成分为铁、镍、锰与铜合金，其中，铁占45％～52％，镍占10％～15％，锰占3％～5％，铜合金占30～35％，支撑体的硬度较低(HRc20～HRc22)，耐磨性亦较低(0.60～0.65×10^-5ML)。调节基本成分的含量比例，可以适当调整支撑体的硬度与耐磨性，以适应岩石变化的要求。支撑体材料应按照设计方案称量、混料，备用。

(4)钻头组装与热压成型：

采用高强度、高密度的石墨材料，经机械加工制成热压钻头的模具。采用类似普通热压钻头的装模方法，将金刚石复合体按设计的方案，依据钻头类别与规格，分二环或三环排列(见说明书附图)，有选择和有规律地固定在模具内，然后加入支撑体金属粉末，加入保径材料，即完成烧结钻头的模具组装。

组装好的模具送入中频炉内，送水，启动中频电炉进行热压烧结。在设定的工艺条件下，经过一定时间的热压烧结完成钻头的制造。

Claims

1.一种热压金刚石钻头，至少包括若干切削单元和水口，其特征在于：切削单元包括支撑体和若干分散于支撑体中的金刚石复合体，金刚石复合体中金刚石浓度为90％～105％，钻头的工作底唇面积的45％～60％为金刚石复合体。

2.根据权利要求1所述的热压金刚石钻头，其特征在于：金刚石复合体呈柱状，为方柱状或圆柱状，边长或直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm。

3.根据权利要求2所述的热压金刚石钻头，其特征在于：金刚石复合体按二环或三环排列规律分散于支撑体中。

4.根据权利要求1所述的热压金刚石钻头，其特征在于：每个切削单元内的金刚石复合体覆盖钻头孔底环状破碎面，金刚石复合体间的重叠系数2％～3％。

5.根据权利要求1所述的热压金刚石钻头，其特征在于：金刚石复合体的硬度为HRc32～45，耐磨性为0.32～0.45×10^-5ML。

6.根据权利要求1所述的热压金刚石钻头，其特征在于：支撑体为铁一镍-锰-青铜合金，其硬度为HRc20～HRc22，耐磨性为0.60～0.65×10^-5ML。

7.权利要求1所述热压金刚石钻头的制备方法，其特征是包括以下步骤：

(1)用热压方法或电镀方法预制柱状金刚石复合体；

8.根据权利要求7所述热压金刚石钻头的制备方法，其特征是：步骤(1)采用热压方法预制金刚石复合体是首先以碳化钨-青铜基材料为胎体材料，金刚石品级为SMD_30～35，金刚石浓度为90％～100％，将胎体材料和金刚石分别称量后混合均匀，然后一次性装入模具内后进行热压烧结，经冷却、脱模和表面去氧化皮后即为金刚石复合体，制得金刚石复合体形状为方柱状或圆柱状，其边长或直径为3.5～5.5mm，长度为6～8mm；制得金刚石复合体的硬度为HRc35～45，耐磨性为0.32～0.40×10^-5ML。

9.根据权利要求7所述热压金刚石钻头的制备方法，其特征是：步骤(1)用电镀方法预制金刚石复合体是采用电镀金刚石钻头的镍-钴合金镀液及其电镀工艺，以镍-钴合金材料为胎体材料，金刚石品级为SMD_25～30，金刚石浓度95％～105％；制得形状为方柱状，方柱边长为3.5～5.5mm、长度为6～8mm，硬度为HRc32～38，耐磨性为0.35～0.45×10^-5ML的金刚石复合体。