CN101748972A

CN101748972A - 一种金刚石钻头及其制造方法

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Publication number: CN101748972A
Application number: CN200910186849A
Authority: CN
Inventors: 龚宏伟; 李银梅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明涉及一种金刚石钻头及其制造方法，包括普通金刚石钻头的工作层和分布在工作层中的PCD烧结体，所述的PCD烧结体为柱状体或长方体形或圆柱形，分布排列在钻头的工作层胎体中，PCD烧结体占钻头工作底唇面积的55％～70％。其制造方法包括用热压方法预制柱状PCD烧结体；钻头采用二次成型，在石墨模具内将PCD烧结体定位在钻头的胎体合金粉末中，通过中频电炉热压烧结成金刚石钻头。从而解决了针对岩层难以选择金刚石钻头的难题。具有很好的广谱性，具有出刃好，效率高，使用寿命长的特点。可广泛应用于地质勘探、石油钻井和工程勘察以及地质灾害的治理中。

Description

一种金刚石钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于地质勘探、石油钻井和工程勘察以及地质灾害治理的广谱型金刚石钻头及其制造方法。

背景技术

从我国开始研制人造金刚石钻头开始，制造金刚石钻头主要采用热压方法和电镀方法。热压方法制造的金刚石钻头与电镀金刚石钻头相比，具有较高的硬度和耐磨性，具有一定的适应性。但是，由于地层的多样性，要求不同的地层要有相应性能的钻头去适应，才能取得好的钻进效果。加上普通金刚石钻头的工作层性能与结构单一，钻头的广谱性较差。随着地质找矿向地层深部发展，岩层的性质越来越复杂，在一个钻孔中，甚至一个钻进回次没有钻进完，岩性就发生变化，需要频繁的更换不同性能的钻头，严重地影响着地质钻探的进程，提高了钻探的成本，这种状况急需改变。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种金刚石钻头及其制造方法，具有很好的广谱性，具有出刃好，效率高，使用寿命长的特点。

实现本发明所采用的技术方案，包括普通金刚石钻头的工作层和分布在工作层中的PCD烧结体，所述的PCD烧结体为柱状体或长方体形或园柱形，分布排列在钻头的工作层胎体中，PCD烧结体占钻头工作底唇面积的55％～70％。其制造方法包括，

(1)用热压方法预制柱状PCD烧结体；

(2)钻头采用二次成型，在石墨模具内将PCD烧结体定位在钻头的胎体合金粉末中，通过中频电炉热压烧结成金刚石钻头。

与现有技术相比本发明具有以下优点。

由于采用了双层结构和二次成型制造方法的技术，因而具有很好的广谱性，具有出刃好，效率高，使用寿命长的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明热压金刚石钻头的结构示意图一；

图2为本发明热压金刚石钻头的结构示意图二。

图中，1-PCD烧结体；2-工作层胎体；3-水口。

具体实施方式

包括普通金刚石钻头的工作层和分布在工作层中的PCD烧结体，如图1、2所示，所述的PCD烧结体1为柱状体或长方体形或园柱形，分布排列在钻头的工作层胎体2中，PCD烧结体1占钻头工作底唇面积的55％～70％。

所述的PCD烧结体1的金刚石浓度为95％～100％，金刚石的品级为SMD30～35，所述的PCD烧结体1的硬度为HRc38～42，耐磨性为0.35～0.45×10-5ML，所述的钻头工作层胎体2材料为铁-镍-锰-青铜合金，其硬度为HRc22～HRc26，耐磨性为0.48～0.55×10-5ML，所述的工作层胎体2中的金刚石浓度为15～22％，金刚石品级为SMD20～25。

所述的金刚石PCD烧结体1为方柱状，边长为4.0～6.0mm，长度为7～9mm。

所述的工作层胎体2内的金刚石PCD烧结体沿钻头的径向和切削方向有规律分布，PCD烧结体分布在每一个胎体中为三角形布置、品字形布置或菱形布置。

制造方法，包括，

(1)用热压方法预制柱状PCD烧结体；

所述的步骤(1)采用热压方法预制成PCD烧结体，用碳化钨-YG8-镍-钴-锰-青铜合金等材料为胎体材料，采用的金刚石品级为SMD30～35，金刚石浓度为95％～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即为PCD烧结体。

所述的热压工艺为：压力16MPa，温度980℃，保温时间6min。

实施例

本发明提供的热压金刚石钻头包括钻头的PCD烧结体1和工作层胎体2以及钻头水口3。若干PCD烧结体1分散于工作层胎体2中。金刚石复合体中金刚石浓度为95％～100％，PCD烧结体1占钻头的工作底唇面积的55％～70％；PCD烧结体1的硬度为HRc38～42，耐磨性为0.35～0.45×10-5ML。钻头工作层胎体2材料为铁-镍-锰-钴-青铜合金，其中铁占48％～50％，镍占12％～16％，锰占4％～5％，铜合金占32～35％，其硬度为HRc22～HRc26，耐磨性为0.48～0.55×10-5ML，钻头胎体的硬度较低、耐磨性较低；主要作用是在热压条件下牢固地包镶PCD烧结体并和钻头刚体实现强力结合；同时也起辅助的破碎岩石的作用。PCD烧结体1为方柱，其边长为4.0～6.0mm，长度为7～9mm。PCD烧结体1在钻头工作层胎体2中的排列为三角形布置、品字形布置或菱形布置，如图1、2所示。金刚石复合体采用热压方法预制成，可以通过调整PCD烧结体胎体的配方与金刚石参数，可以获得不同的工作性能，满足钻进可钻性为7～12级各类岩石的需要。

下面对PCD烧结体、工作层胎体以及热压金刚石钻头制备方法进行详细说明。

(1)PCD烧结体设计思路：

本发明从岩石的力学性质出发，研究其破碎机理，认识到能够有效钻进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，而后在回转力矩作用下剪切破碎岩石。由于孔深之后，钻杆柱成了一细长的压杆，从力学的角度分析极容易失稳，应加的钻压值有限。因此，只能优化钻头设计，减少工作层面积，使得单位面积上的钻压值能够达到使金刚石有效的切入岩石中，才能保证钻头有效钻进。通过试验后，得出PCD烧结体与岩石接触面积为钻头工作层底面积的55～70％最佳，在可钻性7～12级的大多数岩石中钻进，能够获得好的钻进效果，能够收到广谱性的效果。

试验与研究表明，金刚石复合体的硬度在HRc38～HRc42范围合理，其耐磨性为0.35～0.45×10-5ML范围能保证金刚石有好的出刃和切入效果。PCD烧结体的性能调节主要通过调整烧结体的成分含量比与金刚石参数(粒度与浓度)来实现。

地质勘探用的钻头规格多、系列复杂，对PCD烧结体的规格必定有不同要求。为了满足不同规格钻头的要求，可以设计出多种规格的PCD烧结体，由不同规格的PCD组合使用，比较灵活、方便；可以实现多刀、多刃破碎岩石，提高破碎岩石的效果。方柱状PCD烧结体的边长：4.0～6.0mm；其高均为7～9mm。

(2)PCD烧结体预制：

PCD烧结体采用热压方法预制。采用热压方法预制时，先加工出石墨模具，然后将碳化钨-YG8-镍-钴-锰-青铜合金等胎体材料和金刚石分别按比例称量后混合均匀，按计算的重量装入模具内后进行热压烧结后即为PCD烧结体。制得的金刚石PCD烧结体的形状为方柱状，其直径为4.0～6.0mm，长度为7～9mm；制得金刚石PCD烧结体的硬度为HRc38～42，耐磨性为0.35～0.45×10-5ML。其中，金刚石PCD烧结体的胎体材料中，碳化钨占35％～40％，YG8占12～15％，镍占8％～10％，锰占3％～4％，青铜占30％～32％；金刚石品级为SMD30～35，金刚石浓度为95％～100％。

(3)工作层胎体：

钻头的工作层胎体在钻头中既是包镶PCD烧结体和联结钻头刚体的重要部分，又具有一定的破碎岩石的作用。它的基本成分为铁、镍、锰与铜合金，其中，铁占48％～50％，镍占12％～15％，锰占4％～5％，铜合金占32～35％，支撑体的硬度较低(HRc22～HRc26)，耐磨性亦较低(0.45～0.55×10-5ML)。工作层胎体中的金刚石浓度为15～22％，金刚石品级为SMD20～25。调节其基本成分的含量比例，可以适当调整工作层胎体的硬度与耐磨性，以适应岩石变化的要求。

(4)钻头的热压成型：

采用高纯度、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。采用普通热压钻头的装模方法，将金刚石PCD烧结体按设计的方案，依据钻头类型与规格，分不同层次排列(见说明书附图)，有选择性、有规律地固定在模具内，然后加入胎体金属粉末，加入保径材料，即完成烧结钻头的模具组装。

组装好的模具即可送入中频炉内进行热压烧结。在设定的工艺条件下：压力16MPa、烧结温度980℃与6min保温时间的热压烧结，钻头出炉后进行机械加工和装饰，即完成钻头的制造。

Claims

1.一种金刚石钻头，包括普通金刚石钻头的工作层和分布在工作层中的PCD烧结体，其特征在于，所述的PCD烧结体(1)为柱状体或长方体形或园柱形，分布排列在钻头的工作层胎体(2)中，PCD烧结体(1)占钻头工作底唇面积的55％～70％。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头，其特征在于，所述的PCD烧结体(1)的金刚石浓度为95％～100％，金刚石的品级为SMD30～35，所述的PCD烧结体的硬度为HRc38～42，耐磨性为0.35～0.45×10-5ML，所述的钻头工作层胎体(2)材料为铁-镍-锰-青铜合金，其硬度为HRc22～HRc26，耐磨性为0.48～0.55×10-5ML，所述的工作层胎体(2)中的金刚石浓度为15～22％，金刚石品级为SMD20～25。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头，其特征在于，所述的金刚石PCD烧结体(1)为方柱状，边长为4.0～6.0mm，长度为7～9mm。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头，其特征在于，所述的工作层胎体内的金刚石PCD烧结体(1)沿钻头的径向和切削方向有规律分布，PCD烧结体分布在每一个胎体中为三角形布置、品字形布置或菱形布置。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头制造方法，其特征在于，

(1)用热压方法预制柱状PCD烧结体；

6.根据权利要求5所述的一种金刚石钻头制造方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用热压方法预制成PCD烧结体，用碳化钨-YG8-镍-钴-锰-青铜合金等材料为胎体材料，采用的金刚石品级为SMD30～35，金刚石浓度为95％～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即为PCD烧结体。

7.根据权利要求5或6所述的一种金刚石钻头制造方法，其特征在于，所述的热压工艺为：压力16MPa，温度980℃，保温时间6min。