CN102828696A

CN102828696A - 坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头

Info

Publication number: CN102828696A
Application number: CN2012103347433A
Authority: CN
Inventors: 孙友宏; 马银龙; 高科; 刘宝昌; 王秋雯
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102828696B

Abstract

本发明公开了一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，本发明之铁基基体混合材料是由铁基胎体和金刚石烧结而成，金刚石孕镶在铁基胎体中，金刚石含量的体积百分比为45%-75%，粒度为35/50目；所述铁基胎体是由下述质量百分比的组分构成：铁粉65%~72%；锌粉10%~14%；663青铜粉14%~18%；锰粉1%；镍粉2%；本发明使用铁粉代替常规的碳化钨粉，其质量含量在70%左右，大大降低了孕镶金刚石钻头的成本；降低了烧结温度，减少了金刚石热损伤的概率；铁基胎体配方组分较少，变量少，易于控制；针对性较强，主要针对坚硬打滑地层用铁基孕镶金刚石钻头。

Description

坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头

技术领域

本发明涉及一种铁基孕镶金刚石钻头，特别涉及一种用于钻进坚硬弱研磨性地层的铁基孕镶金刚石钻头。

背景技术

坚硬、弱研磨性岩层，又称“打滑”地层，打滑地层具有岩石硬度大、强度高、研磨性弱等特点，在这类岩层进行金刚石钻进时经常出现金刚石钻头打滑现象，致使钻进效率低，或根本不进尺，是钻探行业长期存在的一大技术难题。“打滑”地层的常规处理方法包括：（1）金刚石钻头人工出刃：采取打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨和冲洗液中加砂等都辅助手段磨损钻头胎体来实现金刚石钻头出刃。（2）软胎体钻头：钻进打滑地层时，人们往往为了加快胎体磨耗，加速金刚石出刃，采取降低胎体硬度的办法。（3）异型唇面钻头：主要指高低刃金刚石钻头和同心圆尖齿钻头，其设计指导思想是要减少钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积，提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力。金刚石钻头人工出刃方法只是解决打滑问题的一种应急辅助手段，不是根本的解决方法。实践证明，用软胎体克服钻头打滑现象效果并不好。异型唇面钻头唇面齿磨损后，钻头唇面与岩石接触面积逐渐增大，钻头的比压下降，整个钻头的大部分钻进时间同普通钻头没有多少区别。

孕镶金刚石钻头基本采用碳化钨基作为胎体材料。在钻进坚硬打滑地层时，使用碳化钨含量高的金刚石钻头时，胎体不易磨损，金刚石不能正常出刃，导致打滑现象出现或钻速极低；对于碳化钨含量低的软胎体金刚石钻头，其胎体耐磨性差，造成其对金刚石包镶能力减弱，金刚石掉粒严重，过早脱落且与岩削一起研磨胎体，造成不良循环，严重缩短了金刚石钻头的使用寿命。高磷铁基金刚石钻头已经有了相关研究，如中国发明专利CN101144370A公开了一种“热压高磷铁基金刚石钻头及其制备方法”，其中设计了Fe粉含量质量百分比为35%~50%，且含有P、B、Ni粉、Co粉、663-Cu粉、Ti粉、稀土等10种组分的铁基配方，并公布了热压高磷铁基金刚石钻头的制造工艺，在铁基金刚石钻头制造中具有较强的理论和应用价值。但该专利也明显有其两点不足，（1）其组分过于复杂，组分取值范围过大，变量较多，不具有针对性，组分间相互影响不易控制，对混料、称料、烧结工艺参数要求相对严格；（2）铁基配方中Fe粉质量含量应该在50%以上，该配方Fe粉含量上线才是50%。

坚硬致密、弱研磨性岩层虽然在一般矿区所占比例不大，但由于钻头打滑现象的发生，即使只有几米或十几米这种岩层也要耗费大量时间和钻头。十天或二十天，甚至一个月，导致整个钻孔施工周期延长，勘探成本增高，经济效益明显下降。我国大部分地区都存在这类岩层因此，解决该类岩层钻进打滑问题极有必要性。

发明内容

本发明的目的是要解决现有金刚石钻头在钻进坚硬弱研磨性地层时发生的打滑现象，而提供一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，该钻头是一种热压铁基孕镶金刚石钻头，其显著提高了钻进坚硬打滑地层时金刚石钻头的性能和质量，针对性强，降低了钻头的制造成本。

本发明之铁基基体混合材料是由铁基胎体和金刚石组成，金刚石孕镶在铁基胎体中，金刚石含量的体积百分比为45%-75%，粒度为35~50目；

所述铁基胎体是由下述质量百分比的组分构成：

铁粉65%~72%；锌粉10%~14%；663青铜粉14%~18%；锰粉1%；镍粉2%。

所述金刚石单粒静压强度大于40公斤/粒，金刚石采用粒度范围分别为35~40目、41~45目、46~50目金刚石中的一种、任意两种或三种的混合。

所述铁基胎体材料中各组分的纯度99.9%以上，粒度为230目~325目。

所述坚硬打滑地层用铁基孕镶金刚石钻头热压烧结工艺为：在温度130~150℃条件下烘干20-30min后，放入中频炉中预压0.5MPa，通电以每隔2min增加5~8KW的功率开始烧结，当温度升至800℃后开始增压，增到设计压力8~12MPa的2/3，温度升到955℃~970℃后开始保温，保温1min时将压力升至设定压力进行保温保压烧结，保温时间为5-8min，保压时间为6~8min，经过保压降温后，温度降到850℃时出炉。

本发明的优点：使用铁粉代替常规的碳化钨粉，其质量含量在70%左右，大大降低了孕镶金刚石钻头的成本；降低了烧结温度，减少了金刚石热损伤的概率；铁基胎体配方组分较少，变量少，易于控制；针对性较强，主要针对坚硬打滑地层用铁基孕镶金刚石钻头。

附图说明

图1 是本发明之钻头的剖视图。

图2 是图1的左视图。

1—底唇面尖齿；2—金刚石颗粒；3—铁基胎体：4—钻头钢体；5—钻头螺纹；6—钻头水口。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明之钻头是由钻头钢体4和铁基基体混合材料3构成，钻头钢体4具有内螺纹5，钻头钢体4的头端烧结有铁基基体混合材料3，铁基基体混合材料3中孕镶有金刚石颗粒2，铁基基体混合材料3的底面具有底唇面尖齿1，铁基基体混合材料3的底面开设有钻头水口6。

所述的铁基基体混合材料3是由铁基胎体和金刚石颗粒组成，金刚石颗粒2孕镶在铁基胎体上，金刚石颗粒含量的体积百分比为45%-75%，粒度为35~50目；

所述铁基胎体是由下述质量百分比的组分构成：

铁粉65%~72%；锌粉10%~14%；663青铜粉14%~18%；锰粉1%；镍粉2%。

实例1：

根据实际钻孔设计选择钻头尺寸，根据施工地层岩性特征选择胎体配方、钻头结构和金刚石参数，进行装料计算，称料，混料，装料，钢体对正，烘干，热压烧结，保温冷却，后期机加工，检验出厂。

现以钻孔直径为76.5mm，地层岩石硬度为6000MPa，研磨性弱，可钻性为10~11级花岗岩为例：采用铁基作为胎体配方，配方硬度为HRC15±3，钻头唇面为尖齿型，具体如下所述。

1. 铁基胎体组分（质量百分比）：铁粉70%；锌粉12%；663青铜粉15%；锰粉1%；镍粉2%，要求纯度99.9%以上，粒度为230目~325目。

2. 采用JR5型金刚石颗粒，粒度选取40~45目和46~50目，按照质量比=40~45目：46~50目=1:1混合。

3.混料

采用JH2D-6型三维摇滚式混料机进行混料，采用硬质合金球作为混料骨架材料，铁基胎体料混料时间为14小时，然后称取工作层胎体料加入金刚石混合4小时。

4. 装料

清理石墨模具，并用胶水将水口块放置在石墨模具内，防止其移位。然后将含金刚石的胎体料按照计算好的质量装入石墨模具中，装入不含金刚石的胎体料，放入条形聚晶保径。接着将钻头钢体倒扣在钻头基体上，确保钢体的内水口和基体的水口对正。

5.烘干

将待烧结的钻头及模具放入到烘干机中烘干一段时间，促进粉料和模具中易挥发物质的挥发，减少粉料中的杂质成分，尤其是气体，提高粉料的致密性和纯度。烘干参数：温度140℃，时间30min。

6.热压烧结

所述坚硬打滑地层用铁基孕镶金刚石钻头热压烧结工艺为：在温度140℃条件下烘干30min后，放入中频炉中预压0.5MPa，通电以每隔2min增加6KW的功率开始烧结，当温度升至800℃后开始增压，增到7MPa，温度升到960℃后开始保温，保温1min时将压力升至10MPa进行保温保压烧结，保温时间为7min，保压时间为8min，经过保压降温后，温度降到850℃时出炉。

7.出炉后放入珍珠岩粉中冷却到室温，取出后加工水口、车螺纹、喷漆、打标签、检验、准备出厂。

Claims

1.一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，是由钻头钢体和铁基基体混合材料构成，其特征在于：所述的铁基基体混合材料是由铁基胎体和金刚石颗粒组成，金刚石颗粒孕镶在铁基胎体上，金刚石颗粒含量的体积百分比为45%-75%，粒度为35~50目；

所述铁基胎体是由下述质量百分比的组分构成：

铁粉65%~72%；锌粉10%~14%；663青铜粉14%~18%；锰粉1%；镍粉2%。

2.根据权利要求1所述的一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述金刚石颗粒的单粒静压强度大于40公斤/粒，金刚石颗粒的粒度为35~40目、41~45目和46~50目金刚石中的一种或任意两种或三种的混合。

3.根据权利要求1所述的一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述铁基胎体中各组分的纯度大于99.9%，粒度为230目~325目。

4.一种权利要求1所述的坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头的制造方法，该方法包括以下步骤：

（1）、混料

采用JH2D-6型三维摇滚式混料机进行混料，采用硬质合金球作为混料骨架材料，先将将铁基胎体粉料放入到混料机中进行混合，铁基胎体粉料的混料时间为14小时，然后称取工作层胎体料加入金刚石混合4小时；

（2）、装料

清理石墨模具，并用胶水将水口块放置在石墨模具内，防止其移位；然后将含金刚石颗粒的胎体料按照计算好的质量装入石墨模具中，装入不含金刚石的胎体料，放入条形聚晶保径；接着将钻头钢体倒扣在钻头基体上，确保钢体的内水口和基体的水口对正；

（3）、烘干

将待烧结的钻头及模具放入到烘干机中烘干，促进粉料和模具中易挥发物质的挥发，减少粉料中的杂质成分，尤其是气体，提高粉料的致密性和纯度，烘干参数：温度140℃，时间30min；

（4）、热压烧结

在温度140℃条件下烘干30min后，放入中频炉中预压0.5MPa，通电以每隔2min增加6KW的功率开始烧结，当温度升至800℃后开始增压，增到7MPa，温度升到960℃后开始保温，保温1min时将压力升至10MPa进行保温保压烧结，保温时间为7min,保压时间为8min，经过保压降温后，温度降到850℃时出炉；

（5）、出炉后放入珍珠岩粉中冷却到室温，取出后加工水口、车螺纹。