CN103028731A

CN103028731A - 一种热压孕镶金刚石钻齿和制法及其在强研磨性硬地层的应用

Info

Publication number: CN103028731A
Application number: CN2011103018342A
Authority: CN
Inventors: 邹德永; 李真祥; 瞿佳; 孙坤忠; 庄林林; 袁军
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; China University of Petroleum East China; Sinopec Exploration Southern Co
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; China University of Petroleum East China; Sinopec Exploration Southern Co
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明为一种热压孕镶金刚石钻齿和制法及其在强研磨性硬地层的应用。所述的金刚石钻齿由复合胎体(1)和天然金刚石(2)组成；按质量比计，复合胎体(1)由WC 25～43、铸造WC 15～25、Cu 15～30、Co 13～20、Ni 11～17、Mn 1～3、P 1～2和人造单晶金刚石粉0.5～1组成；天然金刚石(2)为镀钛天然金刚石，其粒度范围为40目～100目，浓度为75％～110％。钻齿的齿形设计为圆柱形。本发明所提供的钻齿可以竖立和横卧两种方式镶嵌于钻头基体上，在软硬交错、研磨性地层中具有切削与磨削两种破岩方式联合作用，破岩效率高，使用寿命长。

Description

一种热压孕镶金刚石钻齿和制法及其在强研磨性硬地层的应用

技术领域

本本发明涉及一种石油钻探用钻齿，特别是涉及一种热压孕镶金刚石钻齿和制法及其在强研磨性硬地层的应用。

背景技术

随着勘探程度的不断提高，浅层、易开发油气资源已逐渐减少，开发深部地层油气资源势在必行。深井超深井的钻探经常遇到石英砂岩、花岗岩等强研磨性硬地层，在以往此类地层钻进中多采用牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头。但牙轮钻头破岩效率低，单只钻头进尺少，并容易出现掉牙轮等井下事故；PDC钻头磨损速度快，吃入困难；金刚石钻头也同样存在钻进速度慢、寿命较短的问题，严重制约了油气勘探开发的速度。

为了提高强研磨性硬地层的钻探效率，国内外钻井工作者和钻头研究者都在加紧研究高效破岩工具和方法。尤其是孕镶金刚石钻头的研究，为国内外研究人员所重视。提高此类钻头性能的方法是合理设计金刚石参数，针对不同特性的地层，都有一组合理的金刚石参数与之对应，如钻进坚硬、研磨性地层，要求选用磁选、高品级、细粒度及高浓度的金刚石，具体参数由理论计算得出，以确保钻头的高效破岩及长寿命。但这种方法存在一个显著的问题：因天然金刚石昂贵，钻头成本太高，故为了降低制造成本，大多选用人造金刚石，这在一般硬地层的钻进中可以取得一定的效果，但如果地层研磨性很高，人造金刚石就不足以抵抗岩石的研磨性，且金刚石在胎体中的分布不均匀，导致钻头早期磨损严重，无法正常使用。

提高此类钻头性能的另一方法是改善胎体性能，所采用的胎体配方应具有良好的物理力学性能，并能与所采用金刚石参数相匹配，适当超前磨损。针对硬地层、研磨性地层，可以从两方面调整胎体配方，一是在传统碳化钨基胎体的基础上，增加碳化钨的比例，来提高胎体对金刚石的包镶与耐磨性；二是调整胎体成分，如2007年中国专利CN101144370A所述的一种热压高磷铁基金刚石钻头，以磷铁取代部分碳化钨，拓宽了钻头对不同岩层的适应能力，降低了生产成本。但上述方法存在以下几点问题：(1)随着碳化钨比重的提高，钻头烧结温度也随之提高，导致金刚石的质量下降；(2)热压高磷铁基金刚石钻头的整体性能依然偏低，虽然可以有效针对坚硬弱研磨性地层，但对强研磨性地层效果不明显。

另外，英国专利GB2454589A以金刚石磨料周围预裹覆不同的胎体材料，研制了一种强弱混镶的钻头切削结构，没有改变胎体对金刚石的包镶本质，依然以机械包镶为主，因此提升效果不明显；中国专利CN101139727A通过采用铁作为金刚石钻头的胎体材料，拓宽了电镀工艺在钻头制造业中的应用，但其产品的硬度及耐磨性依然不及热压烧结法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热压孕镶金刚石钻齿和制法及其在强研磨性硬地层的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：针对现有技术存在的不足，在分析了PDC(聚晶金刚石复合片)钻头和金刚石钻头与岩石相互作用机理的基础上，研制了适合于强研磨性硬地层的热压孕镶金刚石钻齿。

本发明之一的热压孕镶金刚石钻齿，是这样实现的：

所述的金刚石钻齿由复合胎体1和天然金刚石2组成，其中。

所述的天然金刚石2的体积浓度为75～110％；

按质量比计所述的复合胎体1由碳化钨25～43、铸造碳化钨15～25、铜粉15～30、钴粉13～20、镍粉11～17、锰粉1～3、磷粉1～2和人造单晶金刚石粉0.5～1组成。

在具体实施中，

所述的金刚石钻齿的齿形优选为圆柱形，圆柱形的外径D可以为9～19mm、柱高H可以为10～15mm。

所述的天然金刚石2优选为镀钛天然金刚石；所述的天然金刚石2的粒度范围可以为40～100目；

所述的复合胎体中1中各组分的粒度可以为200～400目；

所述的热压孕镶金刚石钻齿以竖立和横卧相间的镶嵌方式连接在钻头体上；

另外，上述的热压孕镶金刚石钻齿采用热压烧结工艺合成制成，其中：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min；

在具体实施中，首先根据钻齿结构具体参数，计算钻齿体积数据，之后与金刚石体积浓度具体参数做乘积，可得金刚石所占钻齿体积的具体数据，用金刚石体积与金刚石密度做乘积可得金刚石质量。钻齿复合胎体体积＝钻齿体积-金刚石体积。然后假设钻齿复合胎体整体质量为1，1与复合胎体具体设计方案中各元素所占的质量浓度做乘积，可得各元素所占质量，运用公式1/{(元素1所占质量/元素1的密度)+(元素2所占质量/元素2的密度)+...}可得复合胎体密度。用以上计算所得复合胎体体积与复合胎体密度做乘积可得复合胎体的质量。复合胎体质量与复合胎体具体设计方案中各元素所占的质量浓度做乘积可得复合胎体各元素的质量。

本发明之二的热压孕镶金刚石钻齿的制法，是这样实现的：

所述的热压孕镶金刚石钻齿采用热压烧结工艺合成，其中：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min。

所述的热压孕镶金刚石钻齿以竖立和横卧相间的镶嵌方式烧结在钻头体上。

本发明之三是所述的热压孕镶金刚石钻齿在强研磨性硬地层钻进中的应用。在应用中，

所述的热压孕镶金刚石钻齿可以在钻进可钻性为7.3～9.7级的硅质胶结石英砂岩中钻进，钻压可以为1.5t，转速可以为106rpm，泵量可以为11L/s，钻速在1.35～2.13m/h范围内，平均磨损速率仅为0.012～0.019g/m。

本发明的有益效果在于：

(1)热压孕镶金刚石钻齿同时兼有切削和磨削两种破岩作用。借鉴PDC复合片的圆柱形设计，以竖立与横卧两种镶嵌方式烧结在钻头体上，在钻遇泥页岩类地层时，钻齿可以像PDC切削齿一样切削地层。在钻遇石英砂岩类强研磨性硬地层时，钻齿可以以磨削方式破碎岩石。大大提高了钻齿的破岩效率。

(2)胎体中混镶一定比例的人造单晶金刚石粉，以提高胎体的耐磨性，配以天然金刚石作为磨削材料，大大提高钻齿的耐磨性，其磨耗比可高达32605.21。

(3)胎体中加入P元素，Co-P合金的共晶温度为1020°c，Ni-P合金的共晶温度为880°c，大大降低烧结温度，同时钛镀层能够高效的隔离金刚石表面，有效降低了烧结过程中对金刚石的损伤。

(4)提高了胎体对金刚石的包镶力，天然金刚石磨料进行镀钛工艺处理，钛与金刚石表面C原子形成强化学键，同时对胎体材料具有良好的浸润性，改变了以往以机械力为主的包镶形式，从而显著提高胎体对金刚石的包镶力。

(5)使用该钻齿设计的钻头，对强研磨性硬地层具有很强的针对性。

(6)制备方法简单，易于掌握，适合大规模生产。

附图说明

图1是本发明的热压孕镶金刚石钻齿的一种形状、结构示意图。

图2是本发明的热压孕镶金刚石钻齿，左边的钻齿为竖立、右边的钻齿为横卧方式镶嵌于钻头体中的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明不仅仅局限于此。

具体如图1所示。借鉴PDC钻头的齿形特征，将热压孕镶金刚石钻齿设计为圆柱形，以充分发挥切削破岩效率高的优势。为提高钻齿的耐磨性和吃入硬地层的能力，钻齿设计由天然金刚石磨料、人造单晶金刚石粉和碳化钨胎体组成，采用热压烧结工艺合成。天然金刚石具有极高的硬度和耐磨性，可显著提高钻齿的耐磨性。通过在胎体中混镶一定比例的人造单晶金刚石粉，以提高胎体的耐磨性，使之与天然金刚石的磨损速度相匹配。这样即可保证天然金刚石的有效出露，又避免胎体磨损过快而导致金刚石颗粒过早脱落。天然金刚石和人造金刚石都经过镀钛处理，大大提高了金刚石与胎体的胶结强度，同时减低了烧结过程中对金刚石的损伤。

如图2所示，钻齿的齿形设计为圆柱形，圆柱形的外径为9mm～19mm、柱高为10mm～15mm，可根据所钻地层特性及钻头设计方案，进行尺寸优化设计，最终以竖立和横卧相间的镶嵌方式烧结在钻头体上，其出露高度可根据地层特性等技术数据进行调整。

实施例1

用热压法制造钻齿，钻齿规格为φ13×15mm，胎体材料(质量百分比，200目～400目)：p 2％、Mn 1％、Co 17.5％、Cu 15.4％、Ni 15.4％、铸造碳化钨20.5％、WC 27.6％、人造单晶金刚石粉0.7％；金刚石浓度100％(体积浓度)，金刚石粒度为70目～80目；烧结工艺参数：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min。

将上述钻齿采用竖立与横卧相间的镶嵌方式，加工101.6(指钻头直径为101.6mm即钻头尺寸为4in)的热压孕镶金刚石钻头，钻进可钻性为9.2级的硅质胶结石英砂岩。钻进参数：钻压1.5t，转速106rpm，泵量11L/s。该金刚石钻头钻速为1.38m/h，平均磨损速率仅为0.014g/m。

实施例2

用热压法合成钻齿，钻齿规格为φ19×15mm，胎体材料(质量百分比，200目～400目)：p 1.5％、Mn 3％、Co 14.5％、Ni12.7％、Cu 20％、铸造碳化钨22.6％、WC 25％、人造单晶金刚石粉0.7％；金刚石浓度80％(体积浓度)，金刚石粒度为60目～70目；烧结工艺参数：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min。

将上述钻齿采用采用竖立与横卧相间的镶嵌方式，加工101.6热压孕镶金刚石钻头，钻进可钻性为7.3级的硅质胶结石英砂岩。钻进参数：钻压1.5t，转速106rpm，泵量11L/s，该金刚石钻头钻速为2.13m/h，平均磨损速率仅为0.019g/m。

实施例3

用热压法合成钻齿，钻齿规格为φ19×10mm，胎体材料(质量百分比，200目～400目)：p 1.9％、Mn 1％、Ni12％、Co 13.9％、Cu 17％、铸造碳化钨21％、WC 32.5％、人造单晶金刚石粉0.7％；金刚石浓度110％(体积浓度)，金刚石粒度为70～80目；烧结工艺参数：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min。

将上述钻齿采用竖立与横卧相间的镶嵌方式，加工101.6热压孕镶金刚石钻头，钻进可钻性为9.7级的硅质胶结石英砂岩。钻进参数：钻压1.5t，转速106rpm，泵量11L/s，该金刚石钻头钻速为1.35m/h，平均磨损速率仅为0.012g/m。

Claims

1.一种热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的金刚石钻齿由复合胎体(1)和天然金刚石(2)组成，其中，

所述的天然金刚石(2)的体积浓度为75～110％；

按质量百分数计所述的复合胎体(1)由碳化钨25～43、铸造碳化钨15～25、铜粉15～30、钴粉13～20、镍粉11～17、锰粉1～3、磷粉1～2和人造单晶金刚石粉0.5～1组成。

2.根据权利要求1的热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的金刚石钻齿的齿形为圆柱形，圆柱形的外径D为9～19mm、柱高H为10～15mm。

3.根据权利要求1的热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的天然金刚石(2)为镀钛天然金刚石，其粒度范围为40～100目。

4.根据权利要求1的热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的复合胎体中(1)中各组分的粒度为200～400目。

5.根据权利要求1的热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的热压孕镶金刚石钻齿以竖立和横卧相间的镶嵌方式连接在钻头体上。

6.根据权利要求1～5之一的热压孕镶金刚石钻齿，其特征在于：

所述的热压孕镶金刚石钻齿采用热压烧结工艺合成制成，其中：烧结压力22MPa，烧结温度1060℃，保温4min。

7.根据权利要求1～5之一的热压孕镶金刚石钻齿的制法，其特征在于：

8.根据权利要求7的热压孕镶金刚石钻齿的制法，其特征在于：

9.根据权利要求1～6之一的热压孕镶金刚石钻齿的应用，其特征在于：

所述的热压孕镶金刚石钻齿在强研磨性硬地层钻进中的应用。

10.根据权利要求9的热压孕镶金刚石钻齿的应用，其特征在于：

所述的热压孕镶金刚石钻齿在可钻性为7.3～9.7级的硅质胶结石英砂岩中钻进，钻压为1.5t，转速为106rpm，泵量为11L/s，钻速为1.35～2.13m/h。