CN103362446A

CN103362446A - 一种新型地质勘探用岩石取心钻头的制备技术

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Publication number: CN103362446A
Application number: CN2012101017424A
Authority: CN
Inventors: 吴庆文; 吴庆华; 金昕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明提供了一种用新型的人造金刚石夹心式的硬质合金柱齿技术及采用硬质合金全覆盖式的钻头套筒制造技术，最终制备成一种钻进速度高，使用寿命长的新型地质勘探用岩石取心钻头。它从四个方面进行了创新：1、是将人造金刚石颗粒加入到硬质合金柱齿的心部。2、是使用了世界最新型的、性能最好的超细晶粒硬质合金来制造柱齿。3、是在钻头内、外侧壁上同时镶焊有金刚石夹心式柱齿以保证钻头对岩心侧壁的顺利扩孔和表面加工。4、是采用熔浸工艺将柱齿-钢套-硬质合金防护层三者连成一体。完全改变了取心钻头的结构。大大改善了每个柱齿的受力状态，明显地提高了钻头的钻进速度和使用寿命。这种钻头在条件恶劣的硬岩层环境中，更能显露出综合的、优异的特性。本技术投资少，市场前景广阔。适合于中小企业投资经营。

Description

一种新型地质勘探用岩石取心钻头的制备技术

技术领域

本发明属于地质勘探工业中岩石取心钻头的制备技术领域，特别是提供了一种用新型的人造金刚石夹心式的硬质合金柱齿技术及采用硬质合金全覆盖式的钻头套筒制造技术，最终制备成一种钻进速度高，使用寿命长的岩石取心钻头。

背景技术

地质勘探工业和石油勘探工业中，采用岩石取心钻头的历史已近80多年，这种钻头能原封不动的将岩层由地表到极深处的岩石断层情况，通过取出的岩心标样，完整无误地直观地、精确地显现出来。因此岩石取心钻头，一直被誉为地质工作者的一把智慧利箭。80多年来岩石取心钻在结构上一直采用在钢制的园柱形空心套筒(下)端部、沿园周上均匀镶焊6～8枚硬质合金柱齿。在钻探过程中，在一定压力下，随着钻杆的旋转，硬质合金柱齿对岩石表面进行切削(钻进)。实践证明，这种钻头在岩石硬度小于6级时，都能很好的胜任工作。遗憾的是当岩石硬度高于6级时，这种钻头既不能钻进也没有寿命，几乎不能使用。众所周知在很多金属矿源的勘探工作中，岩石的硬度往往超过6级，这比石油勘探更为困难，岩石硬度甚至能达到8级(金刚石为10级)。多少年来在金属矿源的普查和勘探工作中如何能提高岩石取心钻头的钻进速度和使用寿命，一直是地质工作者多年来期盼解决的难题。

从硬质合金的材料特性可知，合金的硬度是由(WC)碳化钨相的高硬度决定的，但遗憾的是WC相本身的维氏硬度(H_v＝1780kg/mm²)并不高。岩石中若有Ae₂O₃、Z_rO₂、TiC、Z_rC等任何一种颗粒时，其硬度均超过WC的硬度。只有金刚石颗粒的硬度(H_v＝6800kg/mm²)为最高，因此仅用硬质合金柱齿来制备取心钻头时，在岩石的硬度大于6级时取心钻的钻进速度和使用寿命几乎为零。不仅如此，作为支撑柱齿的钢基体(套筒)，更容易被磨损，而且一旦磨损后，柱齿将更容易整体松动、脱落，同时又会造成卡钻，或岩心碎裂等问题。

鉴于上述背景本发明从两方面实现了创新；

1、制备和采用金刚石夹心式超细晶粒硬质合金柱齿，此目的：

其一、是用强度硬度更高的超细晶粒硬质合金(合金中WC平均晶粒≤0.5μm)代替现有的常规YG8硬质合金。前者的抗弯强度为3900～4300MPa、硬度HRA92～93。后者YG8的抗弯强度仅为1900～2100MPa，硬度为HRA88～89，耐磨性前者比后者高一倍。

其二、是用夹心技术在硬质合金柱齿的心部，将天然硬度最高的人造金刚石颗粒，高压机械嵌入并辅以钎焊，从而彻底改变了因硬质合金柱齿硬度过低所引起的钻进速度低，使用寿命短的致命弱点。

2、采用颗粒熔浸铸造技术将柱齿钢基体表面强化，改性。这种新型钻头的结构见附图1。附图1是新型钻头的结构示意型。附图1中：1-1是钻进用金刚石夹心柱齿；1-2是硬质合金(含金刚石)外覆盖层；1-3是钢基体套筒；1-4是硬质合金(含金刚石)内覆盖层；1-5是内、外扩孔用金刚石夹心柱齿；1-6是钻头螺纹接头。

采用颗粒熔浸铸造技术的目的：

其一：是用硬质合金层将钢基体(套筒)表面全部覆盖(合金层中可加入人造金刚石颗粒)以防止钢基体表面，在钻探过程中过快磨损。

其二：是为了用硬质合金将所有柱齿与钢基体通过钎焊熔为一个整体而加固。

本发明的工艺流程见附图2。附图2是工艺流程图，附图2中2-1是制备空心柱齿；2-2是金刚石夹心；2-3是钢基体套筒的机加工制备；2-4是钢套筒熔浸铸造模准备(另见附图5)；2-5是夹层颗粒填充；2-6是熔浸铸造；2-7是脱模-清理；2-8是产品检验。

具体工艺流程如下：

2-1、制备空心柱齿

采用平均粒径≤100nm的WC粉，用化学包覆法将10％质量的钴(Co)制成为YG10成分的纳米钴包纳米WC合金粉，然后采用附图3所示的新型的高压软模成形技术制成空心柱齿毛坯，再经1380-1400℃(60分)真空烧结，制成外径Φ8-Φ10，中心孔为Φ2.5-2.8的空心柱齿。

2-2、金刚石夹心

将粒径为1.27-0.159mm(10-80目)人造金刚石粉末与663青铜粉5％(质量)，另加少许(3-10％质量)酒精，搅拌混合后在压力下装填到上述硬质合金空心柱齿的孔内，在高频感应加热下将663青铜粉熔化，可将人造金刚石颗粒焊接在硬质合金的空心柱齿内，从而形成为有金刚石夹心的超细晶粒硬质合金柱齿。

2-3、钢基体套筒的机加工制备

要按柱齿的各项参数(直径、长度、数量)、安装高度、圆周分布规律以及硬质合金覆盖层厚度、螺纹接头尺寸等要求完成钢基体套筒的机加工准备。并将柱齿安装、检验。见附图4

2-4、钢套筒熔浸铸造模准备见附图5

附图5中5-1是金属液流；5-2是分流锥；5-3是漏斗(耐火泥))；5-4是钻进用金刚石夹心柱齿；5-5是石墨外模；5-6是横向夹心柱齿；5-7是外覆盖层硬质合金颗粒充填物；5-8是内层硬质合金颗粒充填物；5-9是钢基体套筒；5-10是石墨内模。

钢套筒机加工后必须将所有柱齿按规定位置安装待用。

钢套筒的熔浸铸造模(见附图5)是由两个简单的石墨圆筒组成。见附图5中5-5、5-10。两圆筒的内表面必需用TiO₂胶液涂刷以利于脱模。上部两圆筒之间的环形空间，正是硬质合金颗粒物(可加入一定量的人造金刚石粉)充填的空间，也就是硬质合金所要覆盖的钢基体表层。其夹层厚度直接决定覆盖层的厚度，故必须按用户要求设计，石墨模的下部是钻头螺纹段存放处。为了在铜液浸渍时，防止铜液渗漏可用水玻璃调混石墨粉耐火泥封堵。熔浸铸造模可反复使用，故在脱模时应很好保护。

熔浸铸造模制好后必须将钢基体套筒5-9安装好所有柱齿后由上往下的装入到两个石墨环内，若有过紧或过松时，应即时调整。随即在水口通道位置上(见附图6中6-3)插入用石墨制成的水口夹(见附图6中6-5)以防止颗粒物进入水口。并用502胶水或水玻璃粘牢。然后将钻头的螺纹段用胶泥或耐火泥抹平再装入模内，最后按附图5装上(5-2)分流锥和5-3漏斗。

附图6是有水口的岩石取心钻头结构图附图6中：6-1是钻进用金刚石夹心柱齿；6-2是硬质合金夹层；6-3是水口通道；6-4是钻头螺纹段；6-5是石墨水口夹。

熔浸铸造模还必须在N₂气保护炉内，事先预热至750～800℃才能注入铜液进行熔浸铸造、否则钻头的质量将会明显下降。在无N₂气的情况下也可采用煤气或天燃气，液化石油气等。

2-5、夹层颗粒填充

是将粒度组成一定的颗粒形状符合特定要求的，硬质合金颗粒状粉末，充填到附图5中5-7、5-8的夹层空间内，填充时往往采用振动台边振动边充填，以保证获得最大的填充密度。颗粒物的粒度组成一般为质量分数(以下同)；0.635～0.212(mm)(即20～60目)40％、0.159～0.100(mm)(即80～120目)40％、0.159～0.085(mm)(即120～150目)20％，最大颗粒线性尺寸≤1/3硬质层厚度。若地层岩石硬度很高时，还可加入人造金刚石颗粒0.318～0.212(mm)(即40～60目)2～6％(质量)的人造金刚石粉

2-6、熔浸铸造

利用电炉或感应炉将663青铜合金熔化，并将颗粒熔浸铸造模具放入一个可通入N₂气保护的预热电炉内，预热到750-800℃，将熔化的铜液(见附图5)5-1注入漏斗5-3中见附图5。当高温铜液注入硬质合金颗粒充填层后，由于金属铜液对碳化物固相颗粒和硬质合金固相颗粒具有良好的浸润特性和高温金属液携带的充足热量，在很短的时间内将夹层空间内所有的硬质合金颗粒迅速浸透，烧结并迅速形成为一个完整的包覆在钢基体套筒全部表面的硬质合金覆盖层，更重要的是与此同时，新生的硬质合金层与钢基体套筒表面也完成了钎焊过程，每个金刚石夹心柱齿也同时被焊接在钢基体套筒的齿孔中。冷却后最终可形成一个完整的，表面极为坚硬，耐磨的内部又有极高韧性和强度的层合复合取心钻头部件。

2-7脱模-清理

熔浸后的模具在N₂气保护下缓慢冷却到室温，将石墨模脱去可获得一个完整的取心钻头部件，然后进行质量检查，合格后进行钻头总装

2-8产品检验

出厂前进行最终产品检验

本发明的优点

1、首次采用钴包覆纳米碳化钨粉(WC)平均粒径d≤100nm的YG10合金粉，制备高性能的柱齿，明显提高了钻头的钻进速度和耐磨性能。

2、采用高压软模成形技术，彻底解决了纳米硬质合金粉成形难的问题。提高了压坯的整体密度，更重要的是解决了柱齿在使用过程中的不耐磨问题。

3、首次提出、研制和采用WC平均晶粒≤0.5μm的超细晶粒硬质合金作为柱齿合金，全面提高了柱齿合金的抗弯强度≥3800～4000MPa，抗压强度≥5500MPa，硬度HRA≥90～92，耐磨性能提高二倍。

4、首次提出、研制和采用人造金刚石夹心式的超细晶粒硬度合金柱齿部件。由于夹心结构和技术，彻底避免了在表镶和孕镶工艺中，必须要考虑金刚石的浸润性不良的问题，弥补了金刚石浸润焊接性较差的缺点，从结构上为金刚石颗粒提供了一种稳定的强负荷的三维刚性支撑的优越受力环境，大大提高和发挥了金刚石颗粒在整个柱齿中的切削能力和耐磨能力，金刚石颗粒不易脱落、利用率高、价格低廉、易于推广使用。

5、采用颗粒熔浸铸造工艺可以很容易地将硬质合金材质在钢套筒表面全部覆盖，这一工艺不仅将钢套筒表面强化改性，更重要的是将所有柱齿全部用硬质合金层加固，强化，并连接成一个整体。这种材料总体结构上的改变，大大改善了每个柱齿的受力状态，使局部柱齿在工作时受到的冲击力很快可以通过硬质合金整体壳层，这种颗粒状的(非连续介质)材料，能迅速的缓冲、传播、分散开来，因此可明显地提高取心钻头的抗冲击能力，可提高钻进速度和使用寿命，故这种钻头在岩石硬度很高的地层中，更能显露出其优异的特性。

6、颗粒熔浸铸造工艺，是从材料的制备工程技术上，彻底解决了，在复杂形状的钢铁部件上，能够大规模制备出厚度不受限制的，与钢基体焊接牢固的，结构上完整一体的硬质合金层合复合技术的难题。因此可以在钻头以外的任何需要抗磨损的部位上，如钻头主体、钻杆螺纹头外缘、钻头的定向保径段等，均可用硬质合金层全覆盖。

7、在硬质合金覆盖层中，可以很容易的加入人造金刚石颗粒。从而，可进一步改善覆盖层的综合力学性能。

具体实施方式

实施例1：制备50个示范性的Φ86mm取心钻头(见附图1)，钻进齿齿数8个直径Φ8mm、高度16mm；横向柱齿直径Φ8mm、高13mm。呈8列；每列2枚，分布在钻进齿下方。要求采用人造金刚石夹心式的超细晶粒硬质合金柱齿，夹心孔径为Φ2.8mm，高度13mm。钢套筒表面有3mm厚的常规YG8硬质合金覆盖层，

应按下列步骤完成

1、制备空心柱齿：

a、称取900g纳米WC粉，(平均粒径≤100mm)倒入3000ml水中。

b、称取(x)gCo(NO₃)₂·7H₂O粉末，与(y)g联氨(N₂H₄)·H₂O溶液按下式反应：2N₂H₂·H₂O+Co(NO₃)₂·7H₂O＝Co+N₂+2NH₄NO₃+9H₂O

分子量 100 291 58.93

(y) (x) (100)

称取：(x)＝291×100/58.93＝493.8g[(C_oNO₃)₂·7H₂O](七水硝酸钴)粉末，倒入上述3000ml水中。

c、称取：(y)＝100×493.8/291＝169.6g(联氨液)。实际多加一倍量，共为340g，倒入上述3000ml水中

d、水浴加热60～65℃，强力搅拌(1小时)，静置(4小时)，沉淀过滤反复清洗，最后酒精清洗过滤，或离心分离。真空80℃，1小时干燥，可制成纳米钴包覆纳米WC的YG10合金粉，以上合金粉末也可向专门厂家购买。

e、将YG10纳米超细合金粉末装入高压软模内，见附图3。附图3是高压软模成型模具示意图，附图3中3-1是上冲头(钢)；3-2是双层阴模钢套；3-3是上软垫(聚胺脂)；3-4是上定位软模(聚胺脂)；3-5是外围软模(聚胺脂)；3-6是钢芯；3-7是YG10纳米硬质合金粉；3-8是下模软垫(聚胺脂)；3-9是下冲头(钢)

按上冲头截面积(S)计算单位压强P_o

P_o＝P/10.2×S(MPa)

式中P：总压力(Kg)，S：上冲头截面积(cm²)

在单位压强P_o＝200～250MPa压力下，将YG10超细晶粒合金粉压制成空心柱齿毛胚。在真空烧结炉中，1380～1400℃，(60分)烧结成空心柱齿。柱齿的中心孔径、外径、高度等尺寸，经烧结后，约收缩20％，故毛坯的钢芯直径和其它尺寸均应放大20％

2、金刚石夹心

将烧结后的空心柱齿用高速钻(金刚石针)清理内孔，经丙酮清洗后，用细钢针将人造金刚石粉(加入5％(质量)的663青铜粉}压入柱齿的中心孔内，可用小锤轻打充实。金刚石粉充填高度一般为小孔高度的(1/2～2/3，按使用高度而定)。然后在高频感应圈内，加热将铜粉熔化，或在N₂气保护炉内将铜粉熔化。在熔化前放入一段Φ1.5mm的663铜丝，长度稍高出合金表面2mm，在熔化过程中，可用硼砂覆盖。熔化后，冷却，待用。

3、钢套筒基体加工

按照用户对硬质合层厚度3mm的要求，套筒的尺寸必须向内部缩小3mm厚度，同时在钢套筒端部表面规定位置上加工出直径Φ8mm、深13mm的钻进柱齿固定孔和横向柱齿Φ8mm安装孔。见附图4。附图4是钢基体套筒的机加工标样示意图。附图4中：4-1是钻进用夹心柱齿安装孔；4-2是钢基体套筒；4-3是横向夹心柱齿安装孔；4-4是钻头连接螺纹；按附图4加工出钢制的套筒，随即再将柱齿安装粘好。

4、套筒熔浸模准备

按钢套筒和柱齿装配后的总体尺寸(见附图5)加工石墨模，附图5是颗粒熔浸铸造模示意图。附图5中5-1是金属铜液流；5-2是分流锥；5-3是漏斗(耐火泥)；5-4是钻进用金刚石夹心柱齿；5-5是石墨外模；5-6是横向夹心柱齿；5-7是外覆盖层硬质合金颗粒充填物；5-8是内层硬质合金颗粒充填物；5-9是钢基体套筒；5-10是石墨内模。

按附图5中5-2、5-3、5-5、5-10装配好后，再按附图6中6-3水口位置插入石墨水口夹6-5，并用水玻璃粘牢、晾干，20分钟后转入夹层颗粒充填。

5、夹层颗粒充填见附图5

采用粒度组成为0.635～0.212(mm)(即20～60目)40％(质量)；0.159～0.100(mm)(即80～120目)40％(质量)；0.159～0.085(mm)(即120～150目)20％(质量)的YG8牌号的常规硬质合金颗粒粉，称取一定量的粉重，在振动台上，边装填边振动并用探针插实，当装入的粉重达到计算量或空白装填试验量时，暂停装填，但需再振动5分钟，当颗粒物装填平面，不再下降时，方可结束装填。然后将熔浸铸造模放入有N₂气保护的预热炉内，加上注液漏斗。并对准预热炉口通入N₂气，升温至750～800℃保温待用。

6、熔浸铸造

a、用高频或中频可倾注感应炉将适量(2Kg)663青铜合金熔化，并过热到980～1000℃保温。

b、将预热炉炉口打开，开启感应炉倾注机构将高温铜液注入熔浸铸造模的漏斗内(见附图5中5-3)，并随时观察铜液面，若不在下降时，说明铜液已注满。应立即停止浇注，然后在N₂气保护炉内冷却至室温。

7、脱模清理

铸造模冷却后出炉，脱去石墨模。取出铸造好的复合取心钻头，用钢丝刷清理检查表面，若有缺损还可用氧-乙炔火焰修补。转到装配等工序，完成总装工序。

8、产品检查

完成产品出厂前的总检和认证工作

实施例2

制备一个直径Φ100mm取心钻头，高80mm；钻头壁厚14mm；内径Φ72mm；外径Φ100mm(见附图1)；钻进柱齿齿数10个、外露高度6mm、直径Φ8mm、柱齿总高18mm。横向柱齿直径Φ8mm、长14mm；每排3枚共10排。所有柱齿夹心孔直径Φ2.8mm、套筒表面有3mm厚的常规YG8硬质合金夹层。应按下列步骤完成

1、制备空心柱齿

以下与实施例1-a，1-b，1-c，1-d，1-e，完全相同，

2、金刚石夹心

与实施例1中2、相同

3、钢套筒加工

按照用户对硬质合层厚度3mm的要求，套筒的外围尺寸必须向内部缩小3mm厚度，则外径为Φ94mm；内径为Φ78mm钢套筒端面规定位置上加工出Φ8mm；深度为12mm的钻进用金刚石夹心齿的10个小孔及横向柱齿Φ8mm固定孔10排。见附图4。按附图4及上述尺寸加工出钢套筒基体，随即将柱齿安装好。

4、与实施例1中4、相同。

5、与实施例1中5、相同。

6、与实施例1中6、相同。

7、与实施例1中7、相同。

8、与实施例1中8、相同。

以上步骤完成后，即可制成符合客户要求的金刚石夹心式硬质合金新型岩石取心钻头。

Claims

1.一种地质勘探和石油勘探用新型岩石取心钻头的制备技术，其特征在于用金刚石夹心式的超细晶(WC平均晶粒≤0.5um)硬质合金柱齿镶嵌在钢套筒端部及套筒侧壁(内、外表面)上，于N₂气保护下经颗粒熔浸铸造工艺，将柱齿与钢套筒浸渍钎焊，同时又将钢套筒内、外表面均匀地浸渍烧结覆盖一层硬质合金防护层。从而使所有柱齿-钢套筒-硬质合金防护层三者之间，通过冶金结合形成为一种结构和性能上均优异的复合材料钻头部件，明显地改善了柱齿的受力状态，大大地提高了柱齿的钻进速度和耐磨性能，使这种钻头成为一种新型的岩石取心钻头。

2.根据权利要求1、所述，金刚石夹心的超细晶粒硬质合金柱齿是用下列合金粉制成，其使用的原始WC粉粒度≤100nm含量为90％(质量)，采用化学包覆法制备成YG10牌号的纳米钴包纳米WC合金粉。并用高压软模成形法制成空心柱齿毛坯，再经真空烧结制成YG10牌号合金的空心柱齿。以上工艺方法，模具结构及相关工艺参数理应获得保护。

3.根据权利要求1、2、所述，所使用的高压软模结构图见附图3，以及软模使用的材料(聚胺脂塑料)、压强的计标、控制参数、均为保护内容。

4.根据权利要求1、所述，人造金刚石夹心技术中，所采用的刚性的硬质合金小孔内壁支撑结构，以及采用高压机械嵌入法，将强度最高的粒径为0.2～0.5(mm)JR型人造金刚石粉末，，在硬质合金小孔内用小锤和钢针，冲打压实，以保证金刚石颗粒之间有直接的刚性接触，上述工艺及相关参数均应加以保护。

5.根据权利要求1、2、所述，在人造金刚石夹心技术中所采用的人造金刚石颗粒还可采用人造金刚石聚晶颗粒，其直径为d₀＝(1.5～3)mm，此时合金柱齿中烧结后的小孔内径d₀＝(1.5～3)+0.15mm，这种间隙可保证焊接后，仍能获得合金小孔内壁的刚性支撑条件。

6.根据权利要求1、2、3、4、所述机械嵌入的金刚石颗粒还需用663铜焊丝，经高温熔化硼砂保护将金刚石颗粒间，金刚石颗粒与硬质合金小孔内壁之间，焊接加固。这一工艺及相关参数也应加以保护。

7.根据权利要求1、所述，颗粒熔浸铸造工艺中所使用的硬质合金颗粒物可以是机械破碎碎屑，但(合金牌号)为YG8即WC-92％(质量)、Co-8％(质量)。粒度组成为0.635～0.212(mm)(即20～60目)40％(质量)；0.159～0.100(mm)(即80～120目)40％(质量)；0.159～0.085(mm)(即120～150目)20％(质量)。此外还可使用铸造WC颗粒其粒度组成与上同。当岩层过硬时可加入(40～60目)5～10％(质量)JR型的人造金刚石颗粒。使用的金属液为663青铜液或熔点低于 980℃的其它铜合金液。

8.根据权利要求1、所述，取心钻头中使用的金刚石夹心柱齿一部分是安装在钢套筒端部用以承担钻进任务，另一部分是安装在钢套筒侧壁的内、外表面上以承担扩孔和修理岩心表面的任务，这种结构设计上的突破见附图1必需加以保护。