CN103924930B

CN103924930B - 一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿及其制备方法

Info

Publication number: CN103924930B
Application number: CN201410155594.3A
Authority: CN
Inventors: 王晋春; 张烈华; 许林; 徐磊
Original assignee: Kingdream PLC
Current assignee: Sinopec Oilfield Equipment Corp
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: CN103924930A

Abstract

本发明涉及一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿及其制备方法，该孕镶齿包括孕镶胎体及孕镶在所述胎体中的金刚石，所述孕镶胎体包括以下重量含量的组分：碳化钨60～70%、钴粉10～25%、铜粉5～10%、镍粉2.5～5%、锰粉2.5～5%。将制备孕镶胎体的组分混合均匀后与用丙三醇酒精溶液润湿的金刚石颗粒一起造粒成球，其中金刚石的浓度为110～150%，再将制备的球粒放入模具中烧结成型，烧结温度1080～1100℃、烧结压力40～50MPa、保温时间5～10min,得到适用于强研磨性硬地层的孕镶齿。本发明提供的孕镶齿强度高、耐磨性好，钻进效率高，并且使用寿命长。

Description

一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿及其制备方法

技术领域

本发明属于石油钻探技术领域，涉及一种孕镶金刚石钻头的孕镶齿，特

别涉及一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿及其制备方法。

背景技术

石油钻探钻遇深井强研磨性硬地层的情况很常见，该类地层抗剪切强度高，传统的金刚石（PDC）钻头的主要破岩方式是剪切，采用PDC钻头在钻进强研磨性硬地层的过程中PDC齿承受着很大的扭曲力，难以有效吃入岩石；而牙轮钻头钻进强研磨性硬地层时，钻头容易产生自然的回旋振动，其硬质合金齿承受高冲击载荷就更大，导致牙轮钻头的硬质合金齿存在频繁断齿和使用寿命低的问题，而使用孕镶结构作为切削齿的金刚石钻头是解决这一问题的有效途径。孕镶齿是孕镶金刚石钻头的切削结构，其工作原理如同高速运转砂轮一般，它是依靠孕镶在孕镶胎体中的金刚石来磨削和刻化岩石的，随着孕镶齿中支撑胎体不断被岩屑磨损，新的金刚石不断出露，从而实现自锐。

然而，现有的孕镶齿仍存在两方面的问题：一方面，孕镶齿配方设计针对性不够强，往往造成孕镶胎体与钻进岩层不匹配，金刚石难以连续出刃，钻进效率低；另一方面，对于特定地层如强研磨性硬地层，孕镶胎体硬度和耐磨性普遍偏低，大多选用铜基齿材，强度不够高，所制备的孕镶胎体对金刚石包镶力不强，胎体容易被磨损，导致金刚石过早脱落，孕镶齿使用寿命低，一般使用几十个小时就已失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿及其制备方法，该孕镶齿与强研磨性硬地层具有较好的适应性，不仅自锐性好，而且强度高，耐磨性好，使用寿命长。

本发明孕镶齿的技术方案是：

包括孕镶胎体及孕镶在所述胎体中的金刚石，所述孕镶胎体包括以下重量含量的材料组分：碳化钨60～70%、钴粉10～25%、铜粉5～10%、镍粉2.5～5%、锰粉2.5～5%。

按上述方案，所述材料的粒径为：碳化钨≤2μm、钴粉≤5μm、铜粉≤50μm、镍粉≤5μm、锰粉≤50μm。

按上述方案，所述孕镶齿中金刚石粒度为20～40目，金刚石表面有TiC和SiC复合镀层保护膜，金刚石表面的TiC和SiC复合镀层保护膜具有良好的抗氧化性能，烧结过程中可防止金刚石碳化。

按上述方案，所述孕镶齿中金刚石工业浓度为110～150%（金刚石工业浓度，400%制，110～150%相当于100%制体积浓度27.5～37.5%）。

按上述方案，所述的孕镶齿抗弯强度达510MPa或以上，抗压强度达1555MPa或以上。

本发明孕镶齿的制备方法为：按组分将制备孕镶胎体的材料混合均匀后与用丙三醇酒精溶液润湿的金刚石颗粒一起造粒成球，其中金刚石的浓度为110～150%，再将制备的球粒放入模具中加压烧结，烧结温度1080～1100℃，烧结压力40～50MPa，保温后得到适用于强研磨性硬地层的孕镶齿，制备孕镶胎体的材料组分的重量配比为：碳化钨60～70%、钴粉10～25%、铜粉5～10%、镍粉2.5～5%、锰粉2.5～5%。根据生产实际需要，可以通过不同形状规格的模具制备需要的孕镶齿，如圆柱形等形状的孕镶齿。

按上述方案，所述的保温时间5～10min。

按上述方案，所述的金刚石颗粒造粒成球的球粒直径为1.0～1.5mm。

按上述方案，所述丙三醇酒精溶液中丙三醇与酒精的体积比为3:1。

本发明的有益效果在于：1、所制备的孕镶齿采用具有高耐磨性的钴基材料作为孕镶胎体，与强研磨性硬地层具有较好的适应性，具有强度高、耐磨性好，孕镶胎体对金刚石的包镶力强，适用于钻探强研磨性硬地层。该类地层含有较高的石英砂岩，岩屑对孕镶胎体的磨损较为严重，采用一般铜基孕镶胎体时其耐磨性及对金刚石的包镶力过低，孕镶胎体容易被磨损，从而导致金刚石过早脱落，造成孕镶齿的使用寿命短。本发明孕镶齿具有较高的使用寿命，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，使用寿命达145小时以上。2、本发明所用金刚石粒度较大，出刃程度高，切削速度快，自锐性好；同时，金刚石的粒度大，有利于胎体对金刚石的包镶，金刚石不易过早脱落。3、金刚石浓度较高，使得金刚石对孕镶胎体的覆盖保护作用加强，孕镶齿的耐磨性和使用寿命得到进一步的增强，破岩效率也得到提高。4、制备时将金刚石与胎体材料造粒成球后再入模加压烧结，使得金刚石在孕镶齿中的分布均匀，使孕镶齿的强度和破岩效率得到进一步的提升。

附图说明

图1为本发明实施例一所制备的球粒的照片；

图2为实施例一所制备的孕镶齿的照片；

图3为实施例一所制备的Φ100/75mm取芯试验钻头的俯视图；

图4为实施例一所制备的孕镶齿工作面的体视显微照片；

图5为实施例三所制备的孕镶齿工作面的体视显微照片；

图6为实施例六所制备的直径215.9mm孕镶金刚石钻头使用前俯视图；

图7为实施例六所制备的直径215.9mm孕镶金刚石钻头使用后俯视图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用原料粒径为：碳化钨≤2μm、钴粉≤5μm、铜粉≤50μm、镍粉≤5μm、锰粉≤50μm。

实施例一

称取碳化钨11.82克，钴粉2.73克，铜粉1.82克，镍粉0.91克，锰粉0.91克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液（丙三醇与酒精的体积比为3:1，下同）润湿的粒度30～35目、金刚石2.24克（金刚石浓度120%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.2mm，所制备的球粒的照片如图1所示，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力50MPa、保温时间6min的工艺下压制成Φ13/16mm（即直径13mm，长度16mm，圆柱形）的孕镶齿。孕镶齿的照片如图2所示，由图可见孕镶齿横截面上金刚石颗粒较大，并且在孕镶胎体中分布均匀。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为97.5%，孕镶齿的抗弯强度为680MPa，抗压强度为1630MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，其俯视图如图3所示。在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为2.26m/h，试验进行4h，平均磨损量0.1mm/h，使用寿命160h。孕镶齿工作面的体视显微照片见图4，由图可以看出，金刚石分布均匀，金刚石出露多，单位时间孕镶胎体磨损量小。

实施例二

称取碳化钨13.11克，钴粉1.87克，铜粉1.87克，镍粉0.94克，锰粉0.94克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度30～35目、金刚石2.24克（金刚石浓度120%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.2mm，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力40MPa、保温时间6min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为97.1%，孕镶齿的抗弯强度为580MPa，抗压强度为1610MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为2.10m/h，磨损量为0.085mm/h，使用寿命为188h。

实施例三

称取碳化钨11.82克，钴粉2.73克，铜粉1.82克，镍粉0.91克，锰粉0.91克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度35～40目、金刚石2.24克（金刚石浓度120%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.0mm，，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力40MPa、保温时间6min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为98.1%；孕镶齿的抗弯强度为730MPa，抗压强度为1665MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为1.96m/h，磨损量为0.11mm/h，使用寿命145h。孕镶齿工作面的体视显微照片见图5，从图中可看出，金刚石分布比较均匀，金刚石出露少，单位时间内磨损量不大。

实施例四

称取碳化钨13.93克，钴粉3.21克，铜粉2.14克，镍粉1.07克，锰粉1.07克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度20～25目、金刚石2.06克（金刚石浓度110%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.5mm，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力40MPa、保温时间10min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为96.2%；孕镶齿的抗弯强度为560MPa，抗压强度为1605MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为2.82m/h，磨损量为0.079mm/h，使用寿命为203h。

实施例五

称取碳化钨9.83克，钴粉4.1克，铜粉0.82克，镍粉0.82克，锰粉0.82克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度25～30目、金刚石2.62克（金刚石浓度140%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.2mm，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力40MPa、保温时间5min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为97.2%，孕镶齿的抗弯强度为524MPa，抗压强度为1580MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为2.01m/h，磨损量为0.088mm/h，使用寿命为182h。

实施例六

称取碳化钨10.55克，钴粉2.43克，铜粉1.62克，镍粉0.81克，锰粉0.81克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度25～30目、金刚石2.80克（金刚石浓度150%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.2mm，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1080℃、烧结压力40MPa、保温时间6min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为97.0%，孕镶齿的抗弯强度为510MPa，抗压强度为1555MPa。

将上述孕镶齿采用钎焊方法制备Φ100/75mm取芯试验钻头，在实验室内利用微钻台架模拟工况对花岗岩进行钻进试验，在钻压68kg/cm²、转速1000rpm、冷却水流量3.12L/min的钻进工艺条件下，测得平均机械钻速为1.89m/h，磨损量为0.078mm/h，使用寿命为205h。

实施例七

称取碳化钨11.90克，钴粉4.58克，铜粉0.92克，镍粉0.46克，锰粉0.46克，混合均匀后加入由丙三醇酒精溶液润湿的粒度30～35目、金刚石2.24克（金刚石浓度120%），充分混合均匀后造粒，球粒直径约1.2mm，再将制备的球粒装入模具，在烧结温度1100℃、烧结压力40MPa、保温时间6min的工艺下压制成Φ13/16mm的孕镶齿。

本实施例所制备的孕镶齿压实度为97.2%，孕镶齿的抗弯强度为590MPa，抗压强度为1610MPa。

将上述孕镶齿加工制备成直径215.9mm的全面钻进孕镶金刚石钻头，其俯视图见图6所示。在东北河山901井二开沙河子组的砂砾岩中进行现场试验钻进，在钻压40～60KN、转速1000rpm、泥浆流量30L/s的钻进工艺条件下，钻进110m，平均机械钻速1.51m/h，钻进时间72.9h，下井使用后的照片见图7，从图可知，金刚石出露效果好，钻进效率高，钻头孕镶齿磨损量共约1.5mm，预计总寿命为400h以上。

由以上实施例可知本发明提供的孕镶齿对强研磨性硬地层具有较好的适应性，具有强度高、耐磨性好，钻进效率高，使用寿命长等优点，克服传统的牙轮钻头和PDC钻头的切削齿在该类地层中易磨损、易断齿和使用寿命短的缺点，从而达到钻井提速的目的。

Claims

1.一种适用于强研磨性硬地层的孕镶齿，包括孕镶胎体及孕镶在所述胎体中的金刚石，其特征在于所述孕镶胎体由以下重量含量的材料组分组成：碳化钨60～70％、钴粉10～25％、铜粉5～10％、镍粉2.5～5％、锰粉2.5～5％；

所述孕镶齿中金刚石粒度为20～40目，金刚石表面有TiC和SiC复合镀层保护膜；

所述孕镶齿中金刚石工业浓度为110～150％。

2.根据权利要求1所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿，其特征在于所述材料的粒径为：碳化钨≤2μm、钴粉≤5μm、铜粉≤50μm、镍粉≤5μm、锰粉≤50μm。

3.根据权利要求1或2所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿，其特征在于所述的孕镶齿抗弯强度达510MPa或以上，抗压强度达1555MPa或以上。

4.一种权利要求1或2所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿的制备方法，其特征在于：按组分将制备孕镶胎体的材料混合均匀后与用丙三醇酒精溶液润湿的金刚石颗粒一起造粒成球，其中金刚石的浓度为110～150％，再将制备的球粒放入模具中加压烧结，烧结温度1080～1100℃，烧结压力40～50MPa，保温后得到适用于强研磨性硬地层的孕镶齿，制备孕镶胎体的材料组分的重量配比为：碳化钨60～70％、钴粉10～25％、铜粉5～10％、镍粉2.5～5％、锰粉2.5～5％。

5.根据权利要求4所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿的制备方法，其特征在于所述的保温时间5～10min。

6.根据权利要求4所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿的制备方法，其特征在于所述的金刚石颗粒造粒成球的球粒直径为1.0～1.5mm。

7.根据权利要求4所述的适用于强研磨性硬地层的孕镶齿的制备方法，其特征在于所述丙三醇酒精溶液中丙三醇与酒精的体积比为3:1。