CN105484673A - 一种孕镶金刚石钻头及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种孕镶金刚石钻头及制备方法，所述扇形工作齿包括交替均匀分布的主工作齿和辅工作齿，所述主工作齿和所述辅工作齿之间设置有水口。该孕镶金刚石钻头的扇形工作齿由不同性能、不同规格的主工作齿和辅工作齿交替间隔组合而成，主工作齿的硬度较高，耐磨性较强，是破碎岩石的主体部分，而辅工作齿的硬度较低，耐磨性较差，起辅助破碎岩石的作用和促进主工作齿破碎岩石的作用；并且在坚硬致密或硅化强的岩石中，钻进速度能够达到0.9～1.2m/h，单个钻头的使用寿命能够达到15～24m。在钻进同类岩石时，比普通钻头的钻进效率能够提高3～4倍，钻头的使用寿命能够提高2～2.5倍。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域和钻探工程领域，具体涉及一种地质勘探和石油钻井用孕镶金刚石钻头及制备方法。
背景技术
我国的地质勘探和科学钻探已经朝着4000m的深部发展，所钻遇的岩石种类多，岩性复杂；钻遇岩石中，坚硬致密和硅化程度高的岩石在每个钻孔中几乎都能遇到。钻进这些类型岩层时，而普通金刚石钻头钻进坚硬致密或硅化程度高的岩石时，钻进速度极低(0.3m/h左右)，一般要3～4个小时才能钻进1.0米，最大难度就是金刚石出刃极差或者不能出刃，甚至出现完全钻不动的现象，不能有效切削岩石，以致钻进效率极低，施工期大大延长，钻探成本明显提高，成了深部找矿钻探中迫切需要解决的问题，急需有适应性能好的钻头满足钻进的需要。解决钻进难和钻进速度极低的问题，必须从钻头的结构和钻头的胎体性能两个主要方面着手。
发明内容
本发明的目的在于针对上述的不足，提供一种在钻进时效极低的岩石中钻进时能明显提高钻进效率的孕镶金刚石钻头及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种孕镶金刚石钻头，包括钻头钢体、设置在钻头钢体端部的扇形工作齿、焊接钻头钢体和扇形工作齿的焊接层及水口，所述扇形工作齿包括交替均匀分布的主工作齿和辅工作齿，所述主工作齿和所述辅工作齿之间设置有水口，所述主工作齿和所述辅工作齿的面积比为3:2～2:1；所述主工作齿的胎体硬度为HRC10～12、金刚石采用的是MBD35金刚石，所述辅工作齿的胎体硬度为HRC6～7、金刚石采用的是SMD12金刚。
进一步地，所述水口的宽度为8～10mm。
进一步地，所述主工作齿采用2～4个，相对应地，所述辅工作齿为2～4个。
进一步地，所述MBD35金刚石的浓度为55～65％，其50～60目粒度占60％～70％、60～70目粒度占30％～40％；所述SMD12金刚石浓度为50～60％，其粒度为50～60目。
进一步地，所述主工作齿的胎体组成成分及质量百分比为：10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金；所述辅工作齿的胎体组成成分及质量百分比为：40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10。
一种制备上述所述孕镶金刚石钻头的方法，所述方法包括如下步骤：
1)按预设比例称取主工作齿胎体的粉料混合得到主混合粉料，按预设比例称取辅工作齿胎体的粉料混合得到辅混合粉料；
2)将设计和加工好的石墨模具组装好后，装入水口料粉、压实；
3)装入辅混合粉料、压实，然后装入主混合粉料、压实；
4)水口粉料、主混合粉料和辅混合粉料全部装料完毕后，再将焊接层粉料装入，压上钻头钢体；
5)将组装好的钻头烧结石墨模具送入中频电炉中进行热压烧结，热压工艺参数为：烧结温度935℃～940℃、压力12MPa～14MPa、保温3.0min～3.5min后，停电降温，当炉温降低到750℃时卸压、出炉。
进一步地，所述步骤5)中保温时一直保压。
进一步地，所述步骤1)中主混合粉料的预设比例为10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金；辅混合粉料的预设比例为40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明孕镶金刚石钻头的扇形工作齿由不同性能、不同规格的主工作齿和辅工作齿交替间隔组合而成，主工作齿的硬度较高，耐磨性较强，是破碎岩石的主体部分，而辅工作齿的硬度较低，耐磨性较差，起辅助破碎岩石的作用和促进主工作齿破碎岩石的作用；并且在坚硬致密或硅化强的岩石中，钻进速度能够达到0.9～1.2m/h，单个钻头的使用寿命能够达到15～24m。在钻进同类岩石时，比普通钻头的钻进效率能够提高3.0～4.0倍，钻头的使用寿命能够提高2.0～2.5倍。
附图说明
图1为本发明孕镶金刚石钻头的底唇面N-O-N方向设置局部剖面示意图；
图2为图1中N-O-N方向孕镶金刚石钻头轴向剖面示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：主工作齿1、辅工作齿2、水口3、焊接层4、钻头保径材料5、钻头钢体6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
结合图1、图2所示的为在钻进时效极低的岩石中钻进时能明显提高钻进效率的孕镶金刚石钻头，包括钻头钢体6、设置在钻头钢体6端部的扇形工作齿、焊接钻头钢体6和扇形工作齿的焊接层4、水口3及钻头保径材料5。本发明的关键的在于：钻头的扇形工作齿包括交替均匀分布的2～4个主工作齿1和相对应的2～4个辅工作齿2，主工作齿1和辅工作齿2之间设置有水口3，且主工作齿1和辅工作齿2的面积比为3:2～2:1。
主工作齿1的胎体硬度为HRC10～12，金刚石采用的是高质量的MBD35金刚石，MBD35金刚石的浓度为55～65％，其50～60目粒度占60％～70％、60～70目粒度占30％～40％；并且胎体组成成分及质量百分比为：10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金。
辅工作齿2的胎体硬度为HRC6～7，金刚石采用的是低质量的SMD12金刚石，SMD12金刚石浓度为50～60％，其粒度为50～60目；并且辅工作齿的胎体组成成分及质量百分比为：40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10。
本发明的孕镶金刚石钻头的扇形工作齿由主工作齿1和辅工作齿2交替间隔组合而成。主工作齿的硬度较高，耐磨性较强，是破碎岩石的主体部分；而辅工作齿的硬度较低，耐磨性较差，起辅助破碎岩石的作用和促进主工作齿破碎岩石的作用。
利用辅工作齿的胎体硬度低和耐磨性低，钻进中消耗钻压较小，金刚石易于出刃；所采用的SMD12型金刚石强度较低，其棱角比较明显和突出，有利于切入岩石。两者共同作用的结果，能够提高切削岩石的效果。其理论依据是：辅工作齿中锋利的金刚石较容易切入岩石，切削下来的岩粉颗粒比较粗，对于主工作齿会产生良好的磨损效果，有利于主工作齿中的金刚石出刃；辅工作齿消耗的压力较小，主工作齿获得压力必然增加，钻进压力增加有助于主工作齿胎体磨损加快，主工作齿的金刚石出刃变好，金刚石切入岩石效果变好，钻进速度必然得到提高。
本实施例中钻头的水口3的宽度为8～10mm，比普通钻头的水口增加了2～4mm，属于超大水口，相当于钻头工作齿与孔底岩石的接触面积减少，在所提供的相等的钻压条件下，钻头工作齿上的单位面积压力得到提高，有助于金刚石出刃和金刚石切入岩石，有利于提高钻进速度。
本实施例中采用4个主工作齿1、4个辅工作齿2、8个水口3，每个水口3宽度为9mm。对于钻进时效极低的岩石，主工作齿和辅工作齿的面积比为3:2，主工作齿胎体的硬度为HRC10，辅工作齿胎体的硬度为HRC6；而对于钻进时效稍高的岩石，主工作齿和辅工作齿的面积比为2:1，主工作齿胎体的硬度为HRC12，辅工作齿胎体的硬度为HRC7。
主工作齿和辅工作齿的面积比为2:1时，主工作齿的胎体硬度为HRC12，其基本组成成分是：YG8占12％、Fe占32％、Ni占10％、Cu-Sn10占46％；而辅工作齿的胎体硬度为HRC7，其基本组成成分是：Fe占40％，Ni占8％，Cu占18％，Cu-Sn10占35％。
主工作齿和辅工作齿的面积比为3:2时，主工作齿的胎体硬度为HRC10，其基本组成成分是：YG8占10％、Fe占28％、Ni占13％、Cu-Sn10占55％；而辅工作齿的胎体硬度为HRC6，其基本组成成分是：Fe占45％，Ni占6％，Cu占22％，Cu-Sn10占25％。
本发明孕镶金刚石钻头实钻效果表明，在坚硬致密或硅化强的岩石中，钻进速度能够达到0.9～1.2m/h，单个孕镶金刚石钻头的使用寿命能够达到15～24m。在钻进同类岩石时，比普通钻头的钻进效率能够提高3.0～4.0倍，钻头的使用寿命能够提高2.0～2.5倍，而钻头的制造成本并没有增加。
制备上述所述孕镶金刚石钻头的方法包括如下步骤：
1)按上述配比称取主工作齿胎体的粉料混合得到主混合粉料，按上述配比称取辅工作齿胎体的粉料混合得到辅混合粉料；主混合粉料的预设比例为10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金；辅混合粉料的预设比例为40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10；
2)将设计和加工好的石墨模具组装好后，装入水口料粉、压实；
3)装入辅混合粉料、压实，然后装入主混合粉料、压实；
4)水口粉料、主混合粉料、辅混合粉料和钻头保径材料全部装料完毕后，再将焊接层粉料装入，压上钻头钢体；
5)将组装好的钻头烧结石墨模具送入中频电炉中进行热压烧结，热压工艺参数为：烧结温度935℃～940℃(优选940℃)、压力12MPa～14MPa(优选13MPa)、保温3.0min～3.5min(优选3.0min)后，且保温时一直保压，停电降温，当炉温降低到750℃时卸压、出炉得到所需的孕镶金刚石钻头，如图2所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种孕镶金刚石钻头，包括钻头钢体(6)、设置在钻头钢体(6)端部的扇形工作齿、焊接钻头钢体(6)和扇形工作齿的焊接层(4)及水口(3)，其特征在于：所述扇形工作齿包括交替均匀分布的主工作齿(1)和辅工作齿(2)，所述主工作齿(1)和所述辅工作齿(2)之间设置有水口(3)，所述主工作齿(1)和所述辅工作齿(2)的面积比为3:2～2:1；所述主工作齿(1)的胎体硬度为HRC10～12、金刚石采用的是MBD35金刚石，所述辅工作齿(2)的胎体硬度为HRC6～7、金刚石采用的是SMD12金刚石。
2.根据权利要求1所述的孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述水口(3)的宽度为8～10mm。
3.根据权利要求1所述的孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述主工作齿(1)采用2～4个，相对应地，所述辅工作齿(2)为2～4个。
4.根据权利要求1或2或3所述的孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述MBD35金刚石的浓度为55～65％，其50～60目粒度占60％～70％、60～70目粒度占30％～40％；所述SMD12金刚石浓度为50～60％，其粒度为50～60目。
5.根据权利要求1或2或3所述的孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述主工作齿(1)的胎体组成成分及质量百分比为：10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金；所述辅工作齿(2)的胎体组成成分及质量百分比为：40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10。
6.一种制备如权利要求1所述孕镶金刚石钻头的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)按预设比例称取主工作齿胎体的粉料混合得到主混合粉料，按预设比例称取辅工作齿胎体的粉料混合得到辅混合粉料；
2)将设计和加工好的石墨模具组装好后，装入水口料粉、压实；
3)装入辅混合粉料、压实，然后装入主混合粉料、压实；
4)水口粉料、主混合粉料和辅混合粉料全部装料完毕后，再将焊接层粉料装入，压上钻头钢体；
5)将组装好的钻头烧结石墨模具送入中频电炉中进行热压烧结，热压工艺参数为：烧结温度935℃～940℃、压力12MPa～14MPa、保温3.0min～3.5min后，停电降温，当炉温降低到750℃时卸压、出炉。
7.根据权利要求6制备所述孕镶金刚石钻头的方法，其特征在于：所述步骤5)中保温时一直保压。
8.根据权利要求6或7制备所述孕镶金刚石钻头的方法，其特征在于：所述步骤1)中主混合粉料的预设比例为10％～12％的YG8、28％～36％的Fe、10％～13％的Ni、45％～55％的Cu-Sn合金；辅混合粉料的预设比例为40％～45％的Fe、6％～8％的Ni、18％～22％的Cu、25％～35％的CuSn10。
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