CN106837183A - 一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头，所述复合超硬材料体的纵切面形状为正态分布曲线形状。本发明从根本上解决复合超硬材料体的抗冲击强度与磨耗比之间成反比的矛盾，同步大幅度提高磨耗比的同时，抗冲击强度也有所提高，能有效延长PDC钻头的使用寿命，加快钻井速度。

Description

一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头

技术领域

本发明涉及一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头，属于复合超硬材料体领域。

背景技术

无论复合片还是复合齿，都是由金刚石(立方氮化硼)与硬质合金基体通过高温高压合成而成的复合超硬材料体，“片”与“齿”的制备原理，制备工艺，包括主要原辅材料基本一致，只是成型后的产品在外型上有所不同，便也就有了“片”与“齿”之分。尽管“片”与“齿”在外形上有很大的区别，但在应用领域的用途则是相同的。广泛应用于石油、天然气、页岩油、页岩气煤田矿山、地质勘探的钻井钻探工具上。

尽管复合超硬材料体中的“片”与“齿”与各种硬质合金工具钢等材料相比有更优良的物理性能，但现代加工工具，尤其是钻井钻探工具面临钻井深度越来越深，对复合超硬材料体的性能与质量有了更高的要求，特别是钻井深度在4000-9000米地表下复杂恶劣的地质条件对钻井钻探工具-PDC钻头上的“复合片”与“复合齿”有更严、更高的性能与质量要求。面对钻井深度大于4000米的地表下的“强蚀性岩层”和“高抗磨性岩层”，PDC钻头上传统的“复合片”与“复合齿”因无法适应钻井钻探的地下深层的切削、磨削环境而失效，从而导致钻井、钻探成本的大幅提高，甚至整口井的报废。传统的“复合片”与“复合齿”(含进口复合片)及制备的PDC钻头面对“强蚀性岩层”和“高抗磨性岩层”，施工应用结果是钻井进尺太慢，每小时进尺在0.05米至0.1米之间，一个价值三、四十万的PDC钻头钻井钻探的深度不到100米就因无法进尺而报废。

由此可见，改善、优化、提高符合超硬材料体的性能与质量是提升PDC钻头的钻井进尺速度，降低钻井钻探的成本的唯一途径。为此，全球有很多科学家，发明家致力于复合超硬材料题的研究、设计和制备。例如美国专利US5662720，中国专利CN201110148812.7，CN201210200657.3等中都有针对复合超硬材料体新的设计或新的制备方法。对增强“复合片”与“复合齿”的抗冲击强度和磨耗比的提高有一定的作用，但无法改变“复合片”与“复合齿”在PDC钻头上因高速旋转切削受到巨大的冲击功和剪应力作用，磨耗比与抗冲击强调成反比使PDC钻头使用寿命短的现状。

发明内容

本发明的目的之一在于从根本上解决复合超硬材料体的抗冲击强度与磨耗比之间成反比的矛盾，同步大幅度提高磨耗比的同时，抗冲击强度也有所提高，能有效延长PDC钻头的使用寿命，加快钻井速度的异形复合超硬材料体。

本发明的另一目的在于提供一种制备过程简单，成本低，切削和抗磨损能力强的异形复合超硬材料体的制备工艺。

本发明的另一目的是提供一种钻井时效高和使用寿命长的钻头。

本发明的技术方案在于提供一种异形复合超硬材料体，所述复合超硬材料体的纵切面形状为正态分布曲线形状。

优选所述正态分布曲线的方差小于0.1。

优选所述正态分布曲线的方差小于0.1，大于0.001。

所述复合超硬材料体的纵切面形状为虎唇形。

本发明的复合超硬材料体的工作平面不再是传统的平面、弧面、半圆面，而是正态分布曲线形状。

特别是优选为老虎的嘴唇形状，即为“虎唇”形。这种形状的复合超硬材料体制备的钻头在钻探或钻井时，摩擦面积、接触表面积、摩擦阻力均降低，提高了PDC钻头的切削、磨削效率，延长了其使用寿命。

所述复合超硬材料体也可以列举为复合片或复合齿。

本发明更好地保留了硬质合金基体各项物理性能，弥补了超硬材料因为硬度高，耐磨性好，但冲击强度较弱，剪切应力和挤压应力较差的短板，通过形状的改变，更好的兼具了超硬材料的高硬度、高耐磨性和硬质合金的韧性、抗冲击强行等优点。

所述复合超硬材料体镶嵌于合金基体界面内。

所述合金基体上根据复合超硬材料体的数量，设置与其形状完全契合的凹槽。

优选合金基体上镶嵌的复合超硬材料体的数量优选为3-8条。进一步优选为5条。

本发明进一步提供了一种异形复合超硬材料体的制备工艺，制备过程中，加热与加压同步进行。

制备过程中，通过加压和加热同步达到所需压力和温度。

所述加热方式优选为变频加热。

通过使用六面顶液压机合成异形复合超硬材料体。

优选在六面顶液压机的每个合成块中放置一个复合超硬材料体坯件。

合成过程中，使用非金属正态分布曲线形状模具，将复合超硬材料体坯件合成为正态分布曲线形状。

在坏件上置放一个与虎唇形相匹配对称的非金属件，从而保证了在合成过程中将复合超硬材料体坯件合成为虎唇形。

当复合超硬材料体焊接在PDC钻头上时，一将“磨削、切削受力点”朝上焊接，用一个点与岩石进行磨削、切削。

包括上述异形复合超硬材料体的钻头，所述异形复合超硬材料体镶嵌于合金基体界面内，所述合金基体上根据复合超硬材料体的数量，设置与其形状完全契合的凹槽。

如制备“虎唇”形复合超硬材料体时，复合超硬材料制造行业中都是用六面顶液压机进行高温高压合成，每一个合成块中最少是两个同型号的产品一次性合成，也有每次三个、四个，甚至有十二个同型号产品一次性合成。本发明是在每个合成块中只放置一个异形复合超硬材料体坯件，因为本发明异形复合超硬材料体形似于老虎的上嘴唇，为了保证“虎唇”的完整形状在高温高压的作用不发生形变，完全符合设计所要求的各种技术参数，在合成块中的“虎唇”形复合超硬材料坯件的上方装一个非金属的“老虎下嘴唇”形状的模具在一个合成块中一次性高温高压合成，而且“老虎上下嘴唇的咬合点，在高温高压合成腔的中心位置，并创造了一套异形复合超硬材料体高温高压合成工艺。

在传统的高温高压合成工艺中，是六面顶液压机操作时先进行压机系统压力升高，当压力提高至50MPa以上时，再进行送电加热，(如果不这样做，将会加快硬质合金顶锤的耗损)使复合超硬材料体在高温高压中成型。这种普通的传统合成工艺中对合成平面形状、弧面形状、半球面形状的复合超硬材料体是适合的，但是，它并不能完全满足本发明的抛物线曲面形状复合超硬材料的性能和质量要求。经过多次工艺实验后，本发明设计了一套新的合成工艺：先将高温高压下所需要的高温点从室温加热至高温点所需要的时间等于工作压力从0升至90MPa的时间，为了使这两个时间完全相等，将传统的直接送电加热改为变频送电加热，这样就可以随意控制从室温升高至高温点的时间，无论六面顶压机的超压时间是多少，加热与加压都能同步进行，本发明的合成工艺是加压与送电加热同时进行，当升压至而定工作压力时，送电加热也同时让合成块内的温度达到了合成工艺需要的最高温度。

本发明的有益效果

本发明的特点是设计了一种纵切面形状为正态分布曲线形状复合超硬材料体，能有效的提高复合超硬材料体的抗冲击强度和抗剪切强度，且本发明通过同时进行的高温高压合成工艺，确保了高温高压合成时不产生形变，且得到的异形复合超硬材料体的切削、磨削功能大幅度提高，并有效的解决了复合超硬材料体制造中的困扰，即高磨耗比与高抗冲击强度难以兼容并存且成反比的现实难题。本发明的异形复合超硬材料体在提高磨耗比的同时，抗冲击强度也有所提高，从而达到了提高PDC钻头的钻井时效，延长了PDC钻头的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所制备得到的复合超硬材料体的纵切面的一例。

图2为包括本发明的复合超硬材料体的钻头的一例。

图3为本发明所制备得到的复合超硬材料体的纵切面的一例。

图4为包括与本发明的复合超硬材料体契合的凹槽的钻头的一例。

具体实施方式

如图4所示，本发明的合金基体界面上有五条凹槽，与合金基体的曲面界面保持形状一致，并且使超硬材料工作层与合金基体界面的粘结面积大于平面合金、圆点面合金、槽行面合金基体的界面面积，从而保证超硬材料工作层与硬质合金基体的粘结更加牢固。

实施例1

将复合材料体装配于非金属模具中，进行净化处理，再装于叶蜡石块中并置于六面顶压机上，升压与升温同步进行，时长50秒－600秒，当压力与温度都达到本次工艺所需要的最高最佳配合点后，定时为30秒－300秒。合成完毕，可得到虎唇形复合超硬材料体。用得到的虎唇形复合超硬材料体制成的PDC钻头，钻头型号为215R4624，2016年11月17日在大庆油田的“16断东2类”区块进行钻井现场施工试验，共钻完4口井，总共8900米，平均钻井时效37.94m/h，完全钻4口井后，PDC钻头新度70％以上，钻井时效和使用寿命是传统PDC钻头的两倍以上。

实施例2

将复合材料体装配于非金属模具中，进行净化处理，再装于叶蜡石块中并置于六面顶压机上，升压与升温同步进行，时长30秒-300秒，当压力与温度达到本次工艺所需的最高最佳配合点时，再定时100秒-500秒。合成完毕，可得到虎唇形复合超硬材料体，用得到的虎唇形复合超硬材料体制成的PDC钻头，钻头型号为215.9GS516-FMT8，2016年11月21日在辽河油田的“凝质灰岩带砾石夹层”奈曼区块进行钻井现场施工试验，设计井深3997米，16天完成钻探施工，平均钻井时效30.17m/h。

实施例3

将复合材料体装配于非金属模具中，进行净化处理，再装于叶蜡石块中并置于六面顶压机上，升压与升温同步进行，时长20秒-200秒，当压力与温度达到本次工艺所需的最高最佳配合点时，再定时180秒-600秒。合成完毕，可得到虎唇形复合超硬材料体，用得到的虎唇形复合超硬材料制成的PDC钻头，钻头型号为Q635-215.9，2016年11月29日在大庆油田的“松辽徐家围子断陷区”兴域区块(徐家围子区块的地质条件是大庆油田最恶劣的区域)进行钻井现场施工试验，设计井深4100米，实际施工完成3951米，因钻具问题提前取钻，平均钻井时效4.64m/h，PDC钻头出井后新度87％，除1号、5号刀翼生切削体轻微磨损外，其余部分无任何损伤。

Claims (10)

1.一种异形复合超硬材料体，其特征在于，所述复合超硬材料体的纵切面形状为正态分布曲线形状。

2.根据权利要求1所述的异形复合超硬材料体，其特征在于，所述正态分布曲线的方差小于0.1。

3.根据权利要求1所述的异形复合超硬材料体，其特征在于，所述正态分布曲线的方差小于0.1，大于0.001。

4.一种异形复合超硬材料体，其特征在于，所述复合超硬材料体的纵切面形状为虎唇形。

5.权利要求1-4任一项所述的异形复合超硬材料体的制备工艺，其特征在于，制备过程中，加热与加压同步进行。

6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，制备过程中，通过加压和加热同步达到所需压力和温度。

7.根据权利要求5或6所述的制备工艺，其特征在于，所述加热方式为变频加热。

8.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，通过使用六面顶液压机合成异形复合超硬材料体；在六面顶液压机的每个合成块中放置一个复合超硬材料体坯件。

9.根据权利要求8所述的制备工艺，其特征在于，合成过程中，使用非金属正态分布曲线形状模具，将复合超硬材料体坯件合成为正态分布曲线形状。

10.包括权利要求1-4任一项所述异形复合超硬材料体的钻头，其特征在于，所述异形复合超硬材料体镶嵌于合金基体界面内，所述合金基体上根据复合超硬材料体的数量，设置与其形状完全契合的凹槽。