CN109944551A - 一种pdc钢体钻头保径耐磨块的制造工艺及其组分 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺及其组分，包括耐磨块本体，所述耐磨块为双层结构，上层是热稳定聚晶颗粒和耐磨胎体粉料组成的耐磨层，下层是可加工胎体组成的基体，其中耐磨层中耐磨胎体粉料重量比占65％～75％，其成分重量比为球型WC87％～93％，WC单晶3％～7％，镍粉3％～7％；热稳定聚晶颗粒重量比占25％～35％；基体的成分重量比为48％～52％的结晶坞粉，38％～42％的FeNi粉，8％～12％的Ni粉。本发明采用热稳定聚晶金刚石颗粒加新型配方高强度胎体粉料烧结成新型耐磨块，镶嵌在钢体钻头保径壁上，制造出的耐磨块耐磨性比堆焊耐磨材料保径壁显著提高，而且制造成本低，制造工艺简单，耐磨块磨损后可以修复，而且修复成本低，满足企业需求。

Description

一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺及其组分

技术领域

本发明涉及油气钻探技术领域，具体涉及一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺及其组分。

背景技术

PDC钻头聚晶金刚石复合片钻头的简称。是地质钻探行业常用的一种钻井工具。其实它的演变是从金刚钻演变来的。

目前在石油地质钻探工程中，PDC钢体钻头以其制造工艺简单，材料成本低廉的优点，已大量取代胎体钻头，得到广泛应用。但是钢体钻头的保径壁耐磨性能比胎体钻头差，虽然采用了堆焊耐磨材料或镶嵌金刚石复合片的办法加强保径耐磨性，但因堆焊材料耐磨性有限，而镶嵌金刚石复合片成本太高，因此效果不尽人意。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有PDC钢体钻头由于保径壁耐磨性能比胎体钻头差，采用堆焊耐磨材料或镶嵌金刚石复合片的办法加强保径耐磨性，但因堆焊材料耐磨性有限，而镶嵌金刚石复合片成本太高，工艺复杂，因此达不到企业需求，其目的在于提供一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺及其组分，该工艺及其组分制造出的耐磨块耐磨性比堆焊耐磨材料保径壁显著提高，而且制造成本低，制造工艺简单，耐磨块磨损后可以修复，而且修复成本低，满足企业需求。

本发明通过下述技术方案实现：一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，包括耐磨块本体，耐磨块的形状及尺寸大小由钻头的保径壁形状及尺寸确定，为了提高耐磨块表层的耐磨性，同时又保证耐磨块基体的可加工性和韧性，所述耐磨块为双层结构，上层是热稳定聚晶颗粒和耐磨胎体粉料组成的耐磨层，下层是可加工胎体组成的基体，基体是通过钎焊镶嵌在钻头保径壁上，其中耐磨层中耐磨胎体粉料重量比占65％～75％，其成分重量比为球型WC87％～93％，WC单晶3％～7％，镍粉3％～7％；热稳定聚晶颗粒重量比占25％～35％；基体的成分重量比为48％～52％的结晶坞粉，38％～42％的FeNi粉，8％～12％的Ni粉。目前在石油地质钻探工程中，PDC钢体钻头由于其制造工艺简单，材料成本低廉的优点而大量占据市场，但是钢体钻头的保径壁耐磨性能比胎体钻头差，在石油地质钻探工程中由于要与岩石和土层直接接触，钢体钻头的保径壁经不起长时间的磨削，为了加强保径耐磨性，目前都是采用了堆焊耐磨材料或镶嵌金刚石复合片的办法，堆焊耐磨材料是指在保径壁面上堆焊材料，但是堆焊的材料在磨削时的高温下性能会产生变化，其耐磨性有限，无法满足钻探时的需求，而镶嵌金刚石复合片这是方式是在金刚石自身的物理特性下，其耐磨性能够达到要求，金刚石复合片是采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，但是金刚石复合片本身烧结后结构稳定，再想将其镶嵌在钢体钻头的保径壁上，其工艺复杂，而且操作成本太高，再加上金刚石复合片在钻头中磨损后整个钻头只能报废，无法修复，金刚石复合片本身的成本高，这对于企业生产的钻头而言成本太高，不满足企业的需求，为了解决上述问题，本方案设计了一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，所使用的WC中文名是碳化钨，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度高，耐磨性好，为电、热的良好导体。碳化钨的化学性质稳定。碳化钨粉是生产硬质合金的原料。球型碳化钨和碳化钨单晶是碳化钨中的两种组分，其耐磨性、浸渍性更好，而镍铬硼硅自熔合金粉熔点低，流动性、浸渍性好，是理想的烧结浸渍合金。本发明中所涉及的组分材料属于现有材料，将其按照本方案的配比进行使用后，烧结成耐磨块，这种耐磨块耐磨性比堆焊耐磨材料保径壁显著提高，经检测硬度达HRC60，耐磨程度远超常用耐磨材料，经我公司在12.25寸钢体钻头上使用，在栖霞、韩家店等研磨性地层中，分别钻进141米和195米，起钻后对钻头进行环规测量，外圆直径无缩小，充分显示出耐磨强度的提高，耐磨性能大大提高。由于耐磨块采用双层结构，基层的可焊性好，用常规的氧-乙炔焊接工艺，很容易将这种耐磨块的基体镶焊在钢体钻头保径壁上，与岩石接触主要是耐磨层，在耐磨块磨损一部分后可以调整耐磨块镶嵌的厚度或位置进行修复，而且修复成本低，总体上降低了企业成本，满足企业需求。

实际上，耐磨层中耐磨胎体粉料重量比占70％，热稳定聚晶颗粒重量比占30％。这个比重得到的耐磨层的耐磨性最佳。

进一步地，耐磨胎体粉料中球型WC为90％，WC单晶为5％，镍粉为5％。耐磨胎体粉料优选这种比例值，经过多次实验，其耐磨性能最佳。

热稳定聚晶颗粒用化学气相沉的方法镀一层Ni或Ti金属薄层，大大提高了聚晶颗粒与浸渍金属的浸润性，保证了耐磨快经历烧结后的高强度和耐磨特性。同时热稳定聚晶颗粒的粒度可以选择两种，一种是粒度为1.5*1.5的立方体颗粒，另一种是粒度为的圆柱形颗粒。这两种粒度和结构的热稳定聚晶颗粒能够在烧结后增加耐磨层的耐磨性能。

耐磨块的基体的材料的优选成分为50％的结晶坞粉，40％的FeNi粉，10％的Ni粉。该基层粉料烧结浸渍性好，而且烧结成型后可加工性好，便于安装烧结成型的耐磨块，保证与钢体钻头保径槽的尺寸匹配。

一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺，包括以下步骤：

(1)按需要制造的耐磨块尺寸、形状制作成石墨烧结模具；

(2)将上层的耐磨层材料装入石墨烧结模具内，厚度为整个耐磨块厚度的五分之二，放在振动器上振实；

(3)将下层的基体粉料装入石墨烧结模具内，其厚度为整个耐磨块厚度的五分之三，放在振动器上振实；

(4)将浸渍合金颗粒装入石墨烧结模具内，其重量为上层耐磨材料和下层基体粉料重量和的90％；

(5)在浸渍合金上再加入重量为其重量4％的硼砂；

(6)放入烧结炉加热至1180℃至1200℃后，保温1.0至1.5小时，保温具体时间按耐磨块大小而定；

(7)保温结束后取出烧结的耐磨块，按精确的安装尺寸修磨成型；

(8)将磨好的耐磨块用钎焊的方式镶嵌在钢体钻头保径壁上安装槽内。

采用上述工艺制造的耐磨块，整个制造工艺简单，耐磨块采用双层结构，上层与岩石接触，下层嵌于保径壁面中，在钻探时上层耐磨部分与岩石接触，随着不断的钻探工程进行以及使用时间增加，耐磨层难免会有部分损耗，这时候可以将耐磨块从安装槽中取出，重新调整基体的安装厚度，进行修复后可以重新使用，而且这种修复成本低，满足企业需求。

耐磨块的形状及尺寸大小由钻头的保径壁形状及尺寸确定，为了钻探时耐磨块与岩石接触而保护保径壁面，耐磨块的表面积占保径壁表面积的75％以上。

耐磨块烧结浸渍合金颗粒为镍铬硼硅粉。镍铬硼硅粉的熔点低，抗氧化性好，耐冲击性好，在进行烧结时，其作为浸渍合金颗粒，自身性能稳定，不会对耐磨块其它成分造成影响。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明采用镀钛或镀镍的热稳定聚晶金刚石颗粒加新型配方高强度胎体粉料烧结成新型耐磨块，镶嵌在钢体钻头保径壁上，制造出的耐磨块耐磨性比堆焊耐磨材料保径壁显著提高，而且制造成本低，制造工艺简单，耐磨块磨损后可以修复，而且修复成本低，满足企业需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-耐磨层，2-基体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，包括耐磨块本体，所述耐磨块为双层结构，上层是热稳定聚晶颗粒和耐磨胎体粉料组成的耐磨层1，耐磨块的厚度为H，下层是可加工胎体组成的基体2，其中耐磨层1中耐磨胎体粉料重量比占65％，其成分重量比为球型WC87％，WC单晶7％，镍粉6％；热稳定聚晶颗粒重量比占35％；基体2的成分重量比为48％的结晶坞粉，42％的FeNi粉，10％的Ni粉，热稳定聚晶颗粒为表面经镀钛处理，热稳定聚晶颗粒是粒度为1.5*1.5的立方体颗粒。其制造工艺如下：

(1)按需要制造的耐磨块尺寸、形状制作成石墨烧结模具；

(2)将上层的耐磨层1材料装入石墨烧结模具内，厚度为整个耐磨块厚度的五分之二，放在振动器上振实；

(3)将下层的基体2粉料装入石墨烧结模具内，其厚度为整个耐磨块厚度的五分之三，放在振动器上振实；

(4)将镍铬硼硅粉作为浸渍合金颗粒装入石墨烧结模具内，其重量为上层耐磨材料和下层基体粉料重量和的90％；

(5)在浸渍合金上再加入重量为其重量4％的硼砂；

(6)放入烧结炉加热至1180℃至1200℃后，保温1.0小时；

(7)保温结束后取出烧结的耐磨块，按精确的安装尺寸修磨成型；

(8)将磨好的耐磨块用钎焊的方式镶嵌在钢体钻头保径壁上安装槽内，耐磨块的表面积占保径壁表面积的75％。

将按照本实施例1制造出来的耐磨块先检测硬度，本实施例的耐磨块硬度达HRC59，而堆焊耐磨材料的硬度为HRC48，证明本实施例的耐磨程度远超常用耐磨材料，然后将耐磨块镶嵌在12.25寸PDC钢体钻头保径壁上后，与在保径壁堆焊耐磨材料的12.25寸PDC钢体钻头、镶嵌金刚石复合片的12.25寸PDC钢体钻头进行使用对比，在栖霞的研磨性地层中，各自钻进141米，起钻后对三种钻头进行环规测量，镶嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头外圆直径均基本无变化，而保径壁堆焊耐磨材料的钻头外圆直径缩小了2％，按照这种情况测算，保径壁堆焊耐磨材料的钻头最多再使用同等地层中钻进两次就将报废，而嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头无明显变化，则使用次数明显大于两次，这充分显示出耐磨强度的提高，耐磨性能大大提高。而且由于耐磨块采用双层结构，基体的耐磨性要求不那么高，很容易将这种耐磨块的基体镶嵌在钢体钻头保径壁上，与岩石接触主要是耐磨层，在耐磨块磨损一部分后可以调整耐磨块镶嵌的厚度或位置进行修复，而且修复成本低，总体上降低了企业成本，满足企业需求。但是金刚石复合片耐磨性满足要求，但是其成本高，镶焊在保径壁上的金刚石复合片在受到冲击时，容易崩面，金刚石复合片崩缺后，就失去了优良的耐磨性，需要重新更换安装新的金刚石复合片，增大了企业成本，而且来回返厂的安装工艺麻烦，周期长，不能满足企业需求。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：耐磨层1中耐磨胎体粉料重量比占70％，其成分重量比为球型WC90％，WC单晶5％，镍粉5％；热稳定聚晶颗粒重量比占30％；基体2的成分重量比为50％的结晶坞粉，40％的FeNi粉，10％的Ni粉，热稳定聚晶颗粒为Ni，热稳定聚晶颗粒是粒度为的圆柱形颗粒。在制造耐磨块的工艺中放入烧结炉加热至1180℃至1200℃后，保温1.5小时，耐磨块的表面积占保径壁表面积的80％。

将按照本实施例2制造出来的耐磨块先检测硬度，本实施例的耐磨块硬度达HRC60，而堆焊耐磨材料的硬度为HRC48，金刚石复合片的硬度为HRC58，证明本实施例的耐磨程度远超常用耐磨材料，金刚石复合片硬度与本实施例的耐磨块硬度基本相同，然后将耐磨块镶嵌在12.25寸PDC钢体钻头保径壁上后，与在保径壁堆焊耐磨材料的12.25寸PDC钢体钻头、镶嵌金刚石复合片的12.25寸PDC钢体钻头进行使用对比，在韩家店的研磨性地层中，各自钻进195米，起钻后对三种钻头进行环规测量，镶嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头外圆直径均基本无变化，而保径壁堆焊耐磨材料的钻头外圆直径缩小了3％，按照这种情况测算，保径壁堆焊耐磨材料的钻头最多再使用同等地层中钻进一次就将报废，而嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头无明显变化，则使用次数明显大于两次，这充分显示出耐磨强度的提高，耐磨性能大大提高。而且由于耐磨块采用双层结构，基体的耐磨性要求不那么高，很容易将这种耐磨块的基体镶嵌在钢体钻头保径壁上，与岩石接触主要是耐磨层，在耐磨块磨损一部分后可以调整耐磨块镶嵌的厚度或位置进行修复，而且修复成本低，总体上降低了企业成本，满足企业需求。但是金刚石复合片耐磨性满足要求，但是其成本高，将其镶嵌在钢体钻头保径壁上非常困难，同时随着使用，与岩石接触磨损一部分后不能调整其厚度或位置进行修复，金刚石复合片只能进行报废，需要重新安装新的金刚石复合片，增大了企业成本，而且来回返厂的安装工艺麻烦，周期长，不能满足企业需求。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：其中耐磨层1中耐磨胎体粉料重量比占75％，其成分重量比为球型WC93％，WC单晶4％，镍粉3％；热稳定聚晶颗粒重量比占25％；基体2的成分重量比为52％的结晶坞粉，38％的FeNi粉，10％的Ni粉，热稳定聚晶颗粒为Ti，热稳定聚晶颗粒是粒度为的圆柱形颗粒。

将按照本实施例2制造出来的耐磨块先检测硬度，本实施例的耐磨块硬度达HRC58，而堆焊耐磨材料的硬度为HRC48，证明本实施例的耐磨程度远超常用耐磨材料，然后将耐磨块镶嵌在12.25寸PDC钢体钻头保径壁上后，与在保径壁堆焊耐磨材料的12.25寸PDC钢体钻头、镶嵌金刚石复合片的12.25寸PDC钢体钻头进行使用对比，在韩家店的研磨性地层中，各自钻进255米，起钻后对三种钻头进行环规测量，镶嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头外圆直径均缩小了0.5％，而保径壁堆焊耐磨材料的钻头外圆直径缩小了4％，按照这种情况测算，保径壁堆焊耐磨材料的钻头已经接近报废，无法进行继续钻进使用，而嵌本实施例耐磨块的钻头和镶嵌金刚石复合片的钻头外圆缩小较小，至少在同等情况下还可以使用五次，这充分显示出耐磨强度的提高，耐磨性能大大提高。而且由于耐磨块采用双层结构，基体的耐磨性要求不那么高，很容易将这种耐磨块的基体镶嵌在钢体钻头保径壁上，与岩石接触主要是耐磨层，在耐磨块磨损一部分后可以调整耐磨块镶嵌的厚度或位置进行修复，而且修复成本低，总体上降低了企业成本，满足企业需求。但是金刚石复合片耐磨性满足要求，但是其成本高，将其镶嵌在钢体钻头保径壁上非常困难，同时随着使用，与岩石接触磨损一部分后不能调整其厚度或位置进行修复，金刚石复合片只能进行报废，需要重新安装新的金刚石复合片，增大了企业成本，而且来回返厂的安装工艺麻烦，周期长，不能满足企业需求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，包括耐磨块本体，所述耐磨块为双层结构，上层是热稳定聚晶颗粒和耐磨胎体粉料组成的耐磨层(1)，下层是可加工胎体组成的基体(2)，其中耐磨层(1)中耐磨胎体粉料重量比占65％～75％，其成分重量比为球型WC87％～93％，WC单晶3％～7％，镍粉3％～7％；热稳定聚晶颗粒重量比占25％～35％；基体(2)的成分重量比为48％～52％的结晶坞粉，38％～42％的FeNi粉，8％～12％的Ni粉。

2.根据权利要求1所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，所述耐磨层(1)中耐磨胎体粉料重量比占70％，热稳定聚晶颗粒重量比占30％。

3.根据权利要求1所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，所述耐磨胎体粉料中球型WC为90％，WC单晶为5％，镍粉为5％。

4.根据权利要求1所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，所述基体(2)的成分为50％的结晶坞粉，40％的FeNi粉，10％的Ni粉。

5.根据权利要求1所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，所述热稳定聚晶颗粒是粒度为1.5*1.5的立方体颗粒。

6.根据权利要求1所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的组分，其特征在于，所述热稳定聚晶颗粒是粒度为的圆柱形颗粒。

7.一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按需要制造的耐磨块尺寸、形状制作成石墨烧结模具；

(2)将上层的耐磨层(1)材料装入石墨烧结模具内，厚度为整个耐磨块厚度的五分之二，放在振动器上振实；

(3)将下层的基体(2)粉料装入石墨烧结模具内，其厚度为整个耐磨块厚度的五分之三，放在振动器上振实；

(4)将浸渍合金颗粒装入石墨烧结模具内，其重量为上层耐磨材料和下层基体粉料重量和的90％；

(5)在浸渍合金上再加入重量为其重量4％的硼砂；

(6)放入烧结炉加热至1180℃至1200℃后，保温1.0至1.5小时；

(7)保温结束后取出烧结的耐磨块，按精确的安装尺寸修磨成型；

(8)将磨好的耐磨块用钎焊的方式镶嵌在钢体钻头保径壁上安装槽内。

8.根据权利要求7所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺，其特征在于，所述耐磨块的表面积占保径壁表面积的75％以上。

9.根据权利要求7所述的一种PDC钢体钻头保径耐磨块的制造工艺，其特征在于，所述耐磨块烧结浸渍合金颗粒为镍铬硼硅粉。