CN110056313A - Pdc-孕镶金刚石复合块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PDC‑孕镶金刚石复合块,由聚晶金刚石层、硬质合金层和孕镶金刚石层组成,其中:所述聚晶金刚石层是以金刚石微粉骨架以钴、硅为粘接剂;所述孕镶金刚石层以碳化钨,或者碳化钨与碳化硅、氮化硅或碳化钛中的一种或几种组合物为骨架,以镍、硅、铬、铜、锡、铁、钴、锌、磷和稀土元素为粘接剂,以金刚石单晶为切削元件,经热压烧结或冷压烧结而成。实践证明将PDC‑孕镶金刚石复合块用于金刚石钻头将大幅度提高金刚石钻头的机械钻速和进尺,达到降低工人劳动强度,进而降低钻井成本和加快油气田和矿场勘探开发速度。

Description

PDC-孕镶金刚石复合块
技术领域
本发明属于钻探工具和超硬材料领域用于石油、地质钻井配套使用的金刚石钻头,特别涉及一种PDC-孕镶金刚石复合块。
背景技术
PDC钻头适用在软到中硬地层中能取得好的使用效果。孕镶金刚石钻头适用钻进较高硬度和研磨性的地层,与PDC钻头和牙轮钻头相比,取得了较好的机械钻速和进尺。在一些中到硬地层中,尤其是非均质地层中, PDC钻头有机械钻速优势,但寿命不足;孕镶金刚石钻头有进尺优势,但机械钻速偏低。需要研究一种机械钻速像PDC钻头一样快,进尺像孕镶金刚石钻头一样长的金刚石钻头切削元件。
发明内容
本发明为解决PDC钻头的机械钻速快但寿命不足,孕镶金刚石钻头孕镶体的进尺多但机械钻速偏低的问题,提供一种具有较高机械钻速和较高寿命的PDC-孕镶金刚石复合块。
为实现上述目的,本发明提出如下技术方案:
PDC-孕镶金刚石复合块,由聚晶金刚石层、硬质合金层和孕镶金刚石层组成,其中:所述聚晶金刚石层是以金刚石微粉与钴、硅粘接剂在高温高压下烧结而成;所述孕镶金刚石层以碳化钨,或者碳化钨与碳化硅、氮化硅或碳化钛中的一种或几种组合物为骨架,以镍、硅、铬、铜、锡、铁、钴、锌、磷和稀土元素为粘接剂,以金刚石单晶为切削元件,经热压烧结或冷压烧结而成。
上述方案进一步包括:
所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉80-89重量份、钴10-15重量份、硅粘接剂1-5重量份;孕镶金刚石层以碳化钨25-60重量份为骨架,以镍5-15重量份、硅0.1-0.5重量份、铬1-5重量份、铜15-25重量份、锡1-5重量份、铁1-5重量份、钴5-15重量份、锌1-2重量份、磷0.1-0.5重量份和稀土元素0.1-0.5重量份为粘接剂,以金刚石单晶10-25重量份为切削元件;以孕镶金刚石层作为基体与硬质合金层、聚晶金刚石层叠加后,经20-30MPa、700-1000℃或0.2-0.6GPa、700-1000℃烧结而成。
所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉80-89重量份、钴10-15重量份、硅粘接剂1-5重量份;孕镶金刚石层以25-50重量份的碳化钨与10-20重量份的碳化硅、氮化硅或碳化钛中的一种或几种为骨架,以镍5-15重量份、硅0.1-0.5重量份、铬1-5重量份、铜15-25重量份、锡1-5重量份、铁1-5重量份、钴5-15重量份、锌1-2重量份、磷0.1-0.5重量份和稀土元素0.1-0.5重量份为粘接剂,以金刚石单晶10-25重量份为切削元件,经20-30MPa、700-1000℃或0.2-0.6GPa、700-1000℃烧结而成。
进一步地,PDC-孕镶金刚石复合块可做成圆柱形、棱柱形、圆片形、楔形、棱台形以及其他形状或组合体形状。
进一步地,聚晶金刚石层、硬质合金层和孕镶金刚石层都可由多种配方形成分层结构。
进一步地,聚晶金刚石层和硬质合金层之间的界面可有波浪形、锯齿形、爪形、环爪形,以及其他形状或组合形状。
进一步地,聚晶金刚石层和金刚石孕镶体都可带有倒角、多倒角或倒圆角。
本发明的有益效果:本发明PDC-孕镶金刚石复合块带有聚晶金刚石层、硬质合金层和孕镶金刚石层,聚晶金刚石层具有硬度极高,耐磨性极强,对地层有很强的切削能力,能获得高的机械钻速;硬质合金层和孕镶金刚石层能为聚晶金刚石层提供良好的支撑,都有较好的抗冲击韧性,有利于提高聚晶金刚石层的抗冲击韧性;孕镶金刚石层有良好的切削、犁削、划削和磨削等破岩能力,且有极好的耐磨性和耐温性,有利于提高PDC-孕镶金刚石复合块的寿命和进尺。
实践证明将PDC-孕镶金刚石复合块用于金刚石钻头将大幅度提高金刚石钻头的机械钻速和进尺,达到降低工人劳动强度,进而降低钻井成本和加快油气田和矿场勘探开发速度。
附图说明
图1 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式一截面示意图;
图2 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式一俯视图;
图3 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式二截面示意图;
图4 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式二俯视图;
图5 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式三截面示意图;
图6为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式三俯视图;
图7 为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式四截面示意图;
图8为本发明的PDC-孕镶金刚石复合块样式四俯视图;
图中:1.聚晶金刚石层,2.硬质合金层,3.孕镶金刚石层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明的PDC-孕镶金刚石复合块,均由聚晶金刚石层1、硬质合金层2和孕镶金刚石层3组成。
实施例1, 所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉80重量份、钴10重量份、硅粘接剂2.5重量份;孕镶金刚石层以碳化钨45重量份为骨架,以镍5重量份、硅0.1重量份、铬1重量份、铜15重量份、锡1重量份、铁1重量份、钴5重量份、锌1重量份、磷0.1重量份和稀土元素0.1重量份为粘接剂,以金刚石单晶12重量份为切削元件。将上述孕镶金刚石层3和聚晶金刚石层1各自所需原料充分混合后,连同硬质合金材料分别加入楔形或棱台形的磨具中,经20MPa、700℃烧结而成。
实施例2,所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉89重量份、钴15重量份、硅粘接剂5重量份,在30MPa、1000℃条件下烧结而成;孕镶金刚石层以50重量份的碳化钨与20重量份的碳化硅为骨架,以镍10重量份、硅0.5重量份、铬3.5重量份、铜20重量份、锡5重量份、铁5重量份、钴10重量份、锌2重量份、磷0.5重量份和稀土元素0.5重量份为粘接剂,以金刚石单晶25重量份为切削元件。将上述孕镶金刚石层3和聚晶金刚石层1各自所需原料充分混合后,连同硬质合金材料分别加入圆柱形的磨具中,经0.2-0.6GPa、1000℃烧结而成。
实施例3,所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉,5重量份、钴13重量份、硅粘接剂2.5重量份,在25MPa、800℃条件下烧结而成;孕镶金刚石层以碳化钨40重量份为骨架,以镍11重量份、硅0.3重量份、铬2.5重量份、铜15重量份、锡3重量份、铁3重量份、钴8重量份、锌1.2重量份、磷0.25重量份和稀土元素0.35重量份为粘接剂,以金刚石单晶20重量份为切削元件。将上述孕镶金刚石层3和聚晶金刚石层1各自所需原料充分混合后,连同硬质合金材料分别加入圆片形的磨具中,经30MPa、900℃烧结而成。
实施例4,所述聚晶金刚石层中的金刚石微粉87重量份、钴13重量份、硅粘接剂3.5重量份,在23MPa、900℃条件下烧结而成;孕镶金刚石层以35重量份的碳化钨与5重量份的碳化硅、10重量份氮化硅和10重量份碳化钛为骨架,以镍9重量份、硅0.3 5重量份、铬1.8重量份、铜18重量份、锡3重量份、铁3重量份、钴9重量份、锌1.2重量份、磷0.25重量份和稀土元素0.25重量份为粘接剂,以金刚石单晶25重量份为切削元件。将上述孕镶金刚石层3和聚晶金刚石层1各自所需原料充分混合后,连同硬质合金材料分别加入楔形的磨具中,经0.3GPa、8000℃烧结而成。
上述实施例中,进一步地,PDC-孕镶金刚石复合块可做成圆柱形(如图1/2)、棱柱形、圆片形、楔形、棱台形以及扁圆柱形(图3/4)、方圆柱形(图5/6)、方圆柱形带双聚晶金刚石层和硬质合金层(图7/8)。
进一步地,聚晶金刚石层和硬质合金层之间的界面可有波浪形、锯齿形、爪形、环爪形,以及其他形状或组合形状。
进一步地,聚晶金刚石层和金刚石孕镶体都可带有倒角、多倒角或倒圆角。
实验证明:上述实施例的PDC-孕镶金刚石复合块带有聚晶金刚石层1、硬质合金层2和孕镶金刚石层3,聚晶金刚石层1具有硬度极高,耐磨性极强,对地层有很强的切削能力,能获得高的机械钻速;硬质合金层2和孕镶金刚石层3能为聚晶金刚石层1提供良好的支撑,都有好的抗冲击韧性,有利于提高聚晶金刚石层1的抗冲击韧性;孕镶金刚石层3有良好的切削、犁削、划削和磨削破岩能力,且有极好的耐磨性和耐温性,有利于提高PDC-孕镶金刚石复合块的寿命和进尺。将PDC-孕镶金刚石复合块用于金刚石钻头将大幅度提高金刚石钻头的机械钻速和进尺,有利于油气田和矿场勘探开发提速和降本。

Claims (6)

1.PDC-孕镶金刚石复合块,由聚晶金刚石层(1)、硬质合金层(2)和孕镶金刚石层(3)组成,其特征在于:所述聚晶金刚石层(1)是以金刚石微粉为骨架,以钴、硅为粘接剂;所述孕镶金刚石层(3)以碳化钨,或者碳化钨与碳化硅、氮化硅或碳化钛中的一种或几种组合物为骨架,以镍、硅、铬、铜、锡、铁、钴、锌、磷和稀土元素为粘接剂,以金刚石单晶为切削元件;以孕镶金刚石层(1)作为基体与硬质合金层(2)、聚晶金刚石层(1)叠加后,经热压烧结或冷压烧结而成。
2.根据权利要求1所述的PDC-孕镶金刚石复合块,其特征在于:所述聚晶金刚石层(1)中的金刚石微粉80-89重量份、钴10-15重量份、硅粘接剂1-5重量份;所述孕镶金刚石层(3)以碳化钨25-60重量份为骨架,以镍5-15重量份、硅0.1-0.5重量份、铬1-5重量份、铜15-25重量份、锡1-5重量份、铁1-5重量份、钴5-15重量份、锌1-2重量份、磷0.1-0.5重量份和稀土元素0.1-0.5重量份为粘接剂,以金刚石单晶10-25重量份为切削元件,经20-30MPa、700-1000℃或0.2-0.6GPa、700-1000℃烧结而成。
3.根据权利要求1所述的PDC-孕镶金刚石复合块,其特征在于:所述聚晶金刚石层(1)中的金刚石微粉80-89重量份、钴10-15重量份、硅粘接剂1-5重量份;孕镶金刚石层(3)以25-50重量份的碳化钨与10-20重量份的碳化硅、氮化硅或碳化钛其中的一种或几种为骨架,以镍5-15重量份、硅0.1-0.5重量份、铬1-5重量份、铜15-25重量份、锡1-5重量份、铁1-5重量份、钴5-15重量份、锌1-2重量份、磷0.1-0.5重量份和稀土元素0.1-0.5重量份为粘接剂,以金刚石单晶10-25重量份为切削元件,经20-30MPa、700-1000℃或0.2-0.6GPa、700-1000℃烧结而成。
4.根据权利要求1或2、3所述的PDC-孕镶金刚石复合块,其特征在于:所述PDC-孕镶金刚石复合块的形状包括圆柱形、棱柱形、圆片形、楔形、棱台形或组合体形状。
5.根据权利要求1或2、3所述的PDC-孕镶金刚石复合块,其特征在于:所述聚晶金刚石层(1)和硬质合金层(2)之间的界面形状包括波浪形、锯齿形、爪形、环爪形或以上形状的组合。
6.根据权利要求1或2、3所述的PDC-孕镶金刚石复合块,其特征在于:金刚石层(1)和孕镶金刚石层(3)都带有倒角。
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