[發(fā)明專利]一種熱壓金剛石鉆頭及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910272930.1
• 申請日: 2009-11-26
• 公開（公告）號: CN101725324A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊展;潘秉鎖;方小紅;楊凱華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46;E21B10/55
• 代理公司: 武漢華旭知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 42214
• 代理人: 劉榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種熱壓金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)及其制備方法；熱壓金剛石鉆頭用于 地質(zhì)勘探、石油鉆井和工程勘察，同時用于地質(zhì)災(zāi)害的防治，屬于地質(zhì)工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)

60年代后期我國開始研制人造金剛石鉆頭，至今為止，制造金剛石鉆頭仍 然采用熱壓方法和電鍍方法為主。熱壓方法制造的鉆頭具有較高的硬度和耐磨 性，可以適應(yīng)多數(shù)巖層鉆進(jìn)的需要。但是，對于鉆進(jìn)堅硬致密弱研磨性巖層卻無 能為力，表現(xiàn)為鉆進(jìn)時效極低，一般為0.3～0.4m/h；鉆頭的使用壽命短，只有 8～10m左右。電鍍方法制造的鉆頭雖然具有適應(yīng)性較廣，鉆進(jìn)速度較高，但也 不能適應(yīng)于鉆進(jìn)堅硬致密弱研磨性巖層。隨著地質(zhì)找礦向地層深部發(fā)展，巖層越 來越硬，堅硬致密弱研磨性巖層出現(xiàn)的幾率越來越高，幾乎所有的金屬礦鉆探， 都會遇到這類巖層，嚴(yán)重地影響著地質(zhì)勘探的進(jìn)程，提高了鉆探的成本，成為了 長期困擾探礦工程技術(shù)人員的一大難題。

多少年以來，探礦工程技術(shù)人員付出多少辛勤的勞動，都希望研制出高性能 的鉆頭，解決這類巖層的鉆進(jìn)難的問題，但都沒有成功。以往的研究者都采用同 一種思路，即設(shè)計軟而耐磨性低的胎體，工作層內(nèi)部為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，期望鉆頭中的 金剛石出刃快、出刃好，以此達(dá)到提高鉆進(jìn)速度的目的。然而，事實(shí)卻表明軟而 耐磨性低的胎體不能適應(yīng)該類巖層鉆進(jìn)，其主要原因是這種胎體不能適應(yīng)高鉆壓 的條件，軟胎體出現(xiàn)塑性蠕變不能使金剛石有效出刃，金剛石不能有效地切入巖 石，不能達(dá)到設(shè)計的預(yù)期目的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種新型結(jié)構(gòu)的熱壓金 剛石鉆頭及其制造方法，本發(fā)明的金剛石鉆頭的切削單元包括破碎巖石的金剛石 復(fù)合體部分與支撐體部分，金剛石復(fù)合體部分的硬度高，耐磨性強(qiáng)；支撐體部分 的硬度較低，能有力地固結(jié)、支撐和保護(hù)復(fù)合體工作層，并與鉆頭剛體牢固結(jié)合。 該鉆頭具有出刃好，在正常的鉆進(jìn)規(guī)程條件下，在堅硬致密弱研磨性巖層中鉆進(jìn) 可以取得效率高，鉆頭使用壽命長的特點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是：一種熱壓金剛石鉆頭，至少包括若干切 削單元和水口，切削單元包括支撐體和若干分散于支撐體中的金剛石復(fù)合體，金 剛石復(fù)合體中金剛石濃度為90％～105％，鉆頭的工作底唇面積的45％～60％為金剛 石復(fù)合體。

上述金剛石復(fù)合體呈柱狀，為方柱狀或圓柱狀，邊長或直徑為3.5～5.5mm， 長度為6～8mm。金剛石復(fù)合體按二環(huán)或三環(huán)排列規(guī)律分散于支撐體中。每個切 削單元內(nèi)的金剛石復(fù)合體覆蓋鉆頭孔底環(huán)狀破碎面，金剛石復(fù)合體間的重疊系數(shù) 2％～3％。金剛石復(fù)合體的硬度為HRc32～45，耐磨性為0.32～0.45×10^-5ML。

上述的支撐體材料為鐵-鎳-錳-青銅合金，其硬度為HRc20～HRc22，耐磨性 為0.60～0.65×10^-5ML。

本發(fā)明還提供樂上述熱壓金剛石鉆頭的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)用熱壓方法或電鍍方法預(yù)制柱狀金剛石復(fù)合體；

(2)在模具中將柱狀金剛石復(fù)合體按規(guī)律分散定位在作為支撐體的合金粉 末中，通過中頻電爐熱壓燒結(jié)成金剛石鉆頭。

步驟(1)采用熱壓方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是首先以碳化鎢-青銅基材料為胎 體材料，金剛石品級為SMD_30～35，金剛石濃度為90％～100％，將胎體材料和金 剛石分別稱量后混合均勻，然后一次性裝入模具內(nèi)后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，經(jīng)冷卻、脫 模和表面去氧化皮后即為金剛石復(fù)合體，制得金剛石復(fù)合體形狀為方柱狀或圓柱 狀，其直徑為3.5～5.5mm，長度為6～8mm；制得金剛石復(fù)合體的硬度為HRc35～45， 耐磨性為0.32～0.40×10^-5ML。

步驟(1)用電鍍方法預(yù)制金剛石復(fù)合體是采用電鍍金剛石鉆頭的鎳-鈷合金 鍍液及其電鍍工藝，以鎳-鈷合金材料為胎體材料，金剛石品級為SMD_25～30，金 剛石濃度95％～105％；制得形狀為方柱狀，方柱邊長為3.5～5.5mm、長度為6～ 8mm，硬度為HRc32～38，耐磨性為0.35～0.45×10^-5ML的金剛石復(fù)合體。