[發明專利]孕鑲金剛石鉆頭胎體材料及利用其制造高適應性金剛石鉆頭的方法

有效

• 申請號: 202010544689.X
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111822714B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 楊展;譚松成;段隆臣;方小紅
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: B22F5/00
• 分類號: B22F5/00;C22C26/00;B22F3/10;B22F3/14;E21B10/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 柳清

本發明提供了一種孕鑲金剛石鉆頭胎體材料，它的各組份含量按重量百分比計為：YG8占16～24％，FJT?06占42～52％，FJT?A4占16～20％，FJT?A2占12～18％以及不可避免的雜質。利用其制造高適應性孕鑲金剛石鉆頭的方法，它包括對胎體材料升溫進行無壓燒結處理；將孕鑲金剛石鉆頭坯體冷卻；對孕鑲金剛石鉆頭坯體進行超強熱壓處理；將孕鑲金剛石鉆頭坯體冷卻出爐；孕鑲金剛石鉆頭坯體冷卻至室溫的步驟。本發明通過合理設計孕鑲金剛石鉆頭胎體材料組分和采用與所述組份相匹配的特殊無壓燒結加超強熱壓復式制造方法，有效地提高了孕鑲金剛石鉆頭胎體的綜合力學性能，可以實現高效、長壽命的鉆進目標。

技術領域

本發明屬于地質勘探與鉆探工程領域，具體是指一種孕鑲金剛石鉆頭胎體材料及利用其制造高適應性金剛石鉆頭的方法。

背景技術

隨著地質勘探、地熱勘探和頁巖氣新能源勘探的工作迅速發展以及深部鉆探和深部地學研究的迅速發展，鉆遇的巖層變化多樣，巖性復雜多變，需要高性能的金剛石鉆頭適應現代鉆探的變化；特別是深部巖層的硬度高，研磨性強，鉆頭磨耗快，鉆頭的使用壽命短，給鉆探施工造成成本高。

本發明之前，制造孕鑲金剛石鉆頭的方法有熱壓方法、無壓浸漬方法、等主要幾種常用方法。其中，熱壓方法是目前制造孕鑲金剛石鉆頭的主要方法，多采用中頻電爐或電阻爐進行熱壓燒結；受傳統設計方法與固有思想的束縛、影響，熱壓參數中所加壓力一般都在14～18MPa范圍，所設計的燒結溫度一般都在940～980℃范圍。在這樣的熱壓工藝與參數條件下，鉆頭的胎體只能采用較低含量的骨架材料(WC、YG8等)，配合采用Fe、Ni、Mn、Co等單金屬硬質粘結材料，同時配備較高含量的軟質粘結金屬材料(Cu-Sn合金或Cu-Sn-Zn合金)。但是，胎體各材料的物理力學性質相差很大，最硬的、熔點最高的是骨架材料(WC、YG8)；最軟的、熔點最低的是Cu合金材料；物理力學性質相差這么大的金屬材料混合在一起，熱壓工藝參數難以合理設計。溫度與壓力高對骨架材料和Fe、Ni、Mn、Co等金屬的燒結有利，但是對Cu合金燒結不利，Cu合金熔點低在高溫和高壓下流失大，鉆頭胎體性能必然發生改變；采用較低溫度與壓力，雖然對Cu合金熱壓燒結有利，但對于胎體的整體力學性能難以達到，鉆頭的質量變差。因此，熱壓參數只能采用實驗方法試驗確定，在保證Cu合金不流失或流失盡量少和金剛石鉆頭具備一定的力學性能的前提下設計與確定熱壓參數，因此，溫度最高不超過980℃，壓力最大不超過18MPa，這種熱壓參數極難實現工藝參數的優化，必然談不上金剛石鉆頭的性能穩定和孕鑲金剛石鉆頭質量提升。同時，采用這類胎體材料與熱壓工藝參數，金屬粉末之間以及金屬粉末與金剛石之間難以實現有效的交互作用和融合，難以制造出具有普適性能的金剛石鉆頭，鉆頭的使用范圍受到明顯的限制，制造出的鉆頭難以實現高效、長壽命的鉆進目標。

無壓浸漬方法屬于無壓燒結方法范疇，制造孕鑲金剛石鉆頭不加壓力。無壓浸漬法制造孕鑲金剛石鉆頭規范和精度較高；同時，由于屬無壓燒結，帶入胎體材料中的空氣和還原性的氣體比較容易從粉末顆粒間排出，對孕鑲金剛石鉆頭胎體致密化會產生一定效果。但由于制造鉆頭過程中不加壓力，因此鉆頭胎體的致密性和力學性能會受到直接影響，硬度與耐磨性較低，鉆頭對巖石的選擇性很敏感，鉆頭的鉆進速度與使用壽命很難同時兼顧。這種方法多用于制造鉆進硬而致密巖石的鉆頭，以求取得較快的鉆進速度；多數情況下用于制造表鑲金剛石擴孔器。

由上述分析可知，應用較普遍的熱壓方法具有較多的優勢，但很難制造出高性能、高質量和具有普適性能的的孕鑲金剛石鉆頭。孕鑲金剛石鉆頭的性能和質量的現狀，成為了制約孕鑲金剛石鉆頭高效、長壽命鉆進的瓶頸。因此，必須綜合各種方法的優勢，從胎體材料體系以及與它相匹配的制造方法和工藝技術方向上尋找突破口，才能達到理想的目標。

發明內容

本發明提供了一種孕鑲金剛石鉆頭胎體材料及利用其制造高適應性金剛石鉆頭的方法，通過合理設計孕鑲金剛石鉆頭胎體材料組分和采用與所述組份相匹配的特殊無壓燒結加超強熱壓復式制造方法，有效地提高了孕鑲金剛石鉆頭胎體的綜合力學性能，可以實現高效、長壽命的鉆進目標。