CN103982139A - 一种高胎体钻齿及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高胎体钻齿及其制备方法，包括含金刚石的金属基工作层、不含金刚石的过渡层和焊接层，在高胎体钻齿工作层内厚度方向，即齿弧径向方向加入1-4层加强层，通过压制成型、烧结工艺，使加强层与钻齿工作层牢固结合，能够大幅度提升由钻齿制作成钻头后的抗断裂强度。由此制作的高胎体钻齿，不易折断，能够正常消耗到含金刚石层使用完为止，因而较常规钻头具有高得多的使用寿命；同时加强夹层的存在，能够在钻齿工作面形成环状水槽，有利于提高钻进比压，提高钻进效率，同时提高钻进稳定性和排屑、冷却能力。

Description

一种高胎体钻齿及其制备方法

技术领域

本发明属于地质钻探用钻齿领域，特别涉及一种高胎体钻齿及其制备方法，适用于制作长寿命高效率地质钻头，尤其是深部找矿钻进用地质钻头。

背景技术

常规金刚石地质钻头制作工艺长期以来没有太大的变化，通常采用中频式整体烧结方法，将钢体与钻齿部分通过高温烧结在一起。近年来，随着浅部矿产资源可开采量的减少，矿产资源勘探逐步向深部(>1000m)、超深部(>3000m)地层发展，由于常规钻头使用寿命低，平均寿命通常不到60m，导致钻进施工中，经常需要起下钻杆进行钻头更换，起下钻头消耗的时间往往占整个工程施工的40％，大大影响了施工效率。

目前，对钻头寿命的提高措施主要包括钻齿配方的优化、金刚石参数的调整等。对于钻齿配方，一般通过提高钻齿胎体硬度、研磨性，从而减少钻进时胎体的磨损速度，此方法对于钻头寿命的提高是非常有限的，因为胎体硬度、耐磨损性能不能无限制的提升，只能是与金刚石的磨损相配合，否则会导致上一层金刚石磨损完毕后，新的金刚石无法出刃进行钻进刻岩工作，导致钻头“打滑”、烧钻；对于金刚石参数，通常通过提高金刚石浓度、调整金刚石粒度等方法以求达到提高寿命的目的，或者采用高品级金刚石，从而使单颗金刚石的磨损速率降低，然而，此种方法对于钻头寿命的提升也是十分有限的，金刚石浓度并不能随意增加，浓度太高，胎体对金刚石的包镶能力减弱，金刚石易于脱落，往往会导致钻头使用寿命更低。

现有技术中采用独立烧结、激光焊接方法制造地质钻头时，往往需要增加钻齿高度，以提高钻头寿命、减少钻探工程中钻头的起下钻频率，来提高工程效率。近年来，也有关于采用新结构设计，从而提升钻头寿命的技术，如中国专利CN101353946A，公开了一种可再生水口的金刚石取芯钻头，提出从结构上合理设计，实现钻齿和水口的多层化，从而增加了胎体的可使用高度，但是此方法制作工艺复杂，必须采用中频整体烧结方法制造，且不利于制作内外具有金刚石浓度差或内外胎体配方差别化等特殊胎体结构的钻齿。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种高胎体钻齿，以解决制备长寿命地质钻头用高胎体钻齿的强化问题。

本发明提供的一种高胎体钻齿，包括工作层、过渡层及焊接层，工作层为含金刚石的金属基复合材料，过渡层是工作层与焊接层的衔接材料，过渡层不含金刚石，焊接层是钻齿与钢体的连接部位，焊接层不含金刚石，所述的钻齿工作层内厚度方向加入加强层，加强层与钻齿工作层牢固结合。

所述的钻齿的高度优选15-35mm，工作层高度优选12-30mm。

所述的加强层与钻齿工作层牢固结合优选通过烧结实现。

所述加强层优选1-4层。

所述的加强层材料优选玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、合金钢具有较高强度的材料。

所述的加强层材料优选为片状、网状、丝状阵列排布。

所述的加强层材料的厚度根据钻齿厚度设计，优选0.5-1.5mm。

所述的加强层沿圆周方向的弧长优选大于钻齿弧长的75％，沿钻齿高度方向的长度优选大于钻齿工作层的80％，且加强层优选穿透工作层与过渡层的结合部位，使加强层伸入到过渡层的深度优选大于0.5mm。

所述的钻齿的内外表面可镶嵌聚晶或不镶嵌聚晶，聚晶镶嵌位置可在过渡层部分，也可在工作层部分，或两部分兼有；钻齿工作层中破岩磨粒可以只是金刚石，也可以是金刚石与碎聚晶的混合物。

本发明还提供一种高胎体钻齿的制备方法，包括以下步骤：

1)去除加强材料表面污垢、氧化层，根据钻齿径向弧度，将加强材料弯曲成所需弧度，作为夹层使用；

2)采用冷压压制出钻齿胎体薄片，薄片都包含工作层、过渡层和焊接层；

3)将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，通过热压完成高胎体钻齿的制作。

所述的去除加强材料表面污垢、氧化层，是指在使用前，通过去油、喷砂、清洗等工序去除加强材料表面污垢、氧化层，以提高材料与钻齿胎体的结合强度。

所述的钻齿胎体薄片的工作层，工作层成份一般为金属结合剂胎体与金刚石颗粒的复合体，金属结合剂配方根据钻进岩石对象的性质设计，一般为WC、Co、Ni、Cu等并添加部分低熔点金属组成，金刚石颗粒为高品级单一粒度或组合粒度，金刚石浓度一般为50-150％(砂轮浓度制，体积浓度)。

所述的冷压，优选冷压胚体致密度达到50-70％。

所述的将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，优选将薄片与加强层组装在一起，将组合体放入模具，然后在组合体的上部分别倒入过渡层粉末和焊接层粉末。在加强层高度一定的条件下，通过热压，加强层能够穿透工作层与过渡层的界面，从而保障了加强层的正常效果，由此可制作出强化高胎体钻齿。

所述的热压，优选通过真空电阻热压机进行烧结，烧结温度为750-900℃，全压压力为20-30MPa，保温时间为3-10min。

进一步的，优选通过真空电阻热压机进行烧结，烧结温度为780-880℃，全压压力为20-30MPa，保温时间为3-10min。

将强化后的高胎体钻齿通过焊接面光亮、平整化处理，采用激光焊接机实现钻齿与钢体的焊接，之后进行内外水槽、螺纹、倒角等加工，即可制作出具有强化的高胎体钻齿的金刚石地质钻头。

使用了本发明技术的钻头进行岩层钻探，能够保障高胎体工作层的连续正常使用，并在钻齿工作面形成一个或数个凹形导槽，能够保障钻头定向钻进，并提高钻进比压、增加钻进冷却面，能同时具备高的钻进效率和长的钻进寿命，对于深部钻探具有重要的意义。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)本发明通过夹层强化机理，采用胎体内部高强材料的夹片式分布，从而使工作层能够全部正常使用，并通过特殊的内部结构设计和制作工艺方法，实现了夹片强化的目的，使钻齿强化，大幅提高了钻齿的抗断裂强度，可以保障高胎体钻齿在使用中不发生断裂。

2)采用本发明的方法，通过夹片强化，使钻齿抗弯曲强度、抗剪切强度得到大幅提升，且由于夹片伸入到不含金刚石过渡层中，使钻齿整体断裂薄弱面转移到不含金刚石的过渡层以下，整体强度高，能避免钻头使用时钻齿非正常断裂的发生。

3)本发明通过设置过渡层、焊接层，能实现地质钻头的激光焊接，钻齿采用新的压制、烧结工艺方法及结构设计能提高钻齿的粉末冶金烧结质量，使钻齿本身的工作性能得到提升，高胎体钻齿能大幅度提高钻头的使用寿命，减少钻进起下钻频率，提高工程效率。

附图说明

图1是高胎体钻齿的结构示意图

图2是夹层材料形状示意图

图3是夹层强化高胎体钻齿示意图

图中标识：1、金刚石磨粒，2、工作层，3、过渡层，4、焊接层，5、加强层材料，6、薄片。

具体实施方式

下面以实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

如图1所示：高胎体钻齿的高度为15-35mm，由含金刚石磨粒1的工作层2和不含金刚石磨粒1的过渡层3及焊接层4组成，工作层2是钻齿破岩的主体，焊接层4用于连接钻头钢体，过渡层3是工作层2与焊接层4的衔接部分，用于提高钻齿整体强度。

如图2所示：加强层可以选择玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、合金钢等具有高强度、耐高温等特性的材料，材料的形状可以是片状、网状、小片或丝状阵列排布等，其厚度根据钻齿的厚度而定，一般为0.5-1.5mm。

如图3所示：由于含金刚石1的工作层2是钻齿强度最薄弱的部分，因此加强层材料5需平均分布于工作层2，并穿透工作层2的底部，使薄弱断裂面向不含金刚石1的过渡层3或焊接层4转移，从而钻齿抗断裂能力得到大幅提升。

实施例1：

以φ59/φ41.5的钻齿为例，钻进对象为可钻性级别9级、中等研磨性岩石，设计钻齿总高度为20mm，其中工作层高度为16.5mm，过渡层为1.5mm，焊接层为2mm，钻齿工作层配方为WC40-60％，Co10-15％，Ni5-10％，Cu、Sn等元素15-30％，金刚石浓度为65-85％，粒度为40/45、45/50的组合粒度，设计加强层材料为片状玻璃纤维片，单个厚度0.65mm，平均分布两层；采用特制钢模，压制出2.45mm厚、30mm长的内、中、外三层扇形钻齿胎体薄片，将17mm长、弧长方向两边各短于钻齿0.5mm的加强层共两层夾于薄片之间，并靠近焊接层端，组装在石墨模具中后放入真空电阻热压机中烧结，烧结温度为860℃，全压压力为25MPa，保温时间为6min，即可烧制出纤维强化高胎体地质钻齿。

实施例2：

以φ59/φ41.5的钻齿为例，钻进对象为可钻性级别9级、中等研磨性岩石，设计钻齿总高度为15mm，其中工作层高度为12mm，过渡层为1.5mm，焊接层为1.5mm，钻齿工作层配方为WC40-60％，Co10-15％，Ni5-10％，Cu、Sn等元素15-30％，金刚石浓度为65-85％，粒度为40/45、45/50的组合粒度，设计加强层材料为网状碳纤维片，单个厚度0.50mm，平均分布两层；采用特制钢模，压制出2.45mm厚、20mm长的内、中、外三层扇形钻齿胎体薄片，将10mm长、弧长方向两边各短于钻齿0.5mm的加强层夾于薄片之间，并靠近焊接层端，组装在石墨模具中后放入真空电阻热压机中烧结，烧结温度为750℃，全压压力为30MPa，保温时间为10min，即可烧制出纤维强化高胎体地质钻齿。

实施例3：

以φ59/φ41.5的钻齿为例，钻进对象为可钻性级别9级、中等研磨性岩石，设计钻齿总高度为35mm，其中工作层高度为30mm，过渡层为3mm，焊接层为2mm，钻齿工作层配方为WC40-60％，Co10-15％，Ni5-10％，Cu、Sn等元素15-30％，金刚石浓度为65-85％，粒度为40/45、45/50的组合粒度，设计加强层材料为丝状合金钢片，单个厚度1.50mm，平均分布两层；采用特制钢模，压制出2.45mm厚、40mm长的内、中、外三层扇形钻齿胎体薄片，将23mm长、弧长方向两边各短于钻齿0.5mm的加强层夾于薄片之间，并靠近焊接层端，组装在石墨模具中后放入真空电阻热压机中烧结，烧结温度为900℃，全压压力为20MPa，保温时间为3min，即可烧制出夹片强化高胎体地质钻齿。

实施例4：

以φ75/φ47.5的钻齿为例，钻进对象为可钻性级别7级、强研磨性岩石，设计钻齿总高度为30mm，其中工作层高度25mm，过渡层为3mm，焊接层为2mm，钻齿工作层配方为WC50-70％，Co10-15％，Ni6-12％，Cu、Sn等元素共15-25％，金刚石浓度为75-100％，粒度为40/45、45/50、50/60的组合粒度；设计加强层材料为不锈钢片，单个厚度为0.8mm，钻齿厚度方向平均分布两层，通过所需弧度将钢片压弯，并喷砂、清洗处理；在冷压模具中首先加入已称量好的工作层内层粉料，再加入第一层弧形钢片，之后加入工作层中层粉料，后加入第二层弧形钢片，然后加入工作层外层粉料，通过冷压机压制出含加强层的钻齿工作层，厚度约为13.1mm，长度为40mm；将此工作层装入石墨模具中，然后分别倒入过渡层和焊接层粉末，再装上石墨模上压头，放入真空电阻热压机中进行烧结，烧结温度为880℃，全压压力为30MPa，保温时间为8min，即可烧制出不锈钢片强化高胎体地质钻齿，钻齿整体抗断裂强度相较于常规钻齿提高40-110％。

实施例5：

以φ75/φ47.5的钻齿为例，钻进对象为可钻性级别7级、强研磨性岩石，设计钻齿总高度为25mm，其中工作层高度20mm，过渡层为3mm，焊接层为2mm，钻齿工作层配方为WC50-70％，Co10-15％，Ni6-12％，Cu、Sn等元素共15-25％，金刚石浓度为75-100％，粒度为40/45、45/50、50/60的组合粒度；设计加强层材料为不锈钢片，单个厚度为0.8mm，钻齿厚度方向平均分布两层，通过所需弧度将钢片压弯，并喷砂、清洗处理；在冷压模具中首先加入已称量好的工作层内层粉料，再加入第一层弧形钢片，之后加入工作层中层粉料，后加入第二层弧形钢片，然后加入工作层外层粉料，通过冷压机压制出含加强层的钻齿工作层，厚度约为13.1mm，长度为35mm；将此工作层装入石墨模具中，然后分别倒入过渡层和焊接层粉末，再装上石墨模上压头，放入真空电阻热压机中进行烧结，烧结温度为780℃，全压压力为30MPa，保温时间为8min，即可烧制出不锈钢片强化高胎体地质钻齿，钻齿整体抗断裂强度相较于常规钻齿提高40-110％。

Claims (13)

1.一种高胎体钻齿，包括工作层、过渡层及焊接层，工作层为含金刚石的金属基复合材料，过渡层是工作层与焊接层的衔接材料，过渡层不含金刚石，焊接层是钻齿与钢体的连接部位，焊接层不含金刚石，其特征在于：所述的钻齿工作层内厚度方向加入加强层，加强层与钻齿工作层牢固结合。 

2.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的钻齿的高度为15-35mm，工作层高度为12-30mm。 

3.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的加强层与钻齿工作层牢固结合通过烧结实现。 

4.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述加强层为1-4层。 

5.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的加强层材料为玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、合金钢。 

6.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的加强层材料为片状、网状、丝状阵列排布。 

7.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的加强层材料的厚度为0.5-1.5mm。 

8.根据权利要求1所述的高胎体钻齿，其特征在于：所述的加强层沿圆周方向的弧长大于钻齿弧长的75％，沿钻齿高度方向的长度大于钻齿工作层的80％，且加强层穿透工作层与过渡层的结合部位，使加强层伸入到过渡层的深度大于0.5mm。 

9.一种高胎体钻齿的制备方法，包括以下步骤： 

1)去除加强材料表面污垢、氧化层，根据钻齿径向弧度，将加强材料弯曲成所需弧度，作为夹层使用； 

2)采用冷压压制出钻齿胎体薄片，薄片都包含工作层、过渡层和焊接层； 

3)将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，通过热压完成高胎体钻齿的制作。 

10.根据权利要求9所述的高胎体钻齿的制备方法，其特征在于：所述的冷压，冷压胚体致密度达到50-70％。 

11.根据权利要求9所述的高胎体钻齿的制备方法，其特征在于：所述的将加强层分别夹入薄片中间，装入模具，是将薄片与加强层组装在一起，将组合体放入模具，然后在组合体的上部分别倒入过渡层粉末和焊接层粉末。 

12.根据权利要求9所述的高胎体钻齿的制备方法，其特征在于：所述的热压，为通过真空电阻热压机进行烧结，烧结温度为750-900℃，全压压力为20-30MPa，保温时间为3-10min。 

13.根据权利要求12所述的高胎体钻齿的制备方法，其特征在于：烧结温度为780-880℃。