專利名稱：一種金剛石鉆頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于地質勘探、石油鉆井和工程勘察以及地質災害治理的廣譜型
金剛石鉆頭及其制造方法。
背景技術：
從我國開始研制人造金剛石鉆頭開始，制造金剛石鉆頭主要采用熱壓方法和電鍍方法。熱壓方法制造的金剛石鉆頭與電鍍金剛石鉆頭相比，具有較高的硬度和耐磨性，具有一定的適應性。但是，由于地層的多樣性，要求不同的地層要有相應性能的鉆頭去適應，才能取得好的鉆進效果。加上普通金剛石鉆頭的工作層性能與結構單一，鉆頭的廣譜性較差。隨著地質找礦向地層深部發展，巖層的性質越來越復雜，在一個鉆孔中，甚至一個鉆進回次沒有鉆進完，巖性就發生變化，需要頻繁的更換不同性能的鉆頭，嚴重地影響著地質鉆探的進程，提高了鉆探的成本，這種狀況急需改變。
發明內容
本發明其目的就在于提供一種金剛石鉆頭及其制造方法，具有很好的廣譜性，具有出刃好，效率高，使用壽命長的特點。 實現本發明所采用的技術方案，包括普通金剛石鉆頭的工作層和分布在工作層中的PCD燒結體，所述的PCD燒結體為柱狀體或長方體形或園柱形，分布排列在鉆頭的工作層胎體中，PCD燒結體占鉆頭工作底唇面積的55% 70%。其制造方法包括，
(1)用熱壓方法預制柱狀PCD燒結體； (2)鉆頭采用二次成型，在石墨模具內將PCD燒結體定位在鉆頭的胎體合金粉末
中，通過中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭。 與現有技術相比本發明具有以下優點。 由于采用了雙層結構和二次成型制造方法的技術，因而具有很好的廣譜性，具有出刃好，效率高，使用壽命長的特點。
下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
圖1為本發明熱壓金剛石鉆頭的結構示意圖一 ；
圖2為本發明熱壓金剛石鉆頭的結構示意圖二。
圖中，1-PCD燒結體；2-工作層胎體；3-水口。
具體實施例方式
包括普通金剛石鉆頭的工作層和分布在工作層中的PCD燒結體，如圖1 、2所示，所述的PCD燒結體1為柱狀體或長方體形或園柱形，分布排列在鉆頭的工作層胎體2中，PCD燒結體1占鉆頭工作底唇面積的55% 70%。
所述的PCD燒結體1的金剛石濃度為95% 100X，金剛石的品級為SMD30 35，所述的PCD燒結體1的硬度為HRc38 42，耐磨性為0. 35 0. 45X 10-5ML，所述的鉆頭工作層胎體2材料為鐵-鎳-錳-青銅合金，其硬度為HRc22 HRc26，耐磨性為0. 48 0. 55X 10-5ML，所述的工作層胎體2中的金剛石濃度為15 22%，金剛石品級為SMD20 25。所述的金剛石PCD燒結體1為方柱狀，邊長為4. 0 6. Omm，長度為7 9mm。
所述的工作層胎體2內的金剛石PCD燒結體沿鉆頭的徑向和切削方向有規律分布，PCD燒結體分布在每一個胎體中為三角形布置、品字形布置或菱形布置。
制造方法，包括， (1)用熱壓方法預制柱狀PCD燒結體； (2)鉆頭采用二次成型，在石墨模具內將PCD燒結體定位在鉆頭的胎體合金粉末中，通過中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭。 所述的步驟(1)采用熱壓方法預制成PCD燒結體，用碳化鎢-YG8-鎳-鈷-錳-青銅合金等材料為胎體材料，采用的金剛石品級為SMD30 35，金剛石濃度為95% 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后進行熱壓燒結即為PCD燒結體。 所述的熱壓工藝為壓力16MPa，溫度98(TC，保溫時間6min。
實施例 本發明提供的熱壓金剛石鉆頭包括鉆頭的PCD燒結體1和工作層胎體2以及鉆頭水口3。若干PCD燒結體1分散于工作層胎體2中。金剛石復合體中金剛石濃度為95% 100X，PCD燒結體1占鉆頭的工作底唇面積的55% 70X;PCD燒結體1的硬度為HRc38 42，耐磨性為0. 35 0. 45X 10-5ML。鉆頭工作層胎體2材料為鐵_鎳_錳_鈷_青銅合金，其中鐵占48% 50%，鎳占12% 16%，錳占4% 5%，銅合金占32 35%，其硬度為HRc22 HRc26，耐磨性為0. 48 0. 55X 10-5ML，鉆頭胎體的硬度較低、耐磨性較低；主要作用是在熱壓條件下牢固地包鑲PCD燒結體并和鉆頭剛體實現強力結合；同時也起輔助的破碎巖石的作用。PCD燒結體1為方柱，其邊長為4. 0 6. Omm，長度為7 9mm。 PCD燒結體1在鉆頭工作層胎體2中的排列為三角形布置、品字形布置或菱形布置，如圖1、2所示。金剛石復合體采用熱壓方法預制成，可以通過調整PCD燒結體胎體的配方與金剛石參數，可以獲得不同的工作性能，滿足鉆進可鉆性為7 12級各類巖石的需要。
下面對PCD燒結體、工作層胎體以及熱壓金剛石鉆頭制備方法進行詳細說明。
(1) PCD燒結體設計思路 本發明從巖石的力學性質出發，研究其破碎機理，認識到能夠有效鉆進巖石必須采用大而合理的鉆壓，使得金剛石能夠有效地切入巖石中，而后在回轉力矩作用下剪切破碎巖石。由于孔深之后，鉆桿柱成了一細長的壓桿，從力學的角度分析極容易失穩，應加的鉆壓值有限。因此，只能優化鉆頭設計，減少工作層面積，使得單位面積上的鉆壓值能夠達到使金剛石有效的切入巖石中，才能保證鉆頭有效鉆進。通過試驗后，得出PCD燒結體與巖石接觸面積為鉆頭工作層底面積的55 70%最佳，在可鉆性7 12級的大多數巖石中鉆進，能夠獲得好的鉆進效果，能夠收到廣譜性的效果。 試驗與研究表明，金剛石復合體的硬度在HRc38 HRc42范圍合理，其耐磨性為0. 35 0. 45X 10-5ML范圍能保證金剛石有好的出刃和切入效果。PCD燒結體的性能調節
主要通過調整燒結體的成分含量比與金剛石參數(粒度與濃度)來實現。 地質勘探用的鉆頭規格多、系列復雜，對PCD燒結體的規格必定有不同要求。為了
滿足不同規格鉆頭的要求，可以設計出多種規格的PCD燒結體，由不同規格的PCD組合使
用，比較靈活、方便；可以實現多刀、多刃破碎巖石，提高破碎巖石的效果。方柱狀PCD燒結
體的邊長4. 0 6. 0mm ;其高均為7 9mm。 (2)PCD燒結體預制 PCD燒結體采用熱壓方法預制。采用熱壓方法預制時，先加工出石墨模具，然后將 碳化鎢-YG8-鎳_鈷_錳_青銅合金等胎體材料和金剛石分別按比例稱量后混合均勻，按 計算的重量裝入模具內后進行熱壓燒結后即為PCD燒結體。制得的金剛石PCD燒結體的 形狀為方柱狀，其直徑為4. 0 6. 0mm，長度為7 9mm ;制得金剛石PCD燒結體的硬度為 HRc38 42，耐磨性為0. 35 0. 45X 10-5ML。其中，金剛石PCD燒結體的胎體材料中，碳化 鴇占35% 40%，YG8占12 15%，鎳占8% 10%，錳占3% 4%，青銅占30% 32%; 金剛石品級為SMD30 35，金剛石濃度為95% 100%。
(3)工作層胎體 鉆頭的工作層胎體在鉆頭中既是包鑲PCD燒結體和聯結鉆頭剛體的重要部分， 又具有一定的破碎巖石的作用。它的基本成分為鐵、鎳、錳與銅合金，其中，鐵占48% 50%，鎳占12% 15%，錳占4% 5%，銅合金占32 35%，支撐體的硬度較低(HRc22 HRc26)，耐磨性亦較低(0. 45 0. 55X 10-5ML)。工作層胎體中的金剛石濃度為15 22%， 金剛石品級為SMD20 25。調節其基本成分的含量比例，可以適當調整工作層胎體的硬度 與耐磨性，以適應巖石變化的要求。
(4)鉆頭的熱壓成型 采用高純度、高強度、高密度的石墨材料，經機械加工制成熱壓鉆頭的模具。采用 普通熱壓鉆頭的裝模方法，將金剛石PCD燒結體按設計的方案，依據鉆頭類型與規格，分不 同層次排列(見說明書附圖)，有選擇性、有規律地固定在模具內，然后加入胎體金屬粉末， 加入保徑材料，即完成燒結鉆頭的模具組裝。 組裝好的模具即可送入中頻爐內進行熱壓燒結。在設定的工藝條件下壓力 16MPa、燒結溫度98(TC與6min保溫時間的熱壓燒結，鉆頭出爐后進行機械加工和裝飾，即 完成鉆頭的制造。
權利要求
一種金剛石鉆頭，包括普通金剛石鉆頭的工作層和分布在工作層中的PCD燒結體，其特征在于，所述的PCD燒結體(1)為柱狀體或長方體形或園柱形，分布排列在鉆頭的工作層胎體(2)中，PCD燒結體(1)占鉆頭工作底唇面積的55％～70％。
2. 根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，所述的PCD燒結體(1)的金剛 石濃度為95% 100%，金剛石的品級為SMD30 35，所述的PCD燒結體的硬度為HRc38 42，耐磨性為0. 35 0. 45X10-5ML，所述的鉆頭工作層胎體(2)材料為鐵_鎳_錳_青銅 合金，其硬度為HRc22 HRc26，耐磨性為0. 48 0. 55 X 10-5ML，所述的工作層胎體(2)中 的金剛石濃度為15 22%，金剛石品級為SMD20 25。
3. 根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，所述的金剛石PCD燒結體(1) 為方柱狀，邊長為4. 0 6. Omm，長度為7 9mm。
4. 根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，所述的工作層胎體內的金剛 石PCD燒結體(1)沿鉆頭的徑向和切削方向有規律分布，PCD燒結體分布在每一個胎體中 為三角形布置、品字形布置或菱形布置。
5. 根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭制造方法，其特征在于，(1) 用熱壓方法預制柱狀PCD燒結體；(2) 鉆頭采用二次成型，在石墨模具內將PCD燒結體定位在鉆頭的胎體合金粉末中，通 過中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭。
6. 根據權利要求5所述的一種金剛石鉆頭制造方法，其特征在于，所述的步驟(1)采用 熱壓方法預制成PCD燒結體，用碳化鎢-YG8-鎳-鈷-錳-青銅合金等材料為胎體材料，采 用的金剛石品級為SMD30 35，金剛石濃度為95% 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后進行熱壓燒結即為PCD燒結體。
7. 根據權利要求5或6所述的一種金剛石鉆頭制造方法，其特征在于，所述的熱壓工藝 為壓力16MPa，溫度98(TC，保溫時間6min。
全文摘要
本發明涉及一種金剛石鉆頭及其制造方法，包括普通金剛石鉆頭的工作層和分布在工作層中的PCD燒結體，所述的PCD燒結體為柱狀體或長方體形或圓柱形，分布排列在鉆頭的工作層胎體中，PCD燒結體占鉆頭工作底唇面積的55％～70％。其制造方法包括用熱壓方法預制柱狀PCD燒結體；鉆頭采用二次成型，在石墨模具內將PCD燒結體定位在鉆頭的胎體合金粉末中，通過中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭。從而解決了針對巖層難以選擇金剛石鉆頭的難題。具有很好的廣譜性，具有出刃好，效率高，使用壽命長的特點。可廣泛應用于地質勘探、石油鉆井和工程勘察以及地質災害的治理中。
文檔編號E21B10/46GK101748972SQ200910186849
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者李銀梅, 龔宏偉 申請人:龔宏偉