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。而熱壓方法制造的普通金剛石鉆頭具有較高的硬度和耐磨性，可 以適應多數巖層鉆進的需要。但是，對于鉆進卵礫石地層與硬-脆-碎等強研磨性巖層卻 顯得適應性差，鉆進速度不高，鉆頭的壽命也不長。隨著地質找礦向地層深部發展，巖層越 來越硬，巖性越來越復雜，強研磨性巖層出現的幾率越來越高，幾乎所有的金屬礦鉆探，都 會遇到這類巖層，嚴重地影響著地質勘探的進程，提高了鉆探的成本。
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，具有硬度高，耐磨性強， 使用壽命長的特點，特別適宜在砂卵石地層和硬-脆-碎巖層中鉆進。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上的燒結體，所述的燒結體為 熱穩定性聚晶體，包括方柱狀和圓柱狀熱穩定性聚晶體，所述的方柱狀熱穩定性聚晶體分 布排列在鉆頭的工作層的內外徑部位，所述的圓柱狀熱穩定性聚晶體分布排列在鉆頭工作 層靠近中心的部位。其制造方法包括包括中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭，燒結工藝為溫 度985°C，壓力18MPa，保溫時間6min，出爐溫度800°C。與現有技術相比本發明具有以下優點。由于采用了熱穩定性聚晶體在鉆頭的切削單元中按照一定規律分布、排列的技術 設計，與金剛石共體組成破碎巖石的主體，因而具有具有硬度高，耐磨性強，使用壽命長的 特點，在砂卵石地層和硬-脆-碎巖層中鉆進效果好。
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-方柱狀熱穩定性聚晶體；2-圓柱狀熱穩定性聚晶體；3-工作層胎體； 4-水口。
具體實施例方式包括普通金剛石鉆頭的工作層3和分布在工作層上的燒結體，如圖1、2所示，所述 的燒結體為熱穩定性聚晶體，包括方柱狀和圓柱狀熱穩定性聚晶體1、2，所述的方柱狀熱穩 定性聚晶體1分布排列在鉆頭的工作層3的內外徑部位，所述的圓柱狀熱穩定性聚晶體2 分布排列在鉆頭工作層3靠近中心的部位。所述的方柱狀熱穩定性聚晶體1的規格為3X3X 10mm，圓柱狀熱穩定性聚晶體2 的規格為 Φ2Χ8ι πι 或 Φ 2. 5X8mm。所述的圓柱狀熱穩定性聚晶體2中的Φ2Χ8πιπι聚晶分布排列在靠近鉆頭工作層3 內徑方向，而Φ2.5Χ8πιπι聚晶分布排列在鉆頭工作層3靠近外徑方向。同一切削單元內分 布排列3 4顆熱穩定性聚晶體，同一圓周切削方向的熱穩定性聚晶體重疊為 2%。鉆頭工作層3胎體材料采用碳化鎢、YG8、鎳、鈷、錳、鈦以及銅合金；鉆頭工作層3 胎體硬度為HRC40 45，耐磨性為(0. 35 0. 40) X 10-5ML，鉆頭工作層3胎體內金剛石 品級為SMD30 35，金剛石的濃度為88%，金剛石的粒度及其含量分別為40/45占30%、 45/50 占 40%,60/70 占 20%,80/100 占 10%。其制造方法，包括中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭，所述的中頻電爐燒結工藝為， 溫度985°C，壓力18MPa，保溫時間6min，出爐溫度800°C。實施例本發明的內容如下(1)采用一種提高鉆頭耐磨性的思維與設計方法，在提高胎體耐磨性的同時，加強 鉆頭工作層的保徑效果，實現鉆頭運轉平穩和工作層的均衡磨損，以達到提高鉆頭壽命的 目的。(2)在普通熱壓金剛石鉆頭的基礎上，將熱穩定性聚晶體有規律、有序地分布、排 列在鉆頭的工作層中。熱穩定性聚晶體既起著破碎巖石的作用，又起著強化鉆頭的耐磨性 的作用和保徑效果，有力地提高了鉆頭的穩定性和使用壽命。(3)提高鉆頭的耐磨性不僅僅采用高耐磨性的胎體，往往采用高耐磨性的胎體不 利于金剛石出刃，鉆頭容易出現“打滑”，鉆進效率很低。本專利采用了較高耐磨性能的胎 體，配合熱穩定性聚晶，可以實現鉆頭的耐磨性高和鉆進效果好的雙重效果。(4)采用方柱狀聚晶體分布在緊靠鉆頭的內外徑部位，其長度取10mm，有利于提 高鉆頭的保徑效果和有效防止鉆頭的內外徑部位偏磨。采用圓柱狀聚晶體分布在鉆頭工作 層的中心部位，有利于提高鉆進速度和鉆頭均衡磨損。見圖1。(5)圓柱狀聚晶體2沿鉆頭切削圓周方向排列，完成一部分孔底環狀巖石的破碎；同一切削單元內的聚晶允許重疊 2%;同一切削單元的聚晶體共體完成整個鉆頭環狀 孔底的巖石破碎。(6)圖1、2中所示的兩種分布、排列方式，其中的A型結構圖1適應于強研磨性地層，例如砂卵石地層；而B型結構圖2適應于較強研磨性地層，例如硬-脆-碎地層。本發明為一種新結構熱壓金剛石鉆頭。新結構表現為鉆頭的工作層部分由普通金剛石工作層和熱穩定性聚晶體組成。通過不同規格、形狀與數量的聚晶體，有規律分布在鉆 頭工作層的不同部位，可以獲得不同的耐磨性，滿足不同程度的研磨性巖層的鉆進需要。
(1)金剛石鉆頭的工作層本發明從強研磨性巖石的物理力學性質出發，研究其結構特點和在鉆頭作用下的 破碎機理，認識到鉆進該類巖石既不能采用大的鉆壓，也不能采用高的轉速。而且，鉆頭的 工作層既要經得起巖石的磨損，又要使得金剛石能夠有效地切入巖石中，這樣才能實現高 的鉆進速度和低的磨損量。通過試驗與分析，金剛石鉆頭的工作層胎體性能必須保持在其硬度HRc40 HRc45范圍，其耐磨性為(0. 35 0. 40) X 10-5ML范圍，才能夠保證金剛石有好的出刃效果 和保證鉆頭有很好的耐磨性。金剛石鉆頭硬度與耐磨性主要通過調節胎體的成分含量比與 金剛石參數(粒度與濃度)來實現。(2)本發明金剛石鉆頭的胎體成分及其含量為碳化鎢38% 40%，YG815% 12%，鎳8% 12%，鈷3% 5%，錳3% 4%，鈦2% 3%，銅合金33% 35%。(3)本發明鉆頭的工作層胎體內金剛石品級為SMD30 35，金剛石的濃度為88%， 金剛石的粒度及其含量分別為40/45占30%、45/50占40%、60/70占20%、80/100占 10%。(4)熱穩定性聚晶體熱穩定性聚晶體采用方柱狀和圓柱狀兩種類型，其規格是方柱狀為 3X3X10mm，圓柱狀為Φ 2X8mm及Φ 2. 5X8mm。磨耗比是熱穩定性聚晶體的主要性能，其 值不能低于1 5萬。方柱狀聚晶體分布在鉆頭的內外徑部位有利于提高鉆頭的保徑效果； 而圓柱狀聚晶體分布在鉆頭工作層的中間部位有利于切削巖石，保證鉆進速度。(5)鉆頭組裝與熱壓成型①采用高強度、高密度與高純度的石墨材料，按照設計要求，經機械加工制成熱壓 金剛石鉆頭的燒結模具。②按配方設計，將各種金屬粉末稱量好置于球磨筒內進行球磨混料；混料時間不 能少于12h。混合好的粉料中加入一定的金剛石和粘結劑，再一次混合均勻。③將熱穩定性聚晶體按設計的方案，有規律地固定在鉆頭石墨模具內。然后，將混 合均勻的含金剛石的胎體粉料按計算的重量稱量好，倒入石墨模具內；再加入保徑層金屬 粉料，壓實，即完成鉆頭燒結模具的組裝。④組裝好的模具送入中頻爐內，送水，啟動中頻電爐進行熱壓燒結。在設定的工 藝條件下溫度985°C，壓力18MPa，保溫時間6min。經過該熱壓工藝的燒結后，爐溫下降到 800°C時，即可卸壓出爐，完成鉆頭的燒結制作。⑤燒結好的鉆頭再經機械加工，外表面裝飾，即為該專利熱壓金剛石鉆頭成品。
權利要求
一種金剛石鉆頭，包括普通金剛石鉆頭的工作層(3)和分布在工作層上的燒結體，其特征在于，所述的燒結體為熱穩定性聚晶體，包括方柱狀和圓柱狀熱穩定性聚晶體(1)、(2)，所述的方柱狀熱穩定性聚晶體(1)分布排列在鉆頭的工作層(3)的內外徑部位，所述的圓柱狀熱穩定性聚晶體(2)分布排列在鉆頭工作層(3)靠近中心的部位。
2.根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，所述的方柱狀熱穩定性 聚晶體(1)的規格為3X3X10mm，圓柱狀熱穩定性聚晶體(2)的規格為Φ2Χ8πιπι或 Φ 2. 5 X 8mm。
3.根據權利要求1或2所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，所述的圓柱狀熱穩定性聚 晶體(2)中的Φ2Χ8πιπι聚晶分布排列在靠近鉆頭工作層(3)內徑方向，而Φ2.5Χ8πιπι聚 晶分布排列在鉆頭工作層(3)靠近外徑方向。
4.根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，同一切削單元內分布排列3 4顆熱穩定性聚晶體，同一圓周切削方向的熱穩定性聚晶體重疊為 2%。
5.根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭，其特征在于，鉆頭工作層(3)胎體材料采用 碳化鎢、YG8、鎳、鈷、錳、鈦以及銅合金；鉆頭工作層(3)胎體硬度為HRC40 45，耐磨性為 (0. 35 0. 40) X 10_5ML，鉆頭工作層(3)胎體內金剛石品級為SMD30 35，金剛石的濃度為 88%，金剛石的粒度及其含量分別為40/45占30%、45/50占40%、60/70占20%、80/100 占 10%。
6.根據權利要求1所述的一種金剛石鉆頭制造方法，包括中頻電爐熱壓燒結成金剛石 鉆頭，其特征在于，所述的中頻電爐燒結工藝為，溫度985°C，壓力18MPa，保溫時間6min，出 爐溫度800°C。
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上的燒結體，所述的燒結體為熱穩定性聚晶體，包括方柱狀和圓柱狀熱穩定性聚晶體，所述的方柱狀熱穩定性聚晶體分布排列在鉆頭的工作層的內外徑部位，所述的圓柱狀熱穩定性聚晶體分布排列在鉆頭工作層靠近中心的部位。其制造方法包括中頻電爐熱壓燒結成金剛石鉆頭，燒結工藝為溫度985℃，壓力18MPa，保溫時間6min，出爐溫度800℃。從而解決了在砂卵石地層和硬-脆-碎巖層中鉆進效果好的難題。具有硬度高，耐磨性強，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E21B10/46GK101818622SQ20101012475
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月15日 優先權日2010年3月15日
發明者周天盛, 李銀梅, 龔宏偉, 龔慶偉 申請人:龔宏偉