一种聚晶金刚石复合材料、节块及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种聚晶金刚石复合材料、节块及其制备方法，所述的聚晶金刚石复合材料由金属粉末和聚晶金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充聚晶金刚石。所述的节块由工作部分和支撑部分组成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为聚晶金刚石复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。本发明专利技术的节块具有优越的抗冲击韧性和耐磨性，抗冲击韧性5

【技术实现步骤摘要】
一种聚晶金刚石复合材料、节块及其制备方法


[0001]本专利技术属于油气钻井深海、深井及长水平井页岩气开采钻头用的节块，具体涉及一种聚晶金刚石复合材料、节块及其制备方法。

技术介绍

[0002]我国深部油气资源、深海油气资源和非常规天然气资源储量相当可观，但面临着勘探开发难度大、成本高等问题。深井、超深井地层研磨性强、可钻性差、温度高，导致钻井机械钻速极低，有的地层机械钻速不到0.5m/h。如果遇到大段不均质的砾石层，钻头磨损加剧，钻井机械钻速降低，钻井周期加长，钻井成本也增加。长水平段水平井分段压裂是目前页岩气、致密气等非常规天然气高效、低成本开发的主要技术手段。目前我国这类油气钻井的成本和周期是国外发达国家的2
‑
3倍，复杂的地质条件是客观原因，但是钻井技术的落后也是重要的因素。“一趟钻”技术是有效降低页岩气开发成本的关键钻井技术之一，同时也对钻具的性能提出了新的挑战。深海钻井成本是陆地钻井成本的1.5～2倍，甚至更高。因此，提高钻井效率是降低深水油气勘探开发成本的重要途径。大位移井是海洋油气资源开发的有效手段，大位移井因其水平位移大、钻井周期长，要求钻头抗磨损能力强、破岩效率高、故障率低、使用寿命长。
[0003]旋转冲击钻井方式是提高深井、超深井复杂地层钻井效率的关键技术，此处常用钻头有牙轮钻头、PDC钻头、孕镶金刚石钻头。但目前牙轮钻头的硬质合金齿耐磨性不够，钻头寿命短；PDC钻头的磨耗比超过50万，但抗冲击韧性只有3
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4J/cm2，用于卵砾石等复杂地层容易崩齿，极大的缩短了钻头寿命；孕镶钻头的钻进效率不高，只能用于极硬岩层的钻进。因此，急需开发一种兼具耐磨性、抗冲击韧性的材料(或节块)，用来制备钻头及切削齿，解决深海、深井勘探及长水平页岩气开采存在的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的之一在于：提供一种聚晶金刚石复合材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种聚晶金刚石复合材料，由金属粉末和聚晶金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充聚晶金刚石。
[0007]优选地，所述的金属粉末与聚晶金刚石的体积比为(1
‑
3)：(7
‑
9)。
[0008]优选地，所述的金属粉末由W粉末、Co粉末、Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末组成。
[0009]优选地，所述的金属粉末中W粉末、Co粉末、Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末的质量比为(60
‑
80):(5
‑
15):(5
‑
10):(2
‑
5):(5
‑
10)。
[0010]优选地，所述的聚晶金刚石的粒度为1
‑
3mm。
[0011]本专利技术的目的之二在于：提供一种节块。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]一种采用聚晶金刚石复合材料制成的节块，所述的节块由工作部分和支撑部分组
成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为聚晶金刚石复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。
[0014]优选地，所述的硬质合金基体为YG15。
[0015]优选地，所述的支撑部分为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，所述的填充孔沿着柱状体的轴线方向设置。
[0016]优选地，所述的柱状体的顶面为平顶或圆顶。
[0017]本专利技术的目的之三在于：提供一种节块的制备方法。
[0018]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0019]一节块的制备方法，具体包括如下步骤：
[0020]S1：将金属粉末混合均匀，得到胎体粉末；
[0021]S2：将胎体粉末制粒后作为原料使用；
[0022]S3：采用3D打印的方式将原料打印成底板、中间板及顶板；
[0023]其中，所述的顶板的下侧设有第一凹坑，所述的底板的上侧设有第二凹坑，所述的中间板的上侧设置第三凹坑，中间板的下侧设置第四凹坑，所述的底板、中间板和顶板由下到上组合在一起形成蜂窝状结构；
[0024]S4：在每个第二凹坑和第三凹坑内均放入聚晶金刚石，形成聚晶金刚石复合材料；
[0025]S5：将聚晶金刚石复合材料与硬质合金基体放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内高温高压制备成节块。
[0026]优选地，步骤S2中胎体粉末制粒后得到粒径为50
‑
100μm的类球形颗粒。
[0027]优选地，步骤S3中，所述的第一凹坑、第二凹坑、第三凹坑和第四凹坑均设置多个且呈一一对应关系；所述的第一凹坑、第二凹坑、第三凹坑和第四凹坑的结构及间距均采用有限元方法模拟得到。
[0028]优选地，步骤S3中所述的中间板设置一个或多个。
[0029]优选地，当所述的中间板设置一个时，步骤S4的具体过程如下：
[0030]在底板上侧的每个第二凹坑内均放入聚晶金刚石，然后盖上中间板；在中间板上侧的每个第三凹坑内均放入聚晶金刚石，盖上顶板，形成聚晶金刚石复合材料；
[0031]当所述的中间板设置多个时，步骤S4的具体过程如下：
[0032]在底板上侧的每个第二凹坑内均放入聚晶金刚石，然后盖上中间板；在中间板上侧的每个第三凹坑内均放入聚晶金刚石，再次盖上中间板，在中间板上侧的每个第三凹坑内放入聚晶金刚石，以此类推，直至达到所需要的厚度，最终盖上顶板，形成聚晶金刚石复合材料。
[0033]优选地，步骤S5中所述的高温高压的条件设置为：温度1350
‑
1400℃，压力5
‑
6GPa。
[0034]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0035]1)金刚石在工作部分(聚晶金刚石复合材料)内的体积分数可以做到70
‑
90％，通过3D打印底板、中间板及顶板，在三个部分留有的凹坑内装入聚晶金刚石，聚晶金刚石在高温高压条件下与周边的金属粉末结合形成耐磨性极高的聚晶金刚石复合材料，且聚晶颗粒之间没有接触，不容易脱落，极大的提高了节块的耐磨性。
[0036]2)聚晶金刚石复合材料采用3D打印工艺形成的金属粉末作为支撑结构，与常规的复合片PDC相比，抗冲击韧性得到极大的改善。
[0037]3)本专利技术的节块具有优越的抗冲击韧性和耐磨性，抗冲击韧性5
‑
6J/cm2，磨耗比30
‑
40万，且节块中金刚石均匀分布均匀，能够在复杂地层中钻进，且钻头的寿命长，满足一个钻孔换一次钻头的要求。本专利技术的节块可以用于深海、深井勘探及长水平页岩气开采用钻头的切削齿。
附图说明
[0038]图1为底板、中间板及顶板的结构示意图；
[0039]图2为圆顶形节块的结构示意图；
[0040]图3为平顶形节块的结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚晶金刚石复合材料，其特征在于：由金属粉末和聚晶金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充聚晶金刚石。2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合材料，其特征在于：所述的金属粉末与聚晶金刚石的体积比为(1
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3)：(7
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9)。3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合材料，其特征在于：所述的金属粉末由W粉末、Co粉末、Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末组成。4.根据权利要求3所述的聚晶金刚石复合材料，其特征在于：所述的金属粉末中W粉末、Co粉末、Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末的质量比为(60
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80):(5
‑
15):(5
‑
10):(2
‑
5):(5
‑
10)。5.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合材料，其特征在于：所述的聚晶金刚石的粒度为1
‑
3mm。6.一种采用权利要求1
‑
5任意一项所述的聚晶金刚石复合材料制成的节块，其特征在于：所述的节块由工作部分和支撑部分组成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为聚晶金刚石复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。7.根据权利要求6所述的节块，其特征在于：所述的硬质合金基体为YG15。8.根据权利要求6所述的节块，其特征在于：所述的支撑部分为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，所述的填充孔沿着柱状体的轴线方向设置。9.根据权利要求8所述的节块，其特征在于：所述的柱状体的顶面为平顶或圆顶。10.一种如权利要求7
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9任意一项所述的节块的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：S1：将金属粉末混合均匀，得到胎体粉末；S2：将胎体粉末制粒后作为原料使用；S3：采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一波，徐良，邹新光，孙延龙，
申请(专利权)人：北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，
类型：发明
国别省市：