一种全刃口PDC钻齿及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种全刃口PDC钻齿及其制备方法，涉及油气钻探用钻齿技术领域。该一种全刃口PDC钻齿，包括旋转体和固定腔，旋转体安装在固定腔内之间填充有润滑剂，旋转体包括齿头和定位块，齿头和定位块采用螺纹相连接其中齿头金刚石部分由材质不同的耐磨环和芯部构成，硬质合金部分由两段Co含量不同的合金拼接而成，齿头与定位块在外套环中机械组装后，封底件采用冷装过盈配合工艺装入外套环中。本发明专利技术相较传统产品具有高耐磨、高抗冲击、使用寿命长、钻进速度快等特点，能够显著提高钻进效率，降低钻进成本。钻进成本。钻进成本。

【技术实现步骤摘要】
一种全刃口PDC钻齿及其制备方法


[0001]本专利技术涉及油气钻探用钻齿
，具体为一种全刃口PDC钻齿及其制备方法。

技术介绍

[0002]PDC（金刚石复合片）具有耐磨性极高、抗冲击性优异、热稳定性好、导热系数高、便于加工、使用方便等一系列的优点。PDC最重要的用途之一是作为主要受力耐磨部件——钻齿，制备地质勘探及煤田、油气开采用钻头。现在PDC钻头在世界范围内己经占据了钻井总进尺的90%以上。
[0003]目前市面上传统的PDC钻齿通常被焊接在钻头本体上，在其使用过程中始终固定在同一个位置，被包覆部分往往占其总体积的60%以上。从目前的实际使用结果来看，刃口仅占到整个圆周的1/3左右。导致产品失效时，仍有较大部分处于未使用的状态，这是对材料的极大浪费，无形中提高了PDC钻头的使用成本。
[0004]同时使用区域过小也造成了产品使用寿命的相对缩短，在实际钻进过程中易出现频繁提钻的情况。目前的钻进现场特别是超深井的钻进使用环境中，起下钻本身的成本已经占到了单井钻进总成本的30～50%，而传统PDC钻头造成频繁起下钻的情况，将会造成钻进速度会大大降低，延长了钻井周期，这对钻头使用方来说是一种较大的成本损失。同时考虑到目前国内外油气资源分布，深井及超深井占比已经在50%以上，这一制约钻进的现状亟待解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种全刃口PDC钻齿，能够针对目前传统产品刃口使用效率低，产品使用寿命短，起下钻频繁的特点，提供一种能够全刃口使用，耐磨性、抗冲击性明显提高，寿命大大延长，能够显著提高钻进效率、降低钻进成本的PDC钻齿。本专利技术还提供了上述PDC钻齿的制备方法。
[0006]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种全刃口PDC钻齿，包括旋转体和固定腔，旋转体安装在固定腔内，所述旋转体包括齿头和定位块，所述齿头和定位块采用螺纹相连接，所述定位块的底部开设有安装盲孔，所述齿头为T形圆柱结构，上部分材质为金刚石层，下部分材质为硬质合金，且两段结合面为平面或非平面，所述固定腔由外套环和封底件组成，所述外套环的内径分为两段，且两段内径差为2～5mm，所述旋转体与固定腔之间填充有润滑剂。
[0007]具体的，所述金刚石层分为圆台状芯部和外部的耐磨环，所述耐磨环的宽度d为1～5mm，厚度h为1～3mm，所述耐磨环与芯部结合面包含但不限于弧面、垂直面。
[0008]具体的，所述耐磨环所用1号粉料组成包括W3.5金刚石微粉10～15wt.%，W5金刚石微粉20～30wt.%，W28金刚石微粉45～60wt.%，W40金刚石微粉0～5wt.%，3～5μmCo粉1～3wt.%，10～20μmFe粉0.5～1wt.%，20～30μmSiC粉2～4wt.%；所述芯部1102所用2号粉料组成包括W28金刚石微粉45～60wt.%，W40金刚石微粉35～45wt.%，3～5μmCo粉1～3wt.%，10～
20μmTi3SiC2粉2～5wt.%。
[0009]具体的，所述硬质合金部分为多段非均质合金，其中靠近金刚石层位置一端为低Co含量合金Co的含量为5～8wt.%，另一端为高Co含量合金Co的含量为13～16wt.%。
[0010]一种全刃口PDC钻齿的制备方法，其制作具体步骤如下：1）将1号粉料放入金属杯模具中，并压制成环状，而后将2号粉料放入，并将粉体表面匀平；2）将低Co含量合金与金刚石接触的一面放入配置好的酸液中进行减钴处理，处理后将另一侧平磨抛光，与之接触的高Co含量合金一侧也进行抛光加工；3）将低Co含量合金、高Co含量合金依次放入金属杯模具中，而后在外侧套装盐管、碳管、叶腊石等辅材，在高温高压下合成为毛坯；4）毛坯经机械加工，分别对复合层表面、外圆、底部及上下尖锐边缘进行磨削加工至半成品；5）对半成品金刚石层进行脱钴处理后，将其下端合金车削至所需形状并加工出螺纹，制成齿头；6）将齿头与固定块分别在两端装入外套环并拧紧；7）自大孔径一侧向外套环中注满润滑剂；8）采用过盈配合工艺将封底件装入外套环大孔径一侧，并对外套环底部外圆边缘进行倒角，制得成品PDC钻齿。
[0011]具体的，两种金刚石层粉料均采用三维混料机干混+滚筒球磨机湿混的复合混料工艺，其中干混转速为60～90r/min，时间为1～3h；湿混转速为100～150r/min，时间为2～10h，介质包含但不限于丙酮、无水乙醇、纯净水。
[0012]具体的，低Co含量合金在使用前，靠近金刚石层的一侧须进行减钴处理，低Co含量合金和高Co含量合金使用前需进行抛光处理具体的，采用酸浸法对硬质合金进行处理，所用酸液为浓盐酸、浓硝酸、浓硫酸按体积比1:0.5～0.8:1.5～2.5配置而成，酸浸温度为10～30℃，酸浸时间为1～3h。
[0013]具体的，先在模具中放入1号粉料，干压至所需环形后，再放入2号粉料，匀平后依次放入低Co含量合金和高Co含量合金两段基体。
[0014]具体的，齿头自小孔径一端装入外套环后，将定位块自另一端装入，并使用专用工具将二者拧紧。
[0015]具体的，封底件与外套环之间采用过盈配合，使用冷装工艺进行组装。
[0016]与现有技术相比，该一种全刃口PDC钻齿具备如下有益效果：1、该一种全刃口PDC钻齿采用旋转体设计，使PDC钻齿金刚石层能够实现全刃口工作，在材料总量不变的基础上，能够大大提高产品的使用寿命，进而提高单次钻进深度，大大提高钻进效率，降低钻进成本。
[0017]2、该一种全刃口PDC钻齿在金刚石层中设置耐磨性、抗崩损性能更好的耐磨环结构，能够保证产品在使用过程前期不出现较大刀口，进而避免因刀口卡顿造成刀口处快速磨损进而使产品失效的情况发生；采用多段合金配合减钴工艺，既避免了合金中Co元素大量向金刚石层中扩散而导致性能劣化，同时也保证了下端合金中Co含量便于后续机械加工要求，而将两段基体抛光后，在高温合成阶段的类扩散焊接原理下，能够自行拼接在一起，
同时具有较高的拼接强度3、该一种全刃口PDC钻齿采用不同孔径的外套环作为固定腔腔壁，减小了固定腔的制作难度，可通过现有正常工艺进行生产；采用冷装工艺进行固定腔封底，避免了高温加热对金刚石层的不利影响，能够更大程度上发挥金刚石层原有的优良性能；采用复合混料工艺，避免了不同粒径的粉料再混料中出现不匀或离析现象，从而大大提高了金刚石层中的物质均匀性，进而为性能均匀、刃口磨削均匀提供了保障。
[0018]4、该一种全刃口PDC钻齿的齿头转动能够在钻进受力过程中，将部分冲击力转化为转动力，从而提高了产品的抗冲击强度，使用寿命进一步增加，同时在同等钻速下所需钻压也大大降低，能够节约能源的消耗。
附图说明
[0019]图1是本专利技术所述钻齿剖面图。
[0020]图2是图1的局部放大图。
[0021]图3是硬质合金组合示意图。
[0022]图4是半成品钻齿剖面图。
[0023]图5是另一种半成品钻齿剖面示意图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全刃口PDC钻齿，包括旋转体和固定腔，其特征在于：旋转体安装在固定腔内，所述旋转体包括齿头（1）和定位块（2），所述齿头（1）和定位块（2）采用螺纹相连接，所述定位块（2）的底部开设有安装盲孔，所述齿头（1）为T形圆柱结构，上部分材质为金刚石层（11），下部分材质为硬质合金（12），且两段结合面为平面或非平面，所述固定腔由外套环（3）和封底件（4）组成，所述外套环（3）的内径分为两段，且两段内径差为2～5mm，所述旋转体与固定腔之间填充有润滑剂（5）。2.根据权利要求1所述的全刃口PDC钻齿，其特征在于：所述金刚石层（11）分为圆台状芯部（1102）和外部的耐磨环（1101），所述耐磨环（1101）的宽度d为1～5mm，厚度h为1～3mm，所述耐磨环（1101）与芯部结合面包含但不限于弧面、垂直面。3.根据权利要求2所述的全刃口PDC钻齿，其特征在于：所述耐磨环（1101）所用1号粉料组成包括W3.5金刚石微粉10～15wt.%，W5金刚石微粉20～30wt.%，W28金刚石微粉45～60wt.%，W40金刚石微粉0～5wt.%，3～5μmCo粉1～3wt.%，10～20μmFe粉0.5～1wt.%，20～30μmSiC粉2～4wt.%；所述芯部1102所用2号粉料组成包括W28金刚石微粉45～60wt.%，W40金刚石微粉35～45wt.%，3～5μmCo粉1～3wt.%，10～20μmTi3SiC2粉2～5wt.%。4.根据权利要求1所述的全刃口PDC钻齿，其特征在于：所述硬质合金（12）部分为多段非均质合金，其中靠近金刚石层（11）位置一端为低Co含量合金(1201)Co的含量为5～8wt.%，另一端为高Co含量合金(1202)Co的含量为13～16wt.%。5.一种全刃口PDC钻齿的制备方法，其特征在于：该制备方法的步骤如下：1）将1号粉料放入金属杯模具中，并压制成环状，而后将2号粉料放入，并将粉体表面匀平；2）将低Co含量合金(1201)与金刚石接触的一面放入配置好的酸液中进行减钴处理，处理后将另一侧平磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志伟，张钲，花波波，王宬哲，
申请(专利权)人：河南亚龙金刚石制品股份有限公司，
类型：发明
国别省市：