可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻及其制备方法技术

本申请涉及硬岩钻探用金刚石钻头的领域，具体公开了一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻及其制备方法。该孔钻包括钻头钢体、金刚石和胎体，金刚石孕镶于胎体上，胎体包括如下组分：Fe粉、Cu粉、纳米造坑粉、Ni

【技术实现步骤摘要】
可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻及其制备方法


[0001]本申请涉及硬岩钻探用金刚石钻头的领域，更具体地说，它涉及一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技与经济的飞速发展，人类对油气和矿产资源的需求日渐增加，地表浅层的化石能源已难以维持人类发展所需，深井钻探和硬岩钻探逐渐成为各国开发的重点。孕镶金刚石钻头作为硬岩钻探中最常用的钻头之一，广泛应用于地质探测、矿产勘查等钻井工程中。
[0003]孕镶金刚石钻头由胎体、钻头钢体和金刚石组成，钻头钢体起到结构支撑作用，胎体附着在钻头钢体的底部，用于包镶金刚石；胎体主要由一些金属粉料混合组成；钻孔作业时，岩石磨损胎体，胎体中的金刚石暴露在外，并将岩石磨碎；随着金刚石不断磨损，粉料也不断磨损消耗，逐渐裸露的金刚石失去粉料的包镶作用，最终与粉料一起脱落并裸露出新的金刚石，继续对岩层进行钻孔。传统技术中，常用的钻头胎体体系分为Co基、WC基和Fe基，三者各具优点，但Co基胎体价格昂贵，WC基胎体自锐性较差，应用范围较小，因此Fe基胎体逐渐成为最常用的胎体。
[0004]当岩层为坚硬、弱研磨性岩层时，金刚石钻头的钻进效率低，还易出现打滑现象。为了增加钻头对坚硬、弱研磨性岩层的钻进效率，相关技术中在胎体中加入软质相金属元素及其合金，以降低胎体的界面结合强度，从而使得胎体更易磨损，以加速金刚石的暴露。
[0005]授权公告号为CN102828696B的中国专利技术专利中公开了一种坚硬打滑地层钻进用铁基孕镶金刚石钻头，该钻头的胎体由质量百分比为70％的铁粉、12％的锌粉、15％的青铜粉、2％的镍粉等组成，并通过混料、装料、烘干、热压烧结等工序制备成型；该胎体中的Cu、Zn等软质相元素降低了铁基胎体的界面强度，使其更易磨损，增加了金刚石的出刃速率，能够用于坚硬、弱研磨性岩层的钻孔作业。
[0006]针对上述中的相关技术，专利技术人认为存在如下问题：
[0007]第一，胎体的界面结合强度降低也会使得其对金刚石的包镶能力降低，从而增加了金刚石的脱落几率，实际钻井作业中，金刚石出刃自身体积的三分之一左右就会脱落，过早脱落的金刚石又会和岩石一起磨耗胎体，严重增加了钻头的损耗；
[0008]第二，铁粉、青铜粉和锌粉作为胎体的主要成分，在胎体烧结时容易在高温下结晶聚团，使得胎体受热不均，进而使得金刚石与胎体结合不紧密，减小了钻头的耐受性和持续作业能力；
[0009]第三，胎体中的铁粉在烧结时会使得金刚石石墨化，从而降低金刚石的钻孔性能；
[0010]第四，硬岩钻孔作业时，钻头与硬岩高速摩擦产生大量热量，为了增加钻头的使用寿命，需要加入较多冷却水冷却钻头，费时费力。

技术实现思路

[0011]为了改善相关技术中钻头硬岩打孔时损耗多、寿命短、耐受性差等问题，本申请提供一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻及其制备方法。
[0012]第一方面，本申请提供一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，采用如下的技术方案：
[0013]一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，包括钻头钢体和金刚石，还包括胎体，所述金刚石孕镶于胎体中；所述胎体包括如下组分，以质量百分比计：
[0014]Fe粉61.3％～72.82％ Cu粉12％～15％纳米造坑粉6％～8％
[0015]Ni
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Cr合金4％～6％粉料润滑剂2～5％稀土Pr0.7％～1％
[0016]稀土Ce0.4％～0.6％纳米NbC2％～3％碳纳米管0.08％～0.1％。
[0017]通过采用上述技术方案，Fe粉作为胎体的主要结构基础，成本较低，资源丰富，与相关技术中Fe粉的作用并无明显区别；Fe粉在烧结过层中会促使金刚石石墨化，为此，本申请在胎体组分中加入了Ni
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Cr合金；
[0018]Ni
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Cr合金中的Cr元素能够在金刚石表面形成碳化物层，减小了Fe粉与金刚石接触并促使金刚石石墨化的可能；但是Cr的加入也会降低钻头的冲击韧性；
[0019]稀土Pr能够增加钻头的冲击韧性，但是稀土Pr在Fe中的扩散系数较小，难以与胎体各材料紧密结合；
[0020]Ni
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Cr合金中的Ni元素会使得Fe、Ni、Cr三种元素因扩散系数的差异，在胎体中形成空位，而稀土Pr能够填充在空位中，增加了稀土Pr与胎体各材料的结合度，从而增加了金刚石的冲击韧性；
[0021]Ni、Cr元素与金刚石、钻头钢体的热膨胀系数差异较大，在实际钻孔作业中，因Ni、Cr的热膨胀系数差异，胎体内部可能因为受热不均而产生裂纹；
[0022]稀土Ce能够使得胎体内部受热均匀，减小了胎体因Ni、Cr的热膨胀系数差异而产生裂纹的可能，也减小了Fe与Cu在烧结时结晶聚团，使得胎体受热不均的问题，有效减小了胎体内部的裂纹产生；
[0023]粉料润滑剂能够使得胎体结合更加紧密，降低胎体中的裂隙结构，提高胎体的耐受性和持续作业能力；但是由于耐磨性的提高，胎体较难脱落，金刚石较难出刃；
[0024]纳米造坑粉能够使得钻头表面凹凸不平，增加胎体与岩层的摩擦面积，从而使得金刚石在打孔作业初期就能够快速出刃；
[0025]钻孔作业时，钻头高速旋转，长时间的高温作业会降低钻头的性能，因此，本申请在胎体组分中加入了Cu粉；Cu的导热性极佳，能够迅速的将钻孔产生的热量导出；同时，稀土Ce与Cu配合，使得导热过程中胎体各部位热量均匀分散，不会因受热不均而脱落，因此，本申请的钻头能适应干化钻孔作业，钻孔作业时可减少冷却水的用量，甚至不使用冷却水；
[0026]但是Cu是胎体中的软质相，会使得胎体的界面强度降低，从而使得金刚石过早脱落；因此，本申请在胎体组分中加入了纳米NbC和碳纳米管，二者协同配合，以增加胎体中硬质相的比重；
[0027]同时，Fe粉和Cu粉在热压烧结时容易结晶聚团，从而降低胎体与金刚石结合的紧密性，本申请的粉料润滑剂能在Fe和Cu原子的表面上形成润滑膜，减小了晶体增长的几率；同时，稀土Ce也能使得胎体烧结时受热均匀，同样能优化Fe与Cu受热结晶的问题。
[0028]综上，本申请的Fe粉、Cu粉、纳米造坑粉、Ni
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Cr合金、粉料润滑剂、稀土Pr、稀土Ce、纳米NbC、碳纳米管互相配合，优化了Fe粉对金刚石的石墨化作用、Fe
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Cu作为主料时胎体结合不紧密、钻头需要加水散热等技术问题，同时，本申请摒弃了降低胎体界面强度的方法，利用胎体中各组分协同配合，使得金刚石和胎体结合紧密，确保了金刚石充分磨损后才脱落，不仅使得该孔钻适用于硬岩的钻孔作业，又大大增加了钻头使用寿命，妥善地优化了相关技术中的各项问题。
[0029]优选的，所述胎体包括如下组分，以质量百分比计：
[0030]Fe粉66.11％～69.11％
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Cu粉13％～14％...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，包括钻头钢体和金刚石，其特征在于：还包括胎体，所述金刚石孕镶于胎体中；所述胎体包括如下组分，以质量百分比计：Fe粉61.3％～72.82％Cu粉12％～15％纳米造坑粉6％～8％Ni
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Cr合金4％～6％粉料润滑剂2～5％稀土Pr0.7％～1％稀土Ce0.4％～0.6％纳米NbC2％～3％碳纳米管0.08％～0.1％。2.根据权利要求1所述的可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，其特征在于：所述胎体包括如下组分，以质量百分比计：Fe粉66.11％～69.11％Cu粉13％～14％纳米造坑粉7％Ni
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Cr合金4％～5％粉料润滑剂3～4％稀土Pr0.8％稀土Ce0.5％纳米NbC2.5％碳纳米管0.09％。3.根据权利要求1所述的可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，其特征在于：所述金刚石的粒度为40～45目，浓度为50％vol。4.根据权利要求1或2所述的可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，其特征在于：所述纳米造坑粉选用纳米氧化铝粉。5.根据权利要求1或2所述的可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻，其特征在于：所述粉料润滑剂选用WS2或CaF2。6.权利要求1～5所述的任意一种可干化作业的硬岩钻孔用铁基孕镶金刚石孔钻的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，
申请(专利权)人：江苏超峰工具有限公司，
类型：发明
国别省市：