[发明专利]适用于弱研磨性硬地层的孕镶金刚石钻头胎体材料

说明书

技术领域：

本发明涉及一种孕镶金刚石钻头的胎体材料。

背景技术：

随着科学技术的发展，钻探技术在能源勘探，工程钻探，海洋钻探，极地钻探和科学钻探各领域的作用越来越广泛，钻进深度越来深，在钻进过程中遇到极坚硬地层的几率也越来越多，传统的钻井工具牙轮钻头在钻越该地层时，钻头牙齿会由于地层硬度极高而碎裂，达不到钻进岩石的目的；PDC钻头由于是利用刮削方式破碎岩石，钻头切削齿不能有效吃入坚硬地层而不能适应坚硬地层的钻进；孕镶金刚石钻头虽能担负坚硬地层的钻进工作，但也存在以下诸多问题。在钻进诸如硬灰岩、高强度白云岩、含燧石结核碳酸盐岩等致密而研磨性较低的硬地层时，孕镶金刚石钻头时常出现打滑现象而进尺极慢甚至不进尺，机械钻速时常在0.1～0.2m/h左右，钻进需要耗费大量的时间和钻头；其原因是金刚石在很短的钻进时间很快被磨钝，不能有效的切削岩石，同时胎体在少岩屑或无岩屑情况下不能及时磨损使金刚石出露，造成当前孕镶金刚石钻头钻进弱研磨性硬地层效率低、成本高。因此研究一种性能与岩石性质相适应的孕镶金刚石钻头胎体材料，以提高孕镶金刚石钻头在弱研磨性硬地层的钻进效率，从根本上降低钻井成本，这对深井钻探、海洋钻探、科学钻探等的发展必将产生深远的影响。

发明内容：

本发明的目的是要开发一种耐磨性适中、抗冲蚀性好、抗冲击韧性强、对金刚石的包裹实现弱包裹和强包裹有机结合的适用于弱研磨性硬地层的孕镶金刚石钻头胎体材料。

本发明的目的是这样实现的，所说的胎体材料包括200目以细铸造碳化钨20％～30％、800目以细碳化钨20％～30％、80～200目钨粉10％～20％、400目以细铜粉20～25％、800目以细镍粉10～15％、800目以细锰粉5～10％、400目以细锌粉2～5％、和400目以细钴粉2～5％，以上含量均为重量百分含量。将以上材料充分混匀后，再与粒度为45～80目的金刚石混合，在温度1050℃、加压2KN下压制，金刚石占总重量的40％～50％。

钻头胎体材料的耐磨性与所钻地层的研磨性的适应性直接关系到孕镶金刚石钻头的性能，如果胎体材料硬度和耐磨性过高，金刚石不能有效出刃，产生“打滑”；如果胎体材料过软，则金刚石过早脱落，钻头寿命低。在合理选择金刚石的强度、粒度和浓度的基础上，依据所钻进岩石的研磨性，以钻头胎体材料的磨损速率与金刚石的磨损速率相接近为佳。本发明所述的胎体材料由铸造碳化钨、碳化钨、钨粉、铜粉、镍粉、锰粉、锌粉和钴粉等材料混合通过热压烧结而成，可以通过调节铸造碳化钨、碳化钨与钨之间的比例来控制胎体材料的硬度，使得胎体材料的磨损速率与金刚石的磨损速率相接近，以实现对金刚石的弱包裹和强包裹的有机结合。铜为胎体的主要粘结金属，加入适量的镍可以提高粘结金属的流动性和强度，加入钻提高胎体的抗冲击韧性，用锌降低烧结温度，锰可以提高抗弯强度。

具体实施方式：

下面结合实施例来详细描述本发明。

本发明采用的胎体材料由铸造碳化钨、碳化钨、钨粉、铜粉、镍粉、锰粉、锌粉和钴粉等材料混合通过热压烧结而成。可以通过调节铸造碳化钨、碳化钨与钨之间的比例控制胎体的硬度。

实施例1：

取200目以细铸造碳化钨7克、800目以细碳化钨10.5克、80～200目钨粉3.5克、400目以细铜粉7克、800目以细镍粉3.5克、800目以细锰粉1.75克、400目以细锌粉0.7克、400目以细钴粉1.05克。将以上材料充分混匀后，再加入14克粒度为45～80目的金刚石充分混匀后，装入模具，在1050℃的温度下加压2KN压制成外径为Φ70mm，内径为Φ54mm的实验取芯钻头。在实验室中对硬灰岩和含燧石结核碳酸盐岩分别进行钻进试验，在钻压6KN、转速60转/分钟时，钻进2小时，平均机械钻速分别为3.87米/小时和2.04米/小时，金刚石颗粒包镶良好。

实施例2：

取200目以细铸造碳化钨8.75克、800目以细碳化钨8.75克、80～200目钨粉3.5克、400目以细铜粉7克、800目以细镍粉3.5克、800目以细锰粉1.75克、400目以细锌粉0.7克、400目以细钴粉1.05克。将以上材料充分混匀后，再加入14克粒度45～80目金刚石充分混匀后，装入模具，在1050℃的温度下加压2KN压制成外径为Φ70mm，内径为Φ54mm的实验取芯钻头。在实验室中对硬灰岩和含燧石结核碳酸盐岩分别进行钻进试验，在钻压6KN、转速60转/分钟时，钻进2小时，平均机械钻速分别为3.76米/小时和2.25米/小时，金刚石颗粒包镶良好。

实施例3：