[发明专利]一种地质和石油工业用新型牙轮钻头的制备技术

说明书

技术领域

本发明属于地质勘探和石油开采工业中钻头的制备技术领域，特别是提供了一种用新型的金刚石夹心式的硬质合金球齿技术及采用硬质合金全覆盖式的牙轮塔体制造技术，最终制备成一种钻进速度高，耐磨寿命长的牙轮钻头。

背景技术

地质工业和石油工业中采用牙轮钻头的历史已近80年，这种结构的钻头在中软地层的钻探作业中发挥了优良的性能，因此多年来，在欧美各国及中东等石油富产国中广泛采用。

牙轮钻的最大特点是在钻探过程中随着钻杆的旋转，塔轮产生自转，从而改变了球齿与岩石表面的运动状态(由滑动切削变为滚动碾压)可降低球齿与岩石的相对切削速度，但明显的提高了球齿与岩石表面的碾压时间和碾压压力。从岩石破碎的机理来看，单纯的切削岩石，很容易磨损球齿(刀具)，特别是对于脆性很大的硬质合金球齿来说，由于现有的钢模生产特点，最容易产生球顶部密度低和断头现象。由硬质合金的力学特征可知，其承受抗弯、剪切、拉伸的性能很差，唯独抗压强度和硬度特别高，最适合于碾压的工作状态。因此从牙轮钻的结构和传动原理可知在牙轮钻中，采用硬质合金球齿，通过快速，高压的碾压破碎，将岩石粉碎以完成向深处的掘进工作是合理的。实践证明，这种钻头在岩石硬度小于6级时都能很好的胜任工作。遗憾的是在岩石硬度高于6级时，这种钻头出现的问题较多，主要有：1、硬质合金球齿磨损过快；2、硬质合金球齿断头和脱落较多；3、球齿的塔轮磨损严重；4、轴承寿命低。近十年来美国采用铸造WC粉和黄铜浸渍的方法将塔轮用(WC+Cu)合金全覆盖。经过这种在材料工艺上的改造后的牙轮钻头。综合性能明显提高，特别是在海底石油钻井中也得到了广泛应用。近几年来几乎已垄断了整个欧美和中东市场。

我国在上世纪六十年代末，在石油工业中，开始使用这种牙轮钻头，同时也开发了我国独有的刮刀钻头。在牙轮钻的使用过程中，对球齿顶部的形状也做过多种改进，如球型齿顶改为，楔形、圆锥形，圆台形等。在合金成分上也进行了多种试探，如先后采用过YG6、YG8、YG10、YG6X合金。这些合金的抗弯强度一般在2000-2300MPa，硬度为HRA86-89.使用的WC粉粒度一般为1.5-2.5μm(中颗粒)，只有YG6X牌号的合金，其WC粉粒度较细(0.5-1.5μm)，力学性能较好，但因价格较贵，实际应用较少。近年来有关超细晶粒硬质合金的最新研究成果表明，当合金中的WC晶粒≤0.3μm时，硬质合金的抗弯强度提高2倍(高达4000-4300MPa)，耐磨性能成倍提高，硬度可达HRA92-94。

发明内容

纵观地质和石油钻头的发展过程可知，钻头的结构设计离不开材料特性及其工艺特征的搭配，几十年来尽管牙轮钻在结构上没有多大变化，但在材料及工艺过程上仅作了如美国的(WC+Cu)浸渍工艺上的改变，就可以将牙轮钻的综合性能大幅度提高。鉴于上述背景，本发明从两方面实现了创新，

(一)、制备和采用金刚石夹心式超细晶粒硬质合金球齿

(二)、采用颗粒熔浸铸造技术，将塔轮的钢质基体表面强化改性(见附图二)。此目的，一是用硬质合金层将塔轮表面全部覆盖以防止塔轮表面在钻探过程中过快磨损。其二是为了用硬质合金层将球齿与塔轮钢基体通过钎焊而加固，从而可明显的减少球齿断头和脱落现象。

其具体工艺步骤如下：见附图1。

附图1是本发明的制备工艺流程图，其中：

1-1：是制备空心球齿：采用平均粒径≤100nm的WC粉，用化学包覆法将10％质量的钴(Co)制成为YG10成分的纳米钴包纳米WC合金粉，然后采用附图6或附图7所示的新型的高压软模成形技术制成空心球齿毛坯，再经1380-1400℃(60分)真空烧结，制成外径φ10-φ12，中心孔为φ2.5-2.8的空心球齿。

1-2：是金刚石夹心：将粒径为1.27-0.159mm(10-80目)人造金刚石粉末与663青铜粉10％(质量)，另加少许(3-10％质量)酒精，搅拌混合后在压力下装填到上述硬质合金空心球齿的孔内，在高频感应加热下将663青铜粉熔化，可将人造金刚石颗粒焊接在硬质合金的空心球齿内，从而形成为有金刚石夹心的超细晶粒硬质合金球齿。

1-3：是塔轮的机加工准备工作：

按球齿尺寸及排列分布规律及硬质合金层厚度等确定加工尺寸见附图3，附图3中3-1是夹心球齿；3-2是泡沫塑料板；3-3是塔轮钢基体。