[发明专利]一种海底石油麻花钻头及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属材料中的粉末冶金产品的制备技术领域，特别是提供了一种海底石油麻花钻头的结构和制备工艺。

技术背景

随着汽油机的飞速发展，在各种汽车、飞机、轮船等一切动力机械中，对石油的需求量和依赖程度已达到惊人的地步。近150年来世界各国在陆基上的开探已近枯竭，逐渐转向海底。特别是近60年来的文献检索可知，西欧、东欧的很多石油公司进行了大规模的海底石油开采，在技术上取得了较大的进步。

众所周知，海底石油勘探比陆基勘探在技术上更加艰难。首先，“钻台”建设在深海的情况下十分困难，当水深超过500米时，往往采用“锚泊”船坞式的半活动钻台，钻台的固定很困难。另外，无形中增加了在水中无用段的钻杆长度。可以想象的是长度100米以上的、中间又有多节螺纹连接的钻杆，即使在低速旋转时，其钻杆的海底端头摆动也非常大，钻头离心冲击力很难控制住，必然给钻头带来致命的破坏作用。这种现象严重的影响了钻头的起始钻孔（定位孔）工作。同时，在海底石油勘探中，如果钻头寿命短势必要经常换新钻头，这时，80~90%的工作时间是用来“提放”钻杆，而且钻台上要有很大空间存放钻杆，这是海底石油勘探最忌讳的事。从上述情况可知，用于海底石油勘探的钻头，不但要求钻进速度快、寿命长，而且要求能在低速起钻时能自行打出定位孔。因此，海底石油钻头的技术要求远比陆基钻头更高。

我国的石油工业起步很晚，在海底石油普查和开采技术上远落后于美、英和东欧、西欧国家。特别是在海底石油普查钻头和油井开采钻头方面，既无专门的研究机构，也无相应的研制经费，致使我国的海洋石油钻探工作举步维艰。我国在1958年以后，随着新疆油田、大庆油田和河北油田等的开发，在石油钻头的研制工作上有了可喜的进步。先后研制了以硬质合金柱体、聚晶金刚石、立方氮化硼（BN）等为主要硬质材料，用表镶或孕镶工艺制成了焊接式的实体螺旋钻头、刮刀式钻头和借鉴欧美各国的牙轮钻头等。这些钻头在不同的地质条件下呈现了不同的钻探速度和使用寿命，它为我国石油工业的发展做出了巨大的、不可磨灭的贡献。

多少年来，对于石油工作者来说，都希望有一种能“一钻到底”的性能极佳的“宝刀钻头”。但长期的研究表明，钻头的钻进速度不仅与钻头的刃口材质性能有关，还与钻头的切削角度、几何形状有很大的关系。以往的经验认为，采用硬度和抗压强度极高的硬质合金和人造金刚石聚晶材料作为刃口材料是最优的选择方案。但是实际使用过程中发现，由上述材料制成的钻头的整体刃口，当遇到硬岩层时，刃口很容易磨钝，而新的刃口又不能自动暴露，从而使整个钻头很快丧失钻进性能。近30年的文献检索可知，在玉石切割圆片，岩石取芯钻头和土建施工上用的穿孔钻、大理石切割锯等上采用人造金刚石颗粒与铜粉用粉末冶金热压工艺制成的“自刃口型合金”钻头（或锯片，也称为无齿锯），在实际使用过程中，表现出比硬质合金柱体和金刚石聚晶体形成的整个刃口有更良好的切削钻进速度和使用寿命。上述事实，从材料学理论分析可知，上述自刃口合金中的金刚石颗粒主要起到提供微小刃口的作用。金属铜的作用，一是将金刚石颗粒粘结在一起，而且保证在低于900℃（金刚石破损温度）时能完成粘结任务；二是利用铜的性能较软，在切削过程中很容易被岩石磨损，从而将金刚石颗粒的（刃口）暴露出来，即“自刃口合金”特性。当这些金刚石颗粒的刃口被磨钝后，这些颗粒就会被抛弃（甩掉）随后下层金刚石颗粒的刃口又会暴露出来。显然，这种“自刃口合金”的钻头在遇到硬岩层时，能显现出优异的钻进速度和使用寿命。但是在遇到中软岩层或碎石岩层时，由于它没有明显的整体切削角（前角、后角），也没有整体明显的排屑面，而这些基本要求在金属切削加工中（如车床刀具、麻花钻）是十分严格的而且是必不可少的。遗憾的是，在近百年的石油钻头的研制过程中，人们并未从理论和观念上明确的认识到，在保持刃口有规定的几何形状（具有各种几何角度）与保持刃口的尖锐锋利性，两者是一对极难解决的矛盾。人们往往期望的是，钻头在使用过程中，在任何时刻内，既能保持锋利的刃口，又能始终保持刃口的几何形状（切削前角），这种钻头才能同时具有最优异的切削速度和最长的使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种结构简单、刚性好及钻进速度快的海底石油麻花钻头的新型结构及制备工艺。