[发明专利]用于矿山和石油钻探的岩石切割工具及方法

说明书

本发明涉及岩石切割技术领域，提供一种岩石切割工具，包括刀具，该刀具包括至少一个前部的多晶合成金刚石层、一个后部的包括金刚石颗粒和钴键合的金刚石浸渍层，多晶合成金刚石层被沿着平面交接面直接支撑，平面交接面与齐平金刚石颗粒齐平，该齐平金刚石颗粒与多晶合成金刚石层共价键合。本发明还提供一种该岩石切割工具的刀具的制造方法，首先制备金刚石粒料并对其进行模压和冷压，然后对得到的预成型的金刚石浸渍层进行烧结及机械加工直至获得具有齐平金刚石颗粒的平面交接面并在其上沉积金刚石粉末，最后将金刚石粉末层转化成与齐平金刚石颗粒共价键合的多晶合成金刚石层。本发明的刀具能够能够以最小的磨损在软地层和硬地层中有效钻孔。

技术领域

本发明涉及岩石切割技术领域，特别是涉及一种用于矿山和石油钻探的岩石切割工具及其制造方法。

背景技术

矿井或石油钻探者长期使用被称为“牙轮钻头”的三锥式工具，即具有包括三个圆锥形旋转头的切割头，该旋转头设置有齿形物或突刺以有效地钻削任何类型的地形。在钻具的垂直前进过程中，改变三锥形以适应所遇到的地层的性质，即岩石的硬度。实际上，石油沉积物通常存在于几千米深处，需穿过一系列软岩(例如粘土)和硬岩(例如砂岩)才能将其找得到。

在20世纪60年代，多晶合成钻石(PSD)的开发及其与钻井工具的结合以取代齿形物和突刺使得有可能大幅提高钻井效率，尤其是在较软的岩石中，可不再使用“牙轮钻头”工具。

在实践过程中，PSD刀具的制造包括高抗冲击性能的支撑层，通常具有碳化钨(WC)的基底，在其上通过高压-高温(HPHT)或化学气相沉积(CVD)方法形成较薄的PSD层。这些刀具通过钎焊结合到钻探工具的旋转切割头或刀片中，该旋转切割头或刀片可具有不同的形状。

然而，这些PSD刀具存在一些缺点。一方面，PSD层的耐磨性很大程度上取决于对其支撑的层。PSD(低系数)和碳化物支撑体(高系数)之间热膨胀系数的主要差异导致了尤其在高温下特别高的机械应力。然而在钻探过程中，切割头处的温度达到几百度。这可能导致PSD层中形成裂缝并显著降低其寿命。此外，支撑层的低耐磨性和岩石的弹性显著且极大地限制了其对PSD的支撑作用，其将在机械应力的作用下破裂。这些缺点因此减少了PSD在软地层中的应用。

为了强化刀片，提出了在旋转钻头上刀片的厚度方向上，加设浸渍在其结构中的金刚石浸渍刀具，即钻头，该金刚石浸渍刀具通常具有包含大量金刚石颗粒的碳化物基底。这些金刚石浸渍刀具采用粉末冶金方法制造，其比简单的碳化物基结构更耐磨，每个金刚石颗粒都参与到岩石磨损中。然而，在所称混合工具中这些金刚石刀具和PSD刀具的组合并不能显着改善工具的钻孔能力。实际上，由于与钎焊技术有关的原因，金刚石刀具离PSD层太远，因此不能有效地加强其作用。在存在硬质地层的情况下，PSD层在金刚石刀具真正发挥作用前就会被磨损，因此无法再用于较软的连续层。然而，为了更换该工具，从钻孔中移除切割头是非常冗长和昂贵的过程。

因此，需要开发具有能够以最小的磨损在软地层和硬地层中有效钻孔的刀片的岩石切割工具。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种有效且坚固的混合式岩石切割工具以及制造该工具的方法，具体提供一种用于矿山和石油钻探的岩石切割工具及其制造方法，岩石切割工具能够以最小的磨损在软地层和硬地层中有效钻孔。

本发明的技术方案为：

一种岩石切割工具，包括刀具，所述刀具包括至少一个前部的多晶合成金刚石层、一个后部的包括金刚石颗粒和钴键合的金刚石浸渍层，其特征在于：所述多晶合成金刚石层被沿着平面交界面直接支撑，所述金刚石浸渍层的平面交界面的表面被机械加工成平面且与齐平金刚石颗粒齐平，与所述金刚石浸渍层齐平的齐平金刚石颗粒与所述多晶合成金刚石层共价键合。

在一个有趣的实施例中，所述金刚石浸渍层和多晶合成金刚石层交替设置。

所述金刚石浸渍层的金刚石颗粒均匀分布且互不接触。