專利名稱：一種熱壓孕鑲金剛石鉆齒和制法及其在強(qiáng)研磨性硬地層的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本本發(fā)明涉及一種石油鉆探用鉆齒，特別是涉及一種熱壓孕鑲金剛石鉆齒和制法及其在強(qiáng)研磨性硬地層的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著勘探程度的不斷提高，淺層、易開(kāi)發(fā)油氣資源已逐漸減少，開(kāi)發(fā)深部地層油氣資源勢(shì)在必行。深井超深井的鉆探經(jīng)常遇到石英砂巖、花崗巖等強(qiáng)研磨性硬地層，在以往此類地層鉆進(jìn)中多采用牙輪鉆頭、PDC鉆頭和金剛石鉆頭。但牙輪鉆頭破巖效率低，單只鉆頭進(jìn)尺少，并容易出現(xiàn)掉牙輪等井下事故；PDC鉆頭磨損速度快，吃入困難；金剛石鉆頭也同樣存在鉆進(jìn)速度慢、壽命較短的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了油氣勘探開(kāi)發(fā)的速度。為了提高強(qiáng)研磨性硬地層的鉆探效率，國(guó)內(nèi)外鉆井工作者和鉆頭研究者都在加緊研究高效破巖工具和方法。尤其是孕鑲金剛石鉆頭的研究，為國(guó)內(nèi)外研究人員所重視。提高此類鉆頭性能的方法是合理設(shè)計(jì)金剛石參數(shù)，針對(duì)不同特性的地層，都有一組合理的金剛石參數(shù)與之對(duì)應(yīng)，如鉆進(jìn)堅(jiān)硬、研磨性地層，要求選用磁選、高品級(jí)、細(xì)粒度及高濃度的金剛石，具體參數(shù)由理論計(jì)算得出，以確保鉆頭的高效破巖及長(zhǎng)壽命。但這種方法存在一個(gè)顯著的問(wèn)題因天然金剛石昂貴，鉆頭成本太高，故為了降低制造成本，大多選用人造金剛石，這在一般硬地層的鉆進(jìn)中可以取得一定的效果，但如果地層研磨性很高，人造金剛石就不足以抵抗巖石的研磨性，且金剛石在胎體中的分布不均勻，導(dǎo)致鉆頭早期磨損嚴(yán)重，無(wú)法正常使用。提高此類鉆頭性能的另一方法是改善胎體性能，所采用的胎體配方應(yīng)具有良好的物理力學(xué)性能，并能與所采用金剛石參數(shù)相匹配，適當(dāng)超前磨損。針對(duì)硬地層、研磨性地層，可以從兩方面調(diào)整胎體配方，一是在傳統(tǒng)碳化鎢基胎體的基礎(chǔ)上，增加碳化鎢的比例，來(lái)提高胎體對(duì)金剛石的包鑲與耐磨性；二是調(diào)整胎體成分，如2007年中國(guó)專利CN101144370A所述的一種熱壓高磷鐵基金剛石鉆頭，以磷鐵取代部分碳化鎢，拓寬了鉆頭對(duì)不同巖層的適應(yīng)能力，降低了生產(chǎn)成本。但上述方法存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題(I)隨著碳化鎢比重的提高，鉆頭燒結(jié)溫度也隨之提高，導(dǎo)致金剛石的質(zhì)量下降；(2)熱壓高磷鐵基金剛石鉆頭的整體性能依然偏低，雖然可以有效針對(duì)堅(jiān)硬弱研磨性地層，但對(duì)強(qiáng)研磨性地層效果不明顯。另外，英國(guó)專利GB2454589A以金剛石磨料周圍預(yù)裹覆不同的胎體材料，研制了一種強(qiáng)弱混鑲的鉆頭切削結(jié)構(gòu)，沒(méi)有改變胎體對(duì)金剛石的包鑲本質(zhì)，依然以機(jī)械包鑲為主，因此提升效果不明顯；中國(guó)專利CN101139727A通過(guò)采用鐵作為金剛石鉆頭的胎體材料，拓寬了電鍍工藝在鉆頭制造業(yè)中的應(yīng)用，但其產(chǎn)品的硬度及耐磨性依然不及熱壓燒結(jié)法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種熱壓孕鑲金剛石鉆齒和制法及其在強(qiáng)研磨性硬地層的應(yīng)用。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，在分析了 roc(聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭和金剛石鉆頭與巖石相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制了適合于強(qiáng)研磨性硬地層的熱壓孕鑲金剛石鉆齒。本發(fā)明之一的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的金剛石鉆齒由復(fù)合胎體I和天然金剛石2組成，其中。所述的天然金剛石2的體積濃度為75 110% ;按質(zhì)量比計(jì)所述的復(fù)合胎體I由碳化鎢25 43、鑄造碳化鎢15 25、銅粉15 30、鈷粉13 20、鎳粉11 17、錳粉I 3、磷粉I 2和人造單晶金剛石粉O. 5 I組成。在具體實(shí)施中，所述的金剛石鉆齒的齒形優(yōu)選為圓柱形，圓柱形的外徑D可以為9 19mm、柱高H可以為10 1 5mmη所述的天然金剛石2優(yōu)選為鍍鈦天然金剛石；所述的天然金剛石2的粒度范圍可以為40 100目；所述的復(fù)合胎體中I中各組分的粒度可以為200 400目；所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒以豎立和橫臥相間的鑲嵌方式連接在鉆頭體上；另外，上述的熱壓孕鑲`金剛石鉆齒采用熱壓燒結(jié)工藝合成制成，其中燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min ；在具體實(shí)施中，首先根據(jù)鉆齒結(jié)構(gòu)具體參數(shù)，計(jì)算鉆齒體積數(shù)據(jù)，之后與金剛石體積濃度具體參數(shù)做乘積，可得金剛石所占鉆齒體積的具體數(shù)據(jù)，用金剛石體積與金剛石密度做乘積可得金剛石質(zhì)量。鉆齒復(fù)合胎體體積=鉆齒體積-金剛石體積。然后假設(shè)鉆齒復(fù)合胎體整體質(zhì)量為1，I與復(fù)合胎體具體設(shè)計(jì)方案中各元素所占的質(zhì)量濃度做乘積，可得各元素所占質(zhì)量，運(yùn)用公式I/ K元素I所占質(zhì)量/元素I的密度)+ (元素2所占質(zhì)量/元素2的密度)+. . . }可得復(fù)合胎體密度。用以上計(jì)算所得復(fù)合胎體體積與復(fù)合胎體密度做乘積可得復(fù)合胎體的質(zhì)量。復(fù)合胎體質(zhì)量與復(fù)合胎體具體設(shè)計(jì)方案中各元素所占的質(zhì)量濃度做乘積可得復(fù)合胎體各元素的質(zhì)量。本發(fā)明之二的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的制法，是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒采用熱壓燒結(jié)工藝合成，其中燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min。所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒以豎立和橫臥相間的鑲嵌方式燒結(jié)在鉆頭體上。本發(fā)明之三是所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒在強(qiáng)研磨性硬地層鉆進(jìn)中的應(yīng)用。在應(yīng)用中，所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒可以在鉆進(jìn)可鉆性為7. 3 9. 7級(jí)的硅質(zhì)膠結(jié)石英砂巖中鉆進(jìn)，鉆壓可以為1. 5t，轉(zhuǎn)速可以為106rpm，泵量可以為llL/s，鉆速在1. 35 2. 13m/h范圍內(nèi)，平均磨損速率僅為O. 012 O. 019g/m。本發(fā)明的有益效果在于(I)熱壓孕鑲金剛石鉆齒同時(shí)兼有切削和磨削兩種破巖作用。借鑒PDC復(fù)合片的圓柱形設(shè)計(jì)，以豎立與橫臥兩種鑲嵌方式燒結(jié)在鉆頭體上，在鉆遇泥頁(yè)巖類地層時(shí)，鉆齒可以像PDC切削齒一樣切削地層。在鉆遇石英砂巖類強(qiáng)研磨性硬地層時(shí)，鉆齒可以以磨削方式破碎巖石。大大提高了鉆齒的破巖效率。(2)胎體中混鑲一定比例的人造單晶金剛石粉，以提高胎體的耐磨性，配以天然金剛石作為磨削材料，大大提高鉆齒的耐磨性，其磨耗比可高達(dá)32605. 21。(3)胎體中加入P元素，Co-P合金的共晶溫度為1020° c，N1-P合金的共晶溫度為880° C，大大降低燒結(jié)溫度，同時(shí)鈦鍍層能夠高效的隔離金剛石表面，有效降低了燒結(jié)過(guò)程中對(duì)金剛石的損傷。(4)提高了胎體對(duì)金剛石的包鑲力，天然金剛石磨料進(jìn)行鍍鈦工藝處理，鈦與金剛石表面C原子形成強(qiáng)化學(xué)鍵，同時(shí)對(duì)胎體材料具有良好的浸潤(rùn)性，改變了以往以機(jī)械力為主的包鑲形式，從而顯著提高胎體對(duì)金剛石的包鑲力。(5)使用該鉆齒設(shè)計(jì)的鉆頭，對(duì)強(qiáng)研磨性硬地層具有很強(qiáng)的針對(duì)性。(6)制備方法簡(jiǎn)單,易于掌握,適合大規(guī)模生產(chǎn)。



圖1是本發(fā)明的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的一種形狀、結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，左邊的鉆齒為豎立、右邊的鉆齒為橫臥方式鑲嵌于鉆頭體中的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅僅局限于此。具體如圖1所示。借鑒PDC鉆頭的齒形特征，將熱壓孕鑲金剛石鉆齒設(shè)計(jì)為圓柱形，以充分發(fā)揮切削破巖效率高的優(yōu)勢(shì)。為提高鉆齒的耐磨性和吃入硬地層的能力，鉆齒設(shè)計(jì)由天然金剛石磨料、人造單晶金剛石粉和碳化鎢胎體組成，采用熱壓燒結(jié)工藝合成。天然金剛石具有極高的硬度和耐磨性，可顯著提高鉆齒的耐磨性。通過(guò)在胎體中混鑲一定比例的人造單晶金剛石粉，以提高胎體的耐磨性，使之與天然金剛石的磨損速度相匹配。這樣即可保證天然金剛石的有效出露，又避免胎體磨損過(guò)快而導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落。天然金剛石和人造金剛石都經(jīng)過(guò)鍍鈦處理，大大提高了金剛石與胎體的膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)減低了燒結(jié)過(guò)程中對(duì)金剛石的損傷。如圖2所示，鉆齒的齒形設(shè)計(jì)為圓柱形，圓柱形的外徑為9mm 19mm、柱高為IOmm 15mm，可根據(jù)所鉆地層特性及鉆頭設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終以豎立和橫臥相間的鑲嵌方式燒結(jié)在鉆頭體上，其出露高度可根據(jù)地層特性等技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)施例1用熱壓法制造鉆齒，鉆齒規(guī)格為Φ 13 X 15mm，胎體材料(質(zhì)量百分比，200目 400目)p 2%,Mn 1%Χο 17. 5%,Cu 15. 4%,Ni 15. 4%、鑄造碳化鎢 20. 5%、WC 27.6%、人造單晶金剛石粉O. 7%;金剛石濃度100% (體積濃度)，金剛石粒度為70目 80目；燒結(jié)工藝參數(shù)燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min。將上述鉆齒采用豎立與橫臥相間的鑲嵌方式，加工101. 6 (指鉆頭直徑為101. 6mm即鉆頭尺寸為4in)的熱壓孕鑲金剛石鉆頭，鉆進(jìn)可鉆性為9. 2級(jí)的硅質(zhì)膠結(jié)石英砂巖。鉆進(jìn)參數(shù)鉆壓1. 5t，轉(zhuǎn)速106rpm，泵量llL/s。該金剛石鉆頭鉆速為1. 38m/h，平均磨損速率僅為 O. 014g/m。
實(shí)施例2用熱壓法合成鉆齒，鉆齒規(guī)格為Φ19Χ15πιπι，胎體材料(質(zhì)量百分比，200目 400目)ρ1. 5%,Mn 3%,Co 14. 5%,Nil2. 7%,Cu 20%、鑄造碳化鎢 22. 6%、WC 25%、人造單晶金剛石粉0. 7% ;金剛石濃度80% (體積濃度)，金剛石粒度為60目 70目；燒結(jié)工藝參數(shù)燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min。將上述鉆齒采用采用豎立與橫臥相間的鑲嵌方式，加工101. 6熱壓孕鑲金剛石鉆頭，鉆進(jìn)可鉆性為7. 3級(jí)的硅質(zhì)膠結(jié)石英砂巖。鉆進(jìn)參數(shù)鉆壓1. 5t，轉(zhuǎn)速106rpm，泵量11L/s，該金剛石鉆頭鉆速為2. 13m/h，平均磨損速率僅為0. 019g/m。實(shí)施例3用熱壓法合成鉆齒，鉆齒規(guī)格為Φ 19 X 10mm，胎體材料(質(zhì)量百分比，200目 400目)p1. 9%,Mn l%,Nil2%,Co 13. 9%,Cu 17%、鑄造碳化鎢 21 %、WC 32.5%、人造單晶金剛石粉0. 7%;金剛石濃度110% (體積濃度)，金剛石粒度為70 80目；燒結(jié)工藝參數(shù)燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min。將上述鉆齒采用豎立與橫臥相間的鑲嵌方式，加工101. 6熱壓孕鑲金剛石鉆頭，鉆進(jìn)可鉆性為9. 7級(jí)的娃質(zhì)膠結(jié)石英砂巖。鉆進(jìn)參數(shù)鉆壓1. 5t,轉(zhuǎn)速106rpm,泵量11L/s,該金剛石鉆頭鉆速為1. 35m/h,平均磨損速率僅為0. 012g/m。
權(quán)利要求
1.一種熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的金剛石鉆齒由復(fù)合胎體(I)和天然金剛石(2)組成，其中， 所述的天然金剛石(2)的體積濃度為75 110% ; 按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)所述的復(fù)合胎體(I)由碳化鎢25 43、鑄造碳化鎢15 25、銅粉15 30、鈷粉13 20、鎳粉11 17、錳粉I 3、磷粉I 2和人造單晶金剛石粉O. 5 I組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的金剛石鉆齒的齒形為圓柱形，圓柱形的外徑D為9 19mm、柱高H為10 15mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的天然金剛石(2)為鍍鈦天然金剛石，其粒度范圍為40 100目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的復(fù)合胎體中(I)中各組分的粒度為200 400目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒以豎立和橫臥相間的鑲嵌方式連接在鉆頭體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5之一的熱壓孕鑲金剛石鉆齒，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒采用熱壓燒結(jié)工藝合成制成，其中燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060°C，保溫4min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 5之一的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的制法，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒采用熱壓燒結(jié)工藝合成，其中燒結(jié)壓力22MPa，燒結(jié)溫度1060 °C,保溫 4min。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的制法，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒以豎立和橫臥相間的鑲嵌方式燒結(jié)在鉆頭體上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 6之一的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的應(yīng)用，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒在強(qiáng)研磨性硬地層鉆進(jìn)中的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的熱壓孕鑲金剛石鉆齒的應(yīng)用，其特征在于 所述的熱壓孕鑲金剛石鉆齒在可鉆性為7. 3 9. 7級(jí)的硅質(zhì)膠結(jié)石英砂巖中鉆進(jìn)，鉆壓為1. 5t，轉(zhuǎn)速為106rpm，泵量為llL/s，鉆速為1. 35 2. 13m/h。
全文摘要
本發(fā)明為一種熱壓孕鑲金剛石鉆齒和制法及其在強(qiáng)研磨性硬地層的應(yīng)用。所述的金剛石鉆齒由復(fù)合胎體(1)和天然金剛石(2)組成；按質(zhì)量比計(jì)，復(fù)合胎體(1)由WC 25～43、鑄造WC 15～25、Cu 15～30、Co 13～20、Ni 11～17、Mn 1～3、P 1～2和人造單晶金剛石粉0.5～1組成；天然金剛石(2)為鍍鈦天然金剛石，其粒度范圍為40目～100目，濃度為75％～110％。鉆齒的齒形設(shè)計(jì)為圓柱形。本發(fā)明所提供的鉆齒可以豎立和橫臥兩種方式鑲嵌于鉆頭基體上，在軟硬交錯(cuò)、研磨性地層中具有切削與磨削兩種破巖方式聯(lián)合作用，破巖效率高，使用壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)E21B10/46GK103028731SQ20111030183
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者鄒德永, 李真祥, 瞿佳, 孫坤忠, 莊林林, 袁軍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司勘探南方分公司, 中國(guó)石油大學(xué)(華東)