一種脫鈷pdc復(fù)合片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，以鉆齒作為陽極，銅片B作為陰極，通過將鉆齒的PDC層和銅片B置入電解液中進行電解從而將PDC層中的鈷脫去，具體包括以下步驟：（1）配制電解液，所述電解液呈堿性，電解液的電解質(zhì)與水的質(zhì)量比為（15～25）∶500，所述電解質(zhì)為K2CO3、KOH、Na2CO3、NaOH中一種或多種；（2）將鉆齒和銅片B分別與電源連接后置于電解液中，使得PDC層和銅片B浸沒在電解液中；（3）接通電源并設(shè)置電解電壓為0.73～2V進行電解。本發(fā)明制備過程簡單、對設(shè)備要求低、環(huán)保無污染，能夠有效解決氣體脫鈷和酸洗脫鈷所存在的制備工藝復(fù)雜、制備條件苛刻、對設(shè)備要求高、污染環(huán)境等系列難題。
【專利說明】一種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油勘探開采領(lǐng)域中鉆進堅硬、復(fù)雜難鉆地層的一種脫鈷PDC鉆頭復(fù) 合片的制備工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 地質(zhì)勘探領(lǐng)域包括石油、頁巖氣、天然氣及煤層氣的鉆采以及煤田地質(zhì)、鐵路、隧 道工程的勘察等。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域中，對鉆頭的消耗量，每年不低于5000萬只，其中屬于堅 硬、破碎復(fù)雜難鉆地層的鉆頭消耗量不低于2000萬只，因此市場前景廣闊。
[0003] 鉆頭的鉆齒主要以切削鉆齒和牙輪鉆齒為主。牙輪鉆齒因優(yōu)異的抗磨損效率，而 常用于硬質(zhì)地層的鉆進。而切削鉆齒主要用于偏中或較軟的地層。PDC鉆頭是目前主要的 切削鉆頭。在鉆入地質(zhì)夾層時，鉆頭會受到熱磨損和沖擊磨損。然而挖掘速率與生產(chǎn)效率 直接相關(guān)聯(lián)，使用PDC復(fù)合鉆齒的切削相對牙輪鉆齒更為有效，即使在較硬的巖層PDC復(fù)合 鉆齒仍可以近兩倍的速度掘進。
[0004] 在聚晶金剛石的合成中，將高純金剛石微粉與鈷粉混合，在1400°C，5. 5GPa下燒 結(jié)，金剛石微粉在高溫高壓下以金剛石界面-金剛石界面（D-D形式）形式界面結(jié)合。由 于鈷的晶體結(jié)構(gòu)以及晶格常數(shù)與金剛石很接近，有助于金剛石晶粒的界面生長推進，且鈷 的熔點低，在1400°C為液相，流動性較好，均勻分布在金剛石晶粒之間。另一方面，硬質(zhì)合 金基底中Co在高溫?zé)Y(jié)過程中，也會向PDC層擴散。在燒結(jié)結(jié)束后，PDC層鈷的含量為 5% -20%。
[0005] 鉆齒在井下工作時，由于摩擦、沖擊會產(chǎn)生大量的熱。一方面由于鈷的熱膨脹系數(shù) 大于金剛石的熱膨脹系數(shù)，即受熱的鉆齒其內(nèi)部存在鈷受熱膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力，而該內(nèi)應(yīng) 力會引起金剛石微粒與粘結(jié)劑之間形成微裂紋，甚至產(chǎn)生崩刃或者分層，進而大大的縮短 了鉆齒的使用壽命。與此同時，該內(nèi)應(yīng)力也會降低roc的抗沖擊韌性。另一方面在高溫的 環(huán)境中，鈷的存在會促進金剛石的石墨化，主要為降低石墨化溫度，加快石墨化速率。當(dāng)?shù)?片磨削處溫度上升時，粘結(jié)劑鈷遷移至磨削處并粘附在磨口處可成為反催化劑，促進金剛 石向石墨轉(zhuǎn)換，在表面形成凹坑，導(dǎo)致工作界面的摩擦系數(shù)增加，產(chǎn)生高溫，進一步加速了 磨削處金剛石的氧化及石墨化。
[0006] 目前市面上關(guān)于PDC片脫鈷處理研究主要為化學(xué)滲法，降低PDC片表面的鈷含量， 提高復(fù)合片的性能。而比較常見的脫鈷方法有：氣體脫鈷和酸洗脫鈷，其中，氣體脫鈷通常 是在高溫高壓（250?300°C，1. 5?2. OMpa)下在密閉的設(shè)備中通入氯氣進行脫鈷；酸洗 脫鈷是將PDC層在濃酸條件下進行脫鈷，兩者都取得了一定的脫鈷效果。但是這兩種方法 均存在諸多缺陷。氣體脫鈷由于需要在高溫高壓下進行，無疑增加了工藝的復(fù)雜性和成本， 并且對設(shè)備要求比較高,需要良好的密封性、耐高壓性和抗腐蝕性，同時由于使用了有毒氣 體氯氣，存在一定危險而且不利于環(huán)保。酸洗脫鈷也需要在較高溫度（通常在KKTC左右） 下進行，增加了工藝成本，而且脫鈷過程中所使用到的濃硫酸廢液不易處理，易造成環(huán)境污 染，同時酸洗脫鈷同樣對設(shè)備的要求比較高、成本也高。
[0007] 中國專利CN103696699A公開了一種脫鈷H)C層鉆頭及其制備工藝，其所涉及的脫 鈷工藝是在自動控制儀的封閉容器中盛滿濃度低于30%的氯氣，加入與反應(yīng)物的質(zhì)量比為 0. 22?0. 30%的觸媒劑，在溫度為250?350°C、壓力為1. 5?2. OMPa作用下脫去復(fù)合片 金剛石表層中的鈷。經(jīng)過脫鈷處理后，PDC層切削齒金剛石表層的脫鈷深度為100?300um。 該發(fā)明仍然采用氣體脫鈷法，存在成本高、工藝復(fù)雜、對設(shè)備要求高、有毒和不環(huán)保等缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，其原理可靠、制備過程 簡單、對設(shè)備要求低、環(huán)保無污染，能夠有效解決氣體脫鈷和酸洗脫鈷所存在的制備工藝復(fù) 雜、制備條件苛刻、對設(shè)備要求高、污染環(huán)境等系列難題。
[0009] 為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0010] 本發(fā)明的電解法脫鈷的基本原理是：以PDC復(fù)合鉆齒作為陽極，銅片作為陰極，優(yōu) 選Na2CO3和Κ0Η，或者Na2CO3和NaOH，或者Na 2CO3和KOH的混合溶液作為電解液，將PDC復(fù) 合鉆齒的PDC層（Co含量為5%?20% )浸在電解液中，硬質(zhì)合金層與空氣和電解液隔絕， 在外電路的作用下，Co原子失去電子，形成Co2+或Co 3+(Co3+是在反應(yīng)的后期形成），并在電 場作用下，遷移至roc層表面，與溶液中的co 32_反應(yīng)，生成CoCO3沉淀，從而將roc層中的Co 脫去。
[0011] 鉆齒由聚晶金剛石層（PDC層）與硬質(zhì)合金層（WC-Co)兩部分構(gòu)成，聚晶金剛石層 用于巖石的破碎及磨削，硬質(zhì)合金用于把持聚晶金剛石層，且焊接于鉆頭胎體內(nèi)。由于硬質(zhì) 合金在電解時，極易氧化或被電解液腐蝕，所以電解時對硬質(zhì)合金層進行了表面包覆處理， 以隔絕空氣和電解液。
[0012] 一種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，以鉆齒作為陽極，銅片B作為陰極，通過將鉆齒 的PDC層和銅片B置入電解液中進行電解從而將PDC層中的鈷脫去，具體包括以下步驟：
[0013] (1)配制電解液，所述電解液呈堿性，電解液的電解質(zhì)與水的質(zhì)量比為（15?25): 500,所述電解質(zhì)為K 2C03、Κ0Η、Na2C03、NaOH中一種或多種；
[0014] (2)將鉆齒和銅片B分別與電源連接后置于電解液中，使得PDC層和銅片B浸沒在 電解液中；
[0015] (3)接通電源并設(shè)置電解電壓為0. 73?2V進行電解。
[0016] 在進行電解之前，對鉆齒的硬質(zhì)合金層進行表面包覆處理，具體步驟如下：通過導(dǎo) 電銀漿把銅片A粘接于硬質(zhì)合金層頂部，再將導(dǎo)電膏涂覆在銅片A和硬質(zhì)合金層周圍，進一 步加固銅片A與硬質(zhì)合金層的粘接；然后用聚四氟乙烯薄膜將銅片A和硬質(zhì)合金層表面包 覆，與空氣及電解液隔離。
[0017] 所述電解液包括 Na2C03、1(0!1和 H2O 時，Na2C03、1(0!1和 H2O 的質(zhì)量比是 10:10:500， 脫鈷效果非常理想。
[0018] 所述電解電壓為0. 8?I. 5V時，可達到較好的脫鈷效果。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明以PDC層作為陽極，銅片B作 為陰極，通過在堿性環(huán)境下電解的方式對roc層進行脫鈷處理從而獲得脫鈷roc層，其制備 過程簡單、對設(shè)備要求低、環(huán)保無污染，能夠有效解決氣體脫鈷和酸洗脫鈷所存在的制備工 藝復(fù)雜、制備條件苛刻（需要高溫高壓）、對設(shè)備要求高、污染環(huán)境等系列難題。并且采用本 發(fā)明所述電解脫鈷的方法，其脫鈷效果明顯，能夠達到400?600 μ m的脫鈷深度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明脫鈷PDC復(fù)合片制備方法的原理圖。
[0021] 圖2是PDC復(fù)合片電解前在元素探測掃描儀下的形貌圖。
[0022] 圖3是PDC復(fù)合片電解后在元素探測掃描儀下的形貌圖。

【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024] PDC的生產(chǎn)是將金剛石微粉與少量的Co混合，在高溫（1500°C )高壓（5. 5GPa)環(huán) 境下，低熔點的Co液化包覆在金剛石微粉周圍。由于Co在高溫高壓下有催化作用，促進金 剛石微晶的界面推進，金剛石晶粒之間以金剛石界面-金剛石界面（D-D形式）相互連接形 成網(wǎng)絡(luò)，并且Co通常以下三種形式存在與金剛石晶粒之間：第一種，球狀Co均勻分布在金 剛石晶粒間的角隅；第二種，Co均勻分布在金剛石晶界之間，呈葉脈狀；第三種，少量的Co 聚集在PDC層中，呈島狀。
[0025] 圖1是本發(fā)明電解脫鈷的原理圖。
[0026] 鉆齒由聚晶金剛石層（PDC層）與硬質(zhì)合金層（WC-Co)兩部分構(gòu)成。本發(fā)明是以 鉆齒作為陽極，銅片（或?qū)щ娦粤己玫钠渌饘伲┳鳛殛帢O，通過將PDC復(fù)合片置入電解液 中進行電解從而將PDC復(fù)合片中的鈷脫去。其具體電解過程是：當(dāng)電源接通后，電解液中 大量的OH'CO廣在電場力的作用下遷移至PDC復(fù)合片周圍。已知Co在堿性環(huán)境下的標準 Co2+/Co標準電極電勢Φ Θ = -0. 73V，而水的電極電位為02/H20 = I. 3V，所以Co會優(yōu)先失 去電子。因此，在PDC復(fù)合片中的少量的金屬Co在外電場的作用下優(yōu)先失去電子形成Co2+。 Co2+與聚集在PDC復(fù)合片周圍的⑶32_發(fā)生反應(yīng)生成CoCO 3沉淀，從而將PDC復(fù)合片中的鈷 脫去。
[0027] 在電解過程中，PDC層表面的Co優(yōu)先電解，隨著表面的Co在電解過程中不斷被電 解，在復(fù)合片的表面會不斷形成微小的孔隙，電解液通過該孔隙進入PDC較內(nèi)層，并將內(nèi)部 Co發(fā)生電解。直到由于孔隙的毛細張力，電解液不能再繼續(xù)深入PDC層的孔隙，則PDC層內(nèi) 部的Co無法被電解，所以該電解法脫鈷的深度為400?600um。
[0028] -種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，主要包括以下步驟：
[0029] 配制電解液；
[0030] 將鉆齒和銅片B分別與電源導(dǎo)電連接后置于電解液中，使得鉆齒的PDC層浸沒在 電解液中；
[0031] 接通電源并設(shè)置電解電壓為0. 73?2V進行電解。
[0032] 在進行電解之前，通過導(dǎo)電銀漿將焊接好電極的銅片A固定在硬質(zhì)合金層頂部， 并在銅片A和硬質(zhì)合金層周圍涂覆導(dǎo)電膏，以確保硬質(zhì)合金層與連接有電極的銅片A之間 接觸良好。同時在硬質(zhì)合金層的表面包覆有一層聚四氟乙烯薄膜，從而使得硬質(zhì)合金層與 空氣隔絕，避免在電解Co的過程中對硬質(zhì)合金層造成腐蝕。
[0033] 下面結(jié)合實施例并從以下幾個方面對本發(fā)明進行詳細說明。需要說明的是本發(fā)明 的所有實施例的電解時間均是24h。
[0034] 一、電解液的配制
[0035] 電解液的濃度不同，溶液中載流子的濃度也不一樣，溶液的導(dǎo)電性也會有所差異。 為得到更好的電解效果（脫鈷效果），本發(fā)明采用在相同的電壓下，研究不同電解液配比對 電解效果的影響。表1列出了在相同電解電壓、不同電解液的條件下的電解效果。
[0036] 表1在相同電解電壓、不同電解液的條件下的電解效果

【權(quán)利要求】
1. 一種脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，以鉆齒作為陽極，銅片B作為陰極，通過將鉆齒的 PDC層和銅片B置入電解液中進行電解從而將PDC層中的鈷脫去，具體包括以下步驟： (1)配制電解液，所述電解液呈堿性，電解液的電解質(zhì)與水的質(zhì)量比為（15?25):500， 所述電解質(zhì)為K2C03、KOH、Na2C03、NaOH中一種或多種； (2 )將鉆齒和銅片B分別與電源連接后置于電解液中，使得PDC層和銅片B浸沒在電解 液中； (3)接通電源并設(shè)置電解電壓為0. 73?2V進行電解。
2. 如權(quán)利要求1所述的脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，其特征在于，在進行電解之前，對 鉆齒的硬質(zhì)合金層進行表面包覆處理。
3. 如權(quán)利要求2所述的脫鈷roc復(fù)合片的制備方法，其特征在于，所述表面包覆處理步 驟如下：通過導(dǎo)電銀漿把銅片A粘接于硬質(zhì)合金層頂部，再將導(dǎo)電膏涂覆在銅片A和硬質(zhì)合 金層周圍，然后用聚四氟乙烯薄膜將銅片A和硬質(zhì)合金層表面包覆。
4. 如權(quán)利要求1所述的脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，其特征在于，所述電解液包括 似2〇)3、1(011和 H20,且 Na2C03、K0I^P H20 的質(zhì)量比是 10:10:500。
5. 如權(quán)利要求1所述的脫鈷PDC復(fù)合片的制備方法，其特征在于，所述電解電壓為 0? 8 ?1. 5V。
【文檔編號】C25F5/00GK104389012SQ201410562957
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】薛屺, 范萍, 張進, 李松霞 申請人:西南石油大學(xué)