專利名稱：堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基孕鑲金剛石鉆頭，特別涉及一種用于鉆進堅硬弱研磨性地層的鐵基孕鑲金剛石鉆頭。
背景技術(shù)：
堅硬、弱研磨性巖層，又稱“打滑”地層，打滑地層具有巖石硬度大、強度高、研磨性弱等特點，在這類巖層進行金剛石鉆進時經(jīng)常出現(xiàn)金剛石鉆頭打滑現(xiàn)象，致使鉆進效率低，或根本不進尺，是鉆探行業(yè)長期存在的一大技術(shù)難題。“打滑”地層的常規(guī)處理方法包括
(I)金剛石鉆頭人工出刃采取打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨和沖洗液中加砂等都輔助手段磨損鉆頭胎體來實現(xiàn)金剛石鉆頭出刃。(2)軟胎體鉆頭鉆進打滑地層時，人 們往往為了加快胎體磨耗，加速金剛石出刃，采取降低胎體硬度的辦法。(3)異型唇面鉆頭主要指高低刃金剛石鉆頭和同心圓尖齒鉆頭，其設(shè)計指導(dǎo)思想是要減少鉆頭唇面與孔底巖石面之間的接觸面積，提高金剛石鉆頭唇面對巖石的單位面積壓力。金剛石鉆頭人工出刃方法只是解決打滑問題的一種應(yīng)急輔助手段，不是根本的解決方法。實踐證明，用軟胎體克服鉆頭打滑現(xiàn)象效果并不好。異型唇面鉆頭唇面齒磨損后，鉆頭唇面與巖石接觸面積逐漸增大，鉆頭的比壓下降，整個鉆頭的大部分鉆進時間同普通鉆頭沒有多少區(qū)別。孕鑲金剛石鉆頭基本采用碳化鎢基作為胎體材料。在鉆進堅硬打滑地層時，使用碳化鎢含量高的金剛石鉆頭時，胎體不易磨損，金剛石不能正常出刃，導(dǎo)致打滑現(xiàn)象出現(xiàn)或鉆速極低；對于碳化鎢含量低的軟胎體金剛石鉆頭，其胎體耐磨性差，造成其對金剛石包鑲能力減弱，金剛石掉粒嚴重，過早脫落且與巖削一起研磨胎體，造成不良循環(huán)，嚴重縮短了金剛石鉆頭的使用壽命。高磷鐵基金剛石鉆頭已經(jīng)有了相關(guān)研究，如中國發(fā)明專利CN101144370A公開了一種“熱壓高磷鐵基金剛石鉆頭及其制備方法”，其中設(shè)計了 Fe粉含量質(zhì)量百分比為35% 50%，且含有P、B、Ni粉、Co粉、663_Cu粉、Ti粉、稀土等10種組分的鐵基配方，并公布了熱壓高磷鐵基金剛石鉆頭的制造工藝，在鐵基金剛石鉆頭制造中具有較強的理論和應(yīng)用價值。但該專利也明顯有其兩點不足，(I)其組分過于復(fù)雜，組分取值范圍過大，變量較多，不具有針對性，組分間相互影響不易控制，對混料、稱料、燒結(jié)工藝參數(shù)要求相對嚴格；(2)鐵基配方中Fe粉質(zhì)量含量應(yīng)該在50%以上,該配方Fe粉含量上線才是50%。堅硬致密、弱研磨性巖層雖然在一般礦區(qū)所占比例不大，但由于鉆頭打滑現(xiàn)象的發(fā)生，即使只有幾米或十幾米這種巖層也要耗費大量時間和鉆頭。十天或二十天，甚至一個月，導(dǎo)致整個鉆孔施工周期延長，勘探成本增高，經(jīng)濟效益明顯下降。我國大部分地區(qū)都存在這類巖層因此，解決該類巖層鉆進打滑問題極有必要性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有金剛石鉆頭在鉆進堅硬弱研磨性地層時發(fā)生的打滑現(xiàn)象，而提供一種堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭，該鉆頭是一種熱壓鐵基孕鑲金剛石鉆頭，其顯著提高了鉆進堅硬打滑地層時金剛石鉆頭的性能和質(zhì)量，針對性強，降低了鉆頭的制造成本。本發(fā)明之鐵基基體混合材料是由鐵基胎體和金剛石組成，金剛石孕鍵在鐵基胎體中，金剛石含量的體積百分比為45%-75%，粒度為35飛O目；所述鐵基胎體是由下述質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成鐵粉65% 72% ;鋅粉10% 14% ；663青銅粉14% 18% ;錳粉1% ;鎳粉2%。所述金剛石單粒靜壓強度大于40公斤/粒，金剛石采用粒度范圍分別為35 40目、41 45目、46 50目金剛石中的一種、任意兩種或三種的混合。所述鐵基胎體材料中各組分的純度99. 9%以上，粒度為230目 325目。所述堅硬打滑地層用鐵基孕鑲金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)工藝為在溫度13(T150°C條件下烘干20-30min后，放入中頻爐中預(yù)壓O. 5MPa，通電以每隔2min增加5 8KW的功率開始 燒結(jié)，當溫度升至800°C后開始增壓，增到設(shè)計壓力8 12MPa的2/3，溫度升到955°C、70°C后開始保溫，保溫Imin時將壓力升至設(shè)定壓力進行保溫保壓燒結(jié)，保溫時間為5-8min，保壓時間為6 8min，經(jīng)過保壓降溫后，溫度降到850°C時出爐。本發(fā)明的優(yōu)點使用鐵粉代替常規(guī)的碳化鎢粉，其質(zhì)量含量在70%左右，大大降低了孕鑲金剛石鉆頭的成本；降低了燒結(jié)溫度，減少了金剛石熱損傷的概率；鐵基胎體配方組分較少，變量少，易于控制；針對性較強，主要針對堅硬打滑地層用鐵基孕鑲金剛石鉆頭。


圖I是本發(fā)明之鉆頭的剖視圖。圖2是圖I的左視圖。I一底唇面尖齒；2—金剛石顆粒；3—鐵基胎體4一鉆頭鋼體；5—鉆頭螺紋；6—鉆頭水口。
具體實施例方式請參閱圖I和圖2所示，本發(fā)明之鉆頭是由鉆頭鋼體4和鐵基基體混合材料3構(gòu)成，鉆頭鋼體4具有內(nèi)螺紋5，鉆頭鋼體4的頭端燒結(jié)有鐵基基體混合材料3，鐵基基體混合材料3中孕鍵有金剛石顆粒2,鐵基基體混合材料3的底面具有底唇面尖齒I，鐵基基體混合材料3的底面開設(shè)有鉆頭水口 6。所述的鐵基基體混合材料3是由鐵基胎體和金剛石顆粒組成，金剛石顆粒2孕鑲在鐵基胎體上，金剛石顆粒含量的體積百分比為45%-75%，粒度為35飛O目；所述鐵基胎體是由下述質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成鐵粉65% 72% ;鋅粉10% 14% ；663青銅粉14% 18% ;錳粉1% ;鎳粉2%。實例I :根據(jù)實際鉆孔設(shè)計選擇鉆頭尺寸，根據(jù)施工地層巖性特征選擇胎體配方、鉆頭結(jié)構(gòu)和金剛石參數(shù)，進行裝料計算，稱料，混料，裝料，鋼體對正，烘干，熱壓燒結(jié)，保溫冷卻，后期機加工，檢驗出廠。現(xiàn)以鉆孔直徑為76. 5mm，地層巖石硬度為6000MPa，研磨性弱，可鉆性為l(Tll級花崗巖為例采用鐵基作為胎體配方，配方硬度為HRC15±3，鉆頭唇面為尖齒型，具體如下所述。
I.鐵基胎體組分(質(zhì)量百分比):鐵粉70% ;鋅粉12% ；663青銅粉15% ;猛粉1% ;鎳粉2%，要求純度99. 9%以上，粒度為230目 325目。2.采用JR5型金剛石顆粒，粒度選取40 45目和46 50目，按照質(zhì)量比=40 45目46 50目=1:1混合。3.混料采用JH2D-6型三維搖滾式混料機進行混料，采用硬質(zhì)合金球作為混料骨架材料，鐵基胎體料混料時間為14小時，然后稱取工作層胎體料加入金剛石混合4小時。4.裝料清理石墨模具，并用膠水將水口塊放置在石墨模具內(nèi)，防止其移位。然后將含金剛石的胎體料按照計算好的質(zhì)量裝入石墨模具中，裝入不含金剛石的胎體料，放入條形聚晶保徑。接著將鉆頭鋼體倒扣在鉆頭基體上，確保鋼體的內(nèi)水口和基體的水口對正。 5.烘干將待燒結(jié)的鉆頭及模具放入到烘干機中烘干一段時間，促進粉料和模具中易揮發(fā)物質(zhì)的揮發(fā)，減少粉料中的雜質(zhì)成分，尤其是氣體，提高粉料的致密性和純度。烘干參數(shù) 溫度 140°C，時間 30min。6.熱壓燒結(jié)所述堅硬打滑地層用鐵基孕鑲金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)工藝為在溫度140°C條件下烘干30min后，放入中頻爐中預(yù)壓O. 5MPa，通電以每隔2min增加6KW的功率開始燒結(jié)，當溫度升至800°C后開始增壓，增到7MPa，溫度升到960°C后開始保溫，保溫Imin時將壓力升至IOMPa進行保溫保壓燒結(jié)，保溫時間為7min，保壓時間為8min，經(jīng)過保壓降溫后，溫度降到850°C時出爐。7.出爐后放入珍珠巖粉中冷卻到室溫，取出后加工水口、車螺紋、噴漆、打標簽、檢驗、準備出廠。
權(quán)利要求
1.一種堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭，是由鉆頭鋼體和鐵基基體混合材料構(gòu)成，其特征在于所述的鐵基基體混合材料是由鐵基胎體和金剛石顆粒組成，金剛石顆粒孕鑲在鐵基胎體上，金剛石顆粒含量的體積百分比為45%-75%，粒度為35飛O目； 所述鐵基胎體是由下述質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成 鐵粉65% 72% ;鋅粉10% 14% ；663青銅粉14% 18% ;錳粉1% ;鎳粉2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭，其特征在于所述金剛石顆粒的單粒靜壓強度大于40公斤/粒，金剛石顆粒的粒度為35 40目、4Γ45目和46飛O目金剛石中的一種或任意兩種或三種的混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭，其特征在于所述鐵基胎體中各組分的純度大于99. 9%，粒度為230目^325目。
4.一種權(quán)利要求I所述的堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭的制造方法，該方法包括以下步驟 (1)、混料 采用JH2D-6型三維搖滾式混料機進行混料，采用硬質(zhì)合金球作為混料骨架材料，先將將鐵基胎體粉料放入到混料機中進行混合，鐵基胎體粉料的混料時間為14小時，然后稱取工作層胎體料加入金剛石混合4小時； (2)、裝料 清理石墨模具，并用膠水將水口塊放置在石墨模具內(nèi)，防止其移位；然后將含金剛石顆粒的胎體料按照計算好的質(zhì)量裝入石墨模具中，裝入不含金剛石的胎體料，放入條形聚晶保徑；接著將鉆頭鋼體倒扣在鉆頭基體上，確保鋼體的內(nèi)水口和基體的水口對正； (3)、烘干 將待燒結(jié)的鉆頭及模具放入到烘干機中烘干，促進粉料和模具中易揮發(fā)物質(zhì)的揮發(fā)，減少粉料中的雜質(zhì)成分，尤其是氣體，提高粉料的致密性和純度，烘干參數(shù)溫度140°C，時間 30min ； (4)、熱壓燒結(jié) 在溫度140°C條件下烘干30min后，放入中頻爐中預(yù)壓O. 5MPa，通電以每隔2min增加6KW的功率開始燒結(jié)，當溫度升至800°C后開始增壓，增到7MPa，溫度升到960°C后開始保溫，保溫Imin時將壓力升至IOMPa進行保溫保壓燒結(jié)，保溫時間為7min，保壓時間為8min，經(jīng)過保壓降溫后，溫度降到850°C時出爐； (5)、出爐后放入珍珠巖粉中冷卻到室溫，取出后加工水口、車螺紋。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種堅硬打滑地層鉆進用鐵基孕鑲金剛石鉆頭，本發(fā)明之鐵基基體混合材料是由鐵基胎體和金剛石燒結(jié)而成，金剛石孕鑲在鐵基胎體中，金剛石含量的體積百分比為45%-75%，粒度為35/50目；所述鐵基胎體是由下述質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成鐵粉65%~72%；鋅粉10%~14%；663青銅粉14%~18%；錳粉1%；鎳粉2%；本發(fā)明使用鐵粉代替常規(guī)的碳化鎢粉，其質(zhì)量含量在70%左右，大大降低了孕鑲金剛石鉆頭的成本；降低了燒結(jié)溫度，減少了金剛石熱損傷的概率；鐵基胎體配方組分較少，變量少，易于控制；針對性較強，主要針對堅硬打滑地層用鐵基孕鑲金剛石鉆頭。
文檔編號C22C38/16GK102828696SQ20121033474
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者孫友宏, 馬銀龍, 高科, 劉寶昌, 王秋雯 申請人:吉林大學