一種金剛石鉆齒制造技術

本發明專利技術目的在于提供一種金剛石鉆齒，以克服現有聚晶金剛石鉆齒（PDC）在用于油氣鉆探中的不足。本發明專利技術所述金剛石鉆齒由多晶金剛石整體加工制成或由多晶金剛石與基體分體連接復合后加工而成，其多晶金剛石工作層內含有的非碳成分小于多晶金剛石工作層總質量的1wt%；所述多晶金剛石是采用高純碳作為原材料，在高溫高壓條件下燒結合成，高溫高壓條件范圍為8～25GPa、1200～3000℃，其最優化燒結溫壓條件約為10～18GPa、1500～2500℃。本發明專利技術提供的多晶金剛石鉆齒與傳統合成過程中加入粘結劑得到的傳統PDC相比具有更高的硬度、耐磨性、熱穩定性、抗沖擊性，在油氣鉆探中的使用壽命比傳統PDC的使用壽命增加了1.0～3.0倍，一次性鉆進地下巖層可達2500米以上。

Diamond drill bit

The invention aims to provide a diamond drill bit to overcome the deficiency of the existing polycrystalline diamond drilling gear (PDC) in oil and gas drilling. The invention of the diamond drill teeth or made from polycrystalline diamond and matrix split connection composite post processed by the processing of the whole polycrystalline diamond, non carbon component of the polycrystalline diamond layer contains less than the total quality of polycrystalline diamond layer 1wt%; the polycrystalline diamond is made of high purity carbon as raw material, sintering at high temperature and high pressure synthesis, high temperature and high pressure range is 8 ~ 25GPa, 1200 ~ 3000 DEG C, the optimum sintering temperature and pressure conditions is about 10 ~ 18GPa, 1500 ~ 2500 DEG C. The invention provides a polycrystalline diamond drill into the traditional PDC binder tooth and traditional synthesis process compared with the impact of hardness, wear resistance, thermal stability, resistance to high in oil and gas drilling, the service life is increased 1 ~ 3 times than the traditional PDC service life, one of the underground rock drilling up to 2500 meters.

【技術實現步驟摘要】
一種金剛石鉆齒
本專利技術屬于復雜巖層、高硬度巖層鉆進工具
，具體涉及油氣勘探及采礦用金剛石鉆齒。
技術介紹
聚（多）晶金剛石鉆齒（PolycrystallineDiamondCutter,PDC）是油氣地質鉆探的關鍵工作部件，油氣鉆頭通常采用PDC對巖石進行切削與刮削鉆進，因而，PDC的耐磨性、熱穩定性及抗沖擊性等性能是影響鉆探效率、成本、安全性的關鍵要素，特別是在2000米以上深井鉆探中，對PDC的各項性能要求則更嚴格。目前，油氣鉆探用高性能PDC的研發制備已經成為一項高技術含量的系統工程，相關技術也已成為油氣地質鉆探的核心技術之一。PDC一般由作為工作層的多晶金剛石層與ＷＣ硬質合金基體在在5～8萬大氣壓、1400℃左右的高溫高壓條件下燒結復合而成。然而，目前工業合成聚（多）晶金剛石（PolycrystallineDiamond,PCD）材料過程中通常要加入超過1wt%的非碳成分作為粘結劑或燒結助劑，如：鈷等金屬材料，或碳化硅、碳化硼、碳化鈦等非金屬材料，采用粘結劑可以促進金剛石間D-D鍵的鍵合，從而相對降低燒結合成聚（多）晶金剛石過程中的高溫高壓條件，提升合成金剛石的成功率。但是，合成后PDC中殘留的粘結劑會導致其耐磨性、硬度及熱穩定性等相對較低。上述差別的理化原因在于：傳統多晶金剛石材料中的非碳成分粘結劑如鈷等，其熱膨脹系數及彈性系數與金剛石差別大，在油氣鉆探過程中，隨著持續不斷的鉆進，鉆頭與鉆井間因摩擦產生大量熱量，使得深井中不能及時散發出去的熱量越積越多，從而使金剛石鉆齒受熱膨脹，其中殘留的粘結劑也發生熱膨脹，而粘結劑與金剛石間具有不同的熱膨脹系數，這會導致金剛石鉆齒在熱膨脹的同時受到同樣發生熱膨脹的粘結劑的擠壓，從而產生裂紋，致使其壽命減短；另一方面，粘結劑有高溫下促進金剛石的石墨化，影響其性能。因此，商業鉆探用多晶金剛石材料通常需要通過物理或化學方法去除內部所含的部分非碳成分粘結劑或燒結助劑，以提高其性能。但因為粘結劑是散落分布在金剛石晶界處，一方面難以完全去除，另一方面，即使部分去除粘結劑的工作也大大增加了金剛石鉆齒的成本。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種金剛石鉆齒，以克服現有聚晶金剛石鉆齒（PDC）在用于油氣鉆探中的不足。所述金剛石鉆齒由多晶金剛石整體加工制成或由多晶金剛石與基體分體連接復合后加工而成，所述金剛石鉆齒整體為圓柱、棱柱等柱狀，其上多晶金剛石的底部是與鉆頭或基體連接的連接端，頂部是多晶金剛石工作層的工作面；基體與所述多晶金剛石連接的一面為與多晶金剛石連接端的形狀相配合的連接面，所述多晶金剛石內含有的非碳成分小于多晶金剛石工作層總質量的1wt%。本專利技術所述的用于整體加工或分體復合后加工制成金剛石鉆齒的多晶金剛石是采用高純碳作為原材料，在高溫高壓條件下燒結合成的。多晶金剛石與基體分體連接復合的方式為將高溫高壓燒結合成的多晶金剛石疊于基體的連接面上，通過高溫高壓燒結、真空焊接、激光焊接、微波焊接或者機械固定方式使之粘結在一起；還可以是將用于合成多晶金剛石的原材料均勻分布在基體的連接面上，在高溫高壓燒結合成多晶金剛石層的過程中使之粘結在一起。高純碳原材料為石墨、石墨烯、富勒烯、納米洋蔥碳、C60、微米級金剛石、納米級金剛石中的一種或多種，基體的主要成分可以是碳化鎢、碳化鈦、碳化硅、碳化鉻中的一種或幾種。高溫高壓條件范圍為8～25GPa、1200～3000℃，其最優化燒結溫壓條件約為10～18GPa、1500～2500℃。本專利技術中的應用于油氣鉆探的多晶金剛石的高溫高壓燒結在基于六面頂壓機的二級六-八型大腔體靜高壓裝置中進行，目前商業鉆探用多晶金剛石材料的高溫高壓燒結通常采用六面頂壓機或兩面頂壓機的一級壓腔進行。本專利技術提供的多晶金剛石鉆齒頂部工作面與連接端的形狀都可以加工成平面、弧面、錐面、波紋面、或者長城狀凹凸面，其中平面形工作面鉆齒即平頂齒最早問世，其應用也最廣泛，而將金剛石鉆齒制成球形、錐形、械形、勺形等更銳利的形狀，可以達到更有效地研磨、刨削和沖擊效果，同時延長鉆齒的使用壽命，有著重要的實際意義。本專利技術所述金剛石鉆齒，是將在高溫高壓燒結合成的多晶金剛石直接加工或與基體連接復合后加工成為標準尺寸的鉆齒，其多晶金剛石部分的晶粒尺寸為幾納米至幾百微米，晶粒間具有強而多的金剛石-金剛石（D-D）鍵合，其耐磨性、硬度、熱穩定性及抗沖擊性等性能都遠高于目前使用的采用粘結劑作為觸媒而制成的PDC。油氣鉆頭一般包括鉆頭本體和連接在鉆頭本體上的金剛石鉆齒，將本專利技術所述金剛石鉆齒通過焊接或機械固定方式連接在鉆頭本體從而制成鉆頭，鉆頭本體冠部形狀可以是魚尾形、淺錐形、短拋物線形或拋物線形。本專利技術提供的多晶金剛石鉆齒與傳統PDC相比具有更高的硬度、耐磨性、熱穩定性、抗沖擊性，本專利技術所述多晶金剛石鉆齒在油氣鉆探中的使用壽命比合成過程中加入粘結劑得到的傳統聚晶金剛石鉆齒（PDC）的壽命增加了1倍以上，一次性鉆進地下巖層可達2500米以上。附圖說明圖1為傳統聚晶金剛石鉆齒（PDC）金剛石工作層部分的XRD物相分析圖譜；圖2為本專利技術提供的多晶金剛石鉆齒金剛石工作層部分的XRD物相分析圖譜；圖3為由多晶金剛石整體制成的平頂齒示意圖；圖4為由多晶金剛石與硬質合金復合制成的平頂齒示意圖；圖5為復合齒工作面為長城狀凹凸面示意圖；圖6為復合齒工作面為弧形面示意圖；圖7為復合平頂齒中金剛石層與硬質合金層連接面為長城狀凹凸面示意圖；圖8為多晶金剛石與硬質合金復合制成的圓柱錐狀復合齒示意圖；實施例實施例1如圖3、4所示，圖3所示金剛石鉆齒由多晶金剛石1整體加工制成，圖4所示金剛石鉆齒是由多晶金剛石層1與WC硬質合金層2在5～10GPa、1300～1500℃的高溫高壓條件下燒結復合而成，多晶金剛石1是由將石墨在18～20GPa，1700～2000℃的條件下直接轉變成金剛石并燒結復合而成，這兩種鉆齒的多晶金剛石工作層內含有少于1wt%的非粘結劑的非碳成分，鉆齒整體為圓柱平頂齒，頂部金剛石部分為工作層。這兩種鉆齒金剛石部分的維氏硬度在100GPa以上，其在油氣鉆探中的使用壽命比合成過程中加入粘結劑得到的聚晶金剛石鉆齒（PDC）的壽命增加了1倍以上，一次性鉆進地下巖層可達2500米以上。實施例2如圖5所示金剛石鉆齒是由多晶金剛石層1與WC硬質合金層2通過微波焊接復合而成，多晶金剛石1是由將微米級金剛石粉末在15～20GPa，1800～2200℃的條件下燒結復合而成，這種鉆齒的多晶金剛石工作層1內含有少于1wt%的非粘結劑的非碳成分，鉆齒整體為圓柱狀，其上多晶金剛石層1的工作面為長城狀凹凸面。這種鉆齒金剛石部分的維氏硬度在100GPa以上，其在油氣鉆探中的使用壽命比合成過程中加入粘結劑得到的聚晶金剛石鉆齒（PDC）的壽命增加了1.5倍以上，一次性鉆進地下巖層可達2550米以上。實施例3如圖6所示金剛石鉆齒是由多晶金剛石層1與WC硬質合金層2通過激光焊接復合而成，多晶金剛石1是由將微米級金剛石粉末在21～23GPa，2500～3000℃的條件下燒結復合而成，這種鉆齒的多晶金剛石工作層1內含有少于1wt%的非粘結劑的非碳成分，鉆齒整體為圓柱狀，其上多晶金剛石層1的工作面為弧形面。這種鉆齒在油氣鉆探中的使用壽命比合成過本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述金剛石鉆齒由多晶金剛石整體加工制成或由多晶金剛石與基體分體連接復合后加工而成，所述金剛石鉆齒整體為柱狀，其上多晶金剛石的底部是與鉆頭或基體連接的連接端，頂部是多晶金剛石工作層的工作面；所述基體與所述多晶金剛石連接的一面為與多晶金剛石連接端的形狀相配合的連接面，所述多晶金剛石內含有的非碳成分小于多晶金剛石工作層總質量的1wt%。

【技術特征摘要】
1.一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述金剛石鉆齒由多晶金剛石整體加工制成或由多晶金剛石與基體分體連接復合后加工而成，所述金剛石鉆齒整體為柱狀，其上多晶金剛石的底部是與鉆頭或基體連接的連接端，頂部是多晶金剛石工作層的工作面；所述基體與所述多晶金剛石連接的一面為與多晶金剛石連接端的形狀相配合的連接面，所述多晶金剛石內含有的非碳成分小于多晶金剛石工作層總質量的1wt%。2.如權利要求1所述的一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述多晶金剛石是采用高純碳合成的。3.如權利要求2任一所述的一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述高純碳為石墨、石墨烯、富勒烯、無定形碳、玻璃碳、納米洋蔥碳、C60、微米級金剛石、納米級金剛石中的一種或多種。4.如權利要求1至3中任一所述的一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述多晶金剛石是在8～25GPa、1200～3000℃的高溫高壓條件下燒結而成的。5.如權利要求1所述的一種金剛石鉆齒，其特征在于：所述多晶金剛石與基體分體連接復合的方式為將高溫高壓燒結合成的多晶金剛石疊于基體的連接面上，通過高溫高壓燒結、真空焊接、激光焊接、微波焊接或者機械固定方式使之粘結在一起。6.如權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賀端威，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：發明
國別省市：四川,51