[发明专利]一种新型地质勘探用岩石取心钻头的制备技术

说明书

技术领域

本发明属于地质勘探工业中岩石取心钻头的制备技术领域，特别是提供了一种用新型的人造金刚石夹心式的硬质合金柱齿技术及采用硬质合金全覆盖式的钻头套筒制造技术，最终制备成一种钻进速度高，使用寿命长的岩石取心钻头。

背景技术

地质勘探工业和石油勘探工业中，采用岩石取心钻头的历史已近80多年，这种钻头能原封不动的将岩层由地表到极深处的岩石断层情况，通过取出的岩心标样，完整无误地直观地、精确地显现出来。因此岩石取心钻头，一直被誉为地质工作者的一把智慧利箭。80多年来岩石取心钻在结构上一直采用在钢制的园柱形空心套筒(下)端部、沿园周上均匀镶焊6～8枚硬质合金柱齿。在钻探过程中，在一定压力下，随着钻杆的旋转，硬质合金柱齿对岩石表面进行切削(钻进)。实践证明，这种钻头在岩石硬度小于6级时，都能很好的胜任工作。遗憾的是当岩石硬度高于6级时，这种钻头既不能钻进也没有寿命，几乎不能使用。众所周知在很多金属矿源的勘探工作中，岩石的硬度往往超过6级，这比石油勘探更为困难，岩石硬度甚至能达到8级(金刚石为10级)。多少年来在金属矿源的普查和勘探工作中如何能提高岩石取心钻头的钻进速度和使用寿命，一直是地质工作者多年来期盼解决的难题。

从硬质合金的材料特性可知，合金的硬度是由(WC)碳化钨相的高硬度决定的，但遗憾的是WC相本身的维氏硬度(H_v＝1780kg/mm²)并不高。岩石中若有Ae₂O₃、Z_rO₂、TiC、Z_rC等任何一种颗粒时，其硬度均超过WC的硬度。只有金刚石颗粒的硬度(H_v＝6800kg/mm²)为最高，因此仅用硬质合金柱齿来制备取心钻头时，在岩石的硬度大于6级时取心钻的钻进速度和使用寿命几乎为零。不仅如此，作为支撑柱齿的钢基体(套筒)，更容易被磨损，而且一旦磨损后，柱齿将更容易整体松动、脱落，同时又会造成卡钻，或岩心碎裂等问题。

鉴于上述背景本发明从两方面实现了创新；

1、制备和采用金刚石夹心式超细晶粒硬质合金柱齿，此目的：

其一、是用强度硬度更高的超细晶粒硬质合金(合金中WC平均晶粒≤0.5μm)代替现有的常规YG8硬质合金。前者的抗弯强度为3900～4300MPa、硬度HRA92～93。后者YG8的抗弯强度仅为1900～2100MPa，硬度为HRA88～89，耐磨性前者比后者高一倍。

其二、是用夹心技术在硬质合金柱齿的心部，将天然硬度最高的人造金刚石颗粒，高压机械嵌入并辅以钎焊，从而彻底改变了因硬质合金柱齿硬度过低所引起的钻进速度低，使用寿命短的致命弱点。

2、采用颗粒熔浸铸造技术将柱齿钢基体表面强化，改性。这种新型钻头的结构见附图1。附图1是新型钻头的结构示意型。附图1中：1-1是钻进用金刚石夹心柱齿；1-2是硬质合金(含金刚石)外覆盖层；1-3是钢基体套筒；1-4是硬质合金(含金刚石)内覆盖层；1-5是内、外扩孔用金刚石夹心柱齿；1-6是钻头螺纹接头。

采用颗粒熔浸铸造技术的目的：

其一：是用硬质合金层将钢基体(套筒)表面全部覆盖(合金层中可加入人造金刚石颗粒)以防止钢基体表面，在钻探过程中过快磨损。

其二：是为了用硬质合金将所有柱齿与钢基体通过钎焊熔为一个整体而加固。

本发明的工艺流程见附图2。附图2是工艺流程图，附图2中2-1是制备空心柱齿；2-2是金刚石夹心；2-3是钢基体套筒的机加工制备；2-4是钢套筒熔浸铸造模准备(另见附图5)；2-5是夹层颗粒填充；2-6是熔浸铸造；2-7是脱模-清理；2-8是产品检验。

具体工艺流程如下：

2-1、制备空心柱齿

采用平均粒径≤100nm的WC粉，用化学包覆法将10％质量的钴(Co)制成为YG10成分的纳米钴包纳米WC合金粉，然后采用附图3所示的新型的高压软模成形技术制成空心柱齿毛坯，再经1380-1400℃(60分)真空烧结，制成外径Φ8-Φ10，中心孔为Φ2.5-2.8的空心柱齿。

2-2、金刚石夹心

将粒径为1.27-0.159mm(10-80目)人造金刚石粉末与663青铜粉5％(质量)，另加少许(3-10％质量)酒精，搅拌混合后在压力下装填到上述硬质合金空心柱齿的孔内，在高频感应加热下将663青铜粉熔化，可将人造金刚石颗粒焊接在硬质合金的空心柱齿内，从而形成为有金刚石夹心的超细晶粒硬质合金柱齿。