[发明专利]一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种异形复合超硬材料体及其制备工艺和钻头，属于复合超硬材料体领域。

背景技术

无论复合片还是复合齿，都是由金刚石(立方氮化硼)与硬质合金基体通过高温高压合成而成的复合超硬材料体，“片”与“齿”的制备原理，制备工艺，包括主要原辅材料基本一致，只是成型后的产品在外型上有所不同，便也就有了“片”与“齿”之分。尽管“片”与“齿”在外形上有很大的区别，但在应用领域的用途则是相同的。广泛应用于石油、天然气、页岩油、页岩气煤田矿山、地质勘探的钻井钻探工具上。

尽管复合超硬材料体中的“片”与“齿”与各种硬质合金工具钢等材料相比有更优良的物理性能，但现代加工工具，尤其是钻井钻探工具面临钻井深度越来越深，对复合超硬材料体的性能与质量有了更高的要求，特别是钻井深度在4000-9000米地表下复杂恶劣的地质条件对钻井钻探工具-PDC钻头上的“复合片”与“复合齿”有更严、更高的性能与质量要求。面对钻井深度大于4000米的地表下的“强蚀性岩层”和“高抗磨性岩层”，PDC钻头上传统的“复合片”与“复合齿”因无法适应钻井钻探的地下深层的切削、磨削环境而失效，从而导致钻井、钻探成本的大幅提高，甚至整口井的报废。传统的“复合片”与“复合齿”(含进口复合片)及制备的PDC钻头面对“强蚀性岩层”和“高抗磨性岩层”，施工应用结果是钻井进尺太慢，每小时进尺在0.05米至0.1米之间，一个价值三、四十万的PDC钻头钻井钻探的深度不到100米就因无法进尺而报废。

由此可见，改善、优化、提高符合超硬材料体的性能与质量是提升PDC钻头的钻井进尺速度，降低钻井钻探的成本的唯一途径。为此，全球有很多科学家，发明家致力于复合超硬材料题的研究、设计和制备。例如美国专利US5662720，中国专利CN201110148812.7，CN201210200657.3等中都有针对复合超硬材料体新的设计或新的制备方法。对增强“复合片”与“复合齿”的抗冲击强度和磨耗比的提高有一定的作用，但无法改变“复合片”与“复合齿”在PDC钻头上因高速旋转切削受到巨大的冲击功和剪应力作用，磨耗比与抗冲击强调成反比使PDC钻头使用寿命短的现状。

发明内容

本发明的目的之一在于从根本上解决复合超硬材料体的抗冲击强度与磨耗比之间成反比的矛盾，同步大幅度提高磨耗比的同时，抗冲击强度也有所提高，能有效延长PDC钻头的使用寿命，加快钻井速度的异形复合超硬材料体。

本发明的另一目的在于提供一种制备过程简单，成本低，切削和抗磨损能力强的异形复合超硬材料体的制备工艺。

本发明的另一目的是提供一种钻井时效高和使用寿命长的钻头。

本发明的技术方案在于提供一种异形复合超硬材料体，所述复合超硬材料体的纵切面形状为正态分布曲线形状。

优选所述正态分布曲线的方差小于0.1。

优选所述正态分布曲线的方差小于0.1，大于0.001。

所述复合超硬材料体的纵切面形状为虎唇形。

本发明的复合超硬材料体的工作平面不再是传统的平面、弧面、半圆面，而是正态分布曲线形状。

特别是优选为老虎的嘴唇形状，即为“虎唇”形。这种形状的复合超硬材料体制备的钻头在钻探或钻井时，摩擦面积、接触表面积、摩擦阻力均降低，提高了PDC钻头的切削、磨削效率，延长了其使用寿命。

所述复合超硬材料体也可以列举为复合片或复合齿。

本发明更好地保留了硬质合金基体各项物理性能，弥补了超硬材料因为硬度高，耐磨性好，但冲击强度较弱，剪切应力和挤压应力较差的短板，通过形状的改变，更好的兼具了超硬材料的高硬度、高耐磨性和硬质合金的韧性、抗冲击强行等优点。

所述复合超硬材料体镶嵌于合金基体界面内。

所述合金基体上根据复合超硬材料体的数量，设置与其形状完全契合的凹槽。

优选合金基体上镶嵌的复合超硬材料体的数量优选为3-8条。进一步优选为5条。

本发明进一步提供了一种异形复合超硬材料体的制备工艺，制备过程中，加热与加压同步进行。

制备过程中，通过加压和加热同步达到所需压力和温度。

所述加热方式优选为变频加热。

通过使用六面顶液压机合成异形复合超硬材料体。

优选在六面顶液压机的每个合成块中放置一个复合超硬材料体坯件。

合成过程中，使用非金属正态分布曲线形状模具，将复合超硬材料体坯件合成为正态分布曲线形状。