一种金刚石钻齿的制作方法

本发明属于复杂岩层、高硬度岩层钻进工具技术领域，具体涉及油气勘探及采矿用金刚石钻齿。

背景技术：

聚（多）晶金刚石钻齿（Polycrystalline Diamond Cutter, PDC）是油气地质钻探的关键工作部件，油气钻头通常采用PDC对岩石进行切削与刮削钻进，因而，PDC的耐磨性、热稳定性及抗冲击性等性能是影响钻探效率、成本、安全性的关键要素，特别是在2000米以上深井钻探中，对PDC的各项性能要求则更严格。目前，油气钻探用高性能PDC的研发制备已经成为一项高技术含量的系统工程，相关技术也已成为油气地质钻探的核心技术之一。

PDC一般由作为工作层的多晶金刚石层与ＷＣ硬质合金基体在在5～8万大气压、1400℃左右的高温高压条件下烧结复合而成。然而，目前工业合成聚（多）晶金刚石（Polycrystalline Diamond,PCD）材料过程中通常要加入超过1wt%的非碳成分作为粘结剂或烧结助剂，如：钴等金属材料，或碳化硅、碳化硼、碳化钛等非金属材料，采用粘结剂可以促进金刚石间D-D键的键合，从而相对降低烧结合成聚（多）晶金刚石过程中的高温高压条件，提升合成金刚石的成功率。但是，合成后PDC中残留的粘结剂会导致其耐磨性、硬度及热稳定性等相对较低。上述差别的理化原因在于：传统多晶金刚石材料中的非碳成分粘结剂如钴等，其热膨胀系数及弹性系数与金刚石差别大，在油气钻探过程中，随着持续不断的钻进，钻头与钻井间因摩擦产生大量热量，使得深井中不能及时散发出去的热量越积越多，从而使金刚石钻齿受热膨胀，其中残留的粘结剂也发生热膨胀，而粘结剂与金刚石间具有不同的热膨胀系数，这会导致金刚石钻齿在热膨胀的同时受到同样发生热膨胀的粘结剂的挤压，从而产生裂纹，致使其寿命减短；另一方面，粘结剂有高温下促进金刚石的石墨化，影响其性能。因此，商业钻探用多晶金刚石材料通常需要通过物理或化学方法去除内部所含的部分非碳成分粘结剂或烧结助剂，以提高其性能。但因为粘结剂是散落分布在金刚石晶界处，一方面难以完全去除，另一方面，即使部分去除粘结剂的工作也大大增加了金刚石钻齿的成本。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种金刚石钻齿，以克服现有聚晶金刚石钻齿（PDC）在用于油气钻探中的不足。所述金刚石钻齿由多晶金刚石整体加工制成或由多晶金刚石与基体分体连接复合后加工而成，所述金刚石钻齿整体为圆柱、棱柱等柱状，其上多晶金刚石的底部是与钻头或基体连接的连接端，顶部是多晶金刚石工作层的工作面；基体与所述多晶金刚石连接的一面为与多晶金刚石连接端的形状相配合的连接面，所述多晶金刚石内含有的非碳成分小于多晶金刚石工作层总质量的1wt%。

本发明所述的用于整体加工或分体复合后加工制成金刚石钻齿的多晶金刚石是采用高纯碳作为原材料，在高温高压条件下烧结合成的。多晶金刚石与基体分体连接复合的方式为将高温高压烧结合成的多晶金刚石叠于基体的连接面上，通过高温高压烧结、真空焊接、激光焊接、微波焊接或者机械固定方式使之粘结在一起；还可以是将用于合成多晶金刚石的原材料均匀分布在基体的连接面上，在高温高压烧结合成多晶金刚石层的过程中使之粘结在一起。高纯碳原材料为石墨、石墨烯、富勒烯、纳米洋葱碳、C₆₀、微米级金刚石、纳米级金刚石中的一种或多种，基体的主要成分可以是碳化钨、碳化钛、碳化硅、碳化铬中的一种或几种。高温高压条件范围为8～25GPa、1200～3000℃，其最优化烧结温压条件约为10～18GPa、1500～2500℃。本发明中的应用于油气钻探的多晶金刚石的高温高压烧结在基于六面顶压机的二级六-八型大腔体静高压装置中进行，目前商业钻探用多晶金刚石材料的高温高压烧结通常采用六面顶压机或两面顶压机的一级压腔进行。

本发明提供的多晶金刚石钻齿顶部工作面与连接端的形状都可以加工成平面、弧面、锥面、波纹面、或者长城状凹凸面，其中平面形工作面钻齿即平顶齿最早问世，其应用也最广泛，而将金刚石钻齿制成球形、锥形、械形、勺形等更锐利的形状，可以达到更有效地研磨、刨削和冲击效果，同时延长钻齿的使用寿命，有着重要的实际意义。

本发明所述金刚石钻齿，是将在高温高压烧结合成的多晶金刚石直接加工或与基体连接复合后加工成为标准尺寸的钻齿，其多晶金刚石部分的晶粒尺寸为几纳米至几百微米，晶粒间具有强而多的金刚石-金刚石（D-D）键合，其耐磨性、硬度、热稳定性及抗冲击性等性能都远高于目前使用的采用粘结剂作为触媒而制成的PDC。

油气钻头一般包括钻头本体和连接在钻头本体上的金刚石钻齿，将本发明所述金刚石钻齿通过焊接或机械固定方式连接在钻头本体从而制成钻头，钻头本体冠部形状可以是鱼尾形、浅锥形、短抛物线形或抛物线形。

本发明提供的多晶金刚石钻齿与传统PDC相比具有更高的硬度、耐磨性、热稳定性、抗冲击性，本发明所述多晶金刚石钻齿在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的传统聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1倍以上，一次性钻进地下岩层可达2500米以上。

附图说明

图1为传统聚晶金刚石钻齿（PDC）金刚石工作层部分的XRD物相分析图谱；

图2为本发明提供的多晶金刚石钻齿金刚石工作层部分的XRD物相分析图谱；

图3为由多晶金刚石整体制成的平顶齿示意图；

图4为由多晶金刚石与硬质合金复合制成的平顶齿示意图；

图5 为复合齿工作面为长城状凹凸面示意图；

图6为复合齿工作面为弧形面示意图；

图7为复合平顶齿中金刚石层与硬质合金层连接面为长城状凹凸面示意图；

图8为多晶金刚石与硬质合金复合制成的圆柱锥状复合齿示意图；

实施例

实施例1

如图3、4所示，图3 所示金刚石钻齿由多晶金刚石1整体加工制成，图4所示金刚石钻齿是由多晶金刚石层1与WC硬质合金层2在5～10GPa、1300～1500℃的高温高压条件下烧结复合而成，多晶金刚石1是由将石墨在18～20GPa，1700～2000℃的条件下直接转变成金刚石并烧结复合而成，这两种钻齿的多晶金刚石工作层内含有少于1wt%的非粘结剂的非碳成分，钻齿整体为圆柱平顶齿，顶部金刚石部分为工作层。这两种钻齿金刚石部分的维氏硬度在100GPa以上，其在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1倍以上，一次性钻进地下岩层可达2500米以上。

实施例2

如图5所示金刚石钻齿是由多晶金刚石层1与WC硬质合金层2通过微波焊接复合而成，多晶金刚石1是由将微米级金刚石粉末在15～20GPa，1800～2200℃的条件下烧结复合而成，这种钻齿的多晶金刚石工作层1内含有少于1wt%的非粘结剂的非碳成分，钻齿整体为圆柱状，其上多晶金刚石层1的工作面为长城状凹凸面。这种钻齿金刚石部分的维氏硬度在100GPa以上，其在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1.5倍以上，一次性钻进地下岩层可达2550米以上。

实施例3

如图6所示金刚石钻齿是由多晶金刚石层1与WC硬质合金层2通过激光焊接复合而成，多晶金刚石1是由将微米级金刚石粉末在21～23GPa，2500～3000℃的条件下烧结复合而成，这种钻齿的多晶金刚石工作层1内含有少于1wt%的非粘结剂的非碳成分，钻齿整体为圆柱状，其上多晶金刚石层1的工作面为弧形面。这种钻齿在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1.5倍以上，一次性钻进地下岩层可达2600米以上。

实施例4

如图7所示金刚石钻齿是由多晶金刚石层1与WC硬质合金层2通过机械固定复合而成，多晶金刚石1是由将纳米级金刚石粉末在15～18GPa，2500～2800℃的条件下烧结复合而成，这种钻齿的多晶金刚石工作层1内含有少于1wt%的非粘结剂的非碳成分，钻齿整体为圆柱状，其上多晶金刚石层1的与WC硬质合金层连接的连接端为长城状凹凸面。这种钻齿金刚石部分的维氏硬度在100GPa以上，其在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1.5倍以上，一次性钻进地下岩层可达2700米以上。

实施例5

如图8所示金刚石钻齿是由多晶金刚石层1与WC硬质合金层2通过机械固定复合而成，多晶金刚石1是由将微米晶金刚石粉末与纳米晶金刚石粉末的混合物在18～20GPa，2800～3000℃的条件下烧结复合而成，这种钻齿的多晶金刚石工作层1内含有少于1wt%的非粘结剂的非碳成分，钻齿整体为圆柱锥状。这种钻齿金刚石部分的维氏硬度在100GPa以上，其在油气钻探中的使用寿命比合成过程中加入粘结剂得到的聚晶金刚石钻齿（PDC）的寿命增加了1.5倍以上，一次性钻进地下岩层可达2700米以上。