地质钻探用热压金刚石钻头胎体改性研究综述

2010-04-04高晓亮王训波

地质装备 2010年6期

关键词：胎体热压钎焊

高晓亮王训波

(中国地质大学(北京)工程技术学院北京 100083)

地质钻探用热压金刚石钻头胎体改性研究综述

高晓亮王训波

(中国地质大学(北京)工程技术学院北京 100083)

简要的从金刚石钻头胎体的骨架材料、粘结材料、碳化物形成元素和其它材料的改变或添加对近年来地质钻探用热压金刚石钻头胎体改性研究的进展进行了综述。

金刚石钻头胎体材料热压综述地质钻探

1 引言

在地质钻探过程中,热压金刚石钻头以其工艺简单、成型快、性能易调节等特点受到广大钻探施工队伍的欢迎,并长期应用于地质钻探行业。但是由于我国幅员辽阔,地质条件不一,所需要的钻头性能也不尽相同。因此,通过调节胎体中各组分含量来控制金刚石钻头的各项参数以适应不尽相同的地层条件已成为一种成熟的方法。另外,为改善金刚石钻头胎体的硬度、耐磨性、抗弯强度等性能,还可以在胎体中添加少量改性材料,以期达到较好的应用效果。本文将从构成金刚石胎体的骨架材料、粘结材料、碳化物添加材料以及其他添加材料对近年来地质钻探用热压金刚石胎体改性的研究进展进行综述。

2 骨架材料的改变

传统的地质钻探用钻头胎体多采用碳化钨基胎体骨架材料,而铁基胎体是用铁或者铁合金代替碳化钨制作钻头,但是由于铁基胎体在高温下容易侵蚀金刚石,使其产生严重的石墨化现象,从而限制了铁基胎体的推广应用。近年来,随着铁基胎体的继续研究,肖俊玲等提出了在铁基胎体中添加磷元素的设想,并通过实验证明其可行性,添加磷元素后的金刚石胎体中的磷优先与铁反应,抑制了铁对金刚石的侵蚀作用。之后,地质钻探行业进行了高磷铁基金刚石钻头胎体的研究。以下是中国地质大学(武汉)杨洋等进行的铁基胎体硬度及耐磨性优化实验。

实验证明,经过调整胎体中各组分含量,铁基胎体硬度能达到 HRC100以上,耐磨性也能满足地质钻探用钻头胎体的要求,采用相应配方制作钻头进行实钻试验后,在IX级岩石中能达到1.9以上的时速,总进尺也能满足要求。

添加磷的铁基胎体能减少铁对金刚石的侵蚀是因为,磷能够降低铁基合金的烧结温度,铁优先与磷反应而减缓了铁与金刚石的反应。另外,磷起着抑制铁对金刚石的侵蚀作用,因此能最大限度地降低铁元素对金刚石的热侵蚀。

3 粘结材料的改变

普通粘结材料对金刚石的包镶大多只能使金刚石出刃高度为粒径的三分之一左右,为了保证金刚石的包镶强度,提高金刚石利用率。张文姣等提出了用钎焊法制造金刚石钻头,钎焊法是指用钎料为粘结材料,对金刚石进行包镶,金刚石出刃高度可达粒径的1/2～2/3,大大改善了金刚石的包镶强度与利用率。这是因为钎焊料在金刚石颗粒表面形成一层碳化物膜,这层膜与胎体料的润湿角变得更小,结合就更为牢固。

在钻头制作中可采用Ni-Cr钎焊料,添加少量铜以降低润湿角。经实验证明,钎焊地质金刚石钻头具有金刚石出刃高,钻进时效好,寿命长等优点。但是,钎焊金刚石钻头现在只能进行单层金刚石镀覆,而且其钎料选择和制造工艺尚缺乏成熟的理论指导,有待于进一步深入研究。

4 碳化物形成元素的添加

添加碳化物形成元素是指在传统配方基础上,适量加入W、Fe、Cr、Ti等金属,使其在钻头烧结过程中与金刚石表面C原子悬挂键结合,形成碳化物层,使胎体和金刚石之间以弱化学键和化学键粘着,增强胎体对金刚石的包镶。

实验表明,碳化物形成元素在Cu基合金中,降低了Cu合金和金刚石的内界面张力,使接触角降低,从而降低了与金刚石间的润湿角,加固了包镶。

吉林省地质勘探技术研究所孙洪义等对 W、Fe、Cr的添加量对胎体性能的影响进行了研究,经研究发现:

W的含量在10～15%之间胎体对金刚石的粘结作用明显。Fe的加量在10%以内可获得适当的硬度,较高的抗弯强度、冲击韧性和对金刚石的包镶能力。Cr的加量在3%以内胎体的抗弯强度不下降或下降小,但超过2%后出现粘模现象,所以Cr含量应控制在2%以内。

另外 ,在胎体中还可以添加 V、Nb、Ta、Zr、Ni、Co、Si等其它元素,也能产生相应效果,但添加量对胎体性能的影响有待进一步研究。

5 其他材料的添加

有资料表明,在胎体中添加稀土元素能改善胎体的机械性能。而石墨的添加则可以改善金刚石的自润滑性能。并且现在已有部分单位尝试在金刚石钻头中添加碳纤维、碳化硅纤维等新材料,以提高金刚石钻头的耐磨性能。

5.1 稀土元素的添加

在金刚石胎体配方中添加一定量的稀土元素,可以降低共晶合金的熔点,具有有效地脱氧、脱硫、脱氮作用,能抑制硫、氧、氮的偏析,净化金刚石与胎体界面,提高材质机械性能,并且能降低液态合金对金刚石的接触角。

另外,中国地质大学(武汉)王伟雄等研究表明,在钻头富铁胎体间添加0.1～0.8%wt稀土元素(La),可以提高富铁胎体在高温时的定压热容,降低富铁胎体在低温时的定压热容,从而可以提高富铁胎体对金刚石的包镶能力,有效地改善胎体的机械性能,经研究表明,添加稀土元素后,35%Fe基胎体的抗弯性能、抗冲击韧性均能提高10%以上,孔隙率也降低了3%。