一种磨锐型孕镶金刚石钻头及其制备方法和应用与流程

本技术涉及地质勘探，特别涉及一种磨锐型孕镶金刚石钻头及其制备方法和应用。

背景技术：

1、我国的地质勘探、深部科学钻探、深部找矿以及地热等新能源勘探与开发工作迅速发展，由此所钻遇的岩层类型多、岩性变化大，在大力推广绳索取芯钻进工艺技术的同时，要求有高时效、长寿命、对岩层适应性好的普适性能的金刚石钻头与之配套使用。

2、金刚石钻头对岩层的适应性不理想，当所钻遇的岩层发生变化后，容易出现钻进效果明显变化，钻进速度低，或者钻头磨损快，或者钻头的自锐性能差、出刃效果不好的问题。遇到硬至坚硬而致密岩石时，常常出现难以钻进的局面，钻探现场难以预测，需要准备多种性能的钻头，以备随时更换，给施工带来许多麻烦，造成施工期限延长，大大提高了钻探成本。

技术实现思路

1、本技术提供一种磨锐型孕镶金刚石钻头及其制备方法和应用，以解决相关技术中金刚石钻头适应性差的问题。

2、第一方面，本技术提供了一种磨锐型孕镶金刚石钻头，包括：

3、钻头本体，以及钻头工作体；所述钻头工作体设于所述钻头本体的一端，所述钻头工作体包括多个扇形的工作齿，多个扇形的工作齿沿所述钻头本体的周向间隔设置，相邻的扇形工作齿之间设有出水口；

4、其中：每一所述工作齿均包括主工作齿和多个嵌设于所述主工作齿本体内的圆柱状的辅工作齿；

5、所述辅工作齿的耐磨性小于所述主工作齿的耐磨性。

6、本技术通过在主工作齿体内嵌入圆柱状的辅工作齿，且所述辅工作齿的耐磨性小于所述主工作齿的耐磨性，使得在钻探岩石时，辅工作齿更容易被磨损，钻进工作中消耗的钻压小，可以将大部分钻压用于主工作齿上，提高主工作齿钻进比压，有利于提高钻进速度，同时提高了钻头的钻进效果和对不同类型岩石的适应性。

7、一些实施例中，所述辅工作齿为圆柱状的空洞。通过将辅工作齿设置为圆柱状的空洞，也即在主工作齿内部设置多个孔洞，使得在钻探岩石时，在主工作齿内部形成多个圆形边缘，圆柱体相对棱形柱状体强度更高，应力不易集中，使得主工作齿更不容易自圆形边缘破损，在钻进磨损过程中，主工作齿中的金刚石更容易出刃和锐磨，提高对岩石的钻进速度和钻头的使用寿命，更适用于可钻性7～9级硬而致密的岩石。

8、一些实施例中，所述辅工作齿为含硬质耐磨料和耐磨胎料的耐磨体。通过在辅工作齿中设置硬质耐磨料和耐磨胎料，且所述辅工作齿的耐磨性小于所述主工作齿的耐磨性，使得在钻探岩石时，辅工作齿较主工作齿更容易被磨损，一方面，辅工作齿在钻进工作中消耗钻压小，可以将大部分钻压用于主工作齿上，提高主工作齿的钻进比压，进而提高钻进速度。另一方面，辅工作齿在钻进工作中更容易被磨损，当耐磨胎料被磨损消耗后，辅工作齿中硬质耐磨料自辅工作齿的耐磨胎料中脱出，进入主工作齿面，对主工作齿的耐磨胎体材料进行磨损，提高主工作齿中的金刚石的出刃效果，进而实现钻头的自磨，提高钻进速度，提高对不同类型岩石的适应性，更适用于钻进硬而致密类型的岩石。

9、一些实施例中，所述耐磨料包括mbd8型金刚石或碳化硅中的至少一种，采用mbd8型金刚石或碳化硅中的至少一种作为辅工作齿的耐磨料，一方面可以节省成本，另一方面可以提高钻头的自磨和出刃效果；和/或，

10、所述耐磨胎料的材料包括fjt-a2及cu-re，采用fjt-a2及cu-re作为辅工作齿的耐磨胎料，可以降低辅工作齿的耐磨性能，使得辅工作齿中的耐磨料更容易自辅工作齿中脱出，实现对主工作齿的辅助自磨，促进主工作齿中的金刚石的出刃；和/或，

11、所述耐磨胎料的材料的粒径为34～97μm，辅工作齿的耐磨胎料的材料的粒径在此范围内，可以进一步降低辅工作齿的耐磨性能，使得辅工作齿中的耐磨料更容易自辅工作齿中脱出，实现对主工作齿的辅助自磨，促进主工作齿中的金刚石的出刃；和/或，

12、所述辅工作齿(212)的耐磨性为180～270mg，所述辅工作齿的耐磨性在此范围内，可以进一步降低辅工作齿的耐磨性能，使得辅工作齿中的耐磨料更容易自辅工作齿中脱出，实现对主工作齿的辅助自磨，促进主工作齿中的金刚石的出刃；和/或，

13、所述耐磨料和所述耐磨胎料的质量比为(8～13)：100。所述辅工作齿中的耐磨料和所述耐磨胎料的质量比在此范围内，可以提供充足的耐磨料对主工作齿的耐磨胎料进行磨损，进一步提高主工作齿中的金刚石的出刃，提高对岩石的钻进速度。

14、一些实施例中，所述耐磨胎料中fjt-a2和cu-re的质量比为(2～3)：1，所述耐磨胎料中fjt-a2和cu-re的质量比在此范围内，可以进一步降低辅工作齿的耐磨性能，使得辅工作齿中的耐磨料更容易自辅工作齿中脱出，实现对主工作齿的辅助自磨，促进主工作齿中的金刚石的出刃；和/或，

15、所述mbd8型金刚石的粒径为696～817μm。所述辅工作齿中的耐磨料为mbd8型金刚石时，所述mbd8型金刚石的粒径在此范围内，可以进一步使得辅工作齿中的mbd8型金刚石更容易自辅工作齿中脱出，实现对主工作齿的辅助自磨，促进主工作齿中的金刚石的出刃。

16、一些实施例中，所述辅工作齿为圆柱状的含耐磨胎料的耐磨体，其中，所述耐磨胎料的材料包括fjt-a2及cu-re。通过将所述辅工作齿设置为含耐磨胎料的耐磨体，使得耐磨性较低，更适用于钻进硬而致密类型的岩石。

17、一些实施例中，所述工作齿的数量为4～12个，通过在钻头工作体上设置4～12个扇形工作齿，使得钻头工作体上具备多个出水口，在钻进的过程中有利于对钻头降温，提高钻头的使用寿命，同时提高钻进速度；和/或，

18、所述辅工作齿的数量为2～9个，通过在每一主工作齿内嵌设2～9个辅工作齿，可以提供充足的辅工作齿对主工作齿进行辅助磨损，进一步提高主工作齿中的金刚石的出刃，提高对岩石的钻进速度；和/或，

19、所述辅工作齿沿所述工作齿的扇形弧长方向呈多排设置，可以使得，辅工作齿在主工作齿内分布更均匀，主工作齿的各个位置的磨损情况更为同步，减少因磨损程度不一致导致的主工作齿使用寿命的缩短；和/或，

20、所述辅工作齿的直径为3～9mm，所述辅工作齿的直径在此范围内，可以进一步提高对主工作齿进行辅助磨损，进一步提高主工作齿中的金刚石的出刃，提高对岩石的钻进速度；和/或，

21、所述辅工作齿的高度为5～15mm，所述辅工作齿的高度在此范围内，可以一步提高对主工作齿进行辅助磨损，进一步提高主工作齿中的金刚石的出刃，提高对岩石的钻进速度；和/或，

22、所述辅工作齿在每一所述工作齿中的面积占比为25～33％，所述辅工作齿在每一所述工作齿中的面积占比在此范围内，可以提供充足的辅工作齿对主工作齿进行辅助磨损，进一步提高主工作齿中的金刚石的出刃，提高对岩石的钻进速度；和/或，

23、所述主工作齿的耐磨性为115～142mg，所述主工作齿的耐磨性在此范围内，可以提高主工作齿在钻进岩石时的钻进压力和金刚石出刃效果，提高钻进效率；和/或，

24、所述辅工作齿的耐磨性为180～270mg，所述辅工作齿的耐磨性在此范围内，可以使得在钻探岩石时，所述辅工作齿较所述主工作齿更容易被磨损，一方面，辅工作齿在钻进工作中消耗钻压小，可以将大部分钻压用于主工作齿上，提高主工作齿的钻进比压，进而提高钻进速度；和/或，

25、所述主工作齿的材料包括耐磨胎体材料和smd40型金刚石，所述耐磨胎体材料包括yg12、fam-1020、fjt-a1及cu-re。

26、第二方面，本技术提供一种磨锐型孕镶金刚石钻头的制备方法用以制备第一方面的磨锐型孕镶金刚石钻头，包括以下步骤：

27、提供钻头本体、主工作齿的材料及辅工作齿的材料；

28、根据设置的参数在钻头本体上3d打印主工作齿的材料及辅工作齿的材料，形成含主工作齿和辅工作齿的钻头工作体；

29、其中，所述钻头工作体设于所述钻头本体的一端，所述钻头工作体包括多个扇形的工作齿，多个扇形的工作齿沿所述钻头本体的周向间隔设置，相邻的扇形的工作齿之间设有出水口，每一所述工作齿均包括主工作齿和多个嵌设于所述主工作齿本体内的圆柱状的辅工作齿。

30、本技术通过3d打印，也即激光选区烧结技术制备磨锐型孕镶金刚石钻头，能够实现钻头工作齿结构致密、组织均匀，钻头工作齿密度大，整体的机械物理性能好，强度高，力学性能稳定。一些实施例中，所述主工作齿的材料包括耐磨胎体材料和smd40型金刚石，耐磨胎体材料包括yg12、fam-1020、fjt-a1及cu-re。采用预合金粉制备主工作齿的胎体，胎体中没有纯铜合金材料，减少了铜元素的流失，铜以合金的形式存在于胎体材料中，利用激光高温条件下金属的融合作用从而提高胎体材料与金刚石的粘结力，提高主工作齿中胎体材料包镶金刚石的牢固度，提高了钻头的使用寿命和钻进效果。需要说明的是，胎体材料包镶金刚石的牢固度是实现钻头高效、长寿命钻进的基础。和/或，

31、步骤“根据设置的参数在钻头本体上3d打印主工作齿的材料及辅工作齿的材料，形成含主工作齿和辅工作齿的钻头工作体”包括：

32、在氩气氛围下，在预热的钻头本体上分别激光选区烧结主工作齿的材料及辅工作齿的材料，形成主工作齿和辅工作齿，得含钻头工作体的钻头；

33、将所述含钻头工作体的钻头进行热处理，得磨锐型孕镶金刚石钻头；

34、其中：预热的温度为250～350℃；通过对钻头本体进行预热，可以提高钻头工作体与钻头本体结合的牢固性，提高钻头的使用寿命。

35、激光选区烧结形成主工作齿的条件为：激光功率220～250w，光斑直径0.10～0.15mm，铺料厚度0.20～0.30mm，扫描间距0.25～0.35mm，扫描速度600～900mm/s；

36、激光选区熔融形成辅工作齿的条件为：激光功率180～220w，光斑直径0.10～0.15mm，铺料厚度0.25～0.35mm，扫描间距0.30～0.40mm，扫描速度650～950mm/s；主工作齿的激光选区熔融的条件与辅工作齿的激光选区熔融的条件相比，激光功率高，扫描速度较慢，铺粉厚度较小。

37、热处理的条件为：温度860～900℃，压力8～10mpa，时间2～3min。通过热处理，可以消除钻头中的残余应力和微裂纹，进一步提高钻头胎料和金刚石之间结合的牢固性，提高钻头的使用寿命。

38、第三方面，本技术提供了第一方面的磨锐型孕镶金刚石钻头在地质勘探中的应用。