金剛石定位排布鉆頭設計

鄧 偉,李子章,胡 立

(中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

金剛石定位排布鉆頭設計

鄧 偉,李子章,胡 立

(中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

對孕鑲金剛石鉆頭中的金剛石定位排布方式和參數(shù)進行了分析,設計、制造出 40/45目和 50/60目金剛石定位排布鉆頭。在廣西橫縣孟村礦區(qū)的鉆進試驗中,40/45目金剛石鉆頭的壽命是普通鉆頭的 1184倍;50/60目金剛石鉆頭的壽命是普通鉆頭的 2174倍,時效提高 1917%。

金剛石定位排布;孕鑲金剛石鉆頭;排布參數(shù)

0 引言

熱壓孕鑲金剛石鉆頭的金剛石是隨機分布于胎體金屬中,常出現(xiàn)金剛石堆積或空白區(qū),嚴重影響了鉆頭的壽命和鉆進時效。在金剛石密集區(qū),濃度高,容易被拋光,導致鉆頭打滑,同時由于金剛石的堆積,降低了胎體對金剛石包鑲的牢固程度,出現(xiàn)掉粒,脫落的金剛石加劇了對胎體的磨損,鉆頭的壽命降低。在金剛石稀疏區(qū),金剛石的濃度低,單粒金剛石承受的外力大,易崩裂。同時,由于金剛石分布不均,出現(xiàn)胎體拉槽現(xiàn)象,也會降低對金剛石的包鑲程度。

基于以上原因,將金剛石制粒技術應用于孕鑲鉆頭的制造中,可有效提高金剛石在金屬胎體中分布的均勻性,鉆頭壽命和時效均得到較大幅度提高[1,2]。但是,鉆頭在孔內受力復雜,特別是鉆頭的內外徑磨損特別嚴重,常出現(xiàn)內外圓弧、錐形等非正常磨損現(xiàn)象。因此,在鉆頭的設計中,要求提高鉆頭內外徑區(qū)域的耐磨性,而制粒技術不能實現(xiàn)金剛石按照設計要求進行定位排布。近年來,國內外對金剛石均勻分布 /定位排列技術展開了較深入的研究,特別是在金剛石工具行業(yè),高端產品基本采用金剛石均布/定位排列技術,可以充分發(fā)揮單粒金剛石的切削功效,提高工具的切割效率和壽命,并研究、開發(fā)出模板法、點膠法、人工智能負壓吸附法和真空吸附法等金剛石定位排布工藝和設備,實現(xiàn)金剛石可按照設計在胎體中定位排列[3～7]。

金剛石在孕鑲鉆頭胎體中的定位排布的目的在于實現(xiàn)金剛石在鉆頭胎體中按照設計進行準確定位,提高胎體對金剛石的包鑲能力,充分發(fā)揮單粒金剛石破碎巖石的功效。本文主要對金剛石在鉆頭胎體中的定位排布設計參數(shù)進行分析,并針對花崗巖地層進行金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制作和試驗,取得了較好的鉆進效果。

1 金剛石排布參數(shù)設計

金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制造工藝與普通鉆頭不同,在松散的胎體粉末中無法實現(xiàn)金剛石的排布,必須先將胎體粉末壓制成薄片,利用排布技術將金剛石定位排布在胎體薄片上,最后將多塊排布有金剛石的薄片組合、疊加,壓制成孕鑲胎體塊,最后在石墨模具中組裝,熱壓燒結[8]。

金剛石定位排布鉆頭的最重要的參數(shù)是金剛石的間距和排布方式。在設計過程中,排布參數(shù)應根據(jù)鉆進地層的巖石性質和采用的金剛石的粒徑確定。

1.1 排布方式

為提高鉆頭胎體工作層的使用效率,避免出現(xiàn)內外徑磨損過快導致鉆頭出現(xiàn)內外圓弧狀或錐形,可通過改變金剛石參數(shù)以提高內外徑區(qū)域的金剛石濃度,達到增強內外徑區(qū)域耐磨性的目的。因此,在設計中將金剛石在胎體唇面中的排布分為內、中、外3個環(huán)帶 (圖 1),每個環(huán)帶的周向間距和徑向間距可不同,在內外環(huán)區(qū)帶,由于受力大,磨損嚴重,采用較小的間距,在中間帶,采用較大的間距。其中,中間環(huán)帶面積占鉆頭唇面的 50%,內外環(huán)帶各占 25%。

圖 1 金剛石排布方式

1.2 金剛石間距

金剛石間距是金剛石定位排布的孕鑲金剛石鉆頭中的重要參數(shù),其決定了孕鑲胎體中金剛石之間的空間位置。在鉆頭軸向上,用軸向間距衡量。由于鉆頭都是通過回轉方式破碎巖石的,在鉆頭的底唇面用周向和徑向兩個方向的間距來衡量金剛石的位置比較直觀,也能準確衡量,如圖 2所示。在金剛石間距的設計中,金剛石間距小,單位體積內金剛石的顆粒數(shù)增多,濃度高;反之,金剛石濃度低。同時,金剛石間距與金剛石目數(shù)密切相關,目數(shù)大,金剛石粒徑小,在鉆頭軸向上,金剛石的軸向間距小,排布的金剛石層數(shù)多;而在底唇面上,相應的周向間距和徑向間距也小,單位面積內的金剛石顆粒數(shù)增多。因此,在金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制造中,應根據(jù)不同地層的巖石情況,選用不同目數(shù)的金剛石,進而設計各種金剛石間距參數(shù),以達到最佳的鉆進效果。

圖 2 金剛石定位排布參數(shù)示意圖

在本文的研究中,徑向間距和軸向間距恒定,在中間環(huán)帶,通過增大周向間距實現(xiàn)三環(huán)帶的金剛石定位排布。在本試驗中,40/45目金剛石的軸向間距為 014 mm;徑向間距為 110 mm;中間環(huán)帶的周向間距為 112 mm,內外環(huán)帶的周向間距為 110 mm。50/60目金剛石的軸向間距為 013 mm;徑向間距為017 mm;中間環(huán)帶的周向間距為 110 mm,內外環(huán)帶的周向間距為 017 mm。

2 胎體配方設計

孕鑲金剛石鉆頭的胎體配方應與所鉆遇巖石性質相適應,在廣西橫縣孟村礦區(qū),鉆遇的巖石主要為花崗巖 (如圖 3所示)。花崗巖為塊狀構造,主要由斜長石 (20%±)、微斜長石 (45%±)、石英 (30%±)、綠泥石 (3%～5%)組成。斜長石大多絹云母化。綠泥石可能是由黑云母轉變過來。經成都理工大學測試,巖石的壓入硬度為 4500 MPa,肖氏硬度 78。按壓入硬度分級,巖石的可鉆性為Ⅸ,巖石研磨性中等偏弱。

圖 3 花崗巖顯微特征

根據(jù)礦區(qū)巖石性質,應采用中等硬度的胎體配方,同時,通過加入微量元素 Cr、稀土元素等增強胎體對金剛石的浸潤能力,使胎體能牢固包鑲金剛石,有利于發(fā)揮金剛石的切削能力。因此,試驗中采用碳化鎢作為骨架材料,含量為 45%;663青銅作為粘接劑,含量為 35%;鎳、錳、鈷、鐵和鉻等為 20%,其胎體硬度為 HRC32。

3 鉆頭試驗

基于金剛石排布參數(shù)和胎體配方的設計,采用相同的胎體配方 (HRC32),分別采用 40/45目和50/60目金剛石制作出 “77 mm/“7419 mm繩索取心的金剛石定位排布孕鑲鉆頭。

生產試驗地點為廣西橫縣孟村鉛鋅礦區(qū) ZK126-6號孔,鉆遇的地層為中粒花崗巖;鉆進設備為XY-4型鉆機,鉆速為 460 r/min,鉆壓 4～5 kN,沖洗液為清水。鉆頭如圖 4所示,其中試驗 1號鉆頭為 50/60目金剛石,2號鉆頭為 40/45目金剛石。

圖 4 試驗鉆頭

鉆頭試驗數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 金剛石定位排布鉆頭的鉆進數(shù)據(jù)表

使用的 3只普通孕鑲金剛石鉆頭的平均鉆進速度為 1157 m/h,平均進尺為 5514 m。采用 50/60目金剛石的定位排布孕鑲鉆頭 (1號)的壽命達到了151177 m,鉆進時效達到了 1188 m/h。壽命是普通孕鑲金剛石鉆頭的 2174倍,鉆進時效提高 1917%。采用 40/45目金剛石定位排布孕鑲鉆頭 (2號)的壽命為 101177 m,而鉆進時效為 1121 m/h,鉆頭壽命為普通鉆頭的 1184倍,但與普通鉆頭的鉆進時效相比,該鉆頭較低。

從試驗結果分析,采用金剛石定位排布技術制造的孕鑲鉆頭的鉆進壽命較普通鉆頭有較大幅度的提高,說明金剛石在胎體中定位排布后,充分發(fā)揮了單粒金剛石破巖功效,提高了金剛石的使用效率。但在鉆進時效上,采用不同目數(shù)的金剛石時,結果相差較大,綜合巖石性質分析,該礦區(qū)主要為花崗巖,硬度較高,可鉆性為Ⅸ級,且研磨性較低,而 40/45目金剛石的粒徑較大,較難壓入巖石,降低了鉆進速度。

從試驗后的鉆頭唇面 (如圖 5)可以看出,金剛石在唇面上按環(huán)帶排列,說明金剛石在胎體內部也與唇面的排列方式相同。在鉆進過程中,金剛石是在軸向方向上分層出刃和脫落,即當上一層金剛石失去工作能力而脫落后,下一層金剛石自動出刃,破碎巖石。這種設計可以確保每一層中的金剛石都能充分發(fā)揮其切削功效,直至其失去工作能力后,隨著胎體的磨損而自動脫落,促進下一層金剛石及時出刃。

圖 5 試驗后的鉆頭唇面

4 結論

通過金剛石定位排布技術,實現(xiàn)金剛石按照設計定位排布,可以避免鉆頭胎體中出現(xiàn)金剛石堆積區(qū)和空白區(qū),并較大幅度降低了金剛石濃度,有利于提高單粒金剛石破碎巖石的能力。采用三環(huán)帶的金剛石定位排布方式,有效提高了鉆頭內外環(huán)帶部分的耐磨性,增強了鉆頭的穩(wěn)定性,實現(xiàn)胎體等強度的磨損,孕鑲胎體工作層得到充分應用,避免由于內外徑磨損嚴重而導致的內外圓弧、錐形等非正常磨損狀況。

金剛石在鉆頭胎體中的定位排布,解決了常規(guī)鉆頭中金剛石破碎巖石效率低,不能充分發(fā)揮金剛石切削作用的缺陷,有效提高了鉆進時效和壽命,是高品質孕鑲鉆頭的重要研究方向之一。

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[8] 張紹和.一種金剛石定位排布孕鑲地質鉆頭及其制造工藝[P].中國:101285371A,2008-10-15.

Design of Drill Bits with Diamond Position ing Arrangement

DENGWei,LI Zi-zhang,HU Li(The Institute of Explo-ration Technology,CAGS,Chengdu Sichuan 611734,China)

Analysiswasmade on the diamond positioning arrangement mode and parameters of impregnated diamond bit,40/45 mesh and 50/60 mesh diamond positioning arrangement drill bitswere designed and produced.In the drilling experi-ments ofMengcun mining area in Guangxi,the service life of 40/45 mesh diamond bit is respectively 1.84 timesof conven-tional bit;the service life of 50/60 mesh diamond bit is respectively 2174 timesof conventional bit,and the drilling rate in-creased by 1917%.

diamond positioning arrangement;impregnated drill bit;arrangement parameters

P634.4+1

A

1672-7428(2011)06-0062-03

2010-12- 24;

2011-03-25

鄧偉(1967-),男(漢族),四川射洪人,中國地質科學院探礦工藝研究所工程師,探礦工程專業(yè),從事金剛石鉆頭研究開發(fā)工作,四川省成都市郫縣紅光鎮(zhèn)現(xiàn)代工業(yè)港港華路 139號,dw@cgiet.com。