SY系列深孔硬巖孕鑲金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

姜亦軍，王文龍，張 輝

(山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東招遠(yuǎn)265400)

1 深孔硬巖地層鉆頭使用情況分析

山東萊州紗嶺礦區(qū)是深孔硬巖地層的代表礦區(qū)，該礦區(qū)鉆孔總數(shù)達(dá)到117個(gè)，總工作量達(dá)到180795.10 m，鉆孔孔深全部在1100 m以深，最深孔深2113.98 m，平均孔深1545.26 m。紗嶺礦區(qū)地層類(lèi)型較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部巖層多為破碎、堅(jiān)硬致密且研磨性強(qiáng)的地層，施工難度很大，鉆頭磨損情況嚴(yán)重，鉆探施工效率不高。與之情況相近的還有萊州前陳礦區(qū)以及招遠(yuǎn)水旺莊礦區(qū)。當(dāng)遇到這些硬巖地層時(shí)，正常磨損下，使用我院恒通鉆頭廠老配方和老工藝生產(chǎn)的鉆頭(胎體硬度HRC50以上)平均使用壽命只有20 m左右，單只鉆頭最低使用壽命只有幾米，鉆頭耐磨性差造成了頻繁的深孔提下鉆，大大降低了鉆探效率，增加了鉆探施工的成本。由此可見(jiàn)，老配方與工藝下生產(chǎn)的鉆頭已無(wú)法滿足深孔硬巖鉆探的使用要求。

通過(guò)對(duì)深孔硬巖地層鉆進(jìn)過(guò)程的研究可知，鉆頭工作層的消耗情況決定了鉆頭的使用壽命和時(shí)效，工作層的消耗實(shí)際上是指金剛石和胎體的消耗。金剛石負(fù)責(zé)破碎、切削巖石，而胎體則保證和維持了金剛石的正常工作。

金剛石鉆頭孕鑲層的消耗主要不是巖石對(duì)其的磨損，因?yàn)榻饎偸挠捕冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石的硬度，只要不使用品質(zhì)低劣的金剛石，并且選用的金剛石粒度和密度與地層相適應(yīng)，其消耗量是微乎其微的。其消耗的原因是鉆頭冷卻不良造成的金剛石石墨化以及胎體消耗過(guò)快造成的金剛石崩裂及脫落。鉆頭胎體的磨損特性和磨損速率則更直接地決定了鉆頭的使用效果。當(dāng)鉆頭遇到強(qiáng)研磨性硬巖地層時(shí)，如果無(wú)法保證胎體的耐磨性，就無(wú)法保證金剛石的正常工作，從而致使鉆頭消耗過(guò)快，無(wú)法滿足深孔鉆探的使用要求。針對(duì)這一情況，我們對(duì)原有鉆頭在金剛石選料、胎體材料配方以及模具、加工工藝等方面做出了一系列的創(chuàng)新改進(jìn)與設(shè)計(jì)，研發(fā)出了耐磨性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的適應(yīng)深孔硬巖強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)的金剛石鉆頭。

2 針對(duì)深孔硬巖地層對(duì)鉆頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2．1 金剛石的預(yù)處理及粒度、濃度的合理選擇

金剛石是鉆頭的主要鉆進(jìn)切削部分，其質(zhì)量的好壞直接影響鉆頭的使用壽命和時(shí)效。金剛石在使用前，必須按照鉆探要求進(jìn)行挑選，然后按照鉆進(jìn)巖石的特點(diǎn)合理選擇其品質(zhì)、粒度及密度，并加以預(yù)處理。

針對(duì)深孔硬巖強(qiáng)研磨性地層所需鉆頭性能的特殊性，我們選用了特級(jí)(JRT)人造金剛石，并對(duì)金剛石進(jìn)行了鍍鈦處理。在700℃左右，鈦與石墨化的金剛石形成碳化鈦鍍層，并且會(huì)在一定條件下滲入金剛石晶體的裂紋及裂隙，滲入金剛石的細(xì)孔和微裂紋，從而提高了金剛石的整體性強(qiáng)度，有助于金剛石的牢固包鑲，同時(shí)，金剛石鍍層起著隔氧的作用，提高了金剛石對(duì)溫度的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，鍍鈦后的金剛石的抗彎強(qiáng)度提高了20%以上，固結(jié)強(qiáng)度幾乎提高1倍，單顆金剛石的承載能力明顯提高。

不同地層結(jié)構(gòu)，具有不同的力學(xué)性質(zhì)，其巖石的硬度、強(qiáng)度、研磨性不同，選擇使用的金剛石也會(huì)不同。金剛石的粒度決定了金剛石在鉆頭唇面的出刃高度、分布密度、切入巖石深度、金剛石與巖石的接觸面積、孕鑲鉆頭的自銳能力等，因而對(duì)鉆進(jìn)指標(biāo)有明顯影響。我們選擇了5種不同粒度的金剛石，分別燒制成金剛石鉆頭，金剛石濃度均為85%(400%濃度制)，胎體材料均為同一配方，在同一鉆孔相似地層進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，得出了表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 不同金剛石粒度下鉆頭耐磨性與鉆速

由表1可以看出，鉆頭的耐磨性(即每消耗1 mm的胎體所鉆進(jìn)的米數(shù))隨著金剛石粒度的減小而有增加的趨勢(shì)。當(dāng)金剛石細(xì)到一定限度時(shí)，金剛石被胎體包鑲的面積甚小，很快隨胎體磨損而掉粒，鉆頭的耐磨性反而下降，在金剛石粒度為50～60目時(shí)鉆頭的耐磨性最佳。鉆速同樣隨著金剛石粒度的減小而增加，當(dāng)金剛石粒度細(xì)到一定限度時(shí)，其接觸面積很小，鉆速隨之降低;相反金剛石粒度過(guò)大，金剛石不能自銳，鉆速也將下降，金剛石粒度為40～50目時(shí)鉆速最佳。

對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭，金剛石濃度對(duì)鉆頭的耐磨性有直接影響，金剛石濃度增加，鉆頭的耐磨性隨之增加，而金剛石單位消耗量相應(yīng)下降。對(duì)一定的巖層，存在一定的金剛石最佳濃度;巖性不同，最佳濃度不同。對(duì)于不同巖層推薦的金剛石濃度見(jiàn)表2。

表2 推薦的不同巖層的金剛石濃度

2．2 胎體材料及配方的設(shè)計(jì)改進(jìn)

不同類(lèi)型的鉆頭對(duì)胎體性能有不同的要求，主要取決于鉆頭的工作特性及所鉆巖層(見(jiàn)表3)。但不論是何種類(lèi)型的鉆頭胎體，在鉆進(jìn)過(guò)程中其受力復(fù)雜，工作條件極差，既要受到壓、扭、彎和沖擊作用，還受到巖粉、碎金剛石微粒的研磨以及沖洗液的沖蝕作用，所以胎體性能的好壞直接影響著鉆進(jìn)的效果和鉆頭的壽命。

表3 孕鑲金剛石鉆頭性能

雖然金剛石的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)各類(lèi)巖石，但如果沒(méi)有高硬度和強(qiáng)耐磨性的胎體進(jìn)行包鑲，金剛石過(guò)早脫落反而會(huì)研磨鉆頭胎體，造成鉆頭進(jìn)一步的無(wú)功損耗。

在對(duì)紗嶺礦區(qū)鉆頭使用情況的研究中發(fā)現(xiàn)，由于該礦區(qū)深部多為含有石英巖的破碎花崗巖，硬度高且研磨性非常強(qiáng)，胎體磨損過(guò)快導(dǎo)致金剛石過(guò)早的脫落和崩裂，使得鉆頭壽命過(guò)短，造成深孔頻繁提鉆，直接影響了鉆進(jìn)的效率和成本。加之很多機(jī)臺(tái)為了趕工期，搶進(jìn)尺，追求經(jīng)濟(jì)效益，盲目的加壓，致使鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中長(zhǎng)期處于一種微燒的狀態(tài)，胎體過(guò)快的消耗使金剛石無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的效應(yīng)，鉆頭的耐磨性大大降低。所以，提高胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度和耐磨性是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

針對(duì)這一情況，我們對(duì)胎體的材料及配方組成做出了以下改進(jìn)。

(1)在原有骨架材料碳化鎢的基礎(chǔ)之上，加入了特定目數(shù)的鑄造碳化鎢作為混合骨架材料，鑄造碳化鎢和燒結(jié)碳化鎢明顯差異在于:在靜磨損、沖擊能量值小時(shí)，鑄造碳化鎢表現(xiàn)出極高的抗磨能力，而隨著沖擊能量的增加，鑄造碳化鎢脆性大，抗沖擊能力差的特點(diǎn)明顯反映出來(lái);而燒結(jié)碳化鎢則因?yàn)槠淞己玫捻g性、加之其抗沖擊能力較強(qiáng)，其耐沖擊磨損能力相對(duì)于鑄造碳化鎢有巨大優(yōu)勢(shì)。所以將靜磨損抗磨能力強(qiáng)的鑄造碳化鎢按一定比例加入到骨架材料中，并加入少量的碳化鈦、碳化釩、碳化鉻等，形成多元性的骨架材料，通過(guò)調(diào)節(jié)它們的目數(shù)、粒度和加入比例，優(yōu)選出理想的胎體性能。

(2)為了達(dá)到更強(qiáng)的胎體硬度和耐磨性能，在上述的改進(jìn)基礎(chǔ)之上，在胎體中加入了一種特殊的“硬質(zhì)點(diǎn)”，以YS76.8S鉆頭為例，通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析可知(見(jiàn)表4)，隨著“硬質(zhì)點(diǎn)”數(shù)量的增加，鉆頭的耐磨性能更好，但當(dāng)“硬質(zhì)點(diǎn)”增加到一定數(shù)量時(shí)，由于胎體消耗變慢造成金剛石不出刃，鉆速出現(xiàn)了下降?！坝操|(zhì)點(diǎn)”的排列方式，主要試驗(yàn)了隨機(jī)排列和三層規(guī)律排列2種方式，由表4可以看出，采用三層規(guī)律排列的方式，鉆頭耐磨性和鉆速都有所提高。所以，選擇一個(gè)合理的數(shù)量及排列的方式，確定出最佳的胎體性能，既保證了鉆頭的進(jìn)尺效率，還大大提高了鉆頭的使用壽命。

表4 “硬質(zhì)點(diǎn)”數(shù)量及排列方式對(duì)鉆頭性能的影響

(3)胎體性能的好壞，關(guān)鍵還要控制好骨架材料、粘結(jié)材料、“硬質(zhì)點(diǎn)”材料所占整體的比例，不同比例所獲的胎體性能有很大的差異。我們?cè)谠?3號(hào)經(jīng)典胎體配方(質(zhì)量百分比為40%WC，15%YG6，5%Ni，5%Mn，35%ZQSn663)的基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行了部分調(diào)整，根據(jù)理論優(yōu)化值等數(shù)據(jù)的分析，選取了幾組鉆頭的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5)，確定了適合深孔硬巖鉆進(jìn)的鉆頭胎體配方。

表5 不同配方鉆頭耐磨性對(duì)比

(4)對(duì)新型預(yù)合金粉在胎體中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)和分析，主要為鈷合金粉，包括YG6、YG8、YG20等。結(jié)合理論以及表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知預(yù)合金粉可以替換WC進(jìn)一步提高胎體的性能，并且預(yù)合金粉易于燒結(jié)，且燒結(jié)溫度低，有利于降低高溫對(duì)金剛石及胎體的性能破壞。

2．3 模具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及改進(jìn)

對(duì)于模具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及改進(jìn)主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)在鉆進(jìn)巖層硬度不高，研磨性弱的地層時(shí)，所設(shè)計(jì)的模具只要保證燒結(jié)出的金剛石鉆頭胎體工作層高度達(dá)到10 mm即可滿足此類(lèi)巖層的鉆進(jìn)工作。但對(duì)于深孔硬巖地層來(lái)說(shuō)，由于巖層堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，以及孔深冷卻效果差等原因，鉆頭的消耗程度基本是普通地層的3倍，所以10 mm的工作層高度無(wú)法滿足深孔硬巖地層的使用要求。通過(guò)對(duì)燒結(jié)底模的加深，增加模具的裝料量，燒結(jié)出的鉆頭胎體工作層高度達(dá)到了20 mm，是普通鉆頭胎體工作層高度的1倍，鉆頭的使用壽命增加了1倍，減少了深孔提下鉆的次數(shù)，提高了鉆探效率，降低了生產(chǎn)成本。

(2)由于胎體變高，原有的石墨水口塊已無(wú)法滿足現(xiàn)有的燒結(jié)工藝，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套用于燒結(jié)特制水口塊的新模具(見(jiàn)圖1)，并且用特定的配方燒制出了不同規(guī)格鉆頭所用的水口塊(見(jiàn)圖2)。特制水口塊可以在鉆頭燒結(jié)過(guò)程中完成二次燒結(jié)，解決了石墨水口塊由于高度固定造成的裝料量不足的限制，增加了鉆頭的裝料量，提高了胎體燒結(jié)的密實(shí)度，胎體對(duì)金剛石的包鑲也更為牢固，胎體性能也更為出色。

圖1 燒結(jié)特制水口塊的新模具

圖2 燒結(jié)出的特制水口塊

(3)石墨模具的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，石墨性能參數(shù)的波動(dòng)大小會(huì)直接影響金剛石鉆頭的尺寸精度，外觀形狀;還會(huì)對(duì)胎體中粘結(jié)劑的含量，基體材料的硬度，抗彎強(qiáng)度，胎體對(duì)金剛石的包鑲能力，以及胎體的切割性能和使用壽命造成不同程度的損失。為了確保鉆頭質(zhì)量的穩(wěn)定，我們引進(jìn)了質(zhì)量更好的石墨作為制作模具的原材料，從而也提高了燒制鉆頭的質(zhì)量和穩(wěn)定性模具的使用次數(shù)，整體上降低了生產(chǎn)成本。

2．4 裝填、燒結(jié)工藝的改進(jìn)

在預(yù)裝特制水口塊時(shí)，為了增加其牢固性，防止水口在燒結(jié)壓制過(guò)程中倒斜，我們改進(jìn)了唇模的形狀，增加了卡槽。并且對(duì)卡槽和水口提出了嚴(yán)格的精度要求，防止在燒結(jié)壓制中有漏料和滲料的情況出現(xiàn)。

由于加深了底模模具，并且加入了“硬質(zhì)點(diǎn)”材料，所以需要改進(jìn)原有的裝料工藝，改用分層裝料法，將每個(gè)水口處的混合料再分成幾個(gè)等份，分層進(jìn)行裝填，并且在裝入“硬質(zhì)點(diǎn)”后，分層進(jìn)行壓平，這樣既增加了混合料裝填的密實(shí)性，也保證了“硬質(zhì)點(diǎn)”的穩(wěn)定性。在裝填時(shí)，我們要求裝料工必須嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行裝料，不能漏掉一個(gè)細(xì)節(jié)，水口處要倒入合適等份量的水口粉，并在裝填過(guò)程中用修正刀將水口頂端的混合料清理干凈，防止金剛石殘留，造成燒結(jié)出的成品無(wú)法處理水口。

在燒結(jié)工藝方面，通過(guò)改善鉆頭材料，加入低熔點(diǎn)的粘結(jié)金屬，降低鉆頭的燒結(jié)溫度，從而減少高溫對(duì)金剛石性能的影響，降低粘結(jié)金屬對(duì)金剛石的侵蝕作用，保證了金剛石的最佳的工作性能。除了燒結(jié)溫度外。熱壓工藝(如升溫速度、保溫時(shí)間、降溫速度等)同樣對(duì)胎體性能有重要影響。升溫速度太快，胎體易產(chǎn)生裂紋，太慢又影響鉆頭加工的效率;保溫時(shí)間受燒結(jié)溫度、浸漬體積和燒結(jié)速度的影響，通過(guò)理論和實(shí)踐可以證明，采用“二次保溫”燒結(jié)工藝，能提高胎體的耐磨性，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

3 深孔硬巖鉆頭的試驗(yàn)使用情況

為了能夠得到真實(shí)的數(shù)據(jù)，并且第一時(shí)間分析鉆頭的使用情況。我們專(zhuān)門(mén)派了技術(shù)人員長(zhǎng)期值守在礦區(qū)、機(jī)臺(tái)，然后再根據(jù)反饋的使用情況進(jìn)行分析、改進(jìn)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多地區(qū)、多層級(jí)的試驗(yàn)分析，并對(duì)鉆頭不斷的進(jìn)行改進(jìn)，目前研發(fā)出的深孔硬巖YS95S、YS76.8S系列兩種鉆頭在各礦區(qū)的使用取得了比較大的成功，使用壽命達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。圖3和圖4為改進(jìn)前的普通鉆頭與改進(jìn)后的高胎體鉆頭的比較。

圖3 改進(jìn)前的鉆頭

圖4 改進(jìn)后的高胎體鉆頭

山東萊州紗嶺礦區(qū)，鉆孔平均深度達(dá)到了1500 m左右，深部地層巖石致密、堅(jiān)硬、破碎，研磨性強(qiáng)。在整個(gè)礦區(qū)施工前期，由于深孔硬巖鉆頭研發(fā)項(xiàng)目還未開(kāi)始，使用研發(fā)前的鉆頭出現(xiàn)了壽命不高、使用不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了深孔鉆探的效率，增加了鉆探成本。后期階段針對(duì)紗嶺礦區(qū)這一典型地層特點(diǎn)，我們開(kāi)展了SY系列深孔硬巖鉆頭研發(fā)項(xiàng)目，技術(shù)人員長(zhǎng)期駐扎在該礦區(qū)，對(duì)鉆頭進(jìn)行邊研制、邊試驗(yàn)、邊改進(jìn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不懈的努力，終于研制出適合紗嶺礦區(qū)地層的深孔硬巖高胎體鉆頭。研發(fā)后的鉆頭在該礦區(qū)單只最高壽命達(dá)到了160 m，平均使用壽命達(dá)80 m以上，大大提高了鉆探效率，節(jié)約了鉆探成本。

山東萊州前陳礦區(qū)，同樣是深孔硬巖的典型代表地層。我院探礦一處605號(hào)鉆機(jī)，換徑前700 m，投入了5個(gè)新研發(fā)的YS95S深孔硬巖高胎體鉆頭，其中4個(gè)鉆頭壽命達(dá)到了140 m，1個(gè)鉆頭使用超過(guò)了120 m，使用效果理想。換徑后繼續(xù)使用YS76.8S深孔硬巖高胎體鉆頭，目前正在觀察、分析深孔硬巖鉆頭對(duì)此礦區(qū)深部地層的適應(yīng)性。

山東招遠(yuǎn)水旺莊礦區(qū)，鉆孔全部為超深孔。由于地層復(fù)雜、堅(jiān)硬、研磨性超強(qiáng)，普通鉆頭進(jìn)尺壽命只有20 m左右。我院探礦一處613機(jī)臺(tái)在鉆至1000 m深處，出現(xiàn)了含有高石英含量的致密破碎花崗巖，研磨性極強(qiáng)，鉆頭使用壽命都不高。后期換用新型深孔硬巖高胎體鉆頭后，鉆進(jìn)至1400 m處，鉆頭平均壽命在60 m左右，使用十分穩(wěn)定。探礦二處623機(jī)臺(tái)從開(kāi)孔到換徑到終孔一直使用新型深孔硬巖鉆頭，最高進(jìn)尺達(dá)到了92 m，最低也在40 m以上，平均使用壽命在60 m以上。

萊州紗嶺礦區(qū)、前陳礦區(qū)以及招遠(yuǎn)水旺莊礦區(qū)的地層雖然不能概括其它堅(jiān)硬地層，但也是目前國(guó)內(nèi)比較有代表性的強(qiáng)研磨性深孔硬巖地層，能達(dá)到這樣的進(jìn)尺壽命，說(shuō)明深孔硬巖鉆頭的研發(fā)取得了一定成效。

4 結(jié)論

針對(duì)山東萊州紗嶺、前陳，招遠(yuǎn)水旺莊等典型的具有強(qiáng)研磨性深孔硬巖地層的礦區(qū)，我們通過(guò)理論研究與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析金剛石用量、胎體配方、模具設(shè)計(jì)及加工工藝等對(duì)孕鑲金剛石鉆頭破巖效率和使用壽命的影響，得出以下結(jié)論。

(1)鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性地層金剛石容易發(fā)生斷裂和脫落，選用高品質(zhì)金剛石作為切削材料，并對(duì)金剛石進(jìn)行鍍鈦處理，使其具有了更強(qiáng)的工作性能。

(2)由于深孔硬巖地層具有孔深、地層復(fù)雜以及巖石研磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)胎體性能提出了非常高的要求，通過(guò)改進(jìn)胎體材料和其配比，以及“硬質(zhì)點(diǎn)”的加入并特殊排列，大大增強(qiáng)了胎體的各項(xiàng)性能，從而適應(yīng)深孔硬巖鉆進(jìn)的要求。

(3)對(duì)模具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及改進(jìn)可以優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)，制作出了新型鉆頭所需要的預(yù)制水口塊，以滿足深孔硬巖鉆頭的制作要求。

(4)各項(xiàng)工藝要重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)新工藝提出了嚴(yán)格的要求，通過(guò)細(xì)化裝填、燒結(jié)等每項(xiàng)工藝流程，確保鉆頭性能穩(wěn)定，我們探索掌握了一套新工藝方法及一些工藝參數(shù)，有利于對(duì)深孔硬巖鉆頭的進(jìn)一步研究。

(5)雖然此次深孔硬巖孕鑲金剛石鉆頭的研發(fā)取得了很大突破，但仍有很多的問(wèn)題需要解決。比如高胎體鉆頭在遇到一些復(fù)雜破碎的深部地層時(shí)，因孔內(nèi)原因或者人員操作的原因，有時(shí)會(huì)發(fā)生鉆頭胎體斷裂、掉塊的現(xiàn)象，這一問(wèn)題還有待解決;此外在鉆頭配方方面，雖然目前加入的材料及配比基本已達(dá)到了深孔硬巖鉆進(jìn)的要求，但還有進(jìn)一步提升胎體性能的空間，我們還要在以后的工作中進(jìn)行更深入的理論分析和試驗(yàn)研究，重點(diǎn)試驗(yàn)研究一些新型高性能材料加入到胎體中的融合反應(yīng)情況，以及其在胎體中的合適比例等。

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