關(guān)于金剛石鉆頭底出刃銳化處理的試驗(yàn)研究

湯鳳林， 沈中華， 段隆臣， 柳少青， 孫環(huán)平， Чихоткин В.?.

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

關(guān)于金剛石鉆頭底出刃銳化處理的試驗(yàn)研究

湯鳳林1,2， 沈中華2， 段隆臣1， 柳少青2， 孫環(huán)平2， Чихоткин В.?.1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

在我國固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘探中，金剛石鉆進(jìn)是一種主要的鉆進(jìn)方法。金剛石鉆進(jìn)時(shí)，破碎巖石是靠鑲在鉆頭胎體中的金剛石底出刃完成的。隨著鉆孔的加深和孔底巖石的破碎，金剛石底出刃被磨損，直接影響機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，直至鉆頭報(bào)廢。因此對鉆頭金剛石出刃磨銳問題，應(yīng)該給予充分注意。俄羅斯Спирин В.И.教授等利用電化學(xué)原理對鉆頭底出刃進(jìn)行銳化處理，以提高機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，基于此原理研制了野外用輕便式電化學(xué)銳化處理金剛石鉆頭的設(shè)備，工程應(yīng)用驗(yàn)證，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

金剛石鉆頭；底出刃；銳化處理；電化學(xué)原理；鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

0 引言

我國“十三五”規(guī)劃要求進(jìn)行深部地質(zhì)找礦和深部資源開發(fā)和利用，這是地質(zhì)戰(zhàn)線面臨的新任務(wù)。為了完成這種任務(wù)，必須進(jìn)行深部鉆探。在深部固體礦床勘探、特別是硬巖鉆探中，更需要采用金剛石鉆進(jìn)技術(shù)和方法。在鉆探設(shè)備已經(jīng)選定、鉆探工藝和鉆機(jī)機(jī)組人員已經(jīng)確定的情況下，主要是鉆頭的性能、選擇和使用問題。

金剛石鉆進(jìn)主要是用金剛石底出刃完成的。隨著鉆孔的加深和孔底巖石的破碎，金剛石底出刃是要磨損的，直接影響機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，直至鉆頭報(bào)廢。因此，鉆頭金剛石底出刃磨銳問題，是個(gè)非常突出的問題[1-6]。

俄羅斯博士Спирин В.И.教授等在利用電化學(xué)原理對鉆頭底出刃進(jìn)行銳化處理，以提高機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺方面做了大量的工作，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[7-22]。

俄羅斯研發(fā)的金剛石鉆頭底出刃銳化設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用容易，攜帶方便，可以在鉆探工地上使用，甚至可以放到鉆機(jī)機(jī)臺上備用。這種設(shè)備對于深孔硬巖鉆進(jìn)、復(fù)雜地層鉆進(jìn)等情況來說，為了提高機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺，減少回次，降低成本，取得好的鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是非常需要的，值得我們注意。

1 金剛石出刃及其測量

金剛石鉆進(jìn)是目前我國固體礦床地質(zhì)勘探使用的一種主要鉆進(jìn)方法。金剛石鉆進(jìn)中，破碎孔底巖石是用鑲在鉆頭刃部的金剛石完成的。金剛石鉆頭刃部示意圖見圖1[6]。

1—底刃金剛石；2—規(guī)徑金剛石；3—側(cè)刃金剛石；4—胎體；5—鉆頭體；6—金剛石；7—工作部分胎體；8—非工作部分胎體；9—鉆頭體；h—孕鑲層高度

圖1金剛石鉆頭刃部示意

正確設(shè)計(jì)金剛石在胎體端面上的出露量(底出刃)，可以保證鉆頭的鉆速高、壽命長，對表鑲鉆頭尤為重要。設(shè)計(jì)的出刃值，應(yīng)能保證巖粉在正常泵壓條件下從鉆頭端面順利通過，金剛石出刃在鉆進(jìn)過程中不易被折斷，金剛石在胎體中包鑲牢固。其出露數(shù)值取決于金剛石粒度的大小和所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。一般在中硬—硬巖層中的出露量，從胎體端面算起，以不超過金剛石直徑的1/3為宜。正常鉆進(jìn)時(shí)，金剛石切入巖石的深度一般為底出刃的1/3左右。

孕鑲鉆頭上的底出刃大小是由胎體的抗沖蝕性和耐磨性決定的，要保證在鉆進(jìn)過程中胎體不斷被磨蝕，金剛石不斷露出，才能有效鉆進(jìn)。如果金剛石磨損速率和胎體磨蝕速率相同，則金剛石露不出來，出刃為零，不能破碎巖石。只有在鉆進(jìn)過程中，胎體磨損速率適當(dāng)超前金剛石磨損速率時(shí)，金剛石才有出刃，即我們常說的“自磨出刃”，才能達(dá)到基本恒速鉆進(jìn)的目的。

可見，鉆頭金剛石的底出刃是非常重要的，只有金剛石處于銳化狀態(tài)才能得到好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。金剛石鉆頭雖有內(nèi)、外保徑問題，但是就鉆頭進(jìn)尺和鉆進(jìn)深度來說，主要是靠鉆頭底出刃完成的，所以我們主要討論金剛石的底出刃問題。

如果所選金剛石粒度合適的話，則金剛石底出刃按下式計(jì)算：

h=K?KTda/3

(1)

式中：h——金剛石底出刃；K?——金剛石顆粒形狀系數(shù)，球形時(shí)K?=1，球形變化不大時(shí)K?=0.75，球形變化很大時(shí)K?=0.5；KT——巖石裂隙系數(shù)，巖石單位塊度KY為1～10時(shí)KT=1.0，KY為10～30時(shí)KT=0.75，KY大于30時(shí)KT=0.5；da——所用金剛石顆粒直徑。

金剛石底出刃的測量是用金剛石底刃測量裝置進(jìn)行的(見圖2)[12]。

1—夾持架；2—夾持架手把；3—立柱；4—裝置基座；5—夾持螺母；6—指示頭；7—游標(biāo)；8—夾板；9—指針固定裝置；10—指針夾持裝置；11—測針；12—銷釘；13—金剛石鉆頭用接頭；14—銷釘固定螺母；15—指示頭固定裝置；16—金剛石鉆頭；17—度數(shù)指示裝置；18—度盤

圖2測量金剛石底刃用裝置

2 底出刃的作用及其與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系

底出刃是金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對于鉆進(jìn)效率具有重要意義。作用在鉆頭上的軸載PO，在鉆進(jìn)過程中通過胎體和巖粉被分配到金剛石顆粒Pa和巖石(巖粉)PM上。巖粉的產(chǎn)生和存在有很大作用，一方面巖粉可以減少一部分傳給金剛石的軸載，限制金剛石吃入巖石，另一方面可以影響金剛石和胎體的磨損程度。如果孔底巖粉過多排不走，則會使胎體磨損過多；如果巖粉過少則會使胎體磨損過少，金剛石不能及時(shí)出露，致使金剛石拋光，鉆頭不能進(jìn)尺；應(yīng)該有個(gè)最優(yōu)值范圍，即有一個(gè)正常的巖粉規(guī)程，以保證正常鉆進(jìn)。

未銳化處理單粒金剛石和已銳化處理單粒金剛石破碎孔底過程中，載荷分布示意圖見圖3[17]。

圖3 單個(gè)金剛石破碎巖石示意

圖3上，Pti是作用在第i個(gè)金剛石上的(扭矩)切力；Pai和PMi分別是軸載PO作用在第i個(gè)金剛石和胎體上的分力；hН、hЗ分別是未銳化處理金剛石和經(jīng)銳化處理金剛石切入巖石的深度。第i個(gè)金剛石顆粒在Pti和Pai的作用下，破碎巖石，其厚度為hi與金剛石所受載荷有關(guān)。

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺：

h轉(zhuǎn)=himk

(2)

式中：mk——在一條切削線上工作的金剛石數(shù)量。

我們都知道，機(jī)械鉆速，即鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與沖洗液量和鉆壓有重要關(guān)系。合理的沖洗液量可以保證得到好的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺，見圖4[18]。

圖4 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)轉(zhuǎn)與沖洗液量Q的關(guān)系

從圖4可見，在Ⅰ區(qū)內(nèi)，沖洗液量的增加，導(dǎo)致孔底巖粉清理的改善，金剛石顆粒上的軸載比例份額Pai增大，金剛石切入量增加，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺增加。在Ⅱ區(qū)內(nèi)，未銳化金剛石鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生的巖粉數(shù)量可以適時(shí)磨損胎體、金剛石露出，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺穩(wěn)定并達(dá)到最大值。經(jīng)過銳化處理金剛石在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)形成的巖粉，能迅速排出，與胎體接觸較少，主要軸載落到金剛石上，所以每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了。在Ⅲ區(qū)，未經(jīng)銳化處理金剛石鉆進(jìn)時(shí)巖粉被迅速排走，不能磨損胎體，金剛石不能及時(shí)出露，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺減小，金剛石拋光，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺下降，甚至停止。在Ⅳ區(qū)，經(jīng)銳化處理金剛石的鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，如果繼續(xù)增加沖洗液量，則巖粉被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺下降。

鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺與軸載的關(guān)系見圖5[18]。

在討論金剛石未銳化的鉆頭和金剛石銳化的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)轉(zhuǎn)與軸載P的關(guān)系時(shí)，也要考慮孔底巖粉排出情況和金剛石、胎體間軸載分布的情況。

從圖5可見，在Ⅰ區(qū)內(nèi)，隨著軸載的增加，金剛石切入巖石的深度增加，但是切入量不大，形成的巖粉未能與胎體接觸，巖粉細(xì)，數(shù)量少。在Ⅱ區(qū)內(nèi)，隨著軸載的增加，巖粉在胎體和孔底之間集聚，巖粉開始與胎體接觸。銳化金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生的巖粉迅速排出，形成的巖粉數(shù)量比未銳化金剛石鉆進(jìn)時(shí)少，金剛石承受了大部分軸載，因此每轉(zhuǎn)進(jìn)尺比未銳化金剛石鉆進(jìn)時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺大。在Ⅲ區(qū)，軸載的增加和鉆頭胎體、巖石間間隙的縮小，導(dǎo)致銳化金剛石比未銳化金剛石每轉(zhuǎn)進(jìn)尺差距進(jìn)一步拉大。軸載的增加和由其產(chǎn)生的巖粉的增加，導(dǎo)致如果軸載再繼續(xù)增加，則全部載荷將由胎體承受，所以未銳化金剛石的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺不再增加。在此區(qū)內(nèi)，如果金剛石鉆頭軸載繼續(xù)增加，則銳化金剛石鉆頭的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺增加幅度繼續(xù)增大。在Ⅳ區(qū)，銳化金剛石鉆頭的軸載達(dá)到極限值，每轉(zhuǎn)進(jìn)尺不能再繼續(xù)增加。

圖5 鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺h(yuǎn)轉(zhuǎn)與軸載P的關(guān)系

從圖4和圖5可見，無論在沖洗液量變化的過程中，還是在軸載變化的過程中，經(jīng)過銳化處理金剛石鉆頭的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺均比未經(jīng)銳化處理的鉆頭的每轉(zhuǎn)進(jìn)尺大，而且差別幅度較大，這就說明，對金剛石鉆頭底刃進(jìn)行銳化處理，可以提高機(jī)械鉆速和鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺，對于提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是非常必要的。

3 鉆頭底出刃銳化處理技術(shù)和工藝

金剛石鉆頭底出刃銳化處理是利用電化學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的。

3.1 底出刃銳化電化學(xué)處理基本概念

在電化學(xué)中，通常把發(fā)生氧化反應(yīng)(失去電子的反應(yīng))的電極稱為陽極，把發(fā)生還原反應(yīng)(獲得電子的反應(yīng))稱為陰極。因此，電解池中的正極稱為陽極，負(fù)極稱為陰極。從電源(直流電源)負(fù)極流出的電子，到了電解池的負(fù)極，將負(fù)電荷傳遞給溶液(電子與正離子復(fù)合，等于溶液中負(fù)電荷增加)。在溶液中依靠正電子向負(fù)極運(yùn)動，負(fù)電子向正極運(yùn)動，將負(fù)電荷傳遞到了正極。又經(jīng)過氧化反應(yīng)，把負(fù)電荷以電子形式傳遞給電極，極板上積累的自由電子經(jīng)過導(dǎo)線流回直流電源的正極。所以，離子導(dǎo)體導(dǎo)電方式的轉(zhuǎn)化是通過電極上的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。在電解質(zhì)溶液中，是依靠正、負(fù)離子的定向運(yùn)動傳遞電荷的，即載流子是正、負(fù)離子。

俄羅斯NaCl溶液中陽極溶化鉆頭胎體金屬示意圖見圖6[12]。

圖6 NaCl溶液中陽極溶化鉆頭胎體金屬原理示意

可以把金剛石鉆頭的電化學(xué)銳化過程看成是一種類似金屬和合金的電化學(xué)處理過程。

溶于水中的氯化鈉分子分解成正離子Na+和負(fù)離子Cl-。同時(shí)，水發(fā)生電解，形成氫氧化物負(fù)離子OH-和氫的陽離子H+。負(fù)離子OH-和Cl-向陽極方向移動，陽離子H+和Na+向陰極方向移動。胎體金屬失去電子：Me0-ne→Men+(其中ne為電子個(gè)數(shù))，由金屬狀態(tài)變成離子狀態(tài)。形成的金屬離子Men+與氫氧化物OH-結(jié)合，形成金屬的高價(jià)氫氧化物Me(OH)n。

在一些情況下，這種高價(jià)氫氧化物不溶解，沉淀析出。

氫離子H+在陰極放電，形成氫的原子，以氣泡形式從溶液中析出：

2H++2e→H2↑

在陽極上可能形成氣態(tài)氧氣析出：

4OH-+4e→2H2O+O2↑

溶液中所含氯離子和鈉離子帶有電荷。這兩種離子的存在，可以產(chǎn)生NaOH堿類和胎體金屬鹽類CuCl2、FeCl2、FeCl3等，也可在陽極產(chǎn)生氯氣析出。

3.2 設(shè)計(jì)底出刃的計(jì)算

根據(jù)法拉第定律，胎體金屬溶解的質(zhì)量m與通過的電流I和銳化過程處理時(shí)間t成比例：

m=KIt

(3)

式中：m——溶解金屬的質(zhì)量，kg；K——金屬或合金的電化學(xué)當(dāng)量，kg/(A·h)；I——電流，A；t——電化學(xué)過程處理時(shí)間，h。

由于鉆頭胎體是由幾種金屬組成的，所以其電化學(xué)當(dāng)量如下計(jì)算：

Km=100/〔∑(ci/ki)〕

(4)

式中：ci——胎體中第i個(gè)金屬成分的百分含量；ki——胎體中第i個(gè)金屬成分的電化學(xué)當(dāng)量，kg/(A·h)。

所以：

m=KmIt

(5)

鉆頭胎體電化學(xué)處理結(jié)果可以用其溶解層厚度h表示，這個(gè)數(shù)值就是金剛石露出胎體的高度，即底出刃高度h。

被溶解鉆頭胎體的質(zhì)量m可以如下表示，即：

m=γV=γSmh

(6)

式中：γ——胎體單位體積的質(zhì)量，kg/m3；V——胎體被溶解部分的體積，m3；Sm——胎體面積，Sm=S-Sa;S——鉆頭端面面積，m2；Sa——鉆頭端面上金剛石占有的面積，m2。

于是得金剛石底出刃高度為：

(7)

令β=Km/γ，是考慮胎體具體組成等的比例系數(shù)，則:

(8)

從上式可見，金剛石底出刃銳化處理的高度h，除了與胎體組成有關(guān)外，還與電流I和處理時(shí)間t有關(guān)。在實(shí)際條件下，陽極電流I不是定值。系數(shù)β與被處理的胎體材料、電解質(zhì)的組成、電解質(zhì)的溫度、濃度和pH值等因素有關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)方法確定。

3.3 電化學(xué)處理工藝

電化學(xué)處理鉆頭的目的在于使鉆頭金剛石得到初始的設(shè)計(jì)出刃，并在鉆進(jìn)過程中保持這個(gè)出刃。在鉆進(jìn)過程中，如果由于地質(zhì)條件或技術(shù)工藝條件導(dǎo)致出刃減小(拋光)，低于合理出刃，機(jī)械鉆速變慢時(shí)，就需要用電化學(xué)方法使金剛石定期銳化出刃。如果所用金剛石粒度與所鉆地層相應(yīng)，鉆頭處于正常狀態(tài)，機(jī)械鉆速和鉆頭磨損也較合理，則不必進(jìn)行銳化處理。

根據(jù)式(8)得知，胎體溶解層的厚度，即底出刃出露高度h與系數(shù)β有關(guān)，這個(gè)系數(shù)可以用實(shí)驗(yàn)方法確定。最好是在鉆頭銳化處理實(shí)驗(yàn)室，研究并制定出一個(gè)根據(jù)每類鉆頭型號的底出刃出露高度h與電流I、處理時(shí)間t的諾膜圖(如圖7所示)[18]。

圖7 根據(jù)О2И3150К40-59型金剛石鉆頭(含有12.24 ct金剛石)設(shè)計(jì)出刃h來確定電流I和處理時(shí)間t的諾膜圖

如果使用的是可調(diào)電壓的整流器，則電流I可以根據(jù)需要的電化學(xué)處理時(shí)間t確定。如果使用的是不可調(diào)電壓的整流器，則銳化時(shí)間t可以根據(jù)得到的電流I確定。電流密度在0.1～1.0 A/cm2內(nèi)變化，可以得到很高的銳化精度，特別是銳化小粒度金剛石時(shí)，適合使用小密度電流，更是如此。使用高密度電流，可以加快電化學(xué)處理過程，宜在處理大顆粒金剛石鉆頭時(shí)使用。

如果給出了設(shè)計(jì)的金剛石出刃值h和電流I，并通過實(shí)驗(yàn)確定出了β的數(shù)值，就可以根據(jù)公式或諾膜圖7計(jì)算出銳化狀態(tài)需要的時(shí)間t來。

銳化處理金剛石鉆頭用的設(shè)備是俄羅斯凱拉庫姆地質(zhì)勘探大隊(duì)研制出來的。野外輕便式金剛石鉆頭銳化設(shè)備(見圖8)是用來在野外條件下直接在鉆機(jī)機(jī)臺上或鉆探工地上對金剛石鉆頭進(jìn)行電化學(xué)處理的，其中包括有輕便式電化學(xué)處理金剛石鉆頭的設(shè)備(見圖9)[18]。

3.4 注意事項(xiàng)[19]

(1)對于所有鑲有天然金剛石和人造金剛石的表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭(О1А3、О1А4、14А3、О2И3、О2И4等)，均應(yīng)有初始的底出刃。

(2)生產(chǎn)時(shí)已有設(shè)計(jì)出刃的鉆頭(О4А3、О5А3、O7А3、А4ДП等)，不宜再搞初始出刃。

(3)生產(chǎn)時(shí)已有設(shè)計(jì)出刃、含有ⅩⅤ類金剛石、且磨損不超過25%的繩索取心鉆頭，不宜再銳化。

(4)鑲有天然金剛石和人造金剛石、沒有設(shè)計(jì)出刃的表鑲鉆頭，建議搞初始出刃，在hп+hв≤H時(shí)(式中：hп——初次銳化時(shí)胎體溶解層溶掉的厚度；hв——第二次銳化時(shí)胎體溶解層溶掉的厚度，H——定額規(guī)定的胎體磨損極限值)，可以在處理過程中搞第二次銳化。

1—干燥柜ПЛЛ-9УТ；2—輕便式電化學(xué)銳化處理金剛石鉆頭裝置；3—外套；4—各種天平；5—МВМ型千分尺(俄國標(biāo)4380-63)；6—電解質(zhì)(NaCl)；7—ВР-100型天平(俄國標(biāo)359-54)；8—鉆頭夾持裝置；9—機(jī)械刷子；10—放大鏡；11—鉆頭除油用溶劑桶；12—聚丙烯酰胺桶；13—巖粉桶；14—溫度計(jì)

圖8野外用ППУ-1輕便式電化學(xué)銳化處理金剛石鉆頭的設(shè)備

1—硬鋁外殼；2—有機(jī)玻璃蓋；3—接觸開關(guān)；4—“+”極板；5—鉆頭夾持裝置；6—金剛石鉆頭；7—不導(dǎo)電電解池蓋；8—電解池；9—電解質(zhì)；10—“-”極板；11—絕緣墊

圖9輕便式電化學(xué)銳化處理金剛石鉆頭用的裝置

(5)鑲有天然金剛石的孕鑲鉆頭，在胎體含金剛石部分完全磨損前，和在處理過程中，可以進(jìn)行多次銳化處理。在金剛石拋光前，可以進(jìn)行銳化處理的次數(shù)n為：

n=(H-∑ΔHi)/hp

(9)

式中：H——含金剛石胎體高度；ΔHi——第i個(gè)回次鉆進(jìn)時(shí)的胎體磨損量；hp——得到合理出刃胎體金屬需要溶解掉的高度。

由于鑲有人造金剛石中含金剛石層的磨損量≯60%，故銳化次數(shù)n為：

n=(0.6H-∑ΔHi)/hp

(10)

(6)新金剛石鉆頭的初次銳化可以在地質(zhì)勘探基地進(jìn)行。鉆頭出刃值可以根據(jù)所用鉆頭合理銳化條件和所鉆巖石力學(xué)性質(zhì)確定。

4 銳化金剛石鉆頭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

為了對經(jīng)過銳化處理金剛石鉆頭進(jìn)行評價(jià)，做了以下試驗(yàn)分析研究[17-20]。

4.1 繩索取心鉆進(jìn)時(shí)鉆頭技術(shù)指標(biāo)對比

繩索取心鉆具KCCK-76實(shí)驗(yàn)鉆進(jìn)對比資料見表1。

表1 繩索取心鉆具KCCK-76實(shí)驗(yàn)鉆進(jìn)對比資料

4.2 地質(zhì)條件復(fù)雜礦區(qū)鉆進(jìn)指標(biāo)對比

大卡尼曼蘇爾(Большой Канимансур)礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，主要由20多種巖石組成的噴出巖系列，物理力學(xué)性質(zhì)變化大：研磨性系數(shù)1.0～3.3，動強(qiáng)度系數(shù)4.0～10.2，聯(lián)合指標(biāo)12～46，巖石可鉆性級別為7～11級。所有巖石均為裂隙性巖石，平均可鉆性級別為9.7。使用各種鉆探技術(shù)和工藝，均未達(dá)到理想結(jié)果。但是，使用底出刃經(jīng)過處理的金剛石鉆頭K-08進(jìn)行鉆進(jìn)，取得了令人滿意的效果(見表2)。

表2 使用出刃經(jīng)過處理的金剛石鉆頭K-08進(jìn)行鉆進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)

4.3 上仰孔鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)對比

在大卡尼曼蘇爾礦區(qū)，用金剛石鉆頭在弱研磨性巖石中鉆進(jìn)上仰孔是特別困難的。鉆進(jìn)幾十個(gè)厘米后，鉆頭常常剖光，進(jìn)尺非常困難，成了當(dāng)?shù)劂@探工程的一大難題。但是，在鉆進(jìn)可鉆性10～11級粗面流紋巖和霏細(xì)流紋巖時(shí)，使用出刃經(jīng)過處理的金剛石鉆頭，大大改進(jìn)了鉆探的技術(shù)指標(biāo)(見表3)。

表3 上仰孔鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)對比資料

5 結(jié)語

俄羅斯博士Спирин В.И.教授等利用電化學(xué)原理對鉆頭底出刃進(jìn)行銳化處理，提高了機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。俄羅斯研發(fā)的金剛石鉆頭底出刃銳化處理設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用容易，輕便，可以在鉆探工地上使用，甚至可以放到鉆機(jī)上備用?？梢姡@種設(shè)備對于深孔硬巖鉆進(jìn)、復(fù)雜地層鉆進(jìn)等來說，為了提高機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺，取得好的鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是非常必要的，建議我國開展這方面的研究和試驗(yàn)。

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ExperimentalResearchonSharpeningFaceExposureofDiamondDrillBit

TANGFeng-lin1,2,SHENZhong-hua2,DUANLong-chen1,LIUShao-qing2,SUNHuan-ping2,CHIKHOTKINV.F.1

(1.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China; 2.Wuxi Drilling Tools Factory Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214174, China)

In the geological exploration of solid mineral resources in China, diamond drilling is a main drilling method. In the diamond drilling, rock fragmentation is mainly realized by the diamonds set in bit crown. Along with the rock fragmentation at the bottom hole and the borehole depth increasing, the diamond face exposure is worn, which has direct influence on drilling rate and bit footage until the bit is discarded. Therefore the sharpening of the diamond face exposure should be paid a special attention. Russian doctor Спирин В.И. and some others have made a lot of studies on sharpening the diamond face exposure by using electrochemical principle in order to improve the penetration rate and bit footage; and based on this principle, the portable diamond bit electrochemical sharpening device has been developed for field application with very good technical and economic effects.

diamond bit; face exposure; sharpening; electrochemical principles; technical and economic effects of drilling

2017-06-09

江蘇省江蘇雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(編號：蘇人才辦[2014])27號)

湯鳳林，男，漢族，1933年生，教授，博士生指導(dǎo)教師，俄羅斯工程院院士，俄羅斯自然科學(xué)院院士，國際礦產(chǎn)資源科學(xué)院院士，探礦工程專業(yè)，主要從事探礦工程方面的教學(xué)和科研工作，湖北省武漢市魯磨路388號，fltang_wuhan@aliyun.com。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)09-0058-07