青海野馬泉礦區(qū)鉆頭胎體配方設(shè)計研究

汪洪民，潘秉鎖，劉海聲，高元宏，劉 鵬

(1. 青海省第二地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000； 2. 青海省巖心鉆探工程技術(shù)研究中心，青海 西寧 810000； 3. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 前 言

野馬泉礦區(qū)屬海西地區(qū)重點勘查礦區(qū)，位于青藏高原北緣中段的祁漫塔格[1]，大地構(gòu)造按位置在東昆侖北西向構(gòu)造帶與阿爾金北東向構(gòu)造帶交接部位的東昆侖多島弧盆造山系西段[2]，本區(qū)構(gòu)造運動復(fù)雜而強烈，導(dǎo)致破碎、裂隙地層所占比例較高[3-4]。近年來伴隨著國家向深部找礦勘探的號召，鉆孔工作量較大，但是深孔鉆遇復(fù)雜地層的問題逐年增加[5]。在野馬泉礦區(qū)的鉆探施工中，鉆頭壽命普遍不高，常常出現(xiàn)因鉆頭不適用而導(dǎo)致工作量報廢，提高鉆頭壽命對鉆進效率至關(guān)重要，鉆頭胎體配方是改善鉆頭壽命的重要環(huán)節(jié)之一。胎體的硬度、耐磨性和抗沖擊性能是比較恰當(dāng)?shù)卦u價鉆頭與所鉆巖石的適應(yīng)程度的三大性能指標(biāo)[6-7]。同時，復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井深部井段常出現(xiàn)胎體脫落和斷刀翼的問題，研究高性能、高強度的胎體配方十分重要。

為了提高鉆探效率獲得高質(zhì)量找礦成果，針對野馬泉研究區(qū)施鉆地層巖性特征，結(jié)合材料自身特性，進行鉆頭胎體配方研制，并進行力學(xué)性能測試試驗，開展礦區(qū)的深孔鉆進的鉆頭胎體綜合研究。該項研究有助于節(jié)約鉆進時間、減少孔內(nèi)事故、節(jié)約勞動力成本和提高找礦效益等，具有重要地質(zhì)和經(jīng)濟意義。

1 胎體配方

青海野馬泉礦區(qū)鉆頭胎體配方設(shè)計以碳化鎢粉和鐵粉作為骨架材料，起到提高硬度和耐磨性的作用，因而含量不宜過低，設(shè)計范圍為碳化鎢20%～45%，鐵粉5%～30%；銅錫合金粉在胎體中起粘接成分的作用，熔點較低，屬于軟金屬，含量過多則胎體硬度偏低，且耐磨性差，因此設(shè)計范圍為29%～33%。同時，加入適量提高粘結(jié)金屬流動性與胎體強度的鎳和鈷等鐵族元素，鎳和鈷能顯著提高胎體的耐磨性和韌性，常用于鋸片行業(yè)[8-9]，但因近年來金屬粉末價格持續(xù)走高，為控制鉆頭成本，使其設(shè)計總含量為14%～18%。在胎體成分中添加一定的錳含量，可在熱壓燒結(jié)時起到明顯的脫氫還原反應(yīng)，且與銅、鐵元素具有較好的相容性，在燒結(jié)后可提高胎體的部分力學(xué)性能，但錳含量過高則胎體粉料的壓縮性變差，脆性過大，故設(shè)計其含量為3%。針對野馬泉礦區(qū)，設(shè)計了6種胎體配方(見表1)，生產(chǎn)后并試鉆后將進行優(yōu)選。

2 胎體試樣制備

本試驗中采用的模具材料為具有較高強度的石墨材料。熱壓金剛石鉆頭鐵基胎體的試驗流程如圖1所示。熱壓鉆頭的燒結(jié)通常包括預(yù)壓、升溫、加壓、保溫、保壓、降溫出爐等幾個參數(shù)和階段。其中最重要的是燒結(jié)壓力與燒結(jié)溫度的確定。

表1 青海野馬泉礦區(qū)鉆頭胎體配方 %

圖1 熱壓金剛石鉆頭鐵基胎體的試驗流程

2.1 燒結(jié)壓力的確定

胎體的致密性與耐磨性主要控制因素為壓力，在外界壓力作用下，石墨模具中金屬粉末產(chǎn)生位移變形，胎體的致密性和耐磨性得到強化，在熱壓燒結(jié)工作中，加壓是分階段進行的，一般分為預(yù)壓和終壓兩個階段。預(yù)壓對于電阻爐燒結(jié)鉆頭十分重要，因為預(yù)壓決定著升溫速度，直接影響燒結(jié)質(zhì)量。預(yù)壓主要是起整平和導(dǎo)正作用，預(yù)壓一般取全壓力的1/4～1/3。終壓的確定主要考慮胎體配方、燒結(jié)溫度和保溫時間等因素，以保證胎體能達到或基本接近理論密度為標(biāo)準(zhǔn)。實際上要達到理論密度是比較難的，一般在98%～99%之間，就可以很好的滿足地質(zhì)鉆探要求，終壓一般在10～16 MPa之間選擇。根據(jù)野馬泉礦區(qū)的高效長壽命孕鑲金剛石鉆頭的性能要求，本次試驗的終壓為13 MPa，整模(10個胎塊)燒結(jié)情況下，燒結(jié)壓力為16.6 kN，在溫度升至燒結(jié)溫度時壓力也同步達到終壓值。

2.2 燒結(jié)溫度的確定

燒結(jié)溫度對金剛石鉆頭胎體的密度產(chǎn)生加速致密化作用，燒結(jié)溫度過高或過低，都會直接影響胎體的密度。燒結(jié)溫度的選擇一般由胎體金屬粉末的主要成分來確定。燒結(jié)溫度主要取決于組元的共晶溫度，即出現(xiàn)液相的溫度，富磷鐵基胎體燒結(jié)溫度由銅錫合金的熔點初步確定，根據(jù)實際經(jīng)驗情況，本次試驗最終采用980℃進行保溫保壓燒結(jié)，升溫時間為4 min。降溫出爐溫度根據(jù)粘接金屬的液相線確定，采用電阻爐燒結(jié)時，由于升溫緩慢，爐內(nèi)保溫條件較好。本次試驗中采用銅錫合金作為粘結(jié)金屬，采用800℃出爐，出爐后置于空氣中自然冷卻，試驗的保溫時間設(shè)定為2 min。

3 胎體力學(xué)性能測試

3.1 抗彎強度測試

抗彎強度測試可反映胎體的相對韌性。測試儀器為WE-30型液壓萬能材料試驗機，設(shè)計加壓速度在100 kN/s，最小讀數(shù)為0.2 kN，讀數(shù)誤差為0.1 kN?？箯潖姸却笮∨c胎體配方的關(guān)系如圖2a所示。當(dāng)碳化鎢含量低于40%時，胎體抗彎強度隨著碳化鎢含量的增加而增大，但其含量繼續(xù)增加時，抗彎強度有降低的趨勢。究其原因，可能是因為1～3號配方中鎳鈷含量較高，而鎳和鈷本身具有有良好的延展性，可提高胎體的抗彎強度；此外，碳化鎢和鎳、鈷、鐵等金屬具有良好的相溶性，因而可以使胎體抗彎強度在一定范圍內(nèi)隨碳化鎢含量的增加而提高。但是，當(dāng)碳化鎢含量過高時，胎體容易產(chǎn)生脆性裂變從而導(dǎo)致抗彎強度降低(見圖2a)。

3.2 硬度測試

胎塊硬度測試采用HR150A型洛氏硬度計進行測量，胎塊硬度試樣標(biāo)準(zhǔn)值為HRB94.4，校正值為HRB96.6和HRB98.4，儀器的校正差為HRB3.1。測試前用砂紙人工磨光胎塊的正壓制面，在胎塊正壓制面測量，取平均值作為該配方下胎塊的硬度，結(jié)果表明胎體硬度隨碳化鎢含量的增加而顯著增加(見圖2b)。

3.3 耐磨性測試

胎塊的耐磨性試驗在MPX2000型盤銷式摩擦磨損試驗機上進行，野馬泉礦區(qū)中有可鉆性級為10的巖石，堅硬而且耐磨，對鉆頭的損耗較大，所以我們在試驗中采取白剛玉砂輪為磨料。根據(jù)野馬泉礦區(qū)大壓力高線速的施工特點，對不同配方下胎塊的耐磨性進行磨損測試。

耐磨性測試結(jié)果如圖2c所示，可以發(fā)現(xiàn)，胎體磨損量隨碳化鎢含量的增加而顯著降低，也即胎體耐磨性隨碳化鎢含量的增加而加強。當(dāng)碳化鎢含量為20%～35%而鐵含量為30%～15%時，胎體磨損量顯著，分析其原因認(rèn)為可能是鐵含量偏高，容易導(dǎo)致胎體產(chǎn)生一定硬脆性，因此使得胎體耐磨性較低。

圖2 青海野馬泉礦區(qū)鉆頭胎體力學(xué)性能測試

4 結(jié) 論

項目通過測試抗彎強度與胎體配方的關(guān)系、胎體硬度與胎體配方的關(guān)系、胎體耐磨性與胎體配方的關(guān)系設(shè)計了6種胎體配方，鉆頭胎體配方涉及的主要材料有WC、Cu-Sn、Fe、Ni、Co、Mn等，部分為釤、釹混合稀土材料及過渡金屬(如鈷、鐵等)組成的合金。對稀土材料在鉆頭材料中的研究應(yīng)用促進了我國地質(zhì)巖心鉆頭的技術(shù)進步。用粉末冶金方法壓型燒結(jié)鉆頭，保證了胎體把持金剛石的能力。鉆頭胎體配方應(yīng)用的材料均易購，生產(chǎn)工藝相對簡單，與普通工藝技術(shù)接近，開發(fā)條件良好。野馬泉整裝勘查礦區(qū)及周邊礦區(qū)的巖性條件多有相似之處，可為借鑒利用，本項目成果可通過社會開放服務(wù)形式易于為社會提供利用。