硬脆碎地層專用金剛石鉆頭的研制

張德新，孫鑫，王迪

1.吉林省地質(zhì)勘探技術研究所，吉林 長春 130103；2.吉林省地勘局物業(yè)管理中心，吉林 長春 130061

0 引言

在深部資源探測中，深部地質(zhì)鉆探會遇到很多復雜地層，其中硬脆碎地層最具有代表性。鉆進硬脆碎地層時，金剛石鉆頭的工作環(huán)境非常復雜，孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、胎體脫落等現(xiàn)象，造成鉆頭壽命短，鉆探施工的進程慢，致使鉆探成本增高，經(jīng)濟效益下降，是地質(zhì)鉆探行業(yè)長期存在的技術難題。本文主要解決鉆進硬脆碎地層金剛石鉆頭壽命短、時效低的難題。

1 金剛石鉆頭碎巖機理

金剛石鉆進依靠壓碎、壓入加剪切方式破碎巖石，在鉆進中遇中硬及其以下巖石時才可能有切削過程。對于孕鑲金剛石鉆頭破碎巖石的機理，脆性巖石以微壓裂壓碎加微體積剪切為主，而塑性巖石則以微切削為主。孕鑲金剛石鉆頭底唇上的金剛石顆粒在與巖石接觸時，金剛石鉆頭的底唇部的胎體開始磨損，金剛石逐漸出刃，此時，鉆頭胎體磨損較快，從而加快了金剛石從胎體里出露，并逐漸增大金剛石切入巖石的深度，只有當金剛石出露足夠量并保證其切入巖石時，才能有效地破碎巖石。

當金剛石切入巖石時，在應力作用下，金剛石出現(xiàn)裂紋，這種裂紋逐漸積累和發(fā)展，就導致金剛石的脆性碎裂。隨著鉆進的進行，鉆頭胎體被不斷磨損逐漸失去對工作金剛石的包鑲能力，致使工作金剛石從胎體上陸續(xù)脫落下來。由于金剛石在胎體中均勻分布，因此鉆進過程中，胎體一直受到磨損，失去胎體包鑲能力的金剛石不斷脫離胎體，而具有工作能力的金剛石會不斷從胎體中出露，這就保證了鉆頭始終具有恒定的破碎巖石的能力，保證恒定的鉆進速度。

2 硬脆碎地層專用金剛石鉆頭胎體研究

金剛石鉆頭鉆進過程中，承受著復雜的應力，如回轉(zhuǎn)扭矩作用形成的剪應力和扭轉(zhuǎn)應力、鉆壓作用形成的壓應力、鉆桿柱的振動作用形成的沖擊應力等，這些應力大小并非恒定值，而是隨機變化的。因此，對鉆頭造成的不良影響與損壞是明顯的，加上硬脆碎巖層的復雜多變和巖性的千變?nèi)f化，這對金剛石鉆頭胎體提出了較高的性能要求[1]。

表1是多次試驗后從20組配方中篩選出的2個胎體配方，由于配方及自銳性材料涉及保密，表中只列出材料名稱。胎體配方的力學性能見表2。

表1 篩選出來的2個胎體配方

表2 胎體配方的力學性能

3 金剛石參數(shù)的研究

金剛石參數(shù)的確定和很多因素有關。因此必須在詳盡地分析和研究巖石的可鉆性、鉆進規(guī)程與鉆頭性能間的關系的基礎上，理順諸多因素間的內(nèi)在聯(lián)系，才能使孕鑲金剛石鉆頭的參數(shù)設計達到理想的使用效果[2]。

3.1 金剛石質(zhì)量

金剛石質(zhì)量是指其單?？蛊扑閺姸燃捌渚偷耐暾?，直接影響鉆頭的壽命和鉆進效率。同時也是確定金剛石鉆頭的金剛石濃度和粒度的前提。在硬脆碎地層中，巖石的抗壓強度高達3×104N/cm2以上，所以金剛石的抗動載能力和抗剪強度要求極高，通過性能測試，確定采用黃河旋風的HSD90和HWD系列金剛石可以滿足硬脆碎地層鉆進要求。

3.2 金剛石粒度

硬脆碎地層巖石對孕鑲金剛石鉆頭胎體的磨損能力非常強，因此在設計這種鉆頭時應設法使用具有強耐磨能力的胎體，以降低鉆頭體內(nèi)金剛石的換層速度；如果鉆頭體內(nèi)金剛石的濃度一定，那么金剛石粒度越小，鉆頭胎體工作面上金剛石的縱向密度就越大；而金剛石的縱向密度越大則鉆頭金剛石的層數(shù)越多，從而延長鉆頭的使用壽命。同樣，如果鉆頭的金剛石濃度和包鑲強度一定，那么金剛石的粒度越細，鉆頭胎體工作面上的金剛石的平面密度就越大，則鉆頭工作層表面的金剛石顆粒數(shù)越多，從而提高了鉆頭胎體的耐磨能力以延長鉆頭的使用壽命[2]。通過以上的分析確定，強研磨硬脆碎地層的鉆頭應選用以細粒度為主采用混合粒度的金剛石。

3.3 金剛石濃度

金剛石濃度在鉆頭設計中是至關重要的一個技術參數(shù)，它的高低對鉆頭鉆進時效和使用壽命有很大的影響，濃度越高，鉆頭的耐磨性越好，使用壽命也越長[3]。但是濃度過高，則鉆頭胎體工作面上的金剛石平面密度過高，金剛石與巖石的接觸面積增大，致使單粒金剛石上傳遞的壓強小于巖石抗壓強度時,金剛石就不能壓入巖石并起不到磨削巖石的作用，則鉆頭不進尺，在孔底打滑。相反，如果金剛石濃度偏低，在鉆頭胎體工作面上的金剛石平面密度過低，一是不能布滿孔底巖石的環(huán)狀面積，出現(xiàn)大片的無金剛石空白區(qū)；二是造成單粒金剛石上的壓強太大，在新的金剛石未出露之前，已出露的金剛石就過早的磨鈍或崩刃、脫粒、鉆進狀況惡化，鉆頭壽命極短，甚至被迫停止鉆進。

經(jīng)過分析和計算確定硬脆碎地層金剛石鉆頭濃度必須在85%以上 。

3.4 鉆頭保徑設計

由于鉆頭外徑線速度最高，切削路線最長，鉆頭內(nèi)徑則擔負修整巖心，使巖心順利通過卡簧進入內(nèi)管的作用，金剛石鉆頭的內(nèi)外保徑的設計，對鉆頭的使用壽命有著十分重要的影響，強化保徑是提高鉆頭壽命重要措施之一。而硬脆碎地層特點是對內(nèi)外徑磨損非常嚴重，所以鉆頭內(nèi)外徑保徑必須加強。

本文研究鉆頭保徑采用鄭州三和的2×4方聚晶和粒徑為0.8～1.0 mm小顆粒天然金剛石保徑兩種形式。

4 鉆頭水路設計

鉆頭的水路是鉆探施工沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的重要部分，沖洗液通過鉆桿、鉆具到達鉆頭經(jīng)過內(nèi)水槽、唇面水口、外水槽從鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙返回地面。鉆頭水路的主要作用是使沖洗液冷卻鉆頭、攜帶巖粉，保證鉆頭水路系統(tǒng)暢通也就保證了鉆探施工的正常進行[4]。

鉆頭水口設計是根據(jù)所鉆巖層選擇不同的計算方法，根據(jù)孔壁和鉆桿之間的環(huán)狀空間攜帶巖粉所需的最低上返速度、泵量、鉆頭水口部分的流速、水口面積及水口數(shù)量來設計水口[5]?？紤]到巖粉的滑移速度，攜帶巖粉需要大于0.45 m/s,水口部位的流速為：

式中：V2為水口部位流速，cm/s；V1為必要的上返流速，cm/s；D1為鉆頭外徑，cm;D3為鉆桿外徑，cm;Sr為鉆頭水口總過水斷面，cm2。

水口部位流速范圍一般為4～8 m/s。

鉆頭水口總過水斷面面積為：

式中：Sr為鉆頭水口總過水斷面，cm2；D2為鉆頭內(nèi)徑，cm；D為金剛石平均直徑，cm；a為每個水口的斷面面積，cm2；n為水口數(shù)，個。

外環(huán)狀空間上返速度V1=0.92 m/s。

水口部位流速V2=5 m/s。

考慮到硬脆碎地層特點，應盡量減少水口數(shù)量。

5 模具與鋼體設計

根據(jù)綜合計算、經(jīng)驗數(shù)據(jù)和多次燒結(jié)試驗，最終鉆頭模具和鋼體如圖1所示。

圖1 鉆頭模具和鋼體示意圖Fig.1 Schematic diagram of drill die and steel body

6 鉆頭裝料、燒結(jié)與加工

首先按計算好的人造金剛石數(shù)量、金剛石層粉料重量準確稱量核對后倒入研缽內(nèi)攪拌均勻待用，按水口數(shù)量均分金剛石層料倒入搗實，再加入純胎體料(保徑聚晶及保徑天然金剛石裝料之前粘好)，最后倒入其余粉料搗實壓平放入鋼體。

無壓浸漬法燒結(jié)金剛石鉆頭采用 RN5-25-B型號電阻爐燒結(jié)，配方試驗時確定保溫溫度為1 167 ℃，保溫25 min，保溫時間到后夾出鉆頭放在平臺處，立即壓上10 kg重錘(增加粘接強度)。待冷卻到室溫后退模加工。鉆頭加工嚴格按中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準《地質(zhì)巖心鉆探金剛石鉆頭》(DZ/T 0277-2015)加工。

7 野外試驗效果

成品鉆頭在四個礦區(qū)進行野外生產(chǎn)試驗，共計試驗鉆頭23只，經(jīng)統(tǒng)計計算室內(nèi)和野外試驗數(shù)據(jù)加以論證、對比，達到預期目標。鉆頭平均壽命提高50%，平均時效率提高24.74%。在研究硬脆碎地層專用金剛石鉆頭基礎上，申請國家實用新型專利一項。

8 結(jié)論

鉆頭采用無壓浸漬燒結(jié)法制造，研制出一種硬脆碎地層專用金剛石鉆頭，鉆頭不僅工作壽命長，而且鉆進速度快。鉆進時效較常規(guī)鉆頭提高24.74%，鉆頭壽命較常規(guī)鉆頭提高近一倍。在未來的深部鉆探施工中對提高鉆進效率、保障鉆孔質(zhì)量、安全施工、節(jié)約能源和綠色勘探發(fā)揮著較大作用。