孫秀梅，王建興，劉建福，杜 緒，葉蘭肅，侯 林

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河065201)

隨著國內(nèi)外資源勘探不斷向更深推進，對于深孔鉆進鉆頭的要求越來越高，金剛石鉆頭作為主要碎巖工具，對于鉆探效率影響最大，為此對深孔鉆進鉆頭進行了研制和試用。

1 深孔鉆進對金剛石鉆頭性能提出的新要求

深孔鉆探所鉆穿的地層種類多，地層復(fù)雜，涉及多個地質(zhì)年代所形成的地層，無論從地層類型、巖性、結(jié)構(gòu)形態(tài)、力學(xué)特性、復(fù)雜程度，還是地層壓力、內(nèi)部應(yīng)力等都各不相同。目前深孔鉆進普遍存在的問題有:(1)深部地層巖石結(jié)晶度高、硬度大，鉆進難度都大幅提高，鉆進效率低，胎體保徑效果不理想，鉆頭壽命短;(2)沖洗液循環(huán)路線長，采用繩索取心鉆進鉆具與孔壁環(huán)狀間隙小，泵壓高?？仔睂ι羁椎挠绊懜?，隨著勘探向深部發(fā)展，對勘探精度要求不斷提高，以往的1.5°～2°/100 m已不能滿足要求，目前地質(zhì)設(shè)計部門提出了0.5°/100 m的更高要求。針對上述深孔鉆進要求，研究設(shè)計新型鉆頭，以提高鉆頭適應(yīng)性和壽命，力圖超越傳統(tǒng)鉆頭。

2 主要地層類型及鉆頭設(shè)計研究方向

2.1 堅硬致密弱研磨性巖層

鉆進堅硬致密弱研磨性地層有2個難點:(1)鉆進時效低。這類巖石石英含量大，其巖石壓入硬度一般可達5000 MPa以上，個別甚至高達7000 MPa;造巖礦物細，硅質(zhì)膠結(jié)，顆粒之間結(jié)合力大，結(jié)構(gòu)致密，整體強度高。造成鉆進時效低。(2)鉆頭打滑。由于時效低，巖粉少而細，鉆頭胎體磨損甚微，新金剛石難以出刃，鉆頭唇面金剛石磨光，發(fā)生打滑現(xiàn)象。研究表明，隨著孔深增加，巖石圍壓增加，孔隙度減小，強度逐漸增加，塑性增強，即巖石堅硬致密程度趨于增大。

針對此類地層，解決金剛石出刃和提高時效是深孔用鉆頭研究的關(guān)鍵。

2.2 中硬～硬的較完整地層

由于巖石不是很硬，鉆壓能夠保證金剛石的比壓，鉆進以體積破碎為主，同時孔底完整，沖洗液較為暢通，排粉較容易，此類地層鉆頭設(shè)計的目標是提高鉆速和壽命。

2.3 破碎和砂卵礫石地層

組成砂卵礫石地層的巖石，多是堅硬的巖漿巖和變質(zhì)巖。破碎及砂卵礫石層的堆積有一定的自由度，外力作用下卵礫石非常容易轉(zhuǎn)動，造成壓力難以達到體積破碎，破碎效率低，孔底不完整，沖洗液上返力低，巖粉不能及時排出，造成大量粗顆粒巖粉及細砂粒在鉆頭端部重復(fù)破碎，內(nèi)外徑磨損量大，鉆頭消耗快。

此類地層提高鉆頭胎體耐磨性和增強保徑能力是研究關(guān)鍵。

3 深孔鉆進金剛石鉆頭的研制

根據(jù)前述深孔鉆進對金剛石鉆頭的要求，本項目從結(jié)構(gòu)改進、金剛石選擇與匹配、原材料優(yōu)選、配方創(chuàng)新、制造工藝優(yōu)化及針對地層優(yōu)化性能參數(shù)幾個方面入手，研制深孔鉆進用金剛石鉆頭。

3.1 鉆頭結(jié)構(gòu)改進

3.1.1 提高工作層高度

將鉆頭工作層由6～8 mm提高到15 mm，以有效提高鉆頭壽命，并設(shè)計了架橋式鉆頭和底噴雙層水口鉆頭(圖1)，提高高胎體鉆頭胎塊的抗彎能力。

圖1 架橋式鉆頭和底噴雙層水口鉆頭

3.1.2 加大鉆頭外徑、加寬水口水槽寬度

將鉆頭外徑增大了2～3 mm，贈大水槽寬度和深度，提高沖洗液冷卻胎體和攜帶巖粉能力，以適應(yīng)深孔繩索取心鉆進中鉆桿外徑與孔壁環(huán)狀間隙較小，尤其墩粗鉆桿墩粗部分間隙更小的環(huán)境，減小沖洗液在孔底循環(huán)時壓力損失和泵壓急劇增高現(xiàn)象。

3.1.3 選用階梯齒形唇面

(1)鉆進時形成特殊的孔底形狀，增加鉆頭導(dǎo)向性，防止鉆頭跑偏引起孔斜。另外這種唇面保持能力強，不易變成凸弧形失去導(dǎo)正防斜能力。

(2)增加破碎自由面，提高切削力和破巖效率。對于完整基巖，能形成孔底巖石尖形環(huán)，在鉆桿柱旋轉(zhuǎn)時存在一定程度的擺動，促使巖石尖斷裂破碎，減小巖石破碎難度。

(3)增加堅硬致密巖層唇面和巖石接觸面積，增加參與切削巖石的金剛石顆粒數(shù)量，增加唇面和巖石間巖粉量，加快鉆頭出刃速度;從微切削和磨粒磨損兩方面加強破碎效果。

3.1.4 采用復(fù)合型保徑

(1)保徑材料:方形聚晶和大顆粒高強金剛石相結(jié)合，方形聚晶提高了聚晶在保徑圓周面上的覆蓋面積，增強聚晶耐磨性;大顆粒高強金剛石單晶在方形聚晶周圍鑲嵌，提高鉆頭胎體耐沖蝕性，增強保徑能力。

(2)采用雙層高低錯落型布置方形聚晶來提高聚晶覆蓋率，并防止燒制過程中聚晶移位。

(3)對于破碎和卵礫石的地層，增加內(nèi)外徑的方形聚晶和大顆粒高強金剛石單晶密度。

3.2 金剛石選擇與匹配

高強人造金剛石及其粒度級配，是提高鉆頭壽命和破巖時效的前提，也是鉆進堅硬地層的主要手段。

3.2.1 選用高質(zhì)量金剛石磨料

金剛石品級越高，抗壓強度、切削能力、耐磨性、沖擊強度、熱穩(wěn)定性越好，晶形越完善。切削效率越高，使用壽命越長。因此提高金剛石單晶的品質(zhì)是提高鉆頭性能的重要一環(huán)。

3.2.2 根據(jù)地層情況運用比壓概念配合設(shè)計金剛石濃度和粒度

對于堅硬致密巖石，巖石具有極高的壓入硬度，每顆參加切削破巖的金剛石都處于強力規(guī)程下，承受的鉆壓高、彎矩大，我們選用較低濃度、較細粒度，減少單位面積唇面上分布的金剛石顆粒數(shù)量，增加單粒金剛石上的鉆壓，即增加比壓，同時金剛石出刃較小，易于保留適量巖粉并小顆粒金剛石易于及時脫落為磨粒，與巖粉共同發(fā)揮磨粒磨損作用，加大了胎體的沖蝕與磨蝕，提高破巖時效。

對于中硬～硬的地層，采用較高濃度方式配以較粗顆粒為主、較細顆粒為輔的混鑲方式。用粗顆粒既能避免單位面積唇面上分布的金剛石顆粒數(shù)量過多現(xiàn)象，從而增加比壓，又能充分利用粗顆粒金剛石出刃高、切削量大的特點，提高微切削破碎速度，在沖擊載荷下更能提高體積破碎效果。而利用細顆粒填充粗顆粒金剛石間空白胎體，不讓砂粒進入金剛石間隙沖蝕胎體，來增加胎體耐磨性，適應(yīng)高時效下大量巖粉對胎體磨耗較嚴重的情況，從而兼顧壽命與時效同時提高。

對于破碎和卵礫石的地層，由于碎巖以磨削方式為主，同時巖粉不能及時排出，有重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆頭內(nèi)外徑磨損量大，鉆頭消耗快。我們采用較高濃度方式配以中等粒度為主、小粒度為輔的混鑲方式，充分提高單位面積唇面上分布的金剛石顆粒數(shù)量，同時提高胎體硬度，提高胎體耐磨性和沖蝕性。

3.3 胎體材料選擇與匹配

在傳統(tǒng)胎體組分基礎(chǔ)上，本項目通過增添新的元素并適當調(diào)節(jié)胎體配方組分，來降低胎體燒結(jié)溫度，減少燒結(jié)溫度對金剛石原有強度的影響，提高胎體對金剛石包鑲力和胎體強度。

3.3.1 盡量采用預(yù)合金粉末

預(yù)合金粉末相對機械混合單粉有燒結(jié)溫度低，可塑性、耐沖擊性好，不易氧化，價格低等優(yōu)點。國外生產(chǎn)的鉆頭等金剛石制品多采用標準的預(yù)合金粉末。本項目盡量采用預(yù)合金粉末作為胎體材料來降低燒結(jié)溫度，提高胎體性能。

3.3.2 添加碳化物形成元素

添加碳化物形成元素是指在傳統(tǒng)配方基礎(chǔ)上，適量加入W、Fe、Cr、Ti等金屬，使其在鉆頭燒結(jié)過程中與金剛石表面C原子懸掛鍵結(jié)合，形成碳化物層，使胎體和金剛石之間以弱化學(xué)鍵和化學(xué)鍵粘著，增強胎體對金剛石的包鑲。實驗表明，碳化物形成元素在Cu基合金中能降低Cu合金和金剛石的接觸角，降低內(nèi)界面張力，從而提高粘結(jié)力，加固包鑲。

(1)增加能形成碳化物的骨架材料組分鎢(W)。試驗表明，W是強碳化物形成元素，自750℃開始在金剛石表面有WC、W3C3、W4Co2C生成。同時，W和Cu、Co、Ni、Fe等其它粘結(jié)金屬都有較好的相容性，同時燒結(jié)時金剛石和W相互進行化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件并不苛刻，常規(guī)粘結(jié)劑的燒結(jié)溫度均能滿足WC生成。W熔點高達3410±2℃，可以作為骨架材料。

(2)增加鐵作為胎體的性能調(diào)節(jié)組分。鐵既與金剛石形成滲碳體型碳化物，同時實驗表明鐵與金剛石的附著功比鈷高，還能與其它元素合金化，強化胎體。

(3)提高鈷(Co)含量。鈷是優(yōu)秀的粘結(jié)劑材料，既能降低鈷與金剛石的內(nèi)界面生長，又有較高的附著功，是銅的10余倍。同時鈷與Cu、Mn、Ni、Fe、Zn、Sn、W等其它金屬都有較好的相容性，能夠滿足鉆頭胎體的韌性。

(4)增加磷(P)元素。磷在714℃時與銅存在共晶反應(yīng)。在銅合金中磷是最有效、成本最低的脫氧劑，微量磷的存在，可以提高熔體的流動性。磷還能夠降低鐵基合金的燒結(jié)溫度，通過添加較高含量的磷可以減弱鐵對金剛石的侵蝕作用。

(5)添加稀土元素。有關(guān)資料表明，在胎體中添加一定量的稀土元素，可以降低共晶合金的熔點，具有有效地脫氧、脫硫、脫氮作用，能抑制硫、氧、氮的偏析，凈化金剛石與胎體界面，降低液態(tài)合金對金剛石的接觸角，提高材質(zhì)機械性能，改善金剛石鉆頭胎體的機械性能。

3.4 針對地層設(shè)計適用低溫配方

根據(jù)上述思路，增減胎體組分，調(diào)整組分含量，針對堅硬致密地層、中硬～硬的地層、破碎和卵礫石的地層分別設(shè)計了多種低溫燒結(jié)新配方，分別燒制空白鉆頭進行燒結(jié)試驗，進行了硬度和抗彎性的測試;并在空白鉆頭上局部混合金剛石，試驗胎體對金剛石的粘結(jié)性能。

燒制和室內(nèi)試驗測試結(jié)果表明:(1)新型低溫配方燒結(jié)溫度降低60～70℃，降低了金剛石和聚晶的熱損傷;(2)提高了對金剛石的粘接力和包鑲力，以及金剛石最大出刃高度，保證了金剛石失效前不脫落;(3)抗彎強度、沖擊韌性及與鋼體連接強度滿足了鉆進需要;(4)硬度、耐磨性、抗沖蝕性方面得到提高。

通過優(yōu)選，確定3個配方用來進行野外試驗。

3.5 優(yōu)化燒結(jié)工藝

燒結(jié)是鉆頭制作的關(guān)鍵步驟，包括燒結(jié)溫度、壓力、保溫時間、升溫和冷卻速度，本項目從以下方面優(yōu)化燒結(jié)工藝。

3.5.1 全壓增大

加大燒結(jié)壓力，可以減少粉末顆粒間間隙，提高相互接觸面積，提高熱傳導(dǎo)速度，加快相互擴散速度，提高致密化速度，減少燒結(jié)時間。通過加大加厚模具，提高模具強度，使總燒結(jié)壓力達到20 MPa。

3.5.2 仍采用初壓、中壓、全壓三步加壓法

針對原燒結(jié)工藝，進行了加壓點前移并采用局部連續(xù)加壓方式。初壓在溫度升至600℃時加上，數(shù)值為全壓力的20%～30%，避免初壓過大，影響粉末脫氣;溫度升至塑化點后既開始將壓力加至全壓的70%，中壓在達到塑化開始有體積收縮時加，避免壓力滯后有胎體收縮的現(xiàn)象出現(xiàn)，從中壓開始溫度與壓力同步上升;全壓在達到最高溫度時加，促使胎體致密化的進行。

3.5.3 采用溫度與壓力同步上升的二次保溫工藝

針對中頻感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)，外部溫度上升快，內(nèi)部升溫慢，選擇加中壓時進行一次保溫保壓，在燒結(jié)早期溫度較低時進行充分的熱傳遞，使被燒結(jié)合金盡早內(nèi)外溫度一致，以縮短全溫燒結(jié)時間;中壓保溫后采用溫度與壓力同步上升方式到達全壓和全溫，再進行一次保溫保壓燒結(jié)。這樣能最大程度避免元素聚集和偏析;二次保溫減少了金剛石高溫期停留時間，提高了金剛石強度。

4 新型深孔鉆進金剛石鉆頭的現(xiàn)場應(yīng)用及效果

本項目研制的鉆頭于2012年10月中旬～11月下旬期間在河北省承德市隆化縣韓麻營鎮(zhèn)大湯頭溝礦區(qū)ZK2302鉆孔開展生產(chǎn)試驗，完成試驗進尺702.15 m，其中單只鉆頭最高進尺達313.3 m，時效比同孔其他鉆頭提高達5%～15%，取得了較好的試驗效果。試驗應(yīng)用表明，所研制的鉆頭是比較成功的。

4.1 礦區(qū)概況

大湯頭溝礦區(qū)隸屬承德市隆化縣韓麻營鎮(zhèn)大湯頭溝村，韓麻營鎮(zhèn)馬虎營村西南6 km，省道經(jīng)過馬虎營村，交通較為便利。礦區(qū)位于燕山山脈中段北部，地處承德市與隆化縣分界處黑山主峰西側(cè)，海拔750～800 m，地形陡峭，溝谷發(fā)育，地表植被覆蓋面積達65%以上，覆土厚度不大。年平均氣溫8℃左右，最高達40℃，最低－29℃，溫差變化較大。最大風(fēng)速為25 m/s。年降雨量500 mm左右，多集中在7～9月份。霜凍期自12月下旬至翌年5月上旬，最大凍土深度1.40 m，最大積雪厚度270 mm。屬于比較干燥寒冷的大陸性氣候，生活環(huán)境、施工條件較差。

礦區(qū)位于黑山基性雜巖體西北部邊緣，第四系覆蓋層薄，但上部地層較為破碎，部分孔段漏失較重，主礦層分布在800～1400 m之間，埋藏較深。雜巖體由斜長巖和蘇長巖組成，生成于元古代，兩者成侵入關(guān)系。斜長巖占80%以上，結(jié)構(gòu)致密堅硬，研磨性較弱，可鉆性7級，部分8～9級;蘇長巖硬度、研磨性中等，可鉆性6級左右;鐵礦石可鉆性8級。

4.2 鉆孔設(shè)計及實際鉆探情況

地質(zhì)設(shè)計鉆孔為直孔，終孔直徑＞75 mm，孔深范圍在800 m左右，預(yù)計見礦深度700 m，鉆孔穿過礦層底板30～50 m后方可終孔;提下鉆時必須進行水文觀測;孔斜≯2°/100 m;第四系覆蓋層不要求取心，但基巖面以上5 m開始取心，巖心采取率≮65%，礦層頂?shù)装? m范圍內(nèi)及礦層巖心采取率≮80%。鉆孔實際孔深1403.06 m，實際見礦深度1100 m，前后多次鉆遇破碎帶，漏失嚴重，進行多次堵漏工作，施工難度較大。

4.3 設(shè)備情況

XY－4B型鉆機，AY15型鉆塔，BW250型泥漿泵1臺(4105柴油機動力)，氧氣瓶式自制穩(wěn)壓罐及高壓膠管等。

其它:20 kW發(fā)電機1臺，攪拌機1臺，繩索取心絞車1臺。

沖洗液:水+水解聚丙烯酰胺。

4.4 生產(chǎn)試驗情況及效果

表1 大湯頭礦區(qū)鉆頭性能一覽表

我院投入試驗鉆頭4個，1個(6號)為底噴雙層水口鉆頭，鉆進1.3 m由于孔底巖粉較多發(fā)生堵塞憋水而停用。另外3個為架橋型鉆頭，其中7號鉆頭由于灌水泥掃孔時間較長，掃孔完畢鉆頭下入鉆孔前工作層還有8 mm，即僅消耗50%，但孔內(nèi)巖粉沉淀過多造成堵塞，鉆頭發(fā)生非正常損壞;7、8、9號3個鉆頭共進尺700.88 m，平均使用壽命233.62 m。某廠家鉆頭共投入6個，其中3號掃孔鉆頭非正常損壞，僅鉆進28.9 m，1個鉆進85.9 m尚能繼續(xù)使用，另外4個正常用完，4個正常用完的鉆頭共鉆進512.87 m，平均使用壽命128.22 m。對比之下我院鉆頭比同礦區(qū)某廠鉆頭壽命提高82%。另外，統(tǒng)計表明，某廠家鉆頭平均每百米提下大鉆次數(shù)為3.42次，我院試驗鉆頭平均每百米提下大鉆次數(shù)為1.91次，比前者縮短40%以上。提下大鉆增多主要原因是取心失敗和丈量孔深造成，試驗鉆頭壽命延長也是提下大鉆次數(shù)減少的重要因素。

鉆頭試驗情況見表2。

表2 大湯頭溝礦區(qū)鉆頭試驗情況一覽表

試驗鉆頭最初由于外徑水槽長度大，造成了憋壓現(xiàn)象，下鉆后泵壓從2 MPa升至2.5～2.8 MPa，為此鉆頭又進行了改進加工，縮短水槽長度，使泵壓降低至了2.3 MPa，雖仍高于普通鉆頭，但對鉆進無影響。

5 結(jié)論

(1)野外試驗證明，本項目所研制的金剛石鉆頭適應(yīng)了深孔鉆進要求，具有壽命長、時效高、導(dǎo)向性好、保徑好、對地層適應(yīng)性較強等優(yōu)點。

(2)新研制的鉆頭與同礦區(qū)使用的其它鉆頭比，金剛石粒度大，濃度高，色澤相對好，時效較高。試驗8、9號鉆頭比同鉆孔其它鉆頭在相近深度鉆進提高時效5.5%～16%，最高臺班進尺達到17.6 m，提高48%，高進尺臺班數(shù)也多于對比鉆頭;7號鉆頭提高時效5%，最高臺班進尺達到16.2 m提高27%。

(3)新研制的鉆頭由于提高了工作層高度，提高了胎體性能，延長了鉆頭使用壽命，平均使用壽命233.61 m，比同礦區(qū)其他鉆頭壽命提高72%;最高鉆頭壽命313.3 m，同礦區(qū)其它鉆頭最高壽命222.7 m提高了41%。

(4)低溫燒結(jié)新配方通過添加碳化物形成元素、采用預(yù)合金粉末、針對地層設(shè)計適用配方等措施，有效提高了對金剛石的包鑲力和粘結(jié)力，提高了金剛石出刃高度，延長了金剛石有效工作時間。同時還降低燒結(jié)溫度達60～70℃，減小了熱壓燒結(jié)對金剛石的損傷(圖2)，提高了鉆頭質(zhì)量。

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圖2 低溫燒結(jié)對金剛石熱損傷小

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