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)達到117個，總工作量達到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)地層類型較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部巖層多為破碎、堅硬致密且研磨性強的地層，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)以及招遠水旺莊礦區(qū)。當(dāng)遇到這些硬巖地層時，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，老配方與工藝下生產(chǎn)的鉆頭已無法滿足深孔硬巖鉆探的使用要求。

通過對深孔硬巖地層鉆進過程的研究可知，鉆頭工作層的消耗情況決定了鉆頭的使用壽命和時效，工作層的消耗實際上是指金剛石和胎體的消耗。金剛石負責(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其的磨損，因為金剛石的硬度遠遠高于巖石的硬度，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)鉆頭遇到強研磨性硬巖地層時，如果無法保證胎體的耐磨性，就無法保證金剛石的正常工作，從而致使鉆頭消耗過快，無法滿足深孔鉆探的使用要求。針對這一情況，我們對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)新改進與設(shè)計，研發(fā)出了耐磨性強、穩(wěn)定性好的適應(yīng)深孔硬巖強研磨性地層鉆進的金剛石鉆頭。

2 針對深孔硬巖地層對鉆頭的改進設(shè)計

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

針對深孔硬巖強研磨性地層所需鉆頭性能的特殊性，我們選用了特級(JRT)人造金剛石，并對金剛石進行了鍍鈦處理。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，滲入金剛石的細孔和微裂紋，從而提高了金剛石的整體性強度，有助于金剛石的牢固包鑲，同時，金剛石鍍層起著隔氧的作用，提高了金剛石對溫度的穩(wěn)定性。通過對比試驗，鍍鈦后的金剛石的抗彎強度提高了20%以上，固結(jié)強度幾乎提高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、強度、研磨性不同，選擇使用的金剛石也會不同。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，因而對鉆進指標(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行了鉆進試驗，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的胎體所鉆進的米數(shù))隨著金剛石粒度的減小而有增加的趨勢。當(dāng)金剛石細到一定限度時，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)金剛石粒度細到一定限度時，其接觸面積很小，鉆速隨之降低;相反金剛石粒度過大，金剛石不能自銳，鉆速也將下降，金剛石粒度為40～50目時鉆速最佳。

對于孕鑲金剛石鉆頭，金剛石濃度對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。對于不同巖層推薦的金剛石濃度見表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)計改進

不同類型的鉆頭對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(見表3)。但不論是何種類型的鉆頭胎體，在鉆進過程中其受力復(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遠超過各類巖石，但如果沒有高硬度和強耐磨性的胎體進行包鑲，金剛石過早脫落反而會研磨鉆頭胎體，造成鉆頭進一步的無功損耗。

在對紗嶺礦區(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，胎體磨損過快導(dǎo)致金剛石過早的脫落和崩裂，使得鉆頭壽命過短，造成深孔頻繁提鉆，直接影響了鉆進的效率和成本。加之很多機臺為了趕工期，搶進尺，追求經(jīng)濟效益，盲目的加壓，致使鉆頭在鉆進過程中長期處于一種微燒的狀態(tài)，胎體過快的消耗使金剛石無法發(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、抗彎強度和耐磨性是解決這一問題的關(guān)鍵所在。

針對這一情況，我們對胎體的材料及配方組成做出了以下改進。

(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，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明顯反映出來;而燒結(jié)碳化鎢則因為其良好的韌性、加之其抗沖擊能力較強，其耐沖擊磨損能力相對于鑄造碳化鎢有巨大優(yōu)勢。所以將靜磨損抗磨能力強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)為了達到更強的胎體硬度和耐磨性能，在上述的改進基礎(chǔ)之上，在胎體中加入了一種特殊的“硬質(zhì)點”，以YS76.8S鉆頭為例，通過試驗得到的數(shù)據(jù)分析可知(見表4)，隨著“硬質(zhì)點”數(shù)量的增加，鉆頭的耐磨性能更好，但當(dāng)“硬質(zhì)點”增加到一定數(shù)量時，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”的排列方式，主要試驗了隨機排列和三層規(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，既保證了鉆頭的進尺效率，還大大提高了鉆頭的使用壽命。

表4 “硬質(zhì)點”數(shù)量及排列方式對鉆頭性能的影響

(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”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。我們在原有63號經(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，對其進行了部分調(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數(shù)據(jù)(見表5)，確定了適合深孔硬巖鉆進的鉆頭胎體配方。

表5 不同配方鉆頭耐磨性對比

(4)對新型預(yù)合金粉在胎體中的應(yīng)用進行了簡單的試驗和分析，主要為鈷合金粉，包括YG6、YG8、YG20等。結(jié)合理論以及表5的試驗數(shù)據(jù)分析可知預(yù)合金粉可以替換WC進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，有利于降低高溫對金剛石及胎體的性能破壞。

2．3 模具的創(chuàng)新設(shè)計及改進

對于模具的創(chuàng)新設(shè)計及改進主要包括以下幾個方面。

(1)在鉆進巖層硬度不高，研磨性弱的地層時，所設(shè)計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到10 mm即可滿足此類巖層的鉆進工作。但對于深孔硬巖地層來說，由于巖層堅硬，研磨性強，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的工作層高度無法滿足深孔硬巖地層的使用要求。通過對燒結(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法滿足現(xiàn)有的燒結(jié)工藝，為此專門設(shè)計了一套用于燒結(jié)特制水口塊的新模具(見圖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(見圖2)。特制水口塊可以在鉆頭燒結(jié)過程中完成二次燒結(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)的密實度，胎體對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)量優(yōu)劣，石墨性能參數(shù)的波動大小會直接影響金剛石鉆頭的尺寸精度，外觀形狀;還會對胎體中粘結(jié)劑的含量，基體材料的硬度，抗彎強度，胎體對金剛石的包鑲能力，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

在預(yù)裝特制水口塊時，為了增加其牢固性，防止水口在燒結(jié)壓制過程中倒斜，我們改進了唇模的形狀，增加了卡槽。并且對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”材料，所以需要改進原有的裝料工藝，改用分層裝料法，將每個水口處的混合料再分成幾個等份，分層進行裝填，并且在裝入“硬質(zhì)點”后，分層進行壓平，這樣既增加了混合料裝填的密實性，也保證了“硬質(zhì)點”的穩(wěn)定性。在裝填時，我們要求裝料工必須嚴(yán)格按照規(guī)程進行裝料，不能漏掉一個細節(jié)，水口處要倒入合適等份量的水口粉，并在裝填過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)出的成品無法處理水口。

在燒結(jié)工藝方面，通過改善鉆頭材料，加入低熔點的粘結(jié)金屬，降低鉆頭的燒結(jié)溫度，從而減少高溫對金剛石性能的影響，降低粘結(jié)金屬對金剛石的侵蝕作用，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、保溫時間、降溫速度等)同樣對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;保溫時間受燒結(jié)溫度、浸漬體積和燒結(jié)速度的影響，通過理論和實踐可以證明，采用“二次保溫”燒結(jié)工藝，能提高胎體的耐磨性，延長鉆頭壽命。

3 深孔硬巖鉆頭的試驗使用情況

為了能夠得到真實的數(shù)據(jù)，并且第一時間分析鉆頭的使用情況。我們專門派了技術(shù)人員長期值守在礦區(qū)、機臺，然后再根據(jù)反饋的使用情況進行分析、改進。通過長時間、多地區(qū)、多層級的試驗分析，并對鉆頭不斷的進行改進，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，使用壽命達到了國內(nèi)先進水平。圖3和圖4為改進前的普通鉆頭與改進后的高胎體鉆頭的比較。

圖3 改進前的鉆頭

圖4 改進后的高胎體鉆頭

山東萊州紗嶺礦區(qū)，鉆孔平均深度達到了1500 m左右，深部地層巖石致密、堅硬、破碎，研磨性強。在整個礦區(qū)施工前期，由于深孔硬巖鉆頭研發(fā)項目還未開始，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。后期階段針對紗嶺礦區(qū)這一典型地層特點，我們開展了SY系列深孔硬巖鉆頭研發(fā)項目，技術(shù)人員長期駐扎在該礦區(qū)，對鉆頭進行邊研制、邊試驗、邊改進，經(jīng)過長期不懈的努力，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)單只最高壽命達到了160 m，平均使用壽命達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號鉆機，換徑前700 m，投入了5個新研發(fā)的YS95S深孔硬巖高胎體鉆頭，其中4個鉆頭壽命達到了140 m，1個鉆頭使用超過了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此礦區(qū)深部地層的適應(yīng)性。

山東招遠水旺莊礦區(qū)，鉆孔全部為超深孔。由于地層復(fù)雜、堅硬、研磨性超強，普通鉆頭進尺壽命只有20 m左右。我院探礦一處613機臺在鉆至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，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機臺從開孔到換徑到終孔一直使用新型深孔硬巖鉆頭，最高進尺達到了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)以及招遠水旺莊礦區(qū)的地層雖然不能概括其它堅硬地層，但也是目前國內(nèi)比較有代表性的強研磨性深孔硬巖地層，能達到這樣的進尺壽命，說明深孔硬巖鉆頭的研發(fā)取得了一定成效。

4 結(jié)論

針對山東萊州紗嶺、前陳，招遠水旺莊等典型的具有強研磨性深孔硬巖地層的礦區(qū)，我們通過理論研究與試驗相結(jié)合的方法，分析金剛石用量、胎體配方、模具設(shè)計及加工工藝等對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)鉆進強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，并對金剛石進行鍍鈦處理，使其具有了更強的工作性能。

(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等特點，對胎體性能提出了非常高的要求，通過改進胎體材料和其配比，以及“硬質(zhì)點”的加入并特殊排列，大大增強了胎體的各項性能，從而適應(yīng)深孔硬巖鉆進的要求。

(3)對模具的創(chuàng)新設(shè)計以及改進可以優(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)各項工藝要重新設(shè)計和優(yōu)化，對新工藝提出了嚴(yán)格的要求，通過細化裝填、燒結(jié)等每項工藝流程，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)，有利于對深孔硬巖鉆頭的進一步研究。

(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，因孔內(nèi)原因或者人員操作的原因，有時會發(fā)生鉆頭胎體斷裂、掉塊的現(xiàn)象，這一問題還有待解決;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到了深孔硬巖鉆進的要求，但還有進一步提升胎體性能的空間，我們還要在以后的工作中進行更深入的理論分析和試驗研究，重點試驗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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