李東

（遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì)，遼寧營(yíng)口 115007）

如何提高鉆進(jìn)硬巖地層孕鑲金剛石鉆頭的壽命

李東

（遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì)，遼寧營(yíng)口 115007）

為鉆進(jìn)硬巖地層中，使人造金剛石鉆頭有更高的時(shí)效和較長(zhǎng)的壽命，改變以往的胎體粉料性能，使用更加先進(jìn)的“預(yù)合金粉末”胎體料及采用合理的金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)的制造工藝等方案來(lái)提高其壽命。

硬巖 提高鉆頭壽命的方案 采用預(yù)合金粉末 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制造工藝

1 前言

在研磨性高的硬巖層中或者在堅(jiān)硬弱研磨性的“打滑”地層中鉆進(jìn)時(shí)，要研制出高效長(zhǎng)壽命的孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭，除了要求有高質(zhì)量的人造金剛石外，對(duì)孕鑲鉆頭胎體成分的全面細(xì)致的研究及對(duì)金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)很重要的工作。孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭的胎體應(yīng)能牢固的包鑲住金剛石；胎體材料本身與金剛石的磨損速度要協(xié)調(diào)，以保證鉆頭有良好的“自銳性”，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過(guò)早脫粒而失去工作能力，如果胎體磨損很慢，則金剛石出刃很小，造成鉆頭不進(jìn)尺或打滑。因此必須緊密結(jié)合巖石的研磨性、金剛石的強(qiáng)度等，研制出相適應(yīng)的胎體材料。

2 提高孕鑲金剛石鉆頭壽命的幾點(diǎn)方案

2.1 骨架材料

骨架材料是胎體中的硬質(zhì)點(diǎn)，也是胎體中的輔助材料，胎體性能的好壞，與骨架材料的種類，性能及含量有直接關(guān)系，骨架材料應(yīng)有高熔點(diǎn)、高硬度，容易被鐵族金屬和很多有色金屬所潤(rùn)濕，經(jīng)過(guò)燒結(jié)能形成性能優(yōu)良的致密胎體，要滿足這些要求，只有元素周期表中過(guò)度金屬的碳化物，硼化物，氮化物和硅化物，其中以碳化物的應(yīng)用最廣，例如WC、W2C、TiC等，實(shí)踐證明對(duì)金屬濕潤(rùn)性好的WC和W2C為主要材料是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.2 粘結(jié)材料

（1）鉆頭的燒結(jié)溫度，主要是粘結(jié)金屬熔點(diǎn)的高低，為了避免高溫對(duì)人造金剛石性能的損害，應(yīng)該選擇低熔點(diǎn)的金屬（或合金）作粘結(jié)材料。（2）粘結(jié)材料的數(shù)量在燒結(jié)溫度下使之能剛好潤(rùn)濕胎體中所有碳化物和金剛石，而在外壓力作用下又不產(chǎn)生流失。（3）在燒結(jié)溫度下粘結(jié)金屬與骨架材料若產(chǎn)生反應(yīng)，則只能對(duì)胎體機(jī)械性能有利，而不允許形成性能低劣的合金，同時(shí)也不侵蝕金剛石。（4）鉆頭燒結(jié)后的冷卻過(guò)程或在以后保存過(guò)程中，淬火或時(shí)效作用下，只能對(duì)胎體機(jī)械性能有利，以保證鉆頭的質(zhì)量。（5）在鉆頭正常的溫度下（不包括燒結(jié)），粘結(jié)金屬應(yīng)保證薄的粘結(jié)物質(zhì)層能承受胎體中硬質(zhì)顆粒傳給它的應(yīng)力而不發(fā)生位移。（6）根據(jù)地層的不同要求，不同的鉆進(jìn)方法（如高頻沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等），粘結(jié)金屬與骨架材料，在品種和含量等方面應(yīng)適當(dāng)?shù)呐浜希捎貌煌呐浞健?/p>

熱壓燒結(jié)鉆頭的粘結(jié)材料，目前國(guó)內(nèi)外是多采用單一金屬元素粉末的混合物。常用的金屬粉末為663-青銅，銅，鎳，鈷，錳，錫，鐵等金屬粉末。

我們通過(guò)長(zhǎng)期的研究，采用了多種金屬熔煉成低熔點(diǎn)合金后再噴制成的粉末，即所謂“預(yù)合金粉末”。采用預(yù)合金粉末作粘結(jié)劑，易于調(diào)整鉆頭胎體性能，使其與巖性相適應(yīng)。同時(shí)由于預(yù)先熔煉成合金，然后才制成粉末的，所以每顆粒粉末中都包含了組成合金的各種金屬元素，這就比機(jī)械混合多種單一金屬元素粉末要均勻得多；通過(guò)制粉，粉末受到噴射沖擊及淬火，其性能要比同種合金的鑄造狀態(tài)性能為高。在燒結(jié)成鉆頭胎體過(guò)程中，只要溫度升到預(yù)合金粉末的液相線以上一點(diǎn)兒時(shí)，整個(gè)粘結(jié)成分的粉末就融化，此時(shí)鉆頭也就燒結(jié)好了。所以再也不會(huì)出現(xiàn)那種比重偏低、低熔點(diǎn)金屬先熔與富集、易氧化及易發(fā)輝的金屬在燒結(jié)過(guò)程中難以控制等影響胎體性能的問(wèn)題了。

使用預(yù)合金粉作為鉆頭胎體料具有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）能根據(jù)巖石的研磨性不同采用不同的粘結(jié)劑，提高鉆頭使用的針對(duì)性；（2）采用預(yù)合金粉粘結(jié)劑所制成的鉆頭，提高鉆頭胎體的致密性和均勻性，從而提高了鉆頭胎體正常磨損期限；（3）采用預(yù)合金粉粘結(jié)劑所制成的鉆頭可以提高胎體包鑲金剛石的能力，也是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的較理想的材料；（4）預(yù)合金粉末不易氧化，保存方便，并能簡(jiǎn)化制造鉆頭的工藝，能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

預(yù)合金粉的這些特點(diǎn)，會(huì)大大提高鉆頭的壽命和時(shí)效。為了調(diào)整鉆頭胎體的綜合性能，使其硬度進(jìn)一步提高和調(diào)整鉆頭胎體的磨損速率，更能適合硬、脆、碎的構(gòu)造帶巖性的要求，還可在Cu-Ni-Mn系合金中，加入少量的其他金屬元素，如添加Cr，可使鉆頭胎體材料顯得硬而韌。

2.3 金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孕鑲金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該根據(jù)所鉆巖石的特點(diǎn)，盡量做到與巖石可鉆性相適應(yīng)，力求在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭能夠自磨出刃，爭(zhēng)取使鉆頭的徑向磨損和高度消耗協(xié)調(diào)一致。保證水路暢通以達(dá)到冷卻鉆頭和攜帶巖粉的目的，要做到這點(diǎn)，除了要有相適應(yīng)的胎體料和穩(wěn)定的燒結(jié)工藝外，還要有合理的鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)主要包括：金剛石的品級(jí)，胎體中含金剛石的濃度，金剛石的粒度，工作層胎體的高度，保徑措施，唇面形狀以及水口的數(shù)量大小等，這些因素直接影響鉆頭的使用效果。

（1）金剛石的品級(jí)，硬巖鉆進(jìn)的金剛石鉆頭，由于所鉆進(jìn)的對(duì)象是有很高硬度的巖石。所以胎體中金剛石必須有相當(dāng)高的強(qiáng)度，在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭才能承受較高的軸向壓力和扭矩，使處于工作狀態(tài)的金剛石有效地破碎巖石，高強(qiáng)度的金剛石，晶型完整率高，抗磨能力好，從而在鉆進(jìn)過(guò)程中，可減少金剛石的脆性破壞，延長(zhǎng)單粒金剛石破碎的時(shí)間，提高鉆頭的使用壽命。（2）胎體中含金剛石的濃度：合理的金剛石濃度應(yīng)與所鉆巖層相適應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)，巖層愈硬脆，研磨性愈大則濃度要高些，相反堅(jiān)硬研磨性弱的“打滑”層則濃度應(yīng)低些，濃度范圍一般為18-25%。（3）金剛石的粒度：金剛石的粒度直接影響金剛石鉆頭的自銳性，金剛石的粒度過(guò)粗，實(shí)質(zhì)上就成了表鑲鉆頭，則不能自銳，金剛石粒度小，單位體積內(nèi)的金剛石粒度多，隨著胎體的磨損，新舊金剛石替換快，有利于破碎巖石，目前廣泛采用46-70目。（4）胎體工作層尺寸：胎體中含有金剛石的部分稱為工作層。工作層的高度確定，高度值應(yīng)該和鉆頭的徑向磨耗速率相匹配，即當(dāng)鉆頭徑向磨耗達(dá)到報(bào)廢程度時(shí)，工作層基本磨光，這樣就能充分有效的利用金剛石，降低鉆頭成本，工作層的高度一般為6-9mm。（5）鉆頭唇面形狀：平底型、圓弧型鉆頭制作簡(jiǎn)單，鉆頭適應(yīng)性廣，多被采用。為了研制“打滑”層的鉆頭，可改變唇面形狀；采用鋸齒形鉆頭鉆進(jìn)“打滑”地層能獲得顯著的效果。（6）水口，在保證扇形體的強(qiáng)度情況下，可適當(dāng)增加水口的數(shù)量，扇形體的內(nèi)弧邊長(zhǎng)不得小于12mm。水口深一般為7～10mm，即略高于工作層的高度，寬度為5-6mm。（7）保徑措施；為了減輕胎體內(nèi)外徑在鉆進(jìn)時(shí)的磨損，提高鉆頭的使用壽命，采用各種行之有效的保徑措施是很必要的，保徑材料可采用天然金剛石，聚晶人造金剛石以及硬質(zhì)合金等。

2.4 人造金剛石孕鑲鉆頭的制造工藝

采用預(yù)合金粉粘結(jié)劑，可以改善胎體性能、有利于粉料的保存，3 結(jié)語(yǔ)

在燒結(jié)工藝方面的優(yōu)點(diǎn)；混料簡(jiǎn)便，容易混合均勻、熱壓燒結(jié)過(guò)程中只要溫度出現(xiàn)液相的溫度，就可獲得理想的胎體。鉆頭制造過(guò)程與普通熱壓燒結(jié)鉆頭基本相同、容易掌握。

采用預(yù)合金粉粘結(jié)劑來(lái)改善鉆頭的胎體性能，加之合理的設(shè)計(jì)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)的制造工藝，使得我們的鉆頭在各勘探隊(duì)試驗(yàn)后，不論在鉆頭的使用壽命上，還是在鉆進(jìn)效率上，效果都很好，市場(chǎng)上已經(jīng)普遍使用。

［1］阮海龍，等.針對(duì)復(fù)雜地層金剛石鉆頭的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.探礦工程，2010（1）：67-69.

［2］屠厚澤，等主編《鉆探工程學(xué)》上冊(cè)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1998（7）.

李東（1969—），男，遼寧阜新人，本科，注冊(cè)安全工程師，鉆探工程助理工程師，研究方向：鉆探工藝。