史阿朋，王志紅（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶　400039）

煤礦復(fù)雜硬地層用胎體式PDC鉆頭的研制

史阿朋1，王志紅2
（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039）

摘要：由于煤炭鉆探和開采難度不斷地增加，從而對破巖工具提出了更高的要求。胎體式PDC鉆頭因其優(yōu)異的綜合性能，得到了越來越廣泛地應(yīng)用。本文針對重慶松藻煤礦復(fù)雜硬地層的特點(diǎn)，研制了一種新型的Ф65mm胎體式PDC鉆頭，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的PDC鉆頭耐磨性好，抗沖擊能力強(qiáng)，能夠有效地鉆進(jìn)復(fù)雜硬地層，其壽命大約是同類型鉆頭的1.5倍；同時(shí)在低鉆壓下可取得高進(jìn)尺和高鉆速，鉆進(jìn)時(shí)效可達(dá)25.2m/h，極大地提高了鉆進(jìn)效率，節(jié)約了鉆進(jìn)成本。

關(guān)鍵字：胎體式PDC鉆頭；綜合性能；復(fù)雜硬地層；鉆進(jìn)

0　前言

PDC鉆頭，即聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，是將聚晶金剛石復(fù)合片鑲焊在鉆頭體上而制成的一種新型切削型鉆頭，由于其高效優(yōu)異的切削性能，廣泛地應(yīng)用于煤田，地質(zhì)，石油等領(lǐng)域[1]。按鉆頭體冠部材料分為胎體式和鋼體式兩種，相應(yīng)地鉆頭也分為胎體式PDC鉆頭和鋼體式PDC鉆頭[2]。目前在我國煤炭行業(yè)，鋼體式PDC鉆頭使用范圍最為廣泛，但是隨著我國深部探礦工作的不斷推進(jìn)，鉆孔鉆進(jìn)過程中遇到的地層條件越來越復(fù)雜，巖性種類也越來越多，鋼體式PDC鉆頭的壽命和時(shí)效已無法滿足鉆進(jìn)要求。相對于鋼體式，胎體式PDC鉆頭具有耐磨性好、焊接強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對復(fù)雜硬地層適應(yīng)性強(qiáng)，能夠取得很好的鉆進(jìn)效果。為此，本文開展了煤礦用胎體式PDC鉆頭的研究，這對于解決我國煤礦井下復(fù)雜硬地層鉆進(jìn)困難、時(shí)效低等問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1　PDC鉆頭設(shè)計(jì)

目前煤礦井下PDC鉆頭結(jié)構(gòu)形式繁多，并對使用地質(zhì)條件非常敏感，因此需要針對具體使用條件進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)。PDC鉆頭設(shè)計(jì)主要包括鉆頭冠部設(shè)計(jì)、工作角設(shè)計(jì)等。

1.1鉆頭冠部設(shè)計(jì)

PDC鉆頭冠部設(shè)計(jì)是PDC鉆頭總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。冠部形狀決定PDC鉆頭的布齒面，因此也影響著PDC鉆頭對特定地層的工作特性。不同的冠部形狀具有不同的工作特性，對于地層的適應(yīng)性也不同[3]。為了保證PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率，合理地選擇鉆頭冠部形狀會增加鉆頭的穩(wěn)定性，同時(shí)也有利于孔底的清洗和減少切削齒的磨損。目前煤礦常用PDC鉆頭冠部形狀主要有刮刀型、內(nèi)凹型、平底型等[4]。對于松軟地層，主要以刮刀型PDC鉆頭為主，該鉆頭鉆進(jìn)速度快，排屑效果好；對于軟-中硬度地層，主要以內(nèi)凹型PDC鉆頭為主，該鉆頭穩(wěn)定性好，地層鉆進(jìn)適應(yīng)性強(qiáng)；對于硬及復(fù)雜地層，主要以平底型PDC鉆頭為主，該鉆頭由于單位切削齒承受的鉆進(jìn)壓力小，不易造成切削齒崩刃等非正常磨損，使用壽命長。

1.2鉆頭布齒設(shè)計(jì)

PDC鉆頭布齒設(shè)計(jì)主要包括切削齒數(shù)量和布齒方式，是PDC鉆頭設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，對PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率、穩(wěn)定性和工作壽命都有著十分重要的影響。PDC鉆頭的布齒設(shè)計(jì)對其鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命具有相反的影響效果。為了獲得較高的鉆頭壽命，必然要增大切削齒密度，但鉆進(jìn)速度隨之降低。反之，降低布齒密度可提高鉆進(jìn)速度，但會對鉆頭壽命造成一定的負(fù)面影響。在實(shí)際工況條件下，適當(dāng)?shù)貭奚@頭壽命以提高鉆進(jìn)速度，并不一定影響鉆頭進(jìn)尺和鉆進(jìn)成本，因此PDC鉆頭的布齒采用以提高鉆進(jìn)速度為主，以提高鉆壽命為輔的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)在保證可以獲得較高鉆進(jìn)速度的前提下盡可能提高鉆頭的工作壽命，以充分發(fā)揮剪切破巖效率高的優(yōu)勢[5]。

根據(jù)煤礦常用鉆孔尺寸，研制的鉆頭規(guī)格為Ф65mm，鉆頭PDC復(fù)合片數(shù)量為5片，外環(huán)采用3個(gè)PDC復(fù)合片均布，內(nèi)環(huán)采用2個(gè)PDC復(fù)合片，保證全斷面破巖。所有PDC復(fù)合片高度保持一致，以提高鉆頭的抗沖擊和抗剪切能力。水口位于鉆頭中心位置，便于更好地排除巖屑和冷卻PDC復(fù)合片。設(shè)計(jì)的鉆頭如圖3所示。

1.3鉆頭工作角設(shè)計(jì)

PDC鉆頭工作角主要包括切削角α和徑向角β，該結(jié)構(gòu)參數(shù)對鉆頭的性能和鉆進(jìn)效果具有重要的影響。

切削角α是切削具表面與鉆頭軸向間的夾角如圖2，它是PDC復(fù)合片鉆頭切削巖石最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，其數(shù)值減小時(shí)，切削作用加強(qiáng)，即在同樣的鉆壓下切削角小的切削深度大，可以鉆出較大的巖屑，故在相同的條件下可獲得較高的鉆速，但較小的切削角在鉆進(jìn)硬地層時(shí)因切削具受到較大的軸向力而易損壞。相反，較大的切削角α雖然切削出較小的巖屑，但是在硬地層中壽命將會更長。從理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于較硬巖層，切削角為10°～20°為最佳。

徑向角β是切削具表面和鉆頭徑向平面之間的夾角，如圖3所示。具有徑向角的復(fù)合片可將巖屑引導(dǎo)到外環(huán)空間，同時(shí)保證切削具有較強(qiáng)的研磨性。在鉆頭的切削作用下，有些巖屑的移動具有切向和徑向兩種運(yùn)動，不易被巖粉粘附，而且徑向角越大巖屑粘附切削具的可能性越小[6]。一般是以利于切削巖石和排除巖粉兩方面因素進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通常選取徑向角為5°～10°。

2　PDC鉆頭試制

2.1PDC復(fù)合片選擇

在PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中，切削齒PDC復(fù)合片通過剪切方式直接破碎巖石，同時(shí)承受著各種不同的載荷。在大多數(shù)情況下，PDC鉆頭損壞失效的主要原因是由于PDC復(fù)合片切削齒的嚴(yán)重磨損造成，尤其是非正常磨損，如崩刃、聚晶金剛石層脫落等。因此PDC復(fù)合片的性能在很大程度上決定了整個(gè)PDC鉆頭的使用性能。

PDC復(fù)合片具有不同的類型，需根據(jù)所鉆巖石地層特點(diǎn)進(jìn)行正確地選擇。目前常用的有Ф10.0mm,Ф13.3mm,Ф16.0mm等規(guī)格。在同一鉆壓下，對于軟-中硬地層，阻力較小，采用大直徑的PDC復(fù)合片可獲得較高的鉆進(jìn)效率；對于硬地層，直徑越大越難切入，因此宜采用直徑較小的PDC復(fù)合片，但其抗沖擊性能低于大直徑的復(fù)合片。

由于復(fù)雜硬地層存在非均質(zhì)的特點(diǎn)，在鉆進(jìn)過程中，PDC復(fù)合片易受到?jīng)_擊載荷的破壞，故選用具有高硬度、高耐磨性、高抗沖擊韌性及高熱穩(wěn)定性的Ф13.3mm加強(qiáng)型PDC復(fù)合片，使用該復(fù)合片保證了PDC鉆頭優(yōu)異的綜合性能，不僅可以提高鉆頭的鉆進(jìn)效率，同時(shí)延長其使用壽命。

2.2釬料釬劑選擇

PDC鉆頭與鉆頭體的焊接為異種金屬間的焊接，且PDC鉆頭體與PDC復(fù)合片的收縮率也不一樣，故需采用釬焊來完成鉆頭體與刀片間的焊接。影響PDC復(fù)合片鉆頭焊接強(qiáng)度的因素不僅有焊接工藝，還有焊接所使用的釬料、溫度等。PDC復(fù)合片鉆頭焊接使用釬料主要分為銅基釬料和銀基釬料。銅基釬料焊接強(qiáng)度相對于銀基釬料來說，焊接強(qiáng)度較高，而且價(jià)格也較低，但銅基釬料焊接溫度較高，容易對PDC復(fù)合片的人造聚晶金剛石層造成熱損傷（復(fù)合片所能承受的最高溫度為700℃）。為保證PDC復(fù)合片的性能不被加熱溫度過高而損壞，要求復(fù)合片與鉆頭體間采用銀基釬料進(jìn)行焊接，它完全可以滿足PDC復(fù)合片低溫釬焊的要求，同時(shí)也能滿足PDC復(fù)合片與鉆頭體間的焊接強(qiáng)度。一般選用銀焊條L312，同時(shí)選用相應(yīng)的釬劑，其作用是清除釬料和母材表面的氧化物，保護(hù)焊件和液態(tài)釬料在焊接過程中免于氧化，改善液態(tài)釬料對焊件的浸潤性。

2.3鉆頭體試制

胎體式PDC鉆頭鉆頭體整個(gè)試制工藝過程主要包括軟模成型和無壓浸漬兩個(gè)部分[7]。

軟模成型是一種新型的模具制造工藝，主要采用軟質(zhì)材料(如硅橡膠、環(huán)氧樹脂等)制造模具。其具有良好的復(fù)制性和脫模性,因此在制作形狀復(fù)雜、精度要求較高的產(chǎn)品方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。同時(shí)可以降低了生產(chǎn)成本,簡化了模具制造工序,縮短工期，大大提高生產(chǎn)效率。

無壓浸漬是粉末冶金液相燒結(jié)方法之一，主要通過熔化粘結(jié)金屬對具有濕潤性的骨架粉末（鑄造碳化鎢）的浸漬并使其制品能達(dá)到設(shè)定的尺寸和性能。其工藝簡單,可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大尺寸制品。

胎體式PDC鉆頭試制過程如下：首先采用三維實(shí)體設(shè)計(jì)方法對鉆頭體結(jié)構(gòu)和布齒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工出基礎(chǔ)模具，然后采用硫化工藝制備出橡膠模，再次以橡膠模為基礎(chǔ)澆注成陶瓷模，即鉆頭燒結(jié)模具，最后將合理的鉆頭體配方加入其中進(jìn)行無壓浸漬燒結(jié)成型。

2.4PDC復(fù)合片焊接

在完成鉆頭體的試制后，下一步的工作就是將PDC復(fù)合片焊接到鉆頭體上，目前制作PDC鉆頭焊接方法有真空擴(kuò)散釬焊、高頻感應(yīng)釬焊、火焰釬焊等。

（1）真空擴(kuò)散釬焊。真空擴(kuò)散焊對連接組件的形狀、尺寸有很大限制,一般要求PDC復(fù)合片和鉆頭體的凹槽正面接觸以實(shí)現(xiàn)軸向?qū)?整個(gè)焊接工藝過程復(fù)雜,焊接時(shí)間較長,成本較高,一次性投資也很大。盡管真空擴(kuò)散釬焊能達(dá)到很高的焊接質(zhì)量,但對真空度和溫度要求較高,工藝復(fù)雜,操作難度較大[8]。

（2）高頻感應(yīng)釬焊。PDC復(fù)合片釬焊時(shí)，釬焊時(shí)間對PDC復(fù)合片的性能影響很大，釬焊時(shí)間越長，對PDC復(fù)合片的性能損害越大，如耐磨性等。感應(yīng)釬焊的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，通?？稍跇O短的時(shí)間內(nèi)完成加熱過程，并能保證零件的尺寸精度，從而可減輕金屬燒損和氧化程度，焊后清理簡單，能得到清潔的焊接焊縫，不會引起整個(gè)基體較大的變形，對冷作硬化的基體軟化現(xiàn)象也大大減輕，對操作者的要求相對低，而且工作環(huán)境條件相對較好。

由于高頻感應(yīng)具有加熱速度快；材料內(nèi)部發(fā)熱，熱效率高；加熱時(shí)間短，金屬表面不易氧化；熱變形較?。患訜峋鶆蚯矣羞x擇性；產(chǎn)品質(zhì)量好；幾乎無環(huán)境污染；易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到迅速推廣。而且釬焊工藝操作簡便，生產(chǎn)效率高，運(yùn)營成本低，并能保證釬焊質(zhì)量。與激光釬焊、真空擴(kuò)散焊、真空釬焊等釬焊方法比較，高頻感應(yīng)釬焊最大優(yōu)勢在于其設(shè)備投資少、釬焊工藝易于掌握。缺點(diǎn)在于高頻感應(yīng)加熱的溫度難于控制，不宜使用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品。

（3）火焰釬焊。火焰釬焊其應(yīng)用十分廣泛，主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：a）設(shè)備簡單，價(jià)格低廉，操作方便靈活，可以獲得較高的釬焊質(zhì)量；b）可釬焊形狀不規(guī)則的產(chǎn)品,而且釬焊焊縫平整光滑，外形美觀；c）可隨時(shí)觀察到釬焊過程中的不良狀態(tài)并及時(shí)控制，避免產(chǎn)生過多的不良品，從而保證了釬料填充的均勻性和穩(wěn)定性；d）釬焊火力的大小及釬焊時(shí)間均可自由設(shè)定[9]。

基于PDC復(fù)合片和釬料的特性及，在火焰加熱過程中，一般選用氧-乙炔的中焰或外焰加熱，這樣不僅可以防止過熱對PDC復(fù)合片的損傷和釬料過分氧化，同時(shí)可以避免釬縫區(qū)金屬晶粒長大，影響焊縫強(qiáng)度性能。采用火焰釬焊時(shí)，首先加熱鉆頭體，以致釬料開始熔化，然后將火焰移到復(fù)合片上加熱到釬焊溫度。與其他釬焊方法相比，火焰釬焊操作比較靈活，一般適用于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，通常適合應(yīng)用于大批量的生產(chǎn)中。

根據(jù)平底型PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用火焰釬焊進(jìn)行單齒局部焊接，該方法使用方便，可以保證獲得較高的釬焊質(zhì)量。其工藝流程：a)焊接前首先對鉆頭體焊接面進(jìn)行噴砂，以除油、除銹和除氧化物，然后利用酒精進(jìn)行表面清洗，同時(shí)對PDC復(fù)合進(jìn)行打磨清洗增加表面粗糙度；b)將PDC復(fù)合片與釬料安放在預(yù)留凹槽中，利用火焰噴槍進(jìn)行加熱。加熱時(shí)，溫度必須控制在700℃以內(nèi)，以保證PDC復(fù)合片的質(zhì)量；c)焊后將PDC鉆頭放入珍珠巖中進(jìn)行保溫冷卻處理，減小焊接內(nèi)應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。待冷卻后對鉆頭進(jìn)行噴砂打磨處理，以除去表面焊疤，試制鉆頭如圖4所示。

3　PDC鉆頭試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)鉆頭的性能，將試制的3只PDC鉆頭在重慶松藻煤電公司松藻煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，地點(diǎn)位于二區(qū)+100茅口巷（N5#-N6#石門），該地層較為復(fù)雜，主要以石灰?guī)r和鋁土泥巖為主，其中富含黃鐵礦結(jié)核，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=8～12，屬于硬地層。試驗(yàn)用鉆機(jī)為中煤科工集團(tuán)重慶研究院改裝型ZY-1250，配備Ф50×800mm光鉆桿。在施工鉆孔過程中，鉆機(jī)的推進(jìn)壓力和旋轉(zhuǎn)壓力分別為5MPa 和6.5MPa。截止到鉆頭失效，每個(gè)鉆頭均完成3個(gè)孔的鉆進(jìn)，取得較好的試驗(yàn)效果，解決了松藻煤礦鉆孔施工困難、鉆進(jìn)速度慢、效率不高等問題，其試驗(yàn)情況詳見表1。

表1　平底型胎體式PDC鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

（1）該研制的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在鉆進(jìn)復(fù)雜硬巖中時(shí)，能夠有效地切削巖層并防止和降低沖擊載荷對復(fù)合片的破壞，具有較好的穩(wěn)定性。

（2）該鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效高，在復(fù)雜硬地層條件下，鉆進(jìn)時(shí)速可達(dá)25.2m/h，并且能夠在低鉆壓下取得高進(jìn)尺和高鉆速，極大地提高鉆進(jìn)效率，降低鉆進(jìn)成本。

（3）該鉆頭具有高耐磨性，較強(qiáng)的抗沖擊韌性，沒有出現(xiàn)崩刃、掉齒等非正常磨損現(xiàn)象，壽命長，累計(jì)進(jìn)尺高達(dá)156m，其壽命大約是同類型鉆頭的1.5倍。

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基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技重大專項(xiàng)（編號:2011ZX05041-001-002）

作者簡介：史阿朋（1983—），男，陜西武功人，工程師，主要從事：煤礦安全機(jī)械及鉆探機(jī)具方面的研究工作。