吳海霞，歐陽(yáng)志勇，李 春，沈立娜，梁 濤

(北京探礦工程研究所，北京100083)

金剛石于磨料磨具工程

青海東昆侖、祁曼塔格地區(qū)金剛石鉆頭的研究

吳海霞，歐陽(yáng)志勇，李 春，沈立娜，梁 濤

(北京探礦工程研究所，北京100083)

針對(duì)青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)的典型硬巖強(qiáng)研磨性地層情況，對(duì)孕鑲金剛石鉆頭胎體材料、金剛石濃度、燒結(jié)工藝等方面進(jìn)行分析研究，并對(duì)鉆頭進(jìn)行了臺(tái)架、野外試驗(yàn)。根據(jù)各項(xiàng)理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了鉆頭的設(shè)計(jì)方案，研發(fā)出了適用于該地區(qū)硬巖強(qiáng)研磨地層鉆進(jìn)的孕鑲金剛石鉆頭。

強(qiáng)研磨性地層;金剛石鉆頭;預(yù)合金粉末;胎體材料

1 青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)鉆頭使用情況分析

2013年以來(lái)，強(qiáng)研磨性、堅(jiān)硬致密地層一直是制約青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)鉆探施工效率的技術(shù)“瓶頸”。中深孔鉆進(jìn)中鉆頭壽命低和鉆效低對(duì)破碎地層帶來(lái)的失穩(wěn)影響往往最終演變成孔內(nèi)事故。該地區(qū)的大部分地層是花崗巖、氧化蝕變花崗巖，蝕變后花崗巖膠結(jié)強(qiáng)度下降、硬度降低，但研磨性大幅度上升。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2014年7月前在不同礦區(qū)及巖層中金剛石鉆頭使用效果分述如下。

1.1 黑海南礦區(qū)地層特點(diǎn)與金剛石鉆頭的使用情況

黑海南礦區(qū)主要的巖層是蝕變閃長(zhǎng)斑巖、破碎安山巖、長(zhǎng)石石英砂巖、千枚巖、細(xì)晶灰?guī)r等，礦物顆粒以中細(xì)居多，巖石的研磨性強(qiáng)，鉆頭的平均壽命不足2.4 m，在鉆遇破碎安山巖和蝕變花崗閃長(zhǎng)巖時(shí)的平均機(jī)械鉆速是0.8～0.9 m/h。該地區(qū)不同巖層中金剛石鉆頭使用情況參見(jiàn)表1，典型破碎蝕變閃長(zhǎng)斑巖見(jiàn)圖1。

1.2 拉陵高里河溝腦礦區(qū)地層特點(diǎn)與金剛石鉆頭的使用效果

表1 黑海南礦區(qū)不同巖層中金剛石鉆頭使用情況

圖1 破碎蝕變閃長(zhǎng)斑巖

拉陵高里河溝腦礦區(qū)ZK3201孔，自開(kāi)孔即為破碎花崗巖，中粗顆粒，石英含量較高。隨孔深增加，巖石礦物顆粒越來(lái)越細(xì)、結(jié)構(gòu)越來(lái)越致密，巖石硬度和可鉆性越來(lái)越高(參見(jiàn)圖2)。該孔地層不僅硬度高、可鉆性差，其研磨性也比較強(qiáng)。從使用效果來(lái)看，平均壽命最長(zhǎng)的是國(guó)外進(jìn)口的某金剛石鉆頭，大約在11 m左右，但鉆效低，平均小時(shí)效率不足1.0 m。其次為國(guó)產(chǎn)某廠家的金剛石鉆頭，平均壽命6.5 m，但鉆效較之國(guó)外鉆頭提高20%以上。其他鉆頭平均壽命則不足3.5 m，且磨損形式表現(xiàn)為非正常磨損，由圖3中的鉆頭的非常磨損觀察可知:(a)外徑磨損;(b)內(nèi)徑磨損;(c)底唇面磨損為環(huán)槽狀; (d)底唇面充分磨損，內(nèi)外徑磨損程度輕微。

圖2 ZK3201孔花崗巖

圖3 ZK3201金剛石鉆頭非正常磨損情況

1.3 五龍溝地區(qū)黑石溝－水閘東溝礦區(qū)地層特點(diǎn)與金剛石鉆頭的使用情況

青海都蘭縣五龍溝金礦區(qū)屬柴達(dá)木地區(qū)北緣，其中包括有紅旗溝、石灰溝、黃龍溝、巖金溝、淡水溝等多個(gè)子礦區(qū)。紅旗溝、淡水溝以硅化大理巖、石英巖(如圖4所示)、細(xì)?；◢弾r的致密堅(jiān)硬地層為典型;石灰溝則以高嶺土化、絹云母化的蝕變花崗巖為典型。鉆遇該類地層，往往不僅施工效率低，難以滿足地質(zhì)找礦任務(wù)的計(jì)劃進(jìn)程，而且常發(fā)生孔內(nèi)事故，甚至工作量報(bào)廢事故。

2 針對(duì)該地區(qū)地層對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 新型超細(xì)晶胎體復(fù)合材料研究

圖4 石英巖

由于超細(xì)晶預(yù)合金粉末各組分的均勻性、在燒結(jié)過(guò)程中低熔點(diǎn)金屬不易流失及偏析，以及有較高的燒結(jié)活性等優(yōu)點(diǎn)，選用預(yù)合金粉末為金剛石胎體材料，可以大幅提高胎體的機(jī)械性能，降低燒結(jié)溫度，減小對(duì)金剛石的熱損傷，改善胎體對(duì)金剛石的把持能力［1－3］。

對(duì)多種預(yù)合金粉末進(jìn)行研究，優(yōu)選出兩種適用于該區(qū)域地層的預(yù)合金粉末胎體材料，其顯微照片見(jiàn)圖5。由圖5可知預(yù)合金粉末粒度基本在10 μm以下，說(shuō)明所得到的預(yù)合金粉末顆粒度比較均勻。為了觀察預(yù)合金粉末的元素分布狀態(tài)，對(duì)粉末中的細(xì)小顆粒進(jìn)行了定點(diǎn)物相分析，得到如圖5所示的能譜分析圖。由圖中可以看出，經(jīng)過(guò)熔煉噴霧后得到的粉末顆粒中包括了構(gòu)成合金粉末的各種金屬元素，這說(shuō)明預(yù)合金粉末較機(jī)械混合多種單質(zhì)金屬粉末更加均勻。對(duì)以上兩種胎體材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 R1、R10胎體配方粉末顯微圖片及能譜分析

由表2可知，這兩種胎體配方的硬度為HRC20～34;它們的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度的區(qū)別較大，其中R10胎體配方的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度較大，R1胎體配方的耐磨性最高。根據(jù)該地區(qū)的不同地層特性，可以選用不同的胎體配方。

表2 胎體配方的基本性能參數(shù)測(cè)定值

采用球磨法［4］對(duì)預(yù)合金粉末進(jìn)行預(yù)處理，球磨3 h時(shí)，胎體粉末晶粒逐漸細(xì)化，顆粒趨于球形，均勻度得到提高，且胎體的沖擊韌性、硬度、抗彎強(qiáng)度等燒結(jié)性能達(dá)到最高。

2.2 金剛石濃度的合理選擇

金剛石是鉆頭的主要鉆進(jìn)切削刃，其質(zhì)量的好壞直接影響鉆頭的使用壽命和時(shí)效。現(xiàn)今的人造金剛石品種繁多，質(zhì)量不一，所以在使用前，必須按照鉆進(jìn)地層的特點(diǎn)合理選擇其品級(jí)、粒度及密度［5－8］。

針對(duì)該地區(qū)硬巖強(qiáng)研磨性地層的特點(diǎn)，我們選取特級(jí)(JRT)人造金剛石，其35/40目的人造金剛石平均單晶抗壓強(qiáng)度是445 N。對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭，金剛石濃度對(duì)鉆頭的耐磨性有直接影響，為了確定金剛石濃度對(duì)鉆頭耐磨性的影響，使用微鉆試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)R1、R10胎體配方的不同金剛石濃度的鉆頭進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，在轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，金剛石濃度越低，鉆頭的平均機(jī)械鉆速越高，但鉆頭的磨損也越大;在轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)，鉆頭的平均機(jī)械鉆速還是隨著金剛石濃度的增加而有所降低，但是鉆頭的磨損在80%、100%金剛石濃度時(shí)基本一致;在轉(zhuǎn)速1000 r/min時(shí)，鉆頭的平均機(jī)械鉆速規(guī)律與其它鉆速保持一致，但是不同金剛石濃度鉆頭的磨損量基本一致。充分說(shuō)明了孕鑲金剛石鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)提高金剛石有效切削的重要性。

在本研究區(qū)的實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速基本在500 r/min左右，結(jié)合上述微鉆試驗(yàn)研究，在保證鉆頭的機(jī)械鉆速及壽命的基礎(chǔ)上，確定鉆頭的金剛石濃度在80%～100%之間。

2.3 鉆頭燒結(jié)工藝研究

針對(duì)該地區(qū)的復(fù)雜地層，采用熱壓燒結(jié)的方法燒制新型金剛石胎塊鉆頭，制造工藝流程見(jiàn)圖6。根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，精確設(shè)計(jì)制造胎塊的石墨模具，根據(jù)地層巖性和鉆進(jìn)工藝設(shè)計(jì)胎體配方和金剛石參數(shù)，采用熱壓燒結(jié)，R1胎體配方的燒結(jié)溫度為820℃，R10的燒結(jié)溫度為840℃，整個(gè)燒結(jié)過(guò)程由程序自動(dòng)控制，保證切削具的尺寸精確和質(zhì)量穩(wěn)定。其N規(guī)格鉆頭燒結(jié)工藝曲線見(jiàn)圖7。通過(guò)鉆頭燒結(jié)工藝的研究，試制適用于該地區(qū)復(fù)雜地層的新型金剛石鉆頭，為下一步的野外試驗(yàn)提供充足的準(zhǔn)備。

圖6 新型金剛石鉆頭制造工藝流程

圖7 N規(guī)格金剛石鉆頭燒結(jié)工藝曲線

3 孕鑲金剛石鉆頭的野外使用情況

針對(duì)該地區(qū)的地層特點(diǎn)，結(jié)合上述研究，確定了2種鉆頭配方設(shè)計(jì)(具體金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4)，并在拉陵高里河溝腦礦區(qū)和都蘭縣五龍溝地區(qū)的3個(gè)鉆孔進(jìn)行了野外試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)勘探隊(duì)根據(jù)地形條件和鉆孔性質(zhì)選擇了鉆探設(shè)備，具體設(shè)備見(jiàn)表5。

表4 金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計(jì)

表5 鉆探設(shè)備

2015年，分別在拉陵高里河溝腦礦區(qū)ZK3202、ZK4002孔和五龍溝地區(qū)的ZK5102鉆孔中進(jìn)行了試用。使用過(guò)程中，為了避免鉆頭外徑磨損，在不同鉆孔中進(jìn)行了排隊(duì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，R1、R10型的平均機(jī)械鉆速及壽命見(jiàn)表6。

表6 鉆頭野外使用情況

由表6可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共使用孕鑲金剛石鉆頭10支，累計(jì)進(jìn)尺1032.2 m。在堅(jiān)硬與強(qiáng)研磨性并存地層中，R1型金剛石鉆頭的平均鉆速是1.9～2.4 m/h，比R10型平均機(jī)械鉆速快一些，但鉆頭的平均壽命比R10型短一些;在堅(jiān)硬地層較少，研磨性較強(qiáng)的地層中，R1型金剛石鉆頭的平均機(jī)械鉆速比R10型提高了77%，但R10型金剛石鉆頭的平均壽命是R1型的1.26倍。與普通鉆頭相比，北京探礦工程研究所研制的鉆頭，針對(duì)性強(qiáng)，鉆頭壽命和機(jī)械鉆速均有顯著提高，解決了拉陵高里河溝腦礦區(qū)和五龍溝地區(qū)的典型地層難鉆進(jìn)問(wèn)題。

4 結(jié)論

在青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)難鉆進(jìn)地層的孕鑲金剛石鉆頭研究中，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地層及現(xiàn)有鉆進(jìn)情況進(jìn)行了細(xì)致的分析研究，引入了新型預(yù)合金粉末材料，很好地解決了胎體性能、金剛石濃度、包鑲的難題，選用適用該地區(qū)地層的鉆頭胎體配方及燒結(jié)工藝，經(jīng)過(guò)多次野外實(shí)際應(yīng)用，研發(fā)出適用于該地區(qū)硬巖強(qiáng)研磨地層鉆進(jìn)的孕鑲金剛石鉆頭，提高了鉆探效率。

(1)對(duì)胎體粉末材料進(jìn)行研究，確定了適用于該地區(qū)地層的超細(xì)預(yù)合金粉末材料，保證了胎體性能及其對(duì)金剛石的包鑲能力。

(2)選擇合理的金剛石目數(shù)及金剛石濃度，保證單顆金剛石的合理鉆壓，以及鉆頭的有效出刃及耐磨性。

(3)對(duì)鉆頭的燒結(jié)工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并提出研究要求，以得到最優(yōu)的鉆頭性能。

［1］董海燕，歐陽(yáng)志勇，吳海霞，等.深部探測(cè)金川預(yù)導(dǎo)孔深孔鉆探鉆頭的應(yīng)用與分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40 (9):41－46.

［2］吳海霞，沈立娜，等.河北寬城唐杖子金礦區(qū)新型金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用［C］//中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)探礦工程專業(yè)委員會(huì).第十八屆全國(guó)探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集.北京:地質(zhì)出版社，2015:697－702.

［3］沈立娜，阮海龍，李春，等.堅(jiān)硬致密“打滑”地層新型自銳金剛石鉆頭的研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(11): 57－59.

［4］沈立娜，李樹(shù)輝，阮海龍，等.球磨時(shí)間對(duì)鐵基胎體顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):78－80.

［5］賈美玲，歐陽(yáng)志勇，馬秀民，等.深孔鉆探金剛石鉆頭技術(shù)研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(12):71－73.

［6］姜亦軍，王文龍，張輝.SY系列深孔硬巖孕鑲金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(6):80－84.

［7］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊(cè)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［8］阮海龍，紀(jì)衛(wèi)軍，沈立娜，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(巖土鉆掘工程)，2010，37(1):67－69.

Study of Diamond Bits in Qinghai Province Dongkunlun and Qimantage Area

/WU Hai-xia，OUYANG Zhi-yong，LI Chun，SHEN Li-na，LIANG Tao(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China)

According to the typical strong abrasive formations in Qinghai province dongkunlun and qimantage area，the research and analysis were made for impregnated diamond bit in matrix materials，diamond concentration and sintering technology.The bench tests and field texts for bits were carried out.On the basis of the test data，the design of the bit was determined，and a new type impregnated diamond bit suitable to the strong abrasive formations has been developed.

strong abrasive formations;diamond bits;matrix materials;matrix materials

P634.4+1

A

1672－7428(2017)03－0077－04

2016－07－20

吳海霞，女，漢族，1986年生，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事金剛石鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，379940006@qq.com。