湯鳳林， 沈中華， 段隆臣， 柳少青， 孫環(huán)平， Чихоткин В.Ф.

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

關(guān)于提高金剛石鉆頭胎體工作能力的試驗(yàn)研究

湯鳳林1,2， 沈中華1， 段隆臣2， 柳少青1， 孫環(huán)平1， Чихоткин В.Ф.2

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

在地質(zhì)勘探中，金剛石鉆進(jìn)是一種主要的方法。在金剛石鉆探生產(chǎn)中，鉆探設(shè)備、鉆頭、鉆探工藝、鉆探生產(chǎn)操作技術(shù)和生產(chǎn)管理都是非常重要的。鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與鉆頭胎體的工作能力關(guān)系更為密切，因此成了人們關(guān)心的問題。俄羅斯Кубасов В.В.博士等在提高鉆頭胎體工作能力方面做了大量的工作，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。本文介紹了他們在低品級金剛石的選擇性破碎處理、金剛石的熱處理、金剛石鉆頭的低溫處理和胎體性能的控制技術(shù)等方面的研究內(nèi)容及取得的成果。

金剛石鉆頭；胎體工作能力；選擇性破碎；熱處理；低溫處理；鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

0 引言

在地質(zhì)勘探中，特別是在硬巖鉆進(jìn)中，金剛石鉆進(jìn)是一種主要鉆進(jìn)方法。由于金剛石復(fù)合片(PDC)的研發(fā)成功，在石油天然氣的開發(fā)和利用中，PDC鉆井得到了很大發(fā)展。金剛石鉆進(jìn)對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了很大的貢獻(xiàn)。在金剛石鉆探生產(chǎn)中，鉆探設(shè)備、鉆頭、鉆探工藝、鉆探操作技術(shù)和生產(chǎn)管理都是非常重要的。在設(shè)備選定、所鉆巖石明確、司鉆人員選好情況下，鉆頭的選好和用好(鉆探工藝)是鉆探工程的主要問題之一。鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與鉆頭的工作能力關(guān)系非常密切，因此鉆頭工作能力成了人們關(guān)心的問題[1-9]。

金剛石鉆頭工作能力與很多因素有關(guān)，與所鑲金剛石的關(guān)系更為直接。俄羅斯Кубасов В.В.博士等在提高鉆頭工作能力方面，如：低品級金剛石的選擇性破碎處理、金剛石的熱處理、金剛石鉆頭的低溫處理和胎體性能的控制技術(shù)等方面做了大量的工作，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[10-26]。

1 金剛石選擇性破碎預(yù)處理技術(shù)

有缺陷的金剛石是低品級金剛石，這種金剛石常常含有包裹體、孔隙、裂紋和缺口。金剛石預(yù)處理的目的是使其達(dá)到比較理想的粒度和形狀，減少金剛石內(nèi)應(yīng)力的集中，滿足鉆探工程的要求，取得好的鉆進(jìn)效果。

全俄勘探技術(shù)研究所研制的УДА-2型低品級金剛石選擇性破碎裝置是其一種機(jī)械處理方法(見圖1)，使用效果較好[10]。

這種裝置使用壓縮空氣作為動力，以P=0.6 MPa壓力將其壓入混合室入口，壓縮空氣用量為42 m3/h。

1—裝料筒；2—吸入管；3—橡皮管；4—混合室；5—噴嘴；6—上蓋；7—屏板；8—破碎室；9—過濾網(wǎng)；10—旋流器；11—精細(xì)過濾袋

圖1 УДА-2型低品級金剛石選擇性破碎裝置

處理時(shí)，把擬處理的低品級金剛石置于裝料筒1內(nèi)，向混合室4入口供給壓縮空氣。由于負(fù)壓作用，通過吸入管2孔眼吸入金剛石，沿著橡皮管3進(jìn)入混合室4。在混合室內(nèi)，金剛石被壓縮空氣氣流帶動，通過噴嘴5后得到加速度，撞擊金屬屏板7，于是金剛石被破碎。撞擊破碎后，小于過濾網(wǎng)9網(wǎng)眼大小的金剛石與壓縮空氣氣流一起進(jìn)入旋流器10和過濾袋11。由于空氣在破碎室8中膨脹和部分是由于過濾網(wǎng)9的反彈而減速，大顆粒金剛石落入裝料筒底部。一次可以處理100 ct(20 g)左右的金剛石。

試驗(yàn)研究表明，經(jīng)過УДА-2處理的低品級金剛石的強(qiáng)度比原來金剛石的強(qiáng)度提高了30%左右。

2 金剛石的熱處理

金剛石鉆進(jìn)中，金剛石是金剛石鉆頭破碎巖石的工具和手段，因此金剛石的強(qiáng)度非常重要。為了研究金剛石在不同氣氛中靜壓強(qiáng)度隨溫度變化的情況，選用了粒度為60～40粒/ct(1 ct=0.2 g，下同)的ⅩⅩⅩⅤ組金剛石75粒，其在熱處理前的平均強(qiáng)度為47 dN。在溫度分別為800、900、1000、1100、1200 ℃和加熱時(shí)間分別為30、60、90、120 min條件下，在氮?dú)?、氬氣、氫氣和真?種氣氛中，對上述金剛石進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)。熱處理是用德國生產(chǎn)的KS400/10型熱處理爐(見圖2)進(jìn)行的，也可以用ТВЧ型高頻爐進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見表1[15-16]。

從表1可見，在氮?dú)夂蜌鍤饨橘|(zhì)中加熱的金剛石強(qiáng)度增加較多，強(qiáng)度增加最多的金剛石是在氮?dú)饨橘|(zhì)中、溫度900 ℃時(shí)得到的，強(qiáng)度增加了24%。但是，金剛石強(qiáng)度隨加熱時(shí)間不同而變化的情況，沒有發(fā)現(xiàn)有一定的規(guī)律性。

圖2 德國生產(chǎn)的KS400/10型熱處理爐

介質(zhì)金剛石加熱溫度/℃平均強(qiáng)度/dN強(qiáng)度提高/dN%氧化/%石墨化/%氮?dú)?005710210.89005811240.81000558160.70.071100525111.40.111200547151.90.23氬氣800547150.07900547150.081000558171.121100558170.5112005710200.85氫氣800536129005149100052511未測110053612120052511真空80049240.20未測900558170.181000325110.18110045-2-40.27120048111.09

注：一定溫度下的金剛石平均強(qiáng)度指的是，4種不同加熱時(shí)間(30、60、90、120 min)時(shí)金剛石強(qiáng)度的算術(shù)平均值。金剛石加熱時(shí)其質(zhì)量的降低(氧化)是用加熱前后的質(zhì)量差計(jì)算的。是否石墨化是用加熱的金剛石化學(xué)處理前后的質(zhì)量差來評價(jià)的。

對經(jīng)過熱處理的金剛石鉆頭的鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行的對比研究，是用上述經(jīng)過處理的金剛石制成的鉆頭А4ДД-59-3(А4ДД-59-3-A是未經(jīng)過熱處理的，共試驗(yàn)了97個(gè)鉆頭；А4ДД-59-3-Б是在氮?dú)鈿夥罩刑幚淼模苍囼?yàn)了94個(gè)鉆頭；А4ДД-59-3-В是在氬氣氣氛中處理的，共試驗(yàn)了93個(gè)鉆頭)和常規(guī)生產(chǎn)的А4ДП-59鉆頭(共試驗(yàn)了134個(gè)鉆頭)，在《東北地質(zhì)》聯(lián)合公司、《烏拉爾地質(zhì)》聯(lián)合公司、《北烏克蘭》聯(lián)合地質(zhì)公司和《薩馬兒坎德》聯(lián)合地質(zhì)公司進(jìn)行的。熱處理金剛石鉆頭的鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對比資料見表2[15-20]。

表2資料表明，根據(jù)在俄羅斯不同地質(zhì)公司的鉆探隊(duì)、總共418個(gè)鉆頭進(jìn)行的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥罩薪?jīng)過熱處理的金剛石鉆頭А4ДД-59-3-Б、А4ДД-59-3-B的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與常規(guī)生產(chǎn)的鉆頭А4ДП-59的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相比，機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺均提高了?？梢姡谶@兩種氣氛中進(jìn)行熱處理金剛石的金剛石鉆頭性能的鉆進(jìn)效果是很好的，值得進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

表2 鑲有經(jīng)過熱處理金剛石的鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 金剛石鉆頭的低溫處理

金剛石鉆頭低溫處理是用托姆斯克工學(xué)院研制的УКРО-02型金剛石鉆頭低溫處理設(shè)備(見圖3)進(jìn)行的。使用工業(yè)液態(tài)氮(俄羅斯國標(biāo)92193—74)作為低溫處理劑。該處理劑系無色液體，大氣條件下沸點(diǎn)為-196 ℃，密度為0.8 g/cm3，氧的含量≯3%，純質(zhì)狀態(tài)下沒有爆炸危險(xiǎn)。УКРО-02型金剛石鉆頭低溫處理設(shè)備技術(shù)性能見表3[20]。

1—處理室；2—支架；3—擬處理的金剛石鉆頭；4—鉆頭舟；5—液體氮放出閥；6—絕熱層；7—杠桿；8—繩索；9—蓋子；10—導(dǎo)管；11—導(dǎo)向滑輪；12—對中用橫木

圖3 УКРО-02型低溫處理金剛石鉆頭設(shè)備

УКРО-02型設(shè)備由3部分組成：處理室、機(jī)架和安在機(jī)架上的提升裝置。處理室是雙層焊接結(jié)構(gòu)，兩層之間裝有絕熱材料(泡沫塑料)。處理室內(nèi)層用低溫鋼(12Х18Н9Т)制成，外層用5號鋼制成，處理室需要密封。處理室側(cè)壁上有帶軟管的排氣孔，以便向大氣中排出在向處理室注入氮時(shí)和在鉆頭低溫處理過程中產(chǎn)生的氮?dú)?。處理室的蓋子用鋼板制成，上面和下面用泡沫塑料充填。支架焊在上蓋的底部。處理過程中，排氣通道應(yīng)該是常開的。金剛石鉆頭在處理室內(nèi)的低溫處理時(shí)間為20 min。處理結(jié)束后，液體氮通過放出閥流出。處理設(shè)備升降用由杠桿、繩索和滑輪組成的升降裝置進(jìn)行。繩索一端固定在杠桿上，另一端固定在處理室的上蓋上。當(dāng)上蓋位于最上端位置時(shí)，杠桿用專用螺釘固定。

為了研究金剛石鉆頭低溫處理后的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺和低溫處理合理時(shí)間，圖拉地質(zhì)科研企業(yè)采用常規(guī)方法做了5個(gè)試驗(yàn)鉆頭02И3-36(部分見圖4)[15]。

圖4 低溫試驗(yàn)用金剛石鉆頭

鉆頭上鑲有天然金剛石A(120～150粒/ct)，在液體氮(-196 ℃)中進(jìn)行了低溫處理，對石英花崗巖(Pш=5400 MPa)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)臺鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆進(jìn)結(jié)果見表4[20]。

從表4可見，與未進(jìn)行低溫處理的1號鉆頭相比，處理20 min的2號鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了2倍，處理30min的3號鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了2.1倍，處理40 min的4號鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了2.1倍，處理50 min的5號鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了2.2倍。

表4 低溫處理金剛石鉆頭02И3-36鉆進(jìn)石英花崗巖結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)臺(圖5)鉆進(jìn)試驗(yàn)中，還研究了在鉆進(jìn)石英花崗巖時(shí)低溫處理30 min和未經(jīng)處理的鉆頭，在鉆進(jìn)回次過程中鉆頭外徑D磨損和鉆頭胎體磨損J變化的情況(鉆頭胎體磨損是用07201型顯微測量儀進(jìn)行測量的，見圖6)，試驗(yàn)資料處理結(jié)果見圖7[15-20]。

圖5鉆進(jìn)試驗(yàn)臺圖6測量鉆頭胎體唇面磨損用07201型顯微測量儀

1、3—試驗(yàn)鉆頭和常規(guī)鉆頭外徑變化與回次鉆進(jìn)時(shí)間t的關(guān)系曲線；2、4—試驗(yàn)鉆頭和常規(guī)鉆頭胎體磨損變化與回次鉆進(jìn)時(shí)間t的關(guān)系曲線

圖7鉆進(jìn)石英花崗巖回次中，試驗(yàn)鉆頭和常規(guī)鉆頭外徑D磨損和胎體J磨損變化曲線

從圖7可見，試驗(yàn)鉆頭外徑磨損非常少(僅0.01 mm)，胎體磨損降低了21%。進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，增加低溫處理時(shí)間有提高鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺、降低鉆頭胎體磨損的趨勢。

Рябчиков С. Я.根據(jù)在西伯利亞地質(zhì)聯(lián)合公司利用液體氮處理10～20 min大量金剛石鉆頭K-31C鉆進(jìn)結(jié)果，也確定出了鉆頭壽命隨低溫處理時(shí)間的增加而增加的趨勢。因此他建議把液體氮處理時(shí)間由10～20 min提高到30 min。

4 胎體性能的調(diào)節(jié)和控制方法

資料表明，鉆頭胎體性能與胎體粉料成分、性質(zhì)和壓制規(guī)程有關(guān)。因此，可以認(rèn)為，改變胎體粉料組成和壓制規(guī)程，可以得到設(shè)計(jì)參數(shù)的胎體性能；反之，可以根據(jù)胎體性能要求，來調(diào)節(jié)胎體成分和壓制壓力。

圖拉地質(zhì)科研企業(yè)利用表5所列胎體粉料組成進(jìn)行了試驗(yàn)研究[15]。

表5 金剛石鉆頭胎體粉料組成

把粉料制成直徑10 mm、高20 mm的圓柱體，每種粉料做成5個(gè)樣品。壓制時(shí)，每個(gè)樣品端面磨去0.5～0.8 mm高度，利用П-1型壓機(jī)進(jìn)行壓制。對每個(gè)磨光的端面硬度測量了9次。胎體硬度用TK-2M型硬度計(jì)按HRC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。胎體粉料壓制后測得的硬度平均值見表6[15]。

表6 不同胎體材料硬度T隨壓制壓力的變化情況 HRC

從表6可見，所有不同粒度和不同成分胎體的硬度是不同的，但皆隨壓制壓力的增加而增加。2號和6號的硬度最大，主要是因?yàn)榛炝系慕Y(jié)果，即大顆粒之間有小顆粒所致。

胎體材料硬度T與壓制壓力P的關(guān)系可以用下式表示：

T=a+bP

式中:a、b——與試驗(yàn)條件有關(guān)的參數(shù)，其量綱分別是HRC和HRC/MPa，a和b是用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算的；P——壓制壓力，MPa。

例如，對于5號配方粉料來說，a=28.8 HRC,b=0.08 HRC/MPa，即T=28.8+0.08P?？梢該?jù)此用所施壓制壓力來調(diào)節(jié)胎體硬度，也可以所需胎體硬度來調(diào)節(jié)壓制壓力。

所以，如果給出胎體粉料的組成和壓制壓力規(guī)程，我們就可以在胎體硬度15.1～52.2 HRC范圍內(nèi)選擇金剛石鉆頭的胎體性能，也可以根據(jù)所需胎體性能來調(diào)節(jié)壓制壓力。

5 討論與建議

(1)金剛石鉆探是我國的一種主要鉆進(jìn)方法，對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了很大的貢獻(xiàn)。在金剛石鉆探生產(chǎn)中，在設(shè)備選定、所鉆巖石明確、司鉆人員選好的情況下，鉆頭的選好和用好(鉆探工藝)是鉆探工程中的主要問題。鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與鉆頭的性能關(guān)系非常密切，包鑲金剛石的胎體的性能和工作能力是金剛石鉆頭的重要技術(shù)指標(biāo)，因此應(yīng)該對鉆頭胎體性能和工作能力給予足夠的注意。

(2)胎體中露出的金剛石是破碎巖石的主要工具。為了使金剛石具有比較理想的粒度和形狀，減少金剛石內(nèi)應(yīng)力的集中，滿足鉆探工程的要求，取得好的鉆進(jìn)效果，對其進(jìn)行選擇性破碎是非常必要的。俄羅斯УДА-2型金剛石選擇性破碎裝置可以使金剛石強(qiáng)度提高30%，獲得了俄羅斯發(fā)明專利，專利號為No.2492138。

(3)在溫度分別為800、900、1000、1100、1200 ℃和加熱時(shí)間分別為30、60、90、120 min條件下，在氮?dú)狻鍤?、氫氣和真?種氣氛中，對試驗(yàn)用金剛石進(jìn)行的熱處理試驗(yàn)表明，在氮?dú)夂蜌鍤饨橘|(zhì)中加熱的金剛石強(qiáng)度增加較多，強(qiáng)度增加最多的金剛石是在氮?dú)饨橘|(zhì)中、溫度900 ℃時(shí)得到的，強(qiáng)度增加了24%。溫度增加到1200 ℃時(shí)，金剛石強(qiáng)度逐漸下降。

根據(jù)在俄羅斯不同地質(zhì)聯(lián)合公司的鉆探隊(duì)、用總共418個(gè)鉆頭進(jìn)行的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥罩薪?jīng)過熱處理的金剛石鉆頭與常規(guī)生產(chǎn)的鉆頭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相比，機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺均提高了。可見，在這兩種氣氛中進(jìn)行熱處理金剛石的鉆頭的鉆進(jìn)效果是很好的，值得進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

(4)鉆進(jìn)石英花崗巖試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過低溫處理的鉆頭比未進(jìn)行低溫處理的鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺提高了2.2倍，鉆頭外徑磨損非常少，僅為0.01 mm，胎體磨損降低了21%。這就說明對金剛石鉆頭進(jìn)行低溫處理是非常成功的，應(yīng)該引起我們的注意。

(5)如何改變胎體粉料組成和壓制規(guī)程，以得到設(shè)計(jì)參數(shù)的胎體性能；如何根據(jù)胎體性能要求，來調(diào)節(jié)胎體成分和壓制壓力，是鉆頭生產(chǎn)部門常常遇到的一個(gè)問題。通過鉆頭生產(chǎn)本單位進(jìn)行的少數(shù)試驗(yàn)得出胎體性能與壓制壓力的關(guān)系式T=a+bP很有意義。這個(gè)關(guān)系式可以提示我們?nèi)绾瓮ㄟ^調(diào)節(jié)壓制壓力來達(dá)到需要的胎體性能和如何根據(jù)鉆頭胎體性能要求來調(diào)節(jié)壓制壓力，這是一種簡便而實(shí)用的方法，有關(guān)生產(chǎn)單位可以嘗試一下。

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[24] КубасовВ.В.,Будюков Ю.Е.,СпиринВ.И,Зависимость работоспособности алмазного породоразрушающеого инструмента от смачиваемости алмаза метпллом[C]. Инновационные наукоемкие технологии:тезисы докладов междкнародной научно-технической конференции Тула: Изд.-ство 《Инновационные технологии》,2014:6-11.

[25] Кубасов В.В.Исследование износа алмазнцх коронок[J]. Горный информвционно-аналитический бюллетень(научно-аналитический журнал),2015,4:6-11.

[26] Кубасов В.В.Релаксация остаточных напряжений в матрице алмазной коронки[J]. Горный информвционно-аналитический бюллетень(научно-аналитический журнал),2015,4:3-6.

ExperimentalResearchonImprovingServicePerformanceofDiamondBitMatrix

TANGFeng-lin1,2,SHENZhong-hua1,DUANLong-chen2,LIUShao-qing1,SUNHuan-ping1,CHIKHOTKINV.F.2

(1.Wuxi Drilling Tools Factory Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

Diamond drilling is a main method in geological exploration, the drilling equipment, drill bit, drilling technology, drilling operation and production management are important in diamond drilling production and the technical and economic indexes of the drilling are more closely related to the service performance of drill bits, so all of these have become a concern. Russian doctor of technical sciences Kubasov V.V. and others have made a lot of studies in improving diamond bit matrix service performance and achieved good technical and economic effects. This paper introduces the research contents and achievements in selective crushing of low grade diamond, thermal treatment of diamonds, cryogenic treatment of diamond bit, control technology of matrix performance and so on.

diamond bit; service performance of matrix; selective crushing; thermal treatment; cryogenic treatment; technical and economic indexes of drilling

2017-05-01

江蘇省江蘇雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(編號：蘇人才辦[2014])27號)

湯鳳林，男，漢族，1933年生，教授，博士生指導(dǎo)教師，俄羅斯工程院院士，俄羅斯自然科學(xué)院院士，國際礦產(chǎn)資源科學(xué)院院士，探礦工程專業(yè)，主要從事探礦工程方面的教學(xué)和科研工作，湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號，fltang_wuhan@aliyun.com。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)10-0055-06