彭 雨， 閆 海， 卜長根

(中國地質(zhì)大學(北京) 工程技術學院， 北京100083)

隨著我國地質(zhì)鉆探研究的深入，其服務領域不斷擴大，包括深部科學鉆探，地熱能及非常規(guī)能源勘查，海洋、災害防治、生態(tài)環(huán)境、地外天體、極地等方面的鉆探等[1]。面對深部可鉆性等級較高的地層，孕鑲金剛石鉆頭以良好的適應性而得到大量的應用。

在此情況下，提高鉆頭的壽命和鉆進效率成為許多學者研究的方向，如優(yōu)化鉆頭機械結構[2>-3]，改善胎體配方[4]，選用高品級的金剛石顆粒，優(yōu)化鉆進參數(shù)等。SEIFABAD等[5]通過試驗分析了鉆頭直徑、轉(zhuǎn)速、鉆壓、井深、泥漿比重和流速等6個因素，得出了相應地層的鉆頭轉(zhuǎn)速方程；WALKER等[6>-7]也得出了不同參數(shù)的鉆頭轉(zhuǎn)速方程；王波等[8]提出大粒度合金焊料真空釬焊金剛石的工藝構想并建立了幾何模型，得出最優(yōu)釬焊效果的大粒度合金焊料與金剛石粒度的關系方程組；劉文川[9]利用室內(nèi)微鉆試驗，得出釬焊工藝燒結的鉆頭壽命高于傳統(tǒng)燒結的鉆頭的壽命。

我們設計了室內(nèi)微鉆試驗，對試驗用的鉆頭未進行出刃處理而直接進行鉆進試驗，通過觀察出刃的速率可以推斷出胎體的耐磨性；通過對室內(nèi)微鉆試驗的結果和鉆頭的宏觀、微觀2方面進行分析，優(yōu)化鉆頭的燒結工藝和胎體配方，以探索適合不同地層用的配方和工藝。

1 釬焊燒結微型鉆頭

試驗燒結φ36>-7B、φ36>-11B(以下分別簡稱為7B、11B)微型鉆頭，使用不同規(guī)格的胎體粉、連接粉若干，平均尺寸178 μm的銅粉若干， 420～590 μm和178～250 μm的金剛石若干，φ36 mm規(guī)格的成套模具2套，電子秤、紅外測溫儀等。鉆頭配方見表1，燒結工藝曲線見圖1。7B、11B微型鉆頭胎體為FeCuSnCrB燒結合金，不同的是11B胎體中加入了質(zhì)量分數(shù)為20%的104～140 μmWC顆粒。

表1 鉆頭配方

圖1 燒結工藝曲線

鉆頭燒結完成后，利用卜長根等[10]研制的脫模機進行脫模，用角磨機進行水口的加工并用數(shù)控機床進行螺紋的車削；為方便區(qū)分，用鋼字釘在鉆頭鋼基體上做出記號，燒結的微型鉆頭見圖2。

(a) 微型鉆頭的渲染圖(b) 微型鉆頭的實物圖圖2 微型鉆頭

從圖2可以看出：燒結的微型鉆頭結構良好，水口清晰，空間足夠，螺紋符合技術要求，達到室內(nèi)微鉆試驗所用鉆頭的標準。

2 室內(nèi)微鉆試驗

2.1 試驗目的

記錄鉆頭整體(胎體)質(zhì)量的變化，以及鉆進天然大理石的鉆進時間和鉆進深度，通過試驗數(shù)據(jù)對比分析得出鉆頭的鉆進特性。

2.2 試驗參數(shù)及步驟

試驗使用由Z32K立式搖臂鉆改造的微鉆試驗臺，如圖3所示，可選鉆頭轉(zhuǎn)速分別為960、686、425、173 r/min，立軸單次最大進給量140 mm；鉆進材料選用如圖4所示的300 mm×250 mm×120 mm天然大理石；鉆壓采用配重的方式，配重m為450 kg，取重力加速度g=10 m/s2，則鉆壓F=mg=4500 N。

圖3 Z32K立式搖臂鉆改造的微鉆試驗臺

圖4 天然大理石

本次試驗的參數(shù)選擇見表2。

表2 試驗參數(shù)

理論上，鉆頭轉(zhuǎn)速越快則鉆進速率越大。然而根據(jù)機器實際的性能，為防止共振現(xiàn)象，本次試驗采用425 r/min的鉆頭轉(zhuǎn)速；為了防止鉆頭在鉆進過程中出現(xiàn)橫向位移，同時保證一定的鉆進速率，結合實驗室現(xiàn)有條件，選取質(zhì)量為450 kg的配重提供壓力；在保證冷卻液能夠充分冷卻鉆頭并帶走巖屑的前提下，冷卻液流量根據(jù)空氣壓縮泵供水流量而定。

3 結果與分析

3.1 宏觀分析

試驗保持整體鉆進過程穩(wěn)定，按照試驗方案如實記錄試驗數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)139組，累計鉆進深度為15 255.5 mm，累計鉆進時間54 520 s，本次試驗鉆進結果保留2位小數(shù)，鉆頭稱重前后用超聲波清洗機清洗并晾干，試驗結果見表3。

表3 鉆進試驗結果

從表3可知：7B鉆頭鉆進效率更高，質(zhì)量損失率也更高。說明此工藝配方在提高鉆進效率的同時，犧牲了鉆頭的使用壽命。

為了更加直觀地觀察鉆進過程中鉆進效率的變化，繪制鉆進效率與鉆進次數(shù)的關系圖，如圖5所示。

從圖5中的7B鉆頭鉆進試驗效率曲線可以看出：在前2次鉆進過程中，鉆進效率有較大的提升。這是由于鉆頭沒有經(jīng)過出刃處理，經(jīng)鉆頭唇面和巖石的相互作用后，胎體磨損，金剛石出露，因此鉆進效率有較大提高；第3～35次鉆進過程中，鉆頭的鉆進效率緩慢提升，這是由于隨著鉆進次數(shù)增多，金剛石的出刃增大、容屑空間增大；第36～60次鉆進過程中鉆進效率基本穩(wěn)定在0.35 mm/s。

圖5 鉆頭鉆進效率圖

從圖5中的11B鉆頭鉆進試驗效率曲線可以看出：在前2次鉆進過程中，鉆進效率有較大的提升，這同樣是由于前期金剛石出露；第3～28次鉆進過程中，隨著金剛石鉆頭的出刃和容屑空間的增大，鉆進效率也在緩慢提升，其中，第13次鉆進效率的急劇下降是由于發(fā)生了停鉆現(xiàn)象，導致數(shù)據(jù)記錄超過允許誤差范圍，屬于錯誤數(shù)據(jù)；第28次之后鉆進效率基本穩(wěn)定在0.30 mm/s，說明鉆頭的出刃已經(jīng)滿足最大鉆進速率的需要，鉆進效率基本穩(wěn)定。

整體來看，7B鉆頭鉆進效率較高，能滿足鉆進天然大理石地層的需要；而加入了WC顆粒的11B鉆頭，胎體更耐磨、壽命更長。

金剛石顆粒的形態(tài)決定了鉆頭的鉆進效率和壽命，因此有必要統(tǒng)計鉆頭唇面金剛石顆粒的形貌。將鉆頭扇區(qū)依次編號為第1扇區(qū)、第2扇區(qū)、第3扇區(qū)、第4扇區(qū)，對扇區(qū)唇面金剛石顆粒形態(tài)做統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)鉆頭唇面金剛石顆粒大多形態(tài)完整，僅有少量破碎、脫落。形態(tài)統(tǒng)計結果見表4。

表4 鉆頭唇面金剛石顆粒形態(tài)統(tǒng)計

通過表4可以看到：7B、11B鉆頭各個扇區(qū)出刃都較為均勻，出刃率較高，其中7B鉆頭的平均出刃率達86.736%，高于11B鉆頭的平均出刃率84.046%；11B鉆頭1.304%的脫落率低于7B鉆頭的3.332%。這是由于11B鉆頭鉆進大理石時較難出刃，導致工作的金剛石顆粒數(shù)較少；7B、11B上金剛石顆粒脫落的主要原因是鉆頭未做保徑處理，同時在水口加工過程中，磨料的磨削也會造成一定的脫落。出刃和脫落數(shù)據(jù)同鉆進試驗結果相吻合。

3.2 微觀分析

鉆頭的微觀形貌能夠反應鉆頭性能出現(xiàn)差異的原因，因此，用SEM掃描電鏡觀察鉆進后鉆頭的微觀形貌，其結果如圖6所示。

(a) 7B鉆頭出刃效果圖(b) 11B鉆頭出刃效果圖圖6 鉆進后鉆頭的微觀形貌

由圖6可以看出：微鉆試驗后鉆頭出刃良好，2種鉆頭均有較清晰的蝌蚪紋支撐金剛石顆粒，提高了胎體對金剛石的把持力；420～590 μm的金剛石和178～250 μm的金剛石混合較為均勻，420～590 μm的金剛石出刃較高，是因為其顆粒較大，因此更早地接觸巖石從而磨損出刃。

為進一步確定金剛石和胎體的結合情況，對圖6中的部分區(qū)域放大觀察，以分析胎體和金剛石結合處的形貌，其結果見圖7。

(a) 7B鉆頭胎體與金 剛石結合處形貌(b) 11B鉆頭胎體與金 剛石結合處形貌圖7 胎體和金剛石結合處的形貌

圖7a中上側為胎體，下側為金剛石顆粒。由圖7a可見：7B鉆頭胎體與金剛石結合良好，未見縫隙，結合強度較高。

圖7b中左側為金剛石顆粒，右側為胎體。由圖7b可見：11B鉆頭胎體與金剛石結合良好，沒有縫隙。同時，有分析認為：胎體中Cr元素與金剛石表面游離的C原子發(fā)生了化學冶金反應，生成了鉻的碳化物[11]，提高了胎體對金剛石的把持力。

4 結論

通過室內(nèi)微鉆試驗得出以下結論：

(1)在試驗條件下，7B鉆頭的鉆進效率為0.33 mm/s，優(yōu)于11B鉆頭的0.26 mm/s，且二者的質(zhì)量損失差別很小，說明7B鉆頭更適合鉆進研磨性較差的地層(如大理石)。

(2)在胎體中添加質(zhì)量分數(shù)為20%的WC顆粒(顆粒尺寸104～140 μm)可以提高胎體的耐磨性，提高鉆頭對研磨性較強地層的適應性，進而有效地提高鉆頭壽命和鉆進效率。

(3)通過SEM觀察，胎體與金剛石顆粒間未發(fā)現(xiàn)縫隙，說明此工藝制作的釬焊燒結金剛石鉆頭胎體與金剛石顆粒結合良好。