孫鑫，周東富，王迪，李舜豐

1.吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130103 ；2.吉林省地勘局物業(yè)管理中心，吉林 長(zhǎng)春 130061；3.吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136000

0 引言

隨著鉆孔深度的增加，鉆探遇到的巖層復(fù)雜程度越來(lái)越高，在鉆探施工過(guò)程中，金剛石鉆頭配合擴(kuò)孔器使用，而擴(kuò)孔器也是直接影響鉆探效率的重要環(huán)節(jié)。目前使用的擴(kuò)孔器，用聚晶作為保徑材料，不能主動(dòng)的克取巖石，只能被動(dòng)的被磨損，隨著新型超硬材料的發(fā)展和鉆頭制作新工藝的出現(xiàn)，金剛石鉆頭壽命逐漸增加。擴(kuò)孔器很快便失去了擴(kuò)孔的能力，這時(shí)容易導(dǎo)致鉆孔縮徑，孔內(nèi)鉆具磨損[1-2]。再新下孔的鉆頭還需掃孔，致使鉆頭壽命減短，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。而我所新研制的擴(kuò)孔器采用天然金剛石和大顆粒人造金剛石作為克取巖石的材料，輔以高耐磨性的胎體包裹，并將擴(kuò)孔器與鉆頭連接端的胎體部分設(shè)計(jì)成斜面，斜面上均布天然金剛石和大顆粒人造金剛石可以逐步擴(kuò)孔，因?yàn)榻饎偸巳r石的能力一定優(yōu)于聚晶。并且斜面的設(shè)計(jì)可以導(dǎo)正逐步擴(kuò)孔，增加鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，減少了發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，以此提高鉆探的效率。

1 高效擴(kuò)孔器的胎體組成

高效擴(kuò)孔器的胎體材料根據(jù)作用可以分為以下三類(lèi):

(1)骨架材料：在胎體中起著支撐骨架作用的硬相組元，一般采用難熔的金屬如鑄造碳化鎢、碳化鈦等，通過(guò)調(diào)整胎體中骨架材料的含量，就可以得到性能不同的硬度、耐磨性的胎體。本研究骨架材料采用碳化鎢與鑄造碳化鎢混合，鑄造碳化鎢雖然顯微硬度高達(dá)2 500～3 000 N/mm2,但燒結(jié)性差，而且粒度較大，采用碳化鎢填充在鑄造碳化鎢顆粒之間，形成超強(qiáng)硬度和耐磨性的骨架。

(2)強(qiáng)化材料：改善、強(qiáng)化胎體強(qiáng)度、韌性等性能的材料，本研究采用羥基鎳粉和錳粉與胎體中的銅形成固溶體。鎳屬于過(guò)渡族元素，但鎳又具有獨(dú)特的金屬學(xué)特性和機(jī)械特性，有良好的延伸性、韌性、抗氧化性，與銅可以無(wú)限互溶。鎳與碳形成碳化物比較困難，內(nèi)界面反應(yīng)幾乎不發(fā)生，但液態(tài)的鎳可以牢固的附著在金剛石表面，形成極薄的鎳膜，對(duì)金剛石的粘接極為有利，并且鎳粉、錳粉的加入可以改善銅對(duì)碳化鎢的濕潤(rùn)性。使基體骨架金屬得到強(qiáng)化。

(3)浸漬材料：把骨架材料和強(qiáng)化材料粘接固化到一起，成為一個(gè)整體，本研究采用鋅白銅作為浸漬金屬，鋅白銅的牌號(hào)：BZn18-26 熔點(diǎn)： 1 080℃ 組成成分見(jiàn)表1。

表1 鋅白銅的組成成分

2 高效擴(kuò)孔器的胎體配方

胎體配方的設(shè)計(jì)是最重要最基本的工作，胎體配方是其他工作的基礎(chǔ)，只有做好胎體配方的設(shè)計(jì)試驗(yàn)，才能篩選出性能好的配方。無(wú)壓浸漬胎體配方的特點(diǎn)是耐磨性高、浸漬強(qiáng)度高、流動(dòng)性好。所以本實(shí)驗(yàn)采用碳化鎢和鑄造碳化鎢混合作為骨架材料，強(qiáng)化材料主要以鎳為主，還有微量的鉻和硅。有研究表明，鎳是r相的促成元素，與Cr搭配使用有階躍性貢獻(xiàn)，鎳雖然對(duì)金剛石的失重影響很大，但鎳具有良好的延伸性、韌性和抗氧化性，能提高胎體的強(qiáng)度和韌性，鎳在以鑄造碳化鎢和碳化鎢為主要材料的胎體配方中用量較小，與其他元素又有很好的相容性，并且鎳在碳化物氛圍中對(duì)金剛石的影響很小。

表2是通過(guò)多次壓裂試驗(yàn)從12組胎體配方中篩選出的2組胎體配方的化學(xué)成分及配比。

表2 試驗(yàn)后得出的兩種胎體配方

3 高效擴(kuò)孔器參數(shù)

(1)斜面角度及水口片厚度：本實(shí)驗(yàn)鉆頭直徑選定為78 mm，所以孔器外徑確定為78.5 mm，擴(kuò)孔器成品加工剛體外徑尺寸為74 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算斜面角度為1°30″，斜面長(zhǎng)度為12 mm，水口片厚度為2.25 mm。

(2)水口寬度及天然金剛石、聚晶的分布：由于本實(shí)驗(yàn)選定的繩索78鉆頭為標(biāo)準(zhǔn)75規(guī)格加大到78 mm，破碎體積較大，巖粉量相對(duì)較大，所以擴(kuò)孔器通水量相應(yīng)增加，通水量與鉆頭相同，經(jīng)過(guò)計(jì)算，水口寬度確定為16 mm，天然金剛石選用低級(jí)中小粒度等級(jí)，在斜面上分布采用4列5粒排列，聚晶采用2×4方聚晶在直槽以3列3粒排列。

(3)模具組成：擴(kuò)孔器的燒結(jié)模具分為模具外套、型環(huán)和水口片，具體規(guī)格尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 高效擴(kuò)孔器石墨加工部分裝配圖Fig.1 Assembly drawing of graphite processing part of high efficiency reamer

4 高效擴(kuò)孔器的野外試驗(yàn)

4.1 項(xiàng)目概況

(1)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)吉林省伊通縣轉(zhuǎn)心湖金礦區(qū)巖心鉆探項(xiàng)目。

(2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所在地理位置及交通:詳查區(qū)2000國(guó)家地理坐標(biāo)：東經(jīng)：125°23′33″～125°27′03″北緯： 43°15′32″～43°18′02″面積6.80 km2。

長(zhǎng)春—營(yíng)城子高速公路在礦區(qū)西側(cè)3 km處通過(guò)，另有伊通—公主嶺、伊通—遼源二級(jí)公路相連，礦區(qū)到新家鄉(xiāng)為砂石路，新家鄉(xiāng)到伊通縣城有油渣路相通，詳查區(qū)位于伊通縣縣城115°方向，直距9 km，距伊通縣新家鄉(xiāng)東約4 km，距最近鐵路公主嶺站北西296°方向直距47 km，行政區(qū)劃隸屬吉林省伊通縣營(yíng)城子鎮(zhèn)。

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2021年7月5日開(kāi)始。

4.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)地層情況簡(jiǎn)介

4.2.1 區(qū)域地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)主要礦產(chǎn)種類(lèi)為金礦，施工地層較復(fù)雜。地層由上至下依次為第四系覆蓋層、褐鐵礦化花崗巖、花崗巖、大理巖、黃鐵礦化絹云母化花崗巖、碳化黑鐵礦化大理巖、長(zhǎng)石斑巖、黃鐵礦化大理巖、絹云母化花崗巖、黃鐵礦化大理巖、碳化花崗巖、碳化大理巖、碳化花崗巖，碳化大理巖。上部花崗巖層較厚，層厚100 m左右，巖石堅(jiān)硬，完整，局部破碎，進(jìn)尺緩慢；大理巖普遍較為破碎，裂隙較為發(fā)育，常常含有黃鐵礦化、碳化，鉆進(jìn)中易發(fā)生沖洗液漏失、掉塊、坍塌等現(xiàn)象。所有這些，都會(huì)給施工帶來(lái)不利影響。

4.2.2 區(qū)域地層簡(jiǎn)表

區(qū)域地層出露不全，缺失較多。出露地層主要為下新元古界西保安組、下古生界志留系和新生界第四系見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)高效擴(kuò)孔器的地層表

4.2.3 地層資料

實(shí)驗(yàn)層位地層自上而下為：黃鐵礦化絹云母化中細(xì)?；◢弾r，淺灰-灰白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)。巖石由石英，鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石及角閃石組成。肉紅色中?；◢弾r肉紅色-淺灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物由石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石及角閃石組成。巖石較碎。黃鐵絹云中?；◢弾r，淺灰-灰白色，中?；◢弾r，塊狀構(gòu)造。巖石主要由石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石及角閃石組成。碳化黃鐵礦化大理巖，灰黑—灰白色，粒裝變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要由方解石組成，灰白色，粒狀。長(zhǎng)石斑巖，灰白—淺灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由斑晶及基質(zhì)組成。巖石受構(gòu)造影響被挫呈泥質(zhì)軟塊。黃鐵礦化大理巖，灰黑—灰白色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石由方解石組成。巖石受構(gòu)造作用較破碎。絹云母化中?；◢弾r，灰綠-灰白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由石英，鉀長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石及少量角閃石組成[3-4]。

4.3 高效擴(kuò)孔器使用情況

該孔從40 m更換直徑為78.5 mm高效擴(kuò)孔器鉆進(jìn)，直至終孔300.6 m，共鉆進(jìn)260.6 m，提出孔外，觀察擴(kuò)孔器并無(wú)明顯磨損，而且新鉆頭下孔不需要掃孔，不僅壽命長(zhǎng)而且提高了鉆進(jìn)效率(減少了新鉆頭下孔后的掃孔時(shí)間)。

圖2是采集的巖心圖，圖3～圖5為擴(kuò)孔器使用情況的對(duì)比。

圖2 采集的巖心Fig.2 Collected cores

圖3 使用后的擴(kuò)孔器Fig.3 Reamer after use

圖4 未使用的擴(kuò)孔器Fig.4 Unused reamer

圖5 使用后的擴(kuò)孔器胎體的尺寸Fig.5 Size of reamer carcass after use

5 結(jié)論

斜面上均布天然金剛石的高效擴(kuò)孔器在鉆進(jìn)過(guò)程中利用天然金剛石擴(kuò)孔，而且斜面在擴(kuò)孔過(guò)程中是逐步擴(kuò)孔，既減少新鉆頭下孔掃孔，又可增加鉆具在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，既提高了鉆進(jìn)效率又減少了發(fā)生事故風(fēng)險(xiǎn)，所以我所研制的高效擴(kuò)孔器具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和推廣空間。