張德新，孫鑫，王迪

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

0 引言

在深部資源探測(cè)中，深部地質(zhì)鉆探會(huì)遇到很多復(fù)雜地層，其中硬脆碎地層最具有代表性。鉆進(jìn)硬脆碎地層時(shí)，金剛石鉆頭的工作環(huán)境非常復(fù)雜，孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、胎體脫落等現(xiàn)象，造成鉆頭壽命短，鉆探施工的進(jìn)程慢，致使鉆探成本增高，經(jīng)濟(jì)效益下降，是地質(zhì)鉆探行業(yè)長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題。本文主要解決鉆進(jìn)硬脆碎地層金剛石鉆頭壽命短、時(shí)效低的難題。

1 金剛石鉆頭碎巖機(jī)理

金剛石鉆進(jìn)依靠壓碎、壓入加剪切方式破碎巖石，在鉆進(jìn)中遇中硬及其以下巖石時(shí)才可能有切削過(guò)程。對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭破碎巖石的機(jī)理，脆性巖石以微壓裂壓碎加微體積剪切為主，而塑性巖石則以微切削為主。孕鑲金剛石鉆頭底唇上的金剛石顆粒在與巖石接觸時(shí)，金剛石鉆頭的底唇部的胎體開(kāi)始磨損，金剛石逐漸出刃，此時(shí)，鉆頭胎體磨損較快，從而加快了金剛石從胎體里出露，并逐漸增大金剛石切入巖石的深度，只有當(dāng)金剛石出露足夠量并保證其切入巖石時(shí)，才能有效地破碎巖石。

當(dāng)金剛石切入巖石時(shí)，在應(yīng)力作用下，金剛石出現(xiàn)裂紋，這種裂紋逐漸積累和發(fā)展，就導(dǎo)致金剛石的脆性碎裂。隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行，鉆頭胎體被不斷磨損逐漸失去對(duì)工作金剛石的包鑲能力，致使工作金剛石從胎體上陸續(xù)脫落下來(lái)。由于金剛石在胎體中均勻分布，因此鉆進(jìn)過(guò)程中，胎體一直受到磨損，失去胎體包鑲能力的金剛石不斷脫離胎體，而具有工作能力的金剛石會(huì)不斷從胎體中出露，這就保證了鉆頭始終具有恒定的破碎巖石的能力，保證恒定的鉆進(jìn)速度。

2 硬脆碎地層專用金剛石鉆頭胎體研究

金剛石鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，承受著復(fù)雜的應(yīng)力，如回轉(zhuǎn)扭矩作用形成的剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、鉆壓作用形成的壓應(yīng)力、鉆桿柱的振動(dòng)作用形成的沖擊應(yīng)力等，這些應(yīng)力大小并非恒定值，而是隨機(jī)變化的。因此，對(duì)鉆頭造成的不良影響與損壞是明顯的，加上硬脆碎巖層的復(fù)雜多變和巖性的千變?nèi)f化，這對(duì)金剛石鉆頭胎體提出了較高的性能要求[1]。

表1是多次試驗(yàn)后從20組配方中篩選出的2個(gè)胎體配方，由于配方及自銳性材料涉及保密，表中只列出材料名稱。胎體配方的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 篩選出來(lái)的2個(gè)胎體配方

表2 胎體配方的力學(xué)性能

3 金剛石參數(shù)的研究

金剛石參數(shù)的確定和很多因素有關(guān)。因此必須在詳盡地分析和研究巖石的可鉆性、鉆進(jìn)規(guī)程與鉆頭性能間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，理順諸多因素間的內(nèi)在聯(lián)系，才能使孕鑲金剛石鉆頭的參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到理想的使用效果[2]。

3.1 金剛石質(zhì)量

金剛石質(zhì)量是指其單粒抗破碎強(qiáng)度及其晶型的完整度，直接影響鉆頭的壽命和鉆進(jìn)效率。同時(shí)也是確定金剛石鉆頭的金剛石濃度和粒度的前提。在硬脆碎地層中，巖石的抗壓強(qiáng)度高達(dá)3×104N/cm2以上，所以金剛石的抗動(dòng)載能力和抗剪強(qiáng)度要求極高，通過(guò)性能測(cè)試，確定采用黃河旋風(fēng)的HSD90和HWD系列金剛石可以滿足硬脆碎地層鉆進(jìn)要求。

3.2 金剛石粒度

硬脆碎地層巖石對(duì)孕鑲金剛石鉆頭胎體的磨損能力非常強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)這種鉆頭時(shí)應(yīng)設(shè)法使用具有強(qiáng)耐磨能力的胎體，以降低鉆頭體內(nèi)金剛石的換層速度；如果鉆頭體內(nèi)金剛石的濃度一定，那么金剛石粒度越小，鉆頭胎體工作面上金剛石的縱向密度就越大；而金剛石的縱向密度越大則鉆頭金剛石的層數(shù)越多，從而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。同樣，如果鉆頭的金剛石濃度和包鑲強(qiáng)度一定，那么金剛石的粒度越細(xì)，鉆頭胎體工作面上的金剛石的平面密度就越大，則鉆頭工作層表面的金剛石顆粒數(shù)越多，從而提高了鉆頭胎體的耐磨能力以延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命[2]。通過(guò)以上的分析確定，強(qiáng)研磨硬脆碎地層的鉆頭應(yīng)選用以細(xì)粒度為主采用混合粒度的金剛石。

3.3 金剛石濃度

金剛石濃度在鉆頭設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，它的高低對(duì)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效和使用壽命有很大的影響，濃度越高，鉆頭的耐磨性越好，使用壽命也越長(zhǎng)[3]。但是濃度過(guò)高，則鉆頭胎體工作面上的金剛石平面密度過(guò)高，金剛石與巖石的接觸面積增大，致使單粒金剛石上傳遞的壓強(qiáng)小于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí),金剛石就不能壓入巖石并起不到磨削巖石的作用，則鉆頭不進(jìn)尺，在孔底打滑。相反，如果金剛石濃度偏低，在鉆頭胎體工作面上的金剛石平面密度過(guò)低，一是不能布滿孔底巖石的環(huán)狀面積，出現(xiàn)大片的無(wú)金剛石空白區(qū)；二是造成單粒金剛石上的壓強(qiáng)太大，在新的金剛石未出露之前，已出露的金剛石就過(guò)早的磨鈍或崩刃、脫粒、鉆進(jìn)狀況惡化，鉆頭壽命極短，甚至被迫停止鉆進(jìn)。

經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算確定硬脆碎地層金剛石鉆頭濃度必須在85%以上 。

3.4 鉆頭保徑設(shè)計(jì)

由于鉆頭外徑線速度最高，切削路線最長(zhǎng)，鉆頭內(nèi)徑則擔(dān)負(fù)修整巖心，使巖心順利通過(guò)卡簧進(jìn)入內(nèi)管的作用，金剛石鉆頭的內(nèi)外保徑的設(shè)計(jì)，對(duì)鉆頭的使用壽命有著十分重要的影響，強(qiáng)化保徑是提高鉆頭壽命重要措施之一。而硬脆碎地層特點(diǎn)是對(duì)內(nèi)外徑磨損非常嚴(yán)重，所以鉆頭內(nèi)外徑保徑必須加強(qiáng)。

本文研究鉆頭保徑采用鄭州三和的2×4方聚晶和粒徑為0.8～1.0 mm小顆粒天然金剛石保徑兩種形式。

4 鉆頭水路設(shè)計(jì)

鉆頭的水路是鉆探施工沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的重要部分，沖洗液通過(guò)鉆桿、鉆具到達(dá)鉆頭經(jīng)過(guò)內(nèi)水槽、唇面水口、外水槽從鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙返回地面。鉆頭水路的主要作用是使沖洗液冷卻鉆頭、攜帶巖粉，保證鉆頭水路系統(tǒng)暢通也就保證了鉆探施工的正常進(jìn)行[4]。

鉆頭水口設(shè)計(jì)是根據(jù)所鉆巖層選擇不同的計(jì)算方法，根據(jù)孔壁和鉆桿之間的環(huán)狀空間攜帶巖粉所需的最低上返速度、泵量、鉆頭水口部分的流速、水口面積及水口數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)水口[5]?？紤]到巖粉的滑移速度，攜帶巖粉需要大于0.45 m/s,水口部位的流速為：

式中：V2為水口部位流速，cm/s；V1為必要的上返流速，cm/s；D1為鉆頭外徑，cm;D3為鉆桿外徑，cm;Sr為鉆頭水口總過(guò)水?dāng)嗝?，cm2。

水口部位流速范圍一般為4～8 m/s。

鉆頭水口總過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為：

式中：Sr為鉆頭水口總過(guò)水?dāng)嗝妫琧m2；D2為鉆頭內(nèi)徑，cm；D為金剛石平均直徑，cm；a為每個(gè)水口的斷面面積，cm2；n為水口數(shù)，個(gè)。

外環(huán)狀空間上返速度V1=0.92 m/s。

水口部位流速V2=5 m/s。

考慮到硬脆碎地層特點(diǎn)，應(yīng)盡量減少水口數(shù)量。

5 模具與鋼體設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和多次燒結(jié)試驗(yàn)，最終鉆頭模具和鋼體如圖1所示。

圖1 鉆頭模具和鋼體示意圖Fig.1 Schematic diagram of drill die and steel body

6 鉆頭裝料、燒結(jié)與加工

首先按計(jì)算好的人造金剛石數(shù)量、金剛石層粉料重量準(zhǔn)確稱量核對(duì)后倒入研缽內(nèi)攪拌均勻待用，按水口數(shù)量均分金剛石層料倒入搗實(shí)，再加入純胎體料(保徑聚晶及保徑天然金剛石裝料之前粘好)，最后倒入其余粉料搗實(shí)壓平放入鋼體。

無(wú)壓浸漬法燒結(jié)金剛石鉆頭采用 RN5-25-B型號(hào)電阻爐燒結(jié)，配方試驗(yàn)時(shí)確定保溫溫度為1 167 ℃，保溫25 min，保溫時(shí)間到后夾出鉆頭放在平臺(tái)處，立即壓上10 kg重錘(增加粘接強(qiáng)度)。待冷卻到室溫后退模加工。鉆頭加工嚴(yán)格按中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)巖心鉆探金剛石鉆頭》(DZ/T 0277-2015)加工。

7 野外試驗(yàn)效果

成品鉆頭在四個(gè)礦區(qū)進(jìn)行野外生產(chǎn)試驗(yàn)，共計(jì)試驗(yàn)鉆頭23只，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算室內(nèi)和野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以論證、對(duì)比，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。鉆頭平均壽命提高50%，平均時(shí)效率提高24.74%。在研究硬脆碎地層專用金剛石鉆頭基礎(chǔ)上，申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利一項(xiàng)。

8 結(jié)論

鉆頭采用無(wú)壓浸漬燒結(jié)法制造，研制出一種硬脆碎地層專用金剛石鉆頭，鉆頭不僅工作壽命長(zhǎng)，而且鉆進(jìn)速度快。鉆進(jìn)時(shí)效較常規(guī)鉆頭提高24.74%，鉆頭壽命較常規(guī)鉆頭提高近一倍。在未來(lái)的深部鉆探施工中對(duì)提高鉆進(jìn)效率、保障鉆孔質(zhì)量、安全施工、節(jié)約能源和綠色勘探發(fā)揮著較大作用。