高時效金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀

黎立朝，牛明遠

新疆煤田地質(zhì)局一六一隊（830009）

高時效金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀

黎立朝，牛明遠

新疆煤田地質(zhì)局一六一隊（830009）

在金剛石鉆頭應(yīng)用研究過程中，高效率與長壽命經(jīng)常是互相矛盾的，為協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，研究者往往把如何提高鉆進時效作為首要解決的問題。國內(nèi)外學者對此進行了多方面的研究，如金剛石鉆頭人工出刃處理、優(yōu)選金剛石參數(shù)、改變胎體耐磨性，以及研制出各種異形唇面鉆頭和弱包鑲金剛石鉆頭。

金剛石；鉆頭；研究現(xiàn)狀

1 優(yōu)選金剛石參數(shù)

金剛石靜抗壓強度（簡稱強度）直接影響鉆頭的鉆進效果，金剛石強度越高，能承受的鉆壓越大，鉆進效率越高。但并不是說金剛石的強度越高越好,因為不但要考慮金剛石的單價問題，還要考慮所鉆巖石的物理力學性質(zhì)，因此必須綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟效益。

金剛石濃度在鉆頭的技術(shù)參數(shù)中是最敏感的一個，每一類巖層都有一個相對應(yīng)的最佳濃度值。改變金剛石濃度的方法較多,粒度相同時直接增加或減少胎體中的金剛石含量；也可以在相鄰兩個扇形塊采用不同粒度金剛石（金剛石含量相同），即改變了兩個扇形塊之間的金剛石面密度[1]。

2 改變胎體耐磨性

目前，電鍍金剛石鉆頭的胎體一般都采用鎳—鈷合金，其對金剛石的包鑲效果好,具有較高的強度和一定的耐磨性能，對大部分巖石有較好的適應(yīng)性，但對于堅硬致密且研磨性極強的地層，胎體消耗很快。如果通過改變合金中鎳鈷的比例來提高合金硬度，那么胎體脆性也會跟著增加，雖然耐磨性隨著硬度的提高而增強,但在摩擦磨損中其脆性破碎也會隨硬度的提高而增加，所以，鉆頭壽命并沒有明顯提高。

Huadong Ding等將3種具有不同耐磨性的扇形胎塊交錯分布在鉆頭剛體上，制造出一種非均質(zhì)胎體金剛石鉆頭。該鉆頭具有適用性廣的特點,但是當其中一種胎塊的耐磨性和所鉆巖石的研磨性相適應(yīng)時,其他兩種胎塊的磨損則表現(xiàn)出不正常，這勢必會影響到鉆進效率。宋月清等結(jié)合切割弱研磨性石材的需求,提出了金剛石工具胎體材料性能“弱化”的概念，通過工藝控制法、添加劑法以及粗化晶粒法弱化胎體的耐磨性、粘滯性等性能，可以提高金剛石工具的切割速度及壽命。楊建新在生產(chǎn)實踐過程中總結(jié)出可選用軟胎體、低濃度的金剛石鉆頭鉆進堅硬致密弱研磨性巖石,鉆進效果好。

3 異型唇面鉆頭

異型唇面鉆頭具有較高的鉆進效率，究其原因:一方面減少了鉆頭底唇面上金剛石的鑲嵌面積,在所加鉆壓一定時，金剛石軸向荷載增加，有利其壓入切削巖石；另一方面，減少鉆頭底唇面積的同時增加了刻取巖石的自由面,由單純研磨（磨削）破碎巖石變?yōu)槟ハ骷訑D壓碎巖，有利于提高鉆進效率。趙爾信提出了金剛石鉆頭唇面的設(shè)計原則并指出了各種異型唇面的特點。李大佛、劉廣志等鉆探工作者結(jié)合生產(chǎn)實踐設(shè)計并制作了多種異型鉆頭。

3.1 高低鋸齒型電鍍鉆頭

該鉆頭特點是設(shè)計有高低兩排鋸齒,并且每個鋸齒有13°的斜角，高低鋸齒分別先后參加工作。從理論上分析，這種設(shè)計思想能達到提高鉆進時效的目的,但實際上這種高低鋸齒金剛石鉆頭的使用效果有限,因為開始是高鋸齒破碎巖石，鉆進時效能得到提高，隨著斜角的逐漸磨平，高鋸齒磨損低鋸齒參加工作，金剛石上產(chǎn)生破碎巖石的壓力隨著底唇面與巖石接觸面積增大而減少，鉆進效率降低。

3.2 唇面交錯型電鍍鉆頭

該鉆頭結(jié)構(gòu)特點是鉆頭底唇面僅約35%的面積用于刻取巖石，與普通鉆頭相比，在鉆壓和轉(zhuǎn)速相同條件下，每一顆金剛石軸向荷載增加，有效提高切入巖石深度。胎體底唇面徑向上約26%的面積是空白部分,這部分巖石是依靠相鄰兩個扇形塊側(cè)面擠壓破碎的，擠碎的巖屑顆粒較大，有利于磨銳鉆頭使金剛石出刃。

3.3 尖齒鉆頭

尖齒鉆頭能夠減少鉆頭徑向擺動穩(wěn)定鉆具，有效防止孔斜。劉廣志、徐曉軍等分別設(shè)計了交錯型尖齒鉆頭、同心圓尖齒鉆頭。這類鉆頭在鉆進初期能獲得較高鉆進時效，但是鉆進一段時間后，尖齒磨損，鉆進時效便急劇下降，而且該類尖鉆頭制作過程中燒結(jié)模具加工困難。楊俊德、蔣青光等分別設(shè)計了一種新型自形成同心圓尖齒鉆頭。楊俊德等將高濃度、低濃度和不含金剛石三種工作層分別按順序放入胎塊模具中，冷壓成型，再將成型的胎塊放入鉆頭模具中進行熱壓燒結(jié)。該鉆頭結(jié)構(gòu)特點是金剛石在胎體中呈非均勻狀態(tài)分布。鉆頭在磨損前是圓弧或平底型，一旦開始鉆進，不含金剛石層首先磨損，胎體形成兩槽三刃同心環(huán)齒，減少了底唇面接觸面積，提高了鉆進時效。

4 弱包鑲金剛石鉆頭

張紹和等人[2]為解決鉆頭鉆進過程中金剛石顆粒不能有效出刃和脫落的問題，利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制作出一種弱包鑲強耐磨性胎體鉆頭。其制作工藝如下:首先用機械的方法在金剛石表面包裹一層弱包鑲粉末，使其粒化；而后將包裹好的金剛石顆粒與強耐磨胎體粉料混合均勻,再進行裝模燒結(jié)。由于一層強度較低、粘結(jié)較差的弱包鑲層存在于胎體與金剛石之間，從而減弱了胎體對金剛石的包鑲能力，使得金剛石顆粒在胎體磨損不是很大的情況下,就會從胎體中自行脫落下來，實現(xiàn)了金剛石的換層，而脫落的金剛石顆粒在胎體和巖石之間充當了硬質(zhì)磨料,加速了胎體的磨損和巖石的破碎。這種弱包鑲金剛石鉆頭在鉆進堅硬致密弱研磨性地層時較普通鉆頭取得了較好的鉆進效果,平均時效為2.8 m/h。

楊凱華等提出利用電鍍法制作弱包鑲金剛石鉆頭，膠粘劑、覆膜粉料有待進一步優(yōu)選。方小紅等借鑒熱壓法制作弱包鑲金剛石鉆頭的思路,利用電鍍法進行了弱包鑲金剛石鉆頭的試驗與研究。試驗結(jié)果表明:弱包鑲金剛石含量、磨料種類、磨料粒度對鉆進時效的影響依次降低。張紹和等也利用電鍍的方法制造出弱包鑲金剛石鉆頭,通過計算和現(xiàn)場試驗表明該鉆頭較普通鉆頭在時效和壽命上都有很大提高。張麗設(shè)計出一種電鍍二合一型金剛石鉆頭,即由含優(yōu)質(zhì)金剛石的工作層和充填有弱包鑲金剛石或其它人造硬質(zhì)顆粒的視工作層兩部分組成。這為本文研究非均質(zhì)胎體結(jié)構(gòu)提供了思路,但是這種二合一型金剛石鉆頭磨耗大，效果不理想。

[1]湯鳳林,A.T.加里寧,楊學涵.巖心鉆探學[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社,1997.

[2]張紹和,魯凡,王殿江,等.弱包鑲強耐磨性胎體鉆頭[J].探礦工程,1997(2):35～36.