孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制

王傳留，李建軍，孫榮軍

1.中煤科工集團西安研究院，西安 7100772.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024

孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制

王傳留1，李建軍2，孫榮軍1

1.中煤科工集團西安研究院，西安 710077
2.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024

為了提高金剛石鉆頭的時效和壽命，將釬焊法引入到高胎體金剛石鉆頭的設計和加工中。首先利用熱壓法加工耐磨性能好的金剛石孕鑲塊；然后加工自帶兩層水口和水槽的新型鉆頭鋼體，且兩水口之間預留焊接槽；最后采用釬焊法，將金剛石孕鑲塊焊接到鉆頭鋼體上。野外試驗表明，試制的2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭，與現場使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，鉆進效率分別提高41.7%和8.3%，使用壽命分別提高50.4%和32.9%。采用二次釬焊法加工的金剛石鉆頭，兼顧了熱壓法的優點，解決了工作層高度過高導致鉆頭胎體折斷、掉塊的難題，明顯提高了金剛石鉆頭的使用壽命。

高胎體金剛石鉆頭；金剛石孕鑲塊；釬焊法

0 前言

近年來，為了支撐迅速發展的國民經濟，國家加大了能源及礦產資源勘探力度。隨著鉆孔越來越深，地層復雜性越來越大，勘探開發難度逐漸增加，資金和材料的消耗也越來越多，特別是在深孔鉆進中更是如此。而作為碎巖先鋒的鉆頭，其結構是否合理、與所鉆地層性質是否相適應，直接影響著鉆進速度、成孔質量以及勘探成本［1－3］。

目前針對硬地層鉆進，普遍采用孕鑲金剛石鉆頭，優點是結構簡單、易于加工，其胎體硬度、金剛石濃度等參數可根據所鉆巖層性質進行調整。目前加工孕鑲金剛石鉆頭主要采用熱壓燒結法，受到溫度場不均勻、壓力傳遞衰減等工藝因素的限制，其工作層高度一般不超過10mm，大部分為5～7mm。因為工作層高度過高時，孕鑲金剛石鉆頭胎體部分整體強度弱化，使用過程中，容易出現掉塊、折斷等不良現象。

為解決普通單階孕鑲金剛石鉆頭使用壽命短、鉆進效率低的難題，我國研究者進行了大量的研究，也采用了不同的技術手段，比如研制新胎體配方、改進鉆頭燒結工藝、設計新的鉆頭結構、選用高質量的金剛石顆粒等，并取得了一定的成效［4－8］，但尚未取得較大的突破，無論是鉆進效率還是鉆頭壽命，提高的幅度都比較有限。筆者在研究國內外新型金剛石鉆頭的基礎上，提出采用特殊的鋼體結構，結合熱壓工藝，采用二次釬焊法加工高胎體金剛石鉆頭，以期延長鉆頭使用壽命，提高鉆進效率。

1 孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的設計思路

二次釬焊法原理如圖1所示。金剛石孕鑲塊采用技術成熟的熱壓燒結法加工，鉆頭鋼體由機械加工完成，并且水口與水槽與鋼體為一體，然后采用釬焊法將金剛石孕鑲塊與鉆頭鋼體焊接到一起。根據金剛石孕鑲塊的高度，在鋼體上可以加工2層、3層等多層水口。

釬焊工藝對高胎體金剛石鉆頭的加工至關重要，直接決定高胎體金剛石鉆頭的成敗。二次釬焊的工藝流程為：將金剛石孕鑲塊和鉆頭鋼體進行焊前處理；把厚度0.1～0.2mm的焊片剪成與金剛石孕鑲塊相同的形狀，并與金剛石孕鑲塊一并放入鉆頭鋼體的焊接槽中；裝好焊接定位用的模具；采用火焰或者高頻等焊接方法，焊接時輕觸金剛石孕鑲塊，確保焊料充分充填焊縫；必要時，用同材質焊條進行補焊；然后放入保溫箱，緩慢冷卻至常溫［9－11］。

圖1 二次釬焊法加工高胎體金剛石鉆頭原理Fig.1 Schematic of manufacturing high matrix diamond bit by two times braze welding method

二次釬焊法加工的高胎體金剛石鉆頭的胎體力學性能可以從兩方面考慮，即孕鑲塊力學性能和釬縫強度。孕鑲塊采用熱壓法燒結，因材料和工藝技術比較成熟，并鑲嵌于鋼體之內，所以不會出現掉塊、折斷等現象；釬焊強度可通過剪切實驗進行驗證，通過實驗發現，孕鑲塊與鋼體之間的釬焊強度主要受焊料和焊縫兩方面的影響。釬縫剪切強度為

式中：τ為剪切強度，MP a；8．8 4為由試樣剪切面積和單位換算決定的系數，1／mm2；為釬縫剪開時載荷的數值，k N，為5次試驗結果的平均值。

通過對比分析，選擇含銀量為60%的銀焊料，釬焊溫度不高于720℃，焊縫寬度0.15～0.3mm時，釬縫剪切強度達到160MPa，能較好地滿足設計要求［12］。

2 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭設計

結合現場需要，對Φ75/54.5mm規格鉆頭進行設計，其結構如圖2所示。

根據現場地層情況的前期調研，欲加工2只金剛石鉆頭進行現場試驗。金剛石孕鑲塊胎體硬度分別為 HRC25～30和 HRC30～35；金剛石濃度為85%；將粒度46目和60目的金剛石按1∶1混合；同時在金剛石孕鑲塊中植入保徑聚晶，每個孕鑲塊外保徑聚晶3粒，內保徑聚晶2粒。工作層高度15 mm，非工作層高度6mm，底唇面形狀為圓弧形。

圖2 Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭結構Fig.2 Structure ofΦ75/54.5mm high matrix diamond bit

根據鉆頭規格和金剛石孕鑲塊尺寸加工鉆頭鋼體，其特點是：具有高度不同且相互錯開的2層水口，且2層水口具有2mm的重疊；同時在鉆頭鋼體上也加工出了內外水槽，外水槽高2mm，內水槽高3mm，并在2層水口之間加工焊接槽，用以焊接金剛石孕鑲塊；焊接槽兩側留有一定量的厚度，以補強金剛石孕鑲塊抗彎強度，防止出現掉塊、折斷等不良現象；焊接槽的尺寸由金剛石孕鑲塊尺寸確定。

3 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的加工

3.1 鋼體加工

鉆頭鋼體外形如圖2所示，主要采用機械加工方式完成。其工藝流程如下：選擇合適的管材，截成一定的長度；采用車床，加工鉆頭鋼體部分外形尺寸和螺紋；采用銑床，先加工金剛石孕鑲塊焊接槽，然后加工2層水口，最后加工內外水槽。其中，利用銑床加工金剛石孕鑲塊焊接槽時，要注意焊接面的光潔度，焊接槽與金剛石孕鑲塊的形狀要匹配，配合間隙應控制在0.3mm以內。

3.2 金剛石孕鑲塊加工

根據Φ75/54.5mm取心用金剛石鉆頭公差尺寸要求，確定金剛石孕鑲塊尺寸參數，然后設計和加工石墨模具；計算各種胎體金屬粉末質量，加入硬質合金球進行混料；稱取一定質量的混合粉末，與金剛石顆粒進行再次混合，形成工作層粉料；組裝模具后，把含有金剛石的胎體粉料裝入模具，進行初步壓實，然后裝入非工作層粉料，并放入保徑用的金剛石聚晶；采用限位－熱壓法燒結，燒結溫度980℃，保溫時間根據每次燒結數量而定，燒結完成后，放入保溫箱緩慢冷卻；最后進行清理。金剛石孕鑲塊底唇面形狀容易實現改變，本次加工采用的是圓弧形，還可以改成尖齒形、平底形等［13－16］。加工的金剛石孕鑲塊如圖3所示。

圖3 金剛石孕鑲塊Fig.3 Impregnated diamond block

3.3 焊接

將金剛石孕鑲塊和鉆頭鋼體焊接表面進行處理，裁剪成厚度0.2mm的焊片，并與金剛石孕鑲塊一并放入焊接槽中；裝好焊接定位用的模具，采用火焰加熱，焊接溫度700～720℃；焊接過程中，輕觸金剛石孕鑲塊，確保焊料充分充填焊縫；爆料流失嚴重時，可用同材質焊條進行補充；然后放入保溫箱，第2天取出進行后續清理。圖4為加工的2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭。

4 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭現場試驗

4.1 試驗現場情況

試驗地點位于青海玉樹曲麻萊縣，鉆孔目的是對通天河上某水壩選址進行前期勘探，試驗地層以致密砂巖和板巖為主，含石英夾層，硬度7～9級，研磨性中等偏弱，而覆蓋層主要有沖積物、沖洪積物、洪積物及坡積物，以砂卵石為主，厚度3～26m。

圖4 Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭Fig.4 Φ75/54.5mm high matrix diamond bit

鉆孔深度100m，鉆孔結構比較簡單，分成兩級鉆進，即鉆穿覆蓋層后，進行下套管作業，基巖層進行裸眼鉆進。試驗設備為XP-2型巖心鉆機，沖洗液為清水。鉆具組合較為簡單，采用了常用的Φ73.0mm單動雙管取心鉆具，配套Φ50.0mm鉆桿。

4.2 試驗過程

試驗時，采用的鉆進工藝參數為：鉆壓8～12 kN；轉速960r/min；泵量10～15L/min。2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭交替下入鉆孔，進行取心鉆進，圖5為使用中的高胎體金剛石鉆頭。觀察磨損后的鉆頭可知，鉆頭出刃良好，磨損正常，不存在掉塊、折斷等不良現象，只是鉆頭內外徑比普通孕鑲金剛石鉆頭磨損嚴重，但不影響使用。圖6為現場使用的孕鑲金剛石鉆頭，工作層只有7mm，壽命31.0m。

因鉆頭試驗時，鉆孔工作量即將完成，故2只鉆頭只在最后一個鉆孔中進行了試驗。據現場統計，2只鉆頭共鉆進79.3m，其中：一只鉆頭鉆進42.1 m，平均鉆進效率1.7m/h；另一只鉆頭鉆進37.2 m，平均鉆進效率1.3m/h。根據現場統計以前使用的多只普通孕鑲金剛石鉆頭，平均壽命28.0m，平均鉆進效率1.2m/h。表1為鉆頭參數及使用情況對比表。其中：1號代表現場使用的孕鑲金剛石鉆頭；2號和3號代表試制的孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭。

4.3 試驗結果分析

根據表1的鉆頭參數和使用情況，可以得出以下結果：

圖5 使用中的高胎體金剛石鉆頭Fig.5 High matrix dimaond bit using

圖6 現場用普通鉆頭Fig.6 Normal diamond bit used

1）1號鉆頭為現場使用的孕鑲金剛石鉆頭統計值，具有廣泛的代表性，孕鑲金剛石鉆頭工作層之所以沒有磨完，主要是因為其磨損到一定程度時，水口越來越小，引起了憋泵等不良現象，致使鉆頭棄用。

2）2號高胎體金剛石鉆頭工作層磨損了7.3 mm，但其使用壽命比1號孕鑲金剛石鉆頭壽命平均值提高了50.4%，充分體現了高胎體金剛石鉆頭的優勢，并且鉆進效率提高了41.7%，這主要是因為降低胎體硬度和金剛石濃度更適用鉆進該地層。

3）3號高胎體金剛石鉆頭僅磨損了6.1mm，但其使用壽命比1號孕鑲金剛石鉆頭壽命平均值提高了32.9%，但其鉆進效率僅提高了8.3%，這主要與胎體硬度高有關，胎體硬度高，金剛石顆粒出露慢，鉆進效率降低。

表1 鉆頭參數及使用情況Table 1 Parameters of bit and usage information

4）2號高胎體金剛石鉆頭工作層磨損量比3號大，主要是因為3號胎體硬度更高，胎體更耐磨，這同時也是3號高胎體金剛石鉆頭鉆進效率遠低于2號的原因。可見，根據地層性質，選擇正確的鉆頭技術參數，對于兼顧鉆頭壽命和效率的提高具有十分重要的意義。

5 結論

1）基于自帶多層水口和水槽的新型鋼體，利用二次釬焊法加工取心用金剛石鉆頭，兼顧了熱壓法的優點，解決了因工作層高度過大而導致胎體折斷、掉塊的難題，可明顯提高金剛石鉆頭的使用壽命，具有很高的實用價值。

2）焊接工藝對高胎體金剛石鉆頭的加工至關重要，推薦采用含銀量為60%的銀焊料，焊縫為0.15～0.30mm。

3）現場試驗結果表明，試制的2只Φ75/54.5 mm高胎體金剛石鉆頭，工作層高度達到15mm，與現場使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，鉆進效率分別提高41.7%和8.3%，使用壽命分別提高50.4%和32.9%。

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Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block

Wang Chuanliu1，Li Jianjun2，Sun Rongjun1

1.Xi’anResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Xi’an710077，China
2.HydrochinaBeijingEngineeringCorporation，Beijing100024，China

Brazing method was introduced into designing and manufacturing diamond drill bit with high matrix to improve its drilling efficiency and extend its life.Firstly，impregnated diamond blocks with good wear resistance were manufactured by hot pressing method.Then new steel body of drill bit including multilayer nozzles and water way was designed，and the welding grooves were formed between two nozzles.Lastly，the impregnated diamond blocks were welded in the drill bit steel body.The life of diamond drill bit manufactured by welding method was improved obviously.Field experimental results showed that the drilling efficiency of twoΦ75/54.5mm high matrix diamond bits was increased by 41.7%and 8.3%respectively，their lives were improved by 50.4%and 32.9%respectively compared with the conventional one.The two times braze welding method takes the advantage of hot pressing method，solves the breaking and blocking off problem of drilling bit，and improves its life greatly.

high matrix diamond bit；impregnated diamond block；welding method

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205

P634.4

A

王傳留，李建軍，孫榮軍.孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（4）：1276-1281.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

Wang Chuanliu，Li Jianjun，Sun Rongjun.Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1276-1281.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

2013-10-17

國家重大科技專項（2011ZX05041-001）；中煤科工集團西安研究院資助項目（2012XAYQN003）

王傳留（1983—，男，助理研究員，博士，主要從事鉆頭新產品研發及鉆探工藝研究工作，E-mail：chuanliu236＠163.com。