煤礦復雜硬地層用胎體式PDC鉆頭的研制

史阿朋，王志紅（中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶　400039）

煤礦復雜硬地層用胎體式PDC鉆頭的研制

史阿朋1，王志紅2
（中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039）

摘要：由于煤炭鉆探和開采難度不斷地增加，從而對破巖工具提出了更高的要求。胎體式PDC鉆頭因其優異的綜合性能，得到了越來越廣泛地應用。本文針對重慶松藻煤礦復雜硬地層的特點，研制了一種新型的Ф65mm胎體式PDC鉆頭，并進行了現場試驗，試驗結果表明：研制的PDC鉆頭耐磨性好，抗沖擊能力強，能夠有效地鉆進復雜硬地層，其壽命大約是同類型鉆頭的1.5倍；同時在低鉆壓下可取得高進尺和高鉆速，鉆進時效可達25.2m/h，極大地提高了鉆進效率，節約了鉆進成本。

關鍵字：胎體式PDC鉆頭；綜合性能；復雜硬地層；鉆進

0　前言

PDC鉆頭，即聚晶金剛石復合片鉆頭，是將聚晶金剛石復合片鑲焊在鉆頭體上而制成的一種新型切削型鉆頭，由于其高效優異的切削性能，廣泛地應用于煤田，地質，石油等領域[1]。按鉆頭體冠部材料分為胎體式和鋼體式兩種，相應地鉆頭也分為胎體式PDC鉆頭和鋼體式PDC鉆頭[2]。目前在我國煤炭行業，鋼體式PDC鉆頭使用范圍最為廣泛，但是隨著我國深部探礦工作的不斷推進，鉆孔鉆進過程中遇到的地層條件越來越復雜，巖性種類也越來越多，鋼體式PDC鉆頭的壽命和時效已無法滿足鉆進要求。相對于鋼體式，胎體式PDC鉆頭具有耐磨性好、焊接強度高、抗沖擊能力強等特點，對復雜硬地層適應性強，能夠取得很好的鉆進效果。為此，本文開展了煤礦用胎體式PDC鉆頭的研究，這對于解決我國煤礦井下復雜硬地層鉆進困難、時效低等問題具有重要的指導意義。

1　PDC鉆頭設計

目前煤礦井下PDC鉆頭結構形式繁多，并對使用地質條件非常敏感，因此需要針對具體使用條件進行鉆頭設計。PDC鉆頭設計主要包括鉆頭冠部設計、工作角設計等。

1.1鉆頭冠部設計

PDC鉆頭冠部設計是PDC鉆頭總體設計的一個重要組成部分。冠部形狀決定PDC鉆頭的布齒面，因此也影響著PDC鉆頭對特定地層的工作特性。不同的冠部形狀具有不同的工作特性，對于地層的適應性也不同[3]。為了保證PDC鉆頭的鉆進效率，合理地選擇鉆頭冠部形狀會增加鉆頭的穩定性，同時也有利于孔底的清洗和減少切削齒的磨損。目前煤礦常用PDC鉆頭冠部形狀主要有刮刀型、內凹型、平底型等[4]。對于松軟地層，主要以刮刀型PDC鉆頭為主，該鉆頭鉆進速度快，排屑效果好；對于軟-中硬度地層，主要以內凹型PDC鉆頭為主，該鉆頭穩定性好，地層鉆進適應性強；對于硬及復雜地層，主要以平底型PDC鉆頭為主，該鉆頭由于單位切削齒承受的鉆進壓力小，不易造成切削齒崩刃等非正常磨損，使用壽命長。

1.2鉆頭布齒設計

PDC鉆頭布齒設計主要包括切削齒數量和布齒方式，是PDC鉆頭設計的核心內容，對PDC鉆頭的鉆進效率、穩定性和工作壽命都有著十分重要的影響。PDC鉆頭的布齒設計對其鉆進速度和鉆頭壽命具有相反的影響效果。為了獲得較高的鉆頭壽命，必然要增大切削齒密度，但鉆進速度隨之降低。反之，降低布齒密度可提高鉆進速度，但會對鉆頭壽命造成一定的負面影響。在實際工況條件下，適當地犧牲鉆頭壽命以提高鉆進速度，并不一定影響鉆頭進尺和鉆進成本，因此PDC鉆頭的布齒采用以提高鉆進速度為主，以提高鉆壽命為輔的設計原則，應在保證可以獲得較高鉆進速度的前提下盡可能提高鉆頭的工作壽命，以充分發揮剪切破巖效率高的優勢[5]。

根據煤礦常用鉆孔尺寸，研制的鉆頭規格為Ф65mm，鉆頭PDC復合片數量為5片，外環采用3個PDC復合片均布，內環采用2個PDC復合片，保證全斷面破巖。所有PDC復合片高度保持一致，以提高鉆頭的抗沖擊和抗剪切能力。水口位于鉆頭中心位置，便于更好地排除巖屑和冷卻PDC復合片。設計的鉆頭如圖3所示。

1.3鉆頭工作角設計

PDC鉆頭工作角主要包括切削角α和徑向角β，該結構參數對鉆頭的性能和鉆進效果具有重要的影響。

切削角α是切削具表面與鉆頭軸向間的夾角如圖2，它是PDC復合片鉆頭切削巖石最重要的設計參數，其數值減小時，切削作用加強，即在同樣的鉆壓下切削角小的切削深度大，可以鉆出較大的巖屑，故在相同的條件下可獲得較高的鉆速，但較小的切削角在鉆進硬地層時因切削具受到較大的軸向力而易損壞。相反，較大的切削角α雖然切削出較小的巖屑，但是在硬地層中壽命將會更長。從理論設計和實踐經驗，對于較硬巖層，切削角為10°～20°為最佳。

徑向角β是切削具表面和鉆頭徑向平面之間的夾角，如圖3所示。具有徑向角的復合片可將巖屑引導到外環空間，同時保證切削具有較強的研磨性。在鉆頭的切削作用下，有些巖屑的移動具有切向和徑向兩種運動，不易被巖粉粘附，而且徑向角越大巖屑粘附切削具的可能性越小[6]。一般是以利于切削巖石和排除巖粉兩方面因素進行經驗設計，通常選取徑向角為5°～10°。

2　PDC鉆頭試制

2.1PDC復合片選擇

在PDC鉆頭鉆進過程中，切削齒PDC復合片通過剪切方式直接破碎巖石，同時承受著各種不同的載荷。在大多數情況下，PDC鉆頭損壞失效的主要原因是由于PDC復合片切削齒的嚴重磨損造成，尤其是非正常磨損，如崩刃、聚晶金剛石層脫落等。因此PDC復合片的性能在很大程度上決定了整個PDC鉆頭的使用性能。

PDC復合片具有不同的類型，需根據所鉆巖石地層特點進行正確地選擇。目前常用的有Ф10.0mm,Ф13.3mm,Ф16.0mm等規格。在同一鉆壓下，對于軟-中硬地層，阻力較小，采用大直徑的PDC復合片可獲得較高的鉆進效率；對于硬地層，直徑越大越難切入，因此宜采用直徑較小的PDC復合片，但其抗沖擊性能低于大直徑的復合片。

由于復雜硬地層存在非均質的特點，在鉆進過程中，PDC復合片易受到沖擊載荷的破壞，故選用具有高硬度、高耐磨性、高抗沖擊韌性及高熱穩定性的Ф13.3mm加強型PDC復合片，使用該復合片保證了PDC鉆頭優異的綜合性能，不僅可以提高鉆頭的鉆進效率，同時延長其使用壽命。

2.2釬料釬劑選擇

PDC鉆頭與鉆頭體的焊接為異種金屬間的焊接，且PDC鉆頭體與PDC復合片的收縮率也不一樣，故需采用釬焊來完成鉆頭體與刀片間的焊接。影響PDC復合片鉆頭焊接強度的因素不僅有焊接工藝，還有焊接所使用的釬料、溫度等。PDC復合片鉆頭焊接使用釬料主要分為銅基釬料和銀基釬料。銅基釬料焊接強度相對于銀基釬料來說，焊接強度較高，而且價格也較低，但銅基釬料焊接溫度較高，容易對PDC復合片的人造聚晶金剛石層造成熱損傷（復合片所能承受的最高溫度為700℃）。為保證PDC復合片的性能不被加熱溫度過高而損壞，要求復合片與鉆頭體間采用銀基釬料進行焊接，它完全可以滿足PDC復合片低溫釬焊的要求，同時也能滿足PDC復合片與鉆頭體間的焊接強度。一般選用銀焊條L312，同時選用相應的釬劑，其作用是清除釬料和母材表面的氧化物，保護焊件和液態釬料在焊接過程中免于氧化，改善液態釬料對焊件的浸潤性。

2.3鉆頭體試制

胎體式PDC鉆頭鉆頭體整個試制工藝過程主要包括軟模成型和無壓浸漬兩個部分[7]。

軟模成型是一種新型的模具制造工藝，主要采用軟質材料(如硅橡膠、環氧樹脂等)制造模具。其具有良好的復制性和脫模性,因此在制作形狀復雜、精度要求較高的產品方面具有獨特的優勢。同時可以降低了生產成本,簡化了模具制造工序,縮短工期，大大提高生產效率。

無壓浸漬是粉末冶金液相燒結方法之一，主要通過熔化粘結金屬對具有濕潤性的骨架粉末（鑄造碳化鎢）的浸漬并使其制品能達到設定的尺寸和性能。其工藝簡單,可以制造出結構復雜、大尺寸制品。

胎體式PDC鉆頭試制過程如下：首先采用三維實體設計方法對鉆頭體結構和布齒進行優化設計，加工出基礎模具，然后采用硫化工藝制備出橡膠模，再次以橡膠模為基礎澆注成陶瓷模，即鉆頭燒結模具，最后將合理的鉆頭體配方加入其中進行無壓浸漬燒結成型。

2.4PDC復合片焊接

在完成鉆頭體的試制后，下一步的工作就是將PDC復合片焊接到鉆頭體上，目前制作PDC鉆頭焊接方法有真空擴散釬焊、高頻感應釬焊、火焰釬焊等。

（1）真空擴散釬焊。真空擴散焊對連接組件的形狀、尺寸有很大限制,一般要求PDC復合片和鉆頭體的凹槽正面接觸以實現軸向對接,整個焊接工藝過程復雜,焊接時間較長,成本較高,一次性投資也很大。盡管真空擴散釬焊能達到很高的焊接質量,但對真空度和溫度要求較高,工藝復雜,操作難度較大[8]。

（2）高頻感應釬焊。PDC復合片釬焊時，釬焊時間對PDC復合片的性能影響很大，釬焊時間越長，對PDC復合片的性能損害越大，如耐磨性等。感應釬焊的優點是加熱速度快，通?？稍跇O短的時間內完成加熱過程，并能保證零件的尺寸精度，從而可減輕金屬燒損和氧化程度，焊后清理簡單，能得到清潔的焊接焊縫，不會引起整個基體較大的變形，對冷作硬化的基體軟化現象也大大減輕，對操作者的要求相對低，而且工作環境條件相對較好。

由于高頻感應具有加熱速度快；材料內部發熱，熱效率高；加熱時間短，金屬表面不易氧化；熱變形較?。患訜峋鶆蚯矣羞x擇性；產品質量好；幾乎無環境污染；易于實現生產自動化等一系列優點而得到迅速推廣。而且釬焊工藝操作簡便，生產效率高，運營成本低，并能保證釬焊質量。與激光釬焊、真空擴散焊、真空釬焊等釬焊方法比較，高頻感應釬焊最大優勢在于其設備投資少、釬焊工藝易于掌握。缺點在于高頻感應加熱的溫度難于控制，不宜使用于結構復雜的產品。

（3）火焰釬焊?；鹧驸F焊其應用十分廣泛，主要優點有以下幾點：a）設備簡單，價格低廉，操作方便靈活，可以獲得較高的釬焊質量；b）可釬焊形狀不規則的產品,而且釬焊焊縫平整光滑，外形美觀；c）可隨時觀察到釬焊過程中的不良狀態并及時控制，避免產生過多的不良品，從而保證了釬料填充的均勻性和穩定性；d）釬焊火力的大小及釬焊時間均可自由設定[9]。

基于PDC復合片和釬料的特性及，在火焰加熱過程中，一般選用氧-乙炔的中焰或外焰加熱，這樣不僅可以防止過熱對PDC復合片的損傷和釬料過分氧化，同時可以避免釬縫區金屬晶粒長大，影響焊縫強度性能。采用火焰釬焊時，首先加熱鉆頭體，以致釬料開始熔化，然后將火焰移到復合片上加熱到釬焊溫度。與其他釬焊方法相比，火焰釬焊操作比較靈活，一般適用于結構形狀復雜的產品，通常適合應用于大批量的生產中。

根據平底型PDC鉆頭的結構特點，采用火焰釬焊進行單齒局部焊接，該方法使用方便，可以保證獲得較高的釬焊質量。其工藝流程：a)焊接前首先對鉆頭體焊接面進行噴砂，以除油、除銹和除氧化物，然后利用酒精進行表面清洗，同時對PDC復合進行打磨清洗增加表面粗糙度；b)將PDC復合片與釬料安放在預留凹槽中，利用火焰噴槍進行加熱。加熱時，溫度必須控制在700℃以內，以保證PDC復合片的質量；c)焊后將PDC鉆頭放入珍珠巖中進行保溫冷卻處理，減小焊接內應力，提高焊接質量。待冷卻后對鉆頭進行噴砂打磨處理，以除去表面焊疤，試制鉆頭如圖4所示。

3　PDC鉆頭試驗

為了檢驗鉆頭的性能，將試制的3只PDC鉆頭在重慶松藻煤電公司松藻煤礦進行試驗，地點位于二區+100茅口巷（N5#-N6#石門），該地層較為復雜，主要以石灰巖和鋁土泥巖為主，其中富含黃鐵礦結核，巖石堅固性系數f=8～12，屬于硬地層。試驗用鉆機為中煤科工集團重慶研究院改裝型ZY-1250，配備Ф50×800mm光鉆桿。在施工鉆孔過程中，鉆機的推進壓力和旋轉壓力分別為5MPa 和6.5MPa。截止到鉆頭失效，每個鉆頭均完成3個孔的鉆進，取得較好的試驗效果，解決了松藻煤礦鉆孔施工困難、鉆進速度慢、效率不高等問題，其試驗情況詳見表1。

表1　平底型胎體式PDC鉆頭試驗數據表

（1）該研制的PDC鉆頭結構設計合理，在鉆進復雜硬巖中時，能夠有效地切削巖層并防止和降低沖擊載荷對復合片的破壞，具有較好的穩定性。

（2）該鉆頭鉆進時效高，在復雜硬地層條件下，鉆進時速可達25.2m/h，并且能夠在低鉆壓下取得高進尺和高鉆速，極大地提高鉆進效率，降低鉆進成本。

（3）該鉆頭具有高耐磨性，較強的抗沖擊韌性，沒有出現崩刃、掉齒等非正常磨損現象，壽命長，累計進尺高達156m，其壽命大約是同類型鉆頭的1.5倍。

參考文獻：

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基金項目：“十二五”國家科技重大專項（編號:2011ZX05041-001-002）

作者簡介：史阿朋（1983—），男，陜西武功人，工程師，主要從事：煤礦安全機械及鉆探機具方面的研究工作。