胎體耐損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的試驗及碎巖機(jī)理分析

王佳亮，張紹和

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胎體耐損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的試驗及碎巖機(jī)理分析

王佳亮，張紹和

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083)

為了提高孕鑲金剛石鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層的鉆進(jìn)效率，將胎體耐磨損性弱化理論引入鉆頭設(shè)計中，對胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理進(jìn)行探討并對胎體進(jìn)行掃描電鏡分析。研究結(jié)果表明：與普通孕鑲金剛石鉆頭相比，胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的機(jī)械鉆速提高了64%；經(jīng)弱化處理的鉆頭在鉆進(jìn)過程中，弱化顆粒易于從胎體表面脫落，使其表面形成非光滑形態(tài)，減少了鉆頭唇面與孔底巖石面之間的接觸面積，提高了鉆頭唇面與巖石的單位面積壓力，改善了金剛石顆粒的冷卻效果，降低了金剛石顆粒的熱損耗；脫落的弱化顆粒在孔底參與磨損鉆頭胎體，增加了孔底巖粉的研磨能力，促進(jìn)了胎體中新顆粒金剛石的出刃。

胎體弱化；孕鑲金剛石鉆頭；非光滑表面；胎體弱化顆粒；碎巖機(jī)理

近年來，我國加大了礦產(chǎn)資源的勘探力度。在大規(guī)模的礦產(chǎn)勘探中，堅硬致密弱研磨性巖層非常普遍。由于該巖層巖石致密，抗壓強(qiáng)度高，巖粉少且細(xì)，對胎體研磨性弱，孕鑲金剛石鉆頭在該地層鉆進(jìn)時，新顆粒金剛石不易出刃，鉆頭易出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺等現(xiàn) 象[1?2]，為此，科研人員采用不同方法如降低胎體硬度、優(yōu)化切削齒唇面結(jié)構(gòu)、選用高品級金剛石等，取得了一定成效。在金剛石切割工具中，為提高工具的切割效率，在保證胎體強(qiáng)度能夠滿足使用要求的前提下，利用適當(dāng)方法降低胎體的耐磨損性能，將這種工藝過程稱為胎體耐磨損性弱化[3-4]。本文作者將金剛石切割工具中的胎體耐磨損性弱化理論與孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計結(jié)合起來，以便為提高孕鑲金剛石鉆頭在堅硬致密弱研磨性巖層鉆進(jìn)效率提供一種新思路。

4.4 從各地不同等級年平均降水日數(shù)而言，除≥1.0mm的降水日數(shù)有所下降外，其他不同等級降水日數(shù)均呈增加趨勢，增加幅度較小，平均每10a增加0.3～0.5d。

1 鉆頭胎體耐磨損性弱化設(shè)計

1.1 胎體耐磨損性弱化方式設(shè)計

研究表明，不同類型金剛石工具因其設(shè)計需求不同，采用不同的胎體耐磨損性弱化方式，大體上可以分為工藝控制法、添加劑法、表面非光滑形態(tài)法、粗化晶粒法等。添加劑法是通過在胎體中添加硅、硼、稀土元素鑭等降低胎體韌性的元素，使胎體耐磨性能下降[5]。表面非光滑形態(tài)法是指在胎體中添加石墨樹脂合成材料，使其表面形成非光滑形態(tài)，從而降低了胎體耐磨性能。孕鑲金剛石鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層鉆進(jìn)時，產(chǎn)生巖粉少且細(xì)，研磨能力弱，新顆粒金剛石不易出刃，要求鉆頭具有較高的自銳能力[6]。于是，將添加劑法和表面非光滑形態(tài)法復(fù)合設(shè)計鉆頭，將胎體弱化元素以硬質(zhì)顆粒形式添加至胎體中，其顆粒與胎體包鑲力較弱，在鉆進(jìn)過程中易于從胎體表面脫落，使其表面形成非光滑形態(tài)，殘留孔底的顆粒與巖粉共同研磨胎體，增加巖粉的研磨能力，以達(dá)到提高金剛石新陳代謝速度的目的。

1.2 胎體耐磨損性弱化表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭切削齒唇面常設(shè)計成同心環(huán)齒型宏觀非光滑結(jié)構(gòu)，或在制作過程中向模具底部填充適當(dāng)比例的石墨顆粒，燒結(jié)完畢后切削齒經(jīng)噴砂工藝處理，使其唇面形成微觀非光滑形態(tài)，以達(dá)到弱化胎體耐磨性的目的。但在鉆頭唇面上僅設(shè)計一層胎體耐磨損性弱化表面意義不大，因為鉆頭磨損后，胎體耐磨損性弱化表面消失，鉆頭唇面與巖石接觸面積增大，鉆頭比壓下降，鉆速下降，為此，將胎體弱化結(jié)構(gòu)分為宏觀不可再生結(jié)構(gòu)和微觀可再生結(jié)構(gòu)。宏觀不可再生結(jié)構(gòu)是指在鉆頭唇面磨損后無法再自動形成胎體耐磨損性弱化結(jié)構(gòu)，微觀可再生結(jié)構(gòu)是指當(dāng)胎體表面非光滑形態(tài)磨損后還會繼續(xù)產(chǎn)生非光滑形態(tài)。本設(shè)計將這2種胎體耐磨損性弱化結(jié)構(gòu)復(fù)合，如圖1所示。其中微觀可再生胎體耐磨損性弱化結(jié)構(gòu)由胎體弱化顆粒來實現(xiàn)，宏觀不可再生胎體耐磨損性弱化結(jié)構(gòu)設(shè)計為徑向同心環(huán)齒型。

(a) 鉆頭唇面正視圖；(b) 鉆頭唇面?zhèn)纫晥D

1.3 胎體材料設(shè)計

鉆頭切削齒胎體成分如表1所示。其中：WC為骨架材料，具有良好的沖擊韌性、高耐磨性特點且對金剛石腐蝕較?。籒i，Mn，Co和663青銅粉等黏結(jié)金屬在適當(dāng)溫度下熔化，濕潤WC顆粒，并使WC顆粒表面熔融，促進(jìn)了制品的收縮致密化過程[7]。WC基胎體較Fe基和Cu基胎體具有更高的胎體硬度，有利于保證鉆頭的使用壽命。

表1 鉆頭胎體成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在鉆進(jìn)堅硬致密弱研磨性地層時，金剛石極易被磨平，因此，選用品級較高的SMD40型金剛石，粒度為355~450 μm，抗壓強(qiáng)度為350 N，抗沖擊韌性指標(biāo)為75%。金剛石顆粒的抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性越高，其工作時破碎斷裂的可能性越小，金剛石工具的磨削性越好[8]。胎體弱化顆粒選用具有較強(qiáng)研磨能力且與胎體包鑲力較弱的SiC顆粒，顆粒形狀不規(guī)則，粒度為550~680 μm。

2 胎體耐磨損性弱化鉆頭加工及 試驗

2.1 鉆頭參數(shù)設(shè)計

鉆頭參數(shù)設(shè)計主要包括尺寸參數(shù)設(shè)計、金剛石參數(shù)設(shè)計、胎體性能參數(shù)設(shè)計、水路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計等。胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭還包括胎體弱化顆粒濃度設(shè)計。胎體弱化顆粒濃度是指胎體弱化顆粒體積占胎體體積的比例。大量前期試驗結(jié)果證明，弱化顆粒濃度設(shè)計不當(dāng)?shù)奶ンw存在以下幾個問題：若弱化顆粒濃度過高，則金剛石與胎體弱化顆粒易發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象，削弱了胎體對金剛石的把持力，導(dǎo)致金剛石提前脫落造成鉆頭壽命下降；若弱化顆粒濃度過低，則胎體力學(xué)性能改變不明顯，金剛石不易出刃?？梢娞ンw弱化的設(shè)計原則是在胎體強(qiáng)度少受損害的前提下適當(dāng)降低胎體的耐磨損性能。在試驗中，加工的常規(guī)鉆頭與胎體弱化鉆頭的設(shè)計參數(shù)均一樣。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗，確定鉆頭設(shè)計參數(shù)如下：鉆頭尺寸外徑為77 mm，內(nèi)徑為49 mm；胎體硬度HRC為20；金剛石體積分?jǐn)?shù)為100%，粒徑為355~450 μm，水口數(shù)為8個，胎體弱化顆粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)計為35%。

2.2 鉆頭制作工藝

為降低金剛石顆粒與胎體弱化顆粒發(fā)生黏結(jié)導(dǎo)致金剛石提前脫落的概率，首先將潤濕的金剛石顆粒、胎體弱化顆粒分別按設(shè)計要求與胎體粉末混合均勻，再將2種粉料充分混合并填入組裝完畢的石墨模具中，然后填入非工作層粉量并按設(shè)計要求擺放保徑金剛石聚晶，最后將鉆頭鋼體置于組裝完畢的石墨模具之上進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)工藝如下：燒結(jié)壓力為5.5 MPa，燒結(jié)溫度為1 000 ℃，保溫時間為5 min。燒結(jié)完畢后自然冷卻至室溫，退出模芯對鉆頭半成品進(jìn)行機(jī)加工，按設(shè)計尺寸要求加工鉆頭水路系統(tǒng)和 螺紋。

2.3 野外試驗

試驗地點位于江西省某礦區(qū)，主要地層為：1) 石英巖，堅硬，致密研磨性差，平均厚度為5~7 m；2) 透輝石矽卡巖，較完整，致密，研磨性差，平均厚度為25 m左右；3) 二長花崗巖，較完整，夾有磁鐵礦，弱研磨性，平均厚度為70 m左右，不連續(xù)。巖石硬度可鉆性級別為9~11級，研磨性為中等至較強(qiáng)。鉆進(jìn)參數(shù)如下：鉆壓為9~13 kN；轉(zhuǎn)速為750~850 r/min；泵量為34 L/min。鉆頭試驗參數(shù)如表2所示。

表2 鉆頭試驗參數(shù)

從表2可看出：3種鉆頭的參數(shù)設(shè)計方案均與該地層巖性特征相適應(yīng)，體現(xiàn)出其本來的壽命和機(jī)械鉆速；胎體弱化鉆頭的平均壽命較普通鉆頭略有降低，但平均機(jī)械鉆速較普通鉆頭提高64%，較同心環(huán)齒型鉆頭提高45%。

3 胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理

胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理是以普通孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理為基礎(chǔ)，在荷載、胎體表面形態(tài)、胎體的磨粒磨損等方面對碎巖機(jī)理進(jìn)行了補(bǔ)充。

3.1 胎體顯微分析

采用SIRION200場發(fā)射掃描電鏡及GENSIS60能譜儀對胎體表面進(jìn)行表面形貌觀察和微區(qū)成分分析。圖2所示為胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭的胎體磨損形貌，圖2(b)所示為圖2(a)中圓形框區(qū)域金剛石放大照片，圖2(c)所示為圖2(a)中白色矩形框區(qū)域胎體放大照片。由圖2(a)可知：胎體存在寬且深的犁溝，具有明顯的磨粒磨損特征，金剛石出刃高度良好；胎體中存在粒徑約為650 μm的大顆粒；與添加SiC顆粒粒度相當(dāng)，顆粒形狀不規(guī)則，結(jié)合掃描電鏡能譜分析，判斷該顆粒為SiC顆粒；金剛石顆粒與SiC顆粒分布較均勻，未出現(xiàn)相互黏結(jié)現(xiàn)象，證明本次胎體弱化顆粒濃度設(shè)計參數(shù)合理。由圖2(b)和圖2(c)可知：胎體表面存在剝落和黏著現(xiàn)象。對黏著物能譜進(jìn)行分析可知：其主要含有Si，Ca，K和O元素，確定為巖屑，證明胎體發(fā)生了黏著磨損；金剛石和胎體結(jié)合緊密，棱角處發(fā)生解離斷裂。由圖2(d)可知：SiC顆粒與胎體界面有較大縫隙，與胎體把持力較弱，出刃高度較低且無明顯棱角。

(a) 胎體磨損形貌；(b) 圖2(a)中圓形框金剛石放大照片；(c) 圖2(a)中矩形框區(qū)域胎體照片；(d) 胎體耐磨損性弱化顆粒

3.2 胎體弱化鉆頭高效碎巖定性分析

3.2.1 鉆頭底唇面上的金剛石壓力

胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過程中，胎體弱化顆粒易于從胎體中脫落形成凹坑型非光滑表面，使得鉆頭唇面與巖石的接觸面積減小，增大了底唇面的比壓。鉆頭比壓的增加會產(chǎn)生2方面影響：一方面，增大了巖石破碎穴的直徑，有利于巖石破碎穴周圍微裂紋的縱向擴(kuò)展，使金剛石顆粒切入巖石的深度有所增加；另一方面，提高了鉆頭的自銳性能，有利于提高胎體中金剛石的新陳代謝速度[9?10]。此外，非光滑表面的存在有利于存儲沖洗液，提高金剛石顆粒的冷卻效果，降低其熱損耗，增加單顆粒金剛石的工作時間。這些都對鉆進(jìn)效率的提高產(chǎn)生了積極的 影響。

以往的鉆進(jìn)試驗結(jié)果也證明減少唇面與巖石的接觸面積能有效提高鉆進(jìn)效率，故鉆頭唇面常設(shè)計成徑向同心環(huán)齒型、鋸齒型等宏觀非光滑結(jié)構(gòu)。但鉆進(jìn)一段時間后，宏觀非光滑形態(tài)磨平，唇面與巖石接觸面積增大，鉆進(jìn)比壓下降，鉆進(jìn)效率降低。由于胎體弱化孕鑲金剛石鉆頭唇面的微觀非光滑形態(tài)設(shè)計為可再生結(jié)構(gòu)，在胎體表面非光滑形態(tài)磨損后繼續(xù)產(chǎn)生非光滑形態(tài)，故其鉆進(jìn)效率比普通鉆頭的鉆進(jìn)效率高。

3.2.2 弱化顆粒存在時鉆頭對巖石摩擦阻力的影響

孕鑲金剛石鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層鉆進(jìn)時，孔底產(chǎn)生的巖粉少且細(xì)，在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時鉆頭唇面對巖石的摩擦因數(shù)低，作用于鉆頭唇面上的摩擦力小，胎體不易磨損，金剛石顆粒易磨平，胎體中金剛石新陳代謝速度降低[11]。胎體耐磨性弱化孕鑲金剛石鉆頭中的胎體弱化顆粒與胎體包鑲力較弱，易于從胎體表面脫落。殘留于孔底的胎體弱化顆粒本身還具有研磨胎體的作用，由于非光滑表面的存在，增加了胎體唇面的粗糙度。脫落的胎體弱化顆粒不會即時隨沖洗液沖離孔底，而是與巖粉一起擠夾在鉆頭唇面間隙中，以滾動和滑動方式鑿削胎體，提高了孔底巖粉對胎體的研磨能力，增加了鉆頭與巖石的摩擦阻力，提高胎體中金剛石的新陳代謝速度[12?13]。

3.3 胎體耐磨損性弱化鉆頭碎巖機(jī)理定量計算

胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層鉆進(jìn)時的效率與鉆頭唇面與孔底巖石摩擦力有直接關(guān)系。從摩擦機(jī)理出發(fā)，總的摩擦力由剪切力和鑿削力2部分組成[14]。當(dāng)硬顆粒如脫落的胎體弱化顆粒、巖粉、脫落的金剛石對胎體表面進(jìn)行高應(yīng)力碰撞時，在胎體表面形成犁溝，產(chǎn)生鑿削式磨料磨損。為求得磨料磨損的數(shù)學(xué)表達(dá)式，將磨?？醋?個頂角為2的錐體，當(dāng)荷載N作用在錐體上時，它刺入胎體表面，深度為，錐體在材料表面處的直徑為2。錐體移動d排出的體積為d。如圖2所示。

單位滑動距離的磨損量為

假設(shè)材料在法向荷載作用下發(fā)生了屈服，則錐體支撐荷載為

其中：s為胎體材料的屈服點。若個小錐體相接觸，則

在單位滑動距離內(nèi)排出的總體積為，

將式(4)代入式(5)并整理得

從式(6)可以看出：磨料磨損的磨損量與法向荷載和cot成正比，與胎體材料的硬度成反比。

對于胎體弱化孕鑲金剛石鉆頭，胎體表面凹坑型非光滑結(jié)構(gòu)的存在有利于加深磨粒刺入胎體表面的深度，提高磨料磨損的cot，故其胎體磨損量加劇，鉆頭唇面與孔底巖石摩擦力提高。由錐形壓頭引起的磨料磨損示意圖見圖3。

圖3 由錐形壓頭引起的磨料磨損

根據(jù)摩擦學(xué)原理，鉆頭唇面上金剛石的單位壓力并不與軸載成正比。當(dāng)金剛石顆粒與巖石接觸時，其實際接觸面積與軸向荷載成正比[15?16]。假設(shè)鉆頭唇面由等高出露的金剛石構(gòu)成，每顆出露金剛石在其接近球形的頂點處具有近似的曲率半徑，可以證明其總接觸面積隨施加軸向荷載的2/3次方變化，即

假設(shè)鉆頭底唇表面上有個別出露的金剛石超出某一基準(zhǔn)平面高度，處于和(+d)之間，數(shù)學(xué)上稱這種分布為高斯分布或標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其概率密度為

假設(shè)鉆頭底唇面出露的金剛石滿足這種分布，且每顆出露的金剛石具有平均半徑為的球形頂部，可證明其實際接觸面積與軸向荷載成正比，即

其中：和1為常數(shù)；為接觸面積；為軸向荷載；為金剛石平均出刃高度；()d為唇面中個別金剛石出露高度處于和(+d)之間的概率。綜上所述，提高單顆粒金剛石破碎巖石的壓力，合理措施是減小鉆頭底唇面積，當(dāng)施加荷載一定時，金剛石上所承受的壓力將隨著鉆頭底唇面積的減小而增大，即

對于胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭，由于胎體表面凹坑型非光滑形態(tài)的存在，降低了底唇面積，故有利于提高作用于單顆粒金剛石上的壓力。

4 結(jié)論

1) 將胎體耐磨損性弱化理論與孕鑲鉆頭設(shè)計相結(jié)合，在胎體中添加適當(dāng)濃度胎體弱化顆粒，在保證鉆頭壽命的前提下可提高鉆頭在堅硬致密弱研磨性地層的鉆進(jìn)時效。胎體耐磨損性弱化孕鑲金剛石鉆頭較普通孕鑲金剛石鉆頭時效提高64%。

2) 胎體耐磨損性弱化顆粒的存在增加了鉆頭胎體唇面的粗糙度，脫落的胎體弱化顆粒與巖粉一起擠夾在鉆頭唇面間隙中，以滾動和滑動方式鑿削胎體，提高了孔底巖粉對胎體的研磨能力，增加了鉆頭與巖石的摩擦阻力，提高了胎體中金剛石的新陳代謝速度。

3) 胎體弱化顆粒易于從胎體表面脫落，使其表面形成非光滑形態(tài)，弱化了胎體耐磨損性能，減少了鉆頭唇面與孔底巖石面之間的接觸面積，提高了鉆頭唇面對巖石的單位面積壓力；改善了金剛石顆粒的冷卻效果，降低了金剛石顆粒的熱損耗。

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(編輯 陳燦華)

Experiment and rock fragmentation mechanism of impregnated diamond bit with weakening matrix

WANG Jialiang, ZHANG Shaohe

(Key Laboratory of Non-ferrous Metal Ore Forecast of Ministry of Education, School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Weakening matrix theory was applied to design of the drilling bit to improve the drilling efficiency of impregnated diamond bit in hard compact rock formation. The rock fragmentation mechanism was studied and the matrix was analyzed by SEM. The results show that drilling efficiency increases by 64% compared with that of the conventional impregnated diamond bit. Under the process of drilling, the weakening particle can easily drop from matrix developing non-smooth surface, the working surface area in contact with the rock is reduced, the pressure between surface and rock increases, and the cooling effect of diamond is improved. The weakening particle participates in wearing matrix, which increases the abrasive power of rock powder, and promotes the speed of diamond metabolism.

weakening matrix; impregnated diamond bit; non-smooth surface; particle of weakening matrix; rock fragmentation mechanism

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.034

TG115

A

1672?7207(2015)04?1436?06

2014?05?20；

2014?07?22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51074180)(Project (51074180) supported by the National Natural Science Foundation of China)

張紹和，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事地質(zhì)工程等方面研究；E-mail：zhangshaohe@163.com