空心階梯J空型孕鑲金剛石鉆頭的研制

【摘 要】本文主要從孕鑲金剛石鉆頭的胎體唇面形狀上來改變鉆頭的特性，加之選用先進的胎體配方、合理的設(shè)計鉆頭參數(shù)及采取精準的燒結(jié)工藝及機加工技術(shù)等，來滿足金剛石鉆頭在鉆進堅硬弱研磨性地層時的時效和壽命。空心階梯J空型鉆頭的特點是隨著鉆頭的不斷進尺始終保持著它的唇面形狀，因此就能夠保證鉆頭始終有較高的鉆進時效和較長的鉆頭壽命。

【關(guān)鍵詞】空心階梯J空型鉆頭 設(shè)計原則 空心階梯J空型鉆頭特點

1 引言

目前在地質(zhì)找礦市場不景氣的大環(huán)境下，為了適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量和價格的激烈競爭，為保證孕鑲金剛石鉆頭在鉆進堅硬弱研磨性地層中的鉆頭時效和鉆頭壽命，提高鉆頭在市場上的占有量，使得鉆頭的需求量處于穩(wěn)步上升的趨勢，我們由此研制了一種新型的孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀—空心階梯J空型鉆頭，加之選用先進的胎體配方、設(shè)計合理的鉆頭參數(shù)及采取精準的燒結(jié)工藝等綜合設(shè)計，經(jīng)過多家用戶的試驗，該鉆頭對鉆進堅硬弱研磨性地層有很好的鉆進效果，達到了預(yù)期的目的。為我隊的鉆探機械業(yè)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 鉆頭在鉆進堅硬弱研磨性地層時的設(shè)計原則

堅硬弱研磨性地層是指該地層巖石特別堅硬、結(jié)構(gòu)致密、強度高，研磨性很弱，當(dāng)鉆頭鉆進這樣的巖層時進尺效率就很慢，而且壽命也不長，為了保證鉆頭鉆進這樣的巖層既有一定的時效又有一定的壽命，需要遵循以下設(shè)計原則。

（1）選用高品級人造金剛石。高品級人造金剛石具有晶型好，單粒抗壓強度高，熱穩(wěn)定性能好等特點。鉆進堅硬巖石具有明顯的優(yōu)勢，是低品級金剛石所無法比擬的。（2）選用中粗粒混目人造金剛石。中粗粒混目人造金剛石既能保證鉆頭的有效進尺，又能使鉆頭有一定的使用壽命。（3）選用較低的金剛石濃度。由于濃度低，金剛石顆粒相對減少的分布在鉆頭的唇面上，在施加同等鉆壓的情況下，每粒金剛石的鉆壓就會增加，有利于金剛石的出刃，更好的切入巖石，進而提高機械鉆速。（4）選用較低硬度的胎體配方。低硬度的胎體便于金剛石的及時出露，使得金剛石更好的切入巖石，避免表層磨鈍的金剛石不及時脫去而打滑。（5）人造金剛石表層真空鍍覆處理。金剛石表層經(jīng)過鍍覆處理后，增加了金剛石顆粒與胎體結(jié)合劑的結(jié)合強度，同時金剛石的自身強度也會加強，因此使得金剛石的出刃高度增高，其結(jié)果使鉆頭的時效和壽命均有所提高。（6）選用與巖石接觸面積較少的唇面形狀。鉆進堅硬弱研磨性地層時，應(yīng)選用自由面較多的唇面形狀，自由面越多，越有利于巖石破碎，有利于提高鉆速。但同時又要考慮鉆速的恒定，這就要求鉆頭唇面形狀隨著鉆進時間的推移，唇面形狀變化不大更好，空心階梯J空型鉆頭的唇面形狀就滿足了這樣的要求，鉆頭的唇面形狀在鉆進中保持時間最長，它可以貫穿于鉆頭的始終，因而鉆速是恒定的。（7）在鉆頭胎體配方中加入微量的稀土金屬及少量的高純碳粉，目的是改善胎體的性能及在鉆進時有利于工作層中的金剛石及時出露，克服以往在鉆進過程中，當(dāng)鉆頭不進尺時需投石英砂的現(xiàn)象。投石英砂雖然有利于鉆頭出刃，進尺快，但同時對鉆頭內(nèi)徑磨損也很嚴重，影響鉆頭的使用壽命。（8）鉆頭的水口數(shù)量選用要少。水口數(shù)量在滿足排粉、冷卻的條件下，盡量不易過多，因水口數(shù)量太多時會將孔內(nèi)巖粉沖刷干凈，不利于孔內(nèi)適量的巖粉磨損鉆頭胎體，抑制了工作層中金剛石的出露，影響鉆進效率。（9）鉆頭在下鉆時進行預(yù)出刃處理。鉆頭加工完畢后，進行噴砂處理，使得表層金剛石出露，這樣鉆頭下鉆時即刻進行工作，提高鉆進效率。

3 空心階梯J空型鉆頭試驗情況及效果

3.1 各礦區(qū)巖層情況簡介

鞍山關(guān)寶山磁鐵礦區(qū)：巖石為紅褐色磁鐵礦，堅硬致密，脆性較大，可鉆性達9～10級。

北京金泰在河南洛寧礦區(qū)所鉆巖層為：堅硬致密英安巖、斑狀結(jié)構(gòu)、紫灰紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為長石和石英，石英含量較高，巖石硬度較大，蝕變主要為硅化、鉀化，局部可見石英細脈、黃鐵礦化，晶形較好，研磨性較弱，可鉆性9～10級浙江華東院在安徽績溪水電工程所鉆巖層為：堅硬致密花崗巖，巖石為混合花崗巖，主要礦物為石英、鉀長石、黑云母。石英含量大于45%，中細粒花崗巖變晶結(jié)構(gòu)，可鉆性8～9級。遼寧海城析目礦區(qū)，所鉆巖層為：以細粒似斑狀花崗巖、中粗粒似斑狀花崗巖、細粒花崗巖為主。其主要礦物成分有石英、正長石、斜長石、云母。石英含量為25～35%，中等研磨性，可鉆性8～9級。

3.2 鉆頭試驗情況及效果

在上述四個礦區(qū)先后投入了140個Y76.5S梯齒型、齒輪型、鋸齒型鉆頭和52個Y76.5SJ空型鉆頭，為了具有良好的可比性，將Y76.5SJ空型鉆頭和Y76.5S梯齒型、齒輪型、鋸齒型鉆頭所采取的制作工藝（如所用金剛石品級、粒度、濃度、胎體配方、水口數(shù)量、燒結(jié)工藝等）完全相同，只是鉆頭的唇面形狀不同，來進行比較。52個Y76.5SJ空型鉆頭總進尺為1180米，鉆頭平均壽命為22.7米，鉆頭平均時效為1.93米/小時，平均每米鉆頭費用為16.74元/米。140個Y76.5S其它形狀的鉆頭總進尺為2023米，鉆頭平均壽命為14.45米，鉆頭平均時效為1.55米/小時，平均每米鉆頭費用為22.14元/米。由此可見，不同唇面形狀的鉆頭在其他設(shè)計參數(shù)、制造工藝、配方等完全相同的情況下，只因鉆頭唇面形狀的變化而結(jié)果卻有很大的區(qū)別，Y76.5SJ空型鉆頭平均壽命比Y76.5S其它形狀的鉆頭提高了57.1%，平均時效提高了24.5%。平均每米鉆頭費用下降24.4%。

4 空心階梯J空型鉆頭的特點

通過在上述4個礦區(qū)的鉆進試驗，J空型鉆頭顯示了以下幾個特點。

（1）壽命長。J空型鉆頭由于采取了特殊制造工藝，鉆頭唇面內(nèi)外磨損均勻，內(nèi)保徑效果好。克服了碟形變相和內(nèi)拉溝，使工作層得到充分利用，鉆頭壽命長。（2）鉆速高。J空型鉆頭唇面形狀增加了破碎巖石的自由面和鉆進時的比壓，環(huán)狀溝槽內(nèi)的巖石受擠壓振動而破碎，既能產(chǎn)生大的體積破碎，又能減少破巖所消耗的功。另外由于金剛石在唇面上分布合理，受力均勻，能保持較鋒利的出刃，因此鉆速高。而且在巖石變化不大時，鉆速又比較均勻。（3）排粉、冷卻功能好。繩索取芯鉆頭壁厚，平底、圓弧等形狀的鉆頭不利于排粉、散熱和冷卻，鉆速高就產(chǎn)生微燒現(xiàn)象，甚至燒鉆。J空型鉆頭的唇面形狀，其圓環(huán)溝槽將唇面分成兩個薄壁唇面，沖洗液能把熱量和巖粉很快帶走，另外由于金剛石出刃量大，增加了唇面與孔底、內(nèi)徑與巖心、外徑與井壁的間隙，有利于通水排粉和冷卻，減輕了金剛石和胎體的熱磨損，克服了鉆速高產(chǎn)生的微燒現(xiàn)象。（4）對巖層適應(yīng)范圍廣。各礦區(qū)一般巖層變化很大，即使在一個鉆孔巖層變化也是很頻繁的，繩索取芯鉆進，提鉆間隔較長，不可能隨著巖層變化隨時更換所需要的鉆頭，這就要求繩索取芯鉆頭對巖層要有廣泛的適應(yīng)性。J空型鉆頭就有這個特點。它不但適應(yīng)堅硬致密的弱研磨性地層，而且也適應(yīng)硬、脆、碎等中等研磨性巖層。（5）有利于防止孔斜。J空型鉆頭的唇面形狀，具有一定的導(dǎo)向性，增強了鉆頭在孔底工作的穩(wěn)定性，有利于防止孔斜，在上述4個礦區(qū)鉆進中，對于防止孔斜均取得了較好的效果。（6）節(jié)約了成本。因為J空型鉆頭，由于唇面形狀的變化，自由面增多，中間的環(huán)形溝槽被石墨取代，將減少了粉料及金剛石的用量，因此鉆頭的成本在同條件下將會下降。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述試驗，盡管各礦區(qū)不同，但所鉆巖層均為堅硬致密、弱研磨性的地層。客戶通過采用我們設(shè)計的空心階梯J空型鉆頭，目前已經(jīng)解決了鉆進時效低、鉆頭壽命短的問題。隨著空心階梯J空型鉆頭的批量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，將使繩索取芯鉆進有著更加廣泛的使用前景，給我隊的鉆探機械業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟效益。

作者簡介：溫姝靜（1968—），女，遼寧建昌人，畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院探礦工程專業(yè)，探礦工程高級工程師，研究方向：工程勘查。