淺談提高金剛石鉆頭使用壽命的措施

■林征

（廣東省核工業地質局二九三大隊廣東廣州510800）

淺談提高金剛石鉆頭使用壽命的措施

■林征

（廣東省核工業地質局二九三大隊廣東廣州510800）

金剛石鉆頭研磨性、硬度等優勢，在探礦工程技術中得到廣泛的應用，由于金剛石材料屬于稀缺資源，其自身價值又比較昂貴，因此在如何提高金剛石鉆頭的使用壽命顯得尤為重要。本文從金剛石鉆頭的種類和優勢、影響金剛石鉆頭使用壽命的因素及提高金剛石鉆頭使用壽命的具體措施三個方面進行了分析，以提高金剛石鉆頭的使用效率，延長其使用壽命。

延長壽命施工溫度硬度強緩慢鉆進

人們對金剛石的發現、探究及應用經歷了一個漫長而久遠的歷程。與其它礦物相比，金剛石的優勢是堅硬無比。從羅馬時代開始，金剛石的硬度就獲取了當時的關注。隨著科學技術的發展，金剛石鉆頭在工業上的得到的應用，作為探礦工程施工重要的角色，金剛石鉆頭的使用壽命值得探礦技術專家更深層次的探究及高度重視。

1 金剛石鉆頭的種類及其優勢

1.1 金剛石鉆頭的種類

由于工業的需要和發展，金剛石鉆頭也正處在不斷更新之中。根據金剛石包鑲形式、制造方法等不同，可分為表鑲鉆頭、孕鑲鉆頭；按制造方法不同，可分為、冷壓浸漬法（冷壓法）鉆頭、熱壓燒結法（熱壓法）鉆頭；無壓浸漬法（無壓法）鉆頭、低溫電鍍法（電鍍法）鉆頭四種。根據鉆探工程的不同地質特殊性，所選擇金剛石鉆頭的種類也不盡相同，如表鑲鉆頭，金剛石是有序的排列在鉆頭胎體之表面上，大部分表鑲鉆頭采用了天然金剛石，硬度較強，適應較特殊的地層，故價格也很昂貴，因此表鑲金剛石鉆頭并不是隨處可見，其常常用在特殊的鉆探；與之相反，孕鑲金剛石鉆頭的應用就廣泛多了，采用人造金剛石，價格便宜，更重要的是，它能適應較硬的復雜地層鉆進施工，從而更受到人們的青睞。

1.2 金剛石鉆頭的優勢

金剛石鉆頭的優點歷來被人類所看好，在鉆探工程中不可或缺的角色。

（1）鉆進效率高。由于金剛石鉆頭的設計采用了動態流場模擬技術，鉆具與孔壁的間隔小，改善了了鉆桿在孔內的穩定性，允許開高轉速，加速了巖石破碎，提高了孔底的排屑速度，提高了效率。

（2）鉆孔質量好。與鋼粒鉆進相比，小口徑金剛石鉆進大多數采用雙管鉆進，孔徑小、巖礦心完整、光滑清潔，采取率高（90%）以上；鉆具穩定性較好，鉆桿柱與巖心管不易發生彎曲，確保鉆孔偏斜度質量。

（3）孔內事故少、勞動強度低；其一：由于孔徑小、孔內的穩定性好，轉速快、孔內排粉干凈；其二：鉆探設備和管材輕，操作方便、搬遷運輸輕便、簡化省力、孔內事故少、勞動強度低。

（4）成本低、應用范圍廣；鉆進效率高、孔內事故少、勞動強度低、成本低；適應施工任意角度鉆孔、孔徑孔深不受限制等等。

2 影響金剛石鉆頭使用壽命的因素

金剛石鉆頭的工作原理。由于金剛石鉆頭在鉆進過程中，不僅承受著軸向壓力，同時也要承受切線方向的回轉力，正如我們所知道的那樣，金剛石的抗壓強度為150~200kgf/m㎡,而其抗彎強度僅僅為21~49kgf/m㎡,也就是說,金剛石的抗彎能力遠不如抗壓能力。因此，金剛石鉆頭在鉆進過程中極易發生撞擊脆性碎裂。金剛石鉆頭的工作原理可如圖所示：

圖1

圖1顯示了金剛石鉆頭在工作中所受的力，通過圖1，可以得出下表：

表1

由上圖可知，當P值減小時，金剛石鉆頭所發生脆性碎裂的可能性也隨之降低。總體來說，p=p1+py*f，那么如果f（摩擦系數）減小，金剛石鉆頭的耐磨性也會增強。

（1）金剛石鉆頭制造工藝影響；所采用金剛石質量、強度以及制作過程中金剛石的預處理、燒結溫度、熱壓工藝等等。

（2）金剛石鉆頭合理選擇及使用影響；金剛石鉆頭的使用范圍雖然很廣，但對于巖層來說有一個適應性。因此，為了發揮金剛石鉆頭的最優效果，鉆頭制造廠商常設計加工多種類型金剛石鉆頭，以滿足鉆進各種巖層的需要，達到高效、長壽和低耗，從而降低鉆探生產成本。

（3）金剛石鉆進技術規程影響；評定金剛石鉆進技術規程是否合理，主要取決于鉆速、鉆頭進尺和單位進尺金剛石的消耗量（克拉／米）三個方面指標。

3 提高金剛石鉆頭使用壽命的具體措施

金剛石鉆頭質量及其使用壽命，很大程度上取決于制作所采用金剛石質量、強度以及鉆進技術規程；而如何評定一個金剛石鉆頭使用達到高效、長壽和低耗，降低鉆探生產成本，是鉆探工程需要共同研究解決的技術問題。

3.1 金剛石鉆頭制造工藝

一個金剛石鉆頭質量及其使用壽命，很大程度上取決于制作所采用金剛石質量、強度、預處理、燒結溫度、熱壓工藝等等。

（1）采用高質量高強度的人造金剛石制作工藝，能進一步提高人造金剛石鉆頭強度及使用壽命。

（2）金剛石在使用之前，必須按照鉆探要求進行挑選，然后按鉆進地層巖石、鉆頭類型和鑲嵌部位合理選用；對部分不規則、有銳利棱角的等金剛石必須經過預處理才能使用，如：氧化處理、圓化處理、熱處理等。

（3）影響鉆頭制作胎體性能的因素；主要是改善熱壓工藝、降低燒結溫度，提高金剛石鉆頭制作過程中質量。

3.2 金剛石制作原料選擇

制作原料的選取，必須達到四個方面要求：一是硬度極高；由于金剛石晶格是正四面體，且碳原子相互用共價鍵連接，吸引力大，這就決定了金剛石的硬度極高是目前所知礦物中硬度值最大的一種。二是導熱性高，其導熱率高達（0.35卡／cm·秒·度），故有良好的導熱性，即容易吸收熱，也容易散發熱，其導熱率是硬質合金的7倍，這對應用于鉆探鉆頭很重要。三是熱穩定性；是指在高溫下性能是否穩定，金剛石的熱穩定性較差，當1000℃時金剛石完全消失，所以制作工藝上必須特別注意控制燒結溫度，鉆進過程中也應特別注意冷卻金剛石鉆頭。四是耐磨性強；由于彈性模量極大（90000㎏／m㎡），超過自然界所有礦物和主要磨削材料。在空氣中與金屬的摩擦系數＜0.1。所以具有極高的耐磨性，為金剛石鉆頭加工及應用提供了優越條件。

3.3 金剛石鉆頭的選擇及使用

金剛石鉆頭的使用范圍雖然很廣，但在實際應用及選擇過程中，如果不合理、不按規程規范進行使用，質量再好、造價再昂貴，都無法達到高效、長壽、低耗以及降低鉆探施工成本；

金剛石鉆頭的選擇及使用，主要包括鉆頭鑲嵌類型、胎體性能、金剛石的質量、粒度和濃度、鉆頭的其它結構特征，如水口形狀、數量和大小，底唇形狀等。

（1）金剛石鉆頭的選擇原則；

①軟的、中硬和完整均質的硬巖層一般宜用表鑲鉆頭；硬的、堅硬的和破碎的、軟硬不均的、裂隙性巖宜用孕鑲鉆頭。

②巖層研磨性越強、越硬，選用的金剛石粒度應越細，金剛石品級應越好。高研磨性巖層和特硬巖層均宜用孕鑲鉆頭。

③胎體硬度應根據巖層研磨性、破碎程度、硬度、顆粒度等因素選擇，主要因素為巖層研磨性和破碎程度。通常情況下巖層研磨性強、破碎程度厲害、較軟、顆粒度粗的選用鉆頭胎體應硬，反之，應偏軟。如“打滑”地層。

（2）金剛石鉆頭的使用技術參數；

金剛石鉆頭的使用鉆進技術，除了正確選擇鉆頭以及鉆具合理配置外，金剛石鉆進效率及鉆頭的磨耗，更重要是取決于鉆進規程參數、鉆壓、鉆頭轉速和沖洗液量。

①鉆頭排隊使用；應根據鉆孔結構和巖石性質，考慮可能需要使用的鉆頭數量，把鉆頭進行排隊使用。用游標卡尺精確測量鉆頭的內外徑和胎體高度，并記在鉆頭卡片上。按外徑和內徑尺寸分組排隊使用，先用外徑大的，內徑小的原則，可減少鉆頭磨損和擴孔工作量，避免堵心。

②與鉆具某些部件的合理配合；根據規程規范要求做好鉆具組配時應注意的幾個方面配合關系，正確選擇鉆桿外徑、擴孔器外徑和卡簧內徑，配合尺寸選擇恰當，就能大大提高鉆頭使用壽命。

③注意選擇最優的鉆進技術參數；鉆進規程、鉆壓、鉆頭轉速和沖洗液量、泵壓以及泥漿性能等參數，采用有效的防振減振措施，遵循操作規范等等，才能提高鉆頭使用壽命，合理使用鉆頭的重要內容。

④控制合理的時效；根據我國目前鉆進條件和鉆頭質量水平，一般建議時效不要超過3米／時。時效過高，影響鉆頭壽命，甚至會引起燒鉆。但影響時效的因素較多，各地可根據具體巖層性質和實際經驗，確定合理的時效。

⑤不盲目追求鉆頭進尺；金剛石鉆頭一經投入使用，就應力求多打進尺，但不應盲目追求鉆頭進尺。例如已發現鉆頭過度磨損或損傷，就應當停止使用。倘若再繼續使用，就會損耗較多的金剛石，雖然進尺多了一點，但成本反而高。又如為了增加鉆頭總進尺數，鉆頭在硬巖中使用后，較好的還可留著打軟巖石。

此外，金剛石鉆頭在使用過程中，要及時總結經驗，經常進行檢查，分析鉆頭磨損情況，從中找出規律性的東西以便以后選用參考。

（3）加強施工現場的專業指導；專業技術人員應收集金剛石鉆頭的使用資料，建立健全鉆頭使用檔案，并對使用效果進行詳細的分析，制定出合理的使用方式、高效的使用方法。其一下鉆前必須檢查鉆頭是否有異常、孔內是否干凈，在涂抹絲扣油之前對鉆頭絲扣接頭進行清洗，并擰緊絲扣；其二下鉆時要緩慢升降速度，以免撞擊鉆頭胎體，確保金剛石鉆頭平穩到孔底，并提離孔底20公分后方可開轉鉆進；其三鉆進過程中如遇動力機械設備、水泵水量、泵壓、孔內等發生異常情況時，應查明原因后方可繼續鉆進；其四鉆進中鉆速突然變快變慢或突然不進尺，應及時提鉆或查找原因后再繼續鉆進，否則，會造成燒鉆事故的發生和金剛石鉆頭嚴格損壞；其五提鉆后要認真檢查鉆頭磨耗情況，特別要檢查鉆頭底唇面的磨損情況，從而判斷、確定你所選擇的鉆進技術參數是否合理。

3.4 先進技術的發明和引入

科技的發展帶動了金剛石鉆頭的發展和應用。但是，在金剛石鉆頭的使用過程中，仍然有一些問題值得我們的探討。為了延長金剛石鉆頭的使用壽命，我們應不斷地發明和引入更先進的技術，包括制造技術、使用技術和保養技術等等。過去我們使用的液體潤滑劑有著種種缺陷，已經不能滿足當前的需要，如今引用的固體潤滑劑則解決了一些難題，不僅減少了摩擦，而且降低了工作溫度，使得金剛石鉆頭的壽命得到了提高。

4 結語

自金剛石鉆頭誕生以來，人們青睞于它的效率高、壽命長，然而，能否真正的實現它的價值，提高它的工作效率，延長它的使用壽命，是由種種內外因所共同決定和影響的。為了提高金剛石鉆頭的使用壽命，還需要我們更多的努力和探究。

[1]魏蒙.高效排屑換熱的多層釬焊金剛石薄壁小孔鉆的研究 [D].南京：南京航空航天大學研究所，2013.

[2]劉顯峰.有色金屬金剛石繩索取芯鉆進工藝分析 [J].黑龍江科學，2014（3）.

[3]劉奉豹.釬焊金剛石鉆頭實驗與脫模裝置設計研究 [D].北京:中國地質大學，2014.

[4]姜義軍，王文龍.SY系列深孔硬巖孕鑲金剛石鉆頭的研究與應用 [J].探礦工程，2015（06）.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-475-2