適應深孔條件的孕鑲金剛石鉆頭分析

梁振德，韋鋒

（桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西 桂林 541199）

在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，常遇到深孔硬巖地層，這類地層具有結(jié)構(gòu)破碎、硬度級別高、研磨性強等特點，導致深孔鉆探施工環(huán)節(jié)鉆頭嚴重磨損、使用壽命縮短，且鉆探效率低下。鑒于金剛石與胎體是鉆進作業(yè)環(huán)節(jié)影響孕鑲金剛石鉆頭消耗情況、使用壽命的決定因素，其改進方案的設計成為當下亟待探討的問題。

1 孕鑲金剛石鉆頭分類與磨損形態(tài)分析

1.1 孕鑲金剛石鉆頭的分類

孕鑲金剛石鉆頭的主要特征是金剛石顆粒分布在鉆頭胎體表面與內(nèi)部一定層厚中，在鉆進過程中，伴隨胎體磨損、金剛石持續(xù)出刃，完成鉆進作業(yè)。以粒度作為分類標準，可將金剛石鉆頭分為三種類型，其中粗粒鉆頭為5 ～20 粒/克拉，中粒鉆頭為20 ～40 粒/克拉，細粒鉆頭為40 ～100粒克拉，并且細粒鉆頭被最常應用于硬度大、致密地層的鉆進作業(yè)中。以胎體硬度作為分類標準，可將金剛石鉆頭劃分為五種類別，其具體分類標準如表1 所示。

表1 金剛石鉆頭胎體硬度與適應巖層狀況分析

1.2 孕鑲鉆頭磨損形態(tài)分析

鉆頭磨損形態(tài)是衡量鉆頭工作性能、鉆進效率的重要標準，當觀察到鉆頭底面呈現(xiàn)為內(nèi)、外錐形時，說明鉆進巖層有可能為破碎巖層；當鉆頭抗壓強度、抗沖擊強度、硬度、耐磨度、自刃性均不佳時，易導致鉆進環(huán)節(jié)出現(xiàn)鉆頭破裂、脫落問題；當鉆頭回轉(zhuǎn)過程中碰撞到孔壁、上下鉆具時掃脫落巖芯時，易造成胎體壓裂、脫落問題；當鉆頭冷卻不良、胎體消耗速度過快時，也易引發(fā)金剛石崩裂、脫落問題。基于此，需針對孕鑲金剛石鉆頭的選料、加工方案進行優(yōu)化設計，保障鉆頭能夠有效適應深孔條件下的鉆進作業(yè)需求。

2 適應深孔硬巖地層鉆探的孕鑲金剛石鉆頭改進設計方案探討

2.1 金剛石選取與預處理

金剛石在鉆頭鉆進過程中是用于切削的主要結(jié)構(gòu)，基于深孔硬巖地層特征、單晶抗壓強度等指標進行金剛石材料的比選，最終選取特級人造金剛石作為原材料，在700℃溫度條件下進行鍍鈦處理，起到隔氧、提高金剛石穩(wěn)定性作用，并且還能夠提高金剛石的抗彎強度、固結(jié)強度與承載能力。

金剛石的唇面出刃高度、切削深度、分布密度、與巖石接觸面積等因素均與其粒度大小存在關聯(lián)，在此選取5 類粒度存在差異的金剛石作為試驗樣本，其濃度均為85%且胎體配方、鉆孔深度均一致，將其分別燒制成鉆頭后進行鉆進試驗，獲取到的試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。通過觀察試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，伴隨金剛石粒度的減小，其耐磨性呈不斷提高趨勢，以粒度為50 ～60 目時的耐磨性為最優(yōu)數(shù)值，當粒度減小至一定限度后，將因胎體包鑲面積過小導致胎體磨損、掉粒，使得鉆頭耐磨性開始下降；同時，伴隨金剛石粒度的持續(xù)減小，其鉆速呈不斷上升趨勢，以粒度為40 ～50 目時的鉆速為最優(yōu)數(shù)值，當粒度減小至一定限度后，將因金剛石與巖石間的接觸面積過小，導致鉆速開始下降。

表2 不同粒度金剛石在鉆進試驗中的鉆頭耐磨性與鉆速數(shù)據(jù)

2.2 鉆頭胎體配方改進設計

通常在鉆進作業(yè)過程中，鉆頭將受到壓、扭、彎、沖擊作用，巖粉、碎粒研磨作用，以及沖洗液沖蝕作用，胎體的硬度、抗彎強度、耐磨性等性能將直接影響鉆頭的鉆進效率與鉆頭使用壽命，因此，需針對胎體配方進行改進設計。首先，針對胎體材料進行優(yōu)化，選取鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢作為混合骨架材料，合理調(diào)節(jié)其目數(shù)與添加比例，配合少量碳化鈦、碳化鉻等材料，有效提高胎體材料的抗磨能力與抗沖擊能力。其次，是選取特定數(shù)量、排列方式的“硬質(zhì)點”加入每個胎塊中，通過觀察加入“硬質(zhì)點”數(shù)量、調(diào)整其排列方式后對于鉆頭鉆速、耐磨性的影響可以發(fā)現(xiàn)，當加入9 個硬質(zhì)點、使其呈三層規(guī)律排列時，鉆速達到最高值3.3cm/min；當加入15 個硬質(zhì)點、使其呈三層規(guī)律排列時，耐磨性達到最優(yōu)值5.8m/mm。最后是針對骨架結(jié)構(gòu)、黏結(jié)金屬等胎體配方進行調(diào)整，其中骨架結(jié)構(gòu)材料主要為鑄造碳化鎢、碳化鎢和YG6，粘結(jié)金屬材料包含ZQSn663、Ni 和Mn，通過觀察不同配方對鉆頭胎體耐磨性影響的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，選取20%鑄造碳化鎢、10%碳化鎢、25%YG6 鈷合金粉、35%ZQSn663、5%Ni 和5%Mn作為鉆頭配方，制造出的鉆頭胎體耐磨性達到最大值5.1m/mm，以此確定鉆頭胎體的最佳配方。

2.3 燒結(jié)模具與工藝優(yōu)化

以往針對硬度較低、研磨性弱的地層開展鉆進作業(yè)時，在設計模具時，需保障燒結(jié)出的金剛石鉆頭胎體工作層的高度為10mm，但深孔硬巖地層的硬度較大、研磨性強、冷卻效果差，在鉆進環(huán)節(jié)鉆頭消耗速度約為以往的3 倍左右，因此，需針對原有模具進行改進設計，使燒結(jié)出的鉆頭胎體工作層高度達到20mm，借此方可滿足鉆探作業(yè)要求、節(jié)約生產(chǎn)成本。

在模具設計上，需選取優(yōu)質(zhì)石墨作為模具制作原料，將燒結(jié)底模加深、裝料量增大，由此設計出一套燒結(jié)特制水口塊的新模具，并且針對原有唇模形狀進行改進、增設卡槽，借此可在燒結(jié)過程中實現(xiàn)對鉆頭的二次燒結(jié)，同時，避免在燒結(jié)時出現(xiàn)漏料、滲料問題，有效增強胎體包鑲金剛石的牢固程度與燒結(jié)密實度。在工藝改進上，一方面，針對裝填工藝進行改進，采用分層裝料、分層壓平方法，借此提高混合料裝填的密實度，增強“硬質(zhì)點”的穩(wěn)定性；另一方面，需進行燒結(jié)工藝的優(yōu)化，通過添加黏結(jié)金屬降低燒結(jié)溫度，引入“二次保溫”與熱壓工藝增強胎體的耐磨性，更好地優(yōu)化金剛石鉆頭的工作性能。通過將改進設計后的孕鑲金剛石鉆頭應用于某深孔硬巖地層項目中開展試驗，試驗結(jié)果表明，鉆頭單只最高壽命達到140m，平均使用壽命大于80m，且鉆探效率得到顯著提高。

3 結(jié)語

在深孔硬巖地層鉆進施工時，常出現(xiàn)鉆頭胎體斷裂、磨損程度高等問題，對于鉆頭的工作性能提出了更高的要求。本文通過針對金剛石材料進行鍍鈦處理，調(diào)節(jié)金剛石粒度與濃度指標、控制鉆進速度，添加“硬質(zhì)點”改進胎體性能，并針對模具與燒結(jié)工藝進行優(yōu)化，有效滿足深孔條件下的鉆進需求，提升鉆探效率。