新型金剛石擴孔器的研究

孫 鑫，王 迪，周東富， 馮曉明

1.吉林省地質勘探技術研究所，吉林 長春 130103；2.吉林省地勘局物業管理中心，吉林 長春 130061

0 引言

鉆探施工中，金剛石鉆頭配合擴孔器使用已經是整個鉆探工藝中最普遍的鉆進方法。由于這種方法鉆進效率高，鉆孔質量好，施工勞動強度較低，鉆探成本也較低，因此得到越來越廣泛的應用。但是隨著鉆探要求的發展，由淺入深現在是鉆探施工的常規現象，普遍的都在500～800 m或者更深1 000～2 000 m，尤其在2 000 m以上的超深孔鉆進中對鉆頭和擴孔器的性能，都有很高的要求。鉆孔直徑隨孔深增加由于鉆頭外徑磨損逐漸減小，擴孔器磨損也相當嚴重。因為擴孔器上的保徑材料聚晶只是一種耐磨材料，沒有主動克取巖石的能力，只能被動磨損，鉆頭壽命越長縮徑現象越明顯，而且一般情況下只有鉆頭完全消耗沒才提鉆，新鉆頭下孔必須掃孔，會造成鉆頭的非正常磨損，也容易發生卡鉆等事故。這是由于金剛石鉆頭外徑逐漸磨損而擴孔器卻只能被動消耗，且擴孔器靠近金剛石鉆頭的胎體部分會先被消耗，被動消耗的結果就是擴孔器的胎體部分會被消耗成為一個錐形體。當這種椎體達到一定角度時，會產生一種平衡狀態，即整個胎體的工作量基本相同。根據這種現象，本研究將擴孔器的上端與鉆頭連接的部分的胎體，直接設計成帶有角度的錐形體。在錐形體的表面上均布天然金剛石和大顆粒人造金剛石，這樣就可以利用天然金剛石和大顆粒人造金剛石修磨擴孔器大于鉆頭0.3～0.5 mm那部分孔徑巖石。因為天然金剛石和大顆粒人造金剛石克取巖石效果肯定優于聚晶，這樣既可以修磨鉆孔直徑，又可以延長擴孔器的使用壽命。既減少鉆孔縮徑的風險又可以減輕對鉆具的磨損。

1 擴孔器在鉆探施工中的作用

擴孔器在鉆探施工中的作用是：

(1)修正孔壁，讓鉆孔直徑符合設計要求。

(2)保護鉆具，防止縮徑磨損鉆具以及避免新鉆頭剛下孔需要掃空的情況。

(3)保持孔內鉆具在高速條件下的工作穩定性。

國內現階段使用的常規擴孔器，大部分采用聚晶保徑。因為聚晶本身是用金剛石微粉和融合劑在高溫、高壓條件下燒結而成的金剛石聚合物，雖然具有較高的耐磨性和熱穩定性，但是由于金剛石微粉的粒度很小，克取巖石的能力有限，只能被動消耗，不能主動地克取巖石。常規擴孔器的直徑比金剛石鉆頭直徑大0.3～0.5 mm[1]，在鉆進過程中，這0.3～0.5 mm需要擴孔器上的聚晶修磨。隨著金剛石鉆頭外徑磨損，孔徑也同步的逐漸減小，這時擴孔器修磨孔壁的負擔越來越重。這種現象，在硬巖中尤為明顯，導致擴孔器的胎體部分前端會先消耗，長時間消耗過后，擴孔器的胎體部分會成為一個帶有一定角度的錐形體，最后鉆孔直徑逐漸減小。在更換新鉆頭時，必須掃孔，一旦掃孔，勢必會影響新下孔的鉆頭的外徑和壽命，這就影響鉆進的效率和容易發生孔內事故。

2 新型擴孔器的試驗階段

2.1 擴孔器胎體材料

擴孔器胎體采用80～200目的鑄造碳化鎢和250目以細的碳化鎢作為骨架材料，用300目錳粉、300目鎳粉和2.2 μm超細鐵粉作為調節胎體性能和強度、韌性的材料，用牌號BZN15-20的鋅白銅作為黏結金屬。

2.2 胎體材料的制備

2.2.1 配料

用天平稱量胎體配方中各粉末材料的配比重量。稱量一種粉末后放入有標記的容器內，稱重完畢后認真檢查核對各種粉末材料是否有遺漏和稱重是否準確，然后認真填寫配料登記卡。

2.2.2 混料

將稱量完畢的粉末材料放入球磨混料機料筒內混料。球磨混料筒用不銹鋼制作，混料介質為硬質合金球，球和料的體積不超過混料筒容積的1/2。球料比為2∶1，球磨機的轉速為40～50 r/min，混料時間一般為24 h。球磨混料的作用是使胎體各組分在合金球臨界轉速作用下研磨、撞擊，使各組分均勻分布，又可以細化粉末顆粒，提高粉末的成型性能[2]。

2.2.3 存放

經過球磨混合后的胎體粉末要裝入容器內密封，貼上胎體配方編號和制備時間，放到 DZF-6090真空干燥箱內備用。

2.2.4 試驗結果

通過試驗(見表1)，獲得4號胎體配方符合設計要求，使擴孔器的胎體硬度達到HRC45～50度，具有較高的硬度和耐磨性，同時對天然金剛石有更好的包鑲能力和浸潤效果。

表1 擴孔器胎體配方試驗

2.3 金剛石及聚晶的選擇

2.3.1 天然金剛石的選擇

我國地質系統對天然金剛石的分級標準見表2。

表2 天然金剛石的分級標準表

天然金剛石粒度通常用粒/克拉(st/car)表示，天然金剛石粒度分級見表3。

表3 天然金剛石粒度分級表

金剛石被加熱到某溫度所發生的狀態及其力學性能變化取決于金剛石的品質及加熱時間和周圍介質[3]。表4是金剛石在不同介質條件下受熱時所發生的狀態。

表4 金剛石在不同介質條件下受熱時所發生的變化

從表4中可以看出去，金剛石在1 500 ℃時開始石墨化，到2 100 ℃時一顆0.1 ct的八面體金剛石不到3 min全部轉化為石墨。因此，對金剛石的熱穩定性進行測定是具有實際意義的[4]。

本研究天然大顆粒金剛石采用晶型完整且棱角分明，保證每粒單晶至少有1～2個良好的棱角，金剛石尺寸一般在1.5～2 mm之間的粗粒度金剛石，將這種天然金剛石均布在擴孔器上端斜面上，并讓單晶的出刃棱角向外(圖1)。

圖1 天然金剛石Fig.1 Natural diamond

2.3.2 人造金剛石的選擇

人造金剛石選擇河南黃河旋風的HSD90大顆粒金剛石，粒徑在0.25～0.4 mm之間的優質單晶，均布在下端聚晶周圍。

2.3.3 人造聚晶的選擇

人造聚晶采用鄭州三和的2×2×4型方聚晶，在每一個胎塊中放置15粒，采用3行×5粒均布放置。

2.4 擴孔器燒結方式

采用電阻爐無壓浸漬燒結方式，保溫溫度1 155 ℃[5]，采用無壓浸漬法，石墨模具，因石墨模具在燒結過程中產生二氧化碳保護氣體，可以防止粉料和金剛石氧化。保溫30 min，燒結完畢后從電阻爐中取出，放置在室內。讓其自動冷卻至室溫，然后按照標準進行機械加工。

加工的普通繩索75擴孔器的基本參數見表5，成品擴孔器見圖2。

圖2 成品擴孔器Fig.2 Finished reamer

表5 繩索75擴孔器的基本參數

新型擴孔器結構特點與普通擴孔器相比，增加了胎體上端的斜面，斜面角度α見表6，采用傾斜2°的效果最好。在原有放置聚晶的位置，改用天然金剛石。下端沒有斜度的位置采用大顆粒金剛石和聚晶混鑲。這種改變的優勢在于斜面表鑲的部分天然金剛石可以輔助鉆頭克取巖石，在沒有斜面的胎體部分，增加大顆粒金剛石再次修磨孔壁，比單聚晶修磨的效果更佳明顯。帶有2°斜面的擴孔器胎體示意圖見圖3。

表6 斜面的角度試驗

圖3 帶有2°斜面的擴孔器胎體Fig.3 Reamer matrix with 2°inclined plane

3 試驗與應用

將帶有2°斜面的天然金剛石擴孔器，在肇東黑綏地1號井油頁巖項目點的勘察施工過程中使用，創造了我局單只鉆頭進尺740 m記錄。四川四零三地質隊2019年在川藏鐵路折多山項目點、雅安項目點和會理縣拉拉大型銅礦項目中進行試用，鉆孔深度均在千米左右，與傳統擴孔器相比，鉆進效率提高15%～20%。新使用的鉆頭也不用掃孔，可以直接下到孔底。基本符合設計之初的想法。

4 結論

將擴孔器的胎體部分做成在具有一定角度的導正工作面上均勻分布天然金剛石和大顆粒人造金剛石來克取巖石、修磨孔壁，使擴孔器在鉆探施工過程中不僅起到擴孔的作用，而且還起到輔助鉆進的效果，提高了生產效率，降低鉆探成本，加快勘查速度，減少了能源消耗，社會效益顯著。