混凝土鉆進中熱壓孕鑲金剛石鉆頭磨損研究

李素萍 何燁 杜思蓮

【摘? 要】論文根據現場熱壓孕鑲金剛石鉆頭的磨損特征，將鉆頭非正常磨損分為10類，對鉆頭磨損的原因進行分析并對各個磨損形態的數量進行統計，最后分別從鉆進參數方面、鉆進沖洗液、鉆進工藝、人員管理、鉆頭選用方面提出了5點措施來減少鉆頭非正常磨損，具有一定的技術推廣價值。

【Abstract】According to the wear characteristics of hot-pressed impregnated diamond bit， the abnormal wear of drill bits is divided into ten types. This paper analyzes the causes of bit wear and counts the number of various wear forms. Finally， five measures are put forward to reduce abnormal bit wear from the aspects of drilling parameters， drilling flushing fluid， drilling technology， personnel management and bit selection， which has a certain technical popularization value.

【關鍵詞】孕鑲金剛石;鉆頭;防滲墻;灌漿;磨損

【Keywords】impregnated diamond; drill bits; diaphragm wall; grouting; wear

【中圖分類號】TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）12-0176-03

1 現場綜述

安谷水電站工程開發任務為發電、防洪、航運、灌溉和供水等。本電站采用混合式開發方式，水庫正常蓄水位398.00m，總庫容約6330萬立方米，電站裝機共5臺，其中大機組容量4×190MW，設計引用流量2576m3/s，小機組容量1×12MW，設計引用流量64.9m3/s。泊灘堰取水閘與船閘上引航道外導墻連接段心墻約211.31m，上部采用防滲墻防滲，墻下采用單排帷幕灌漿防滲，孔距為1.5m。熱壓孕鑲金剛石鉆頭的磨損主要發生在鉆進塑性混凝土防滲墻（防滲墻不承重），防滲墻平均墻厚為26.7m，鉆井液采用清水，鉆進過程中不要求取芯率。現場在鉆進混凝土防滲墻的過程中金剛石鉆頭出現大量磨損，對施工影響非常大，所以亟需對磨損進行分析，調整工藝參數，延長鉆頭壽命。

1.1 孕鑲金剛石鉆頭特性

孕鑲金剛石鉆頭現在普遍應用于鉆探生產中，具有抗壓能力大、抗磨能力強、抗沖擊能力較好、價格較低、工業制造過程簡單等特點。孕鑲金剛石鉆頭就是把較細的金剛石均勻地分布到鉆頭胎體中，這種鉆頭配有不同硬度的胎體，可以鉆進各種硬度的巖石，特別是鉆進中等硬度以上的巖石，鉆進效率高、成本低、巖芯采取率高、鉆孔彎曲度小，能鉆進任何傾角的鉆孔。孕鑲金剛石鉆頭的結構參數較為復雜，選擇時應根據所鉆巖層性質考慮金剛石品級、胎體性能、保證胎體自銳、唇面形狀、內外徑補強和水路設計等因素。

1.2 防滲墻特性

安谷水電站泊灘堰取水閘與船閘上引航道外導墻連接段采用塑性混凝土防滲墻，防滲墻混凝土配比如表1所示。

2 金剛石鉆頭磨損特征分析

熱壓孕鑲金剛石鉆頭在防滲墻下的基巖鉆孔的磨損很少，都屬于正常磨損，故本文不對基巖鉆進時的鉆頭磨損作分析，只對混凝土防滲墻鉆進時的鉆頭磨損作分析。下面將對鉆頭的磨損表現形態、外形特征及原因進行分析。

2.1 孕鑲金剛石鉆頭的正常磨損

①孕鑲鉆頭胎體高度和內外徑表面均勻磨損，金剛石出露情況良好。孕鑲鉆頭正常磨損的標志是：內外徑和工作層磨耗均勻，胎體內外徑磨耗不超過0.02mm/m，工作層的磨耗不超過0.1mm/m;底唇面由平面變成圓弧形并磨成輕微的“蝌蚪狀”，如圖1所示。②金剛石層充分磨完（在整個金剛石層磨損量與鉆頭累計進尺的關系曲線上不出現爆發性磨損）內外徑磨損不超過0.4～0.6mm。

2.2 孕鑲金剛石鉆頭的非正常磨損

鉆頭的非正常磨損大致有如下幾種形式：

①燒鉆。在鉆進中孔底供水不足或鉆具漏水，致使孔底鉆頭處中斷或缺乏水流，鉆頭高速旋轉與巖石摩擦發熱，得不到及時冷卻，溫度急劇升高，使金剛石鉆頭過熱燒毀，嚴重時甚至造成鉆頭胎體的金屬熔融與孔壁燒結成一體[1]。

原因：燒鉆事故多發生于比較軟的地層中，尤其容易發生在由硬巖層進入軟巖層以后。因進度由慢轉快，但忽略了要同時加大給水壓力及給水量，由于給水量小不能將巖粉排出，孔底巖粉越聚越多，循環條件越來越壞，漸漸地水壓就頂不動巖粉。繼之，沖洗液停止循環，粗徑鉆具周圍巖粉經鉆磨變為糊狀，鉆具與孔底摩擦所產生的熱不能及時地被冷卻散掉，孔底溫度不斷升高，仍繼續鉆進，越在下面的鉆具，離水越遠，泥糊越稠。最后，完全成為干鉆。摩擦力越來越大，將鉆具塞死在孔底，當時孔底高熱，于是粗徑鉆具與地層牢牢地燒結在一起。

為了防止燒結事故發生，應經常檢查水泵，保持良好的工作性能;鉆進時，要經常觀察回水、流量表壓力表的變化，保證沖洗液暢通，孔底清潔。

②外臺階或錐形。鉆頭磨損的外臺階成階梯形，相鄰臺階的高度差為1～2mm，臺面寬為2～4mm，臺階面不是水平面，呈一定的角度傾斜，傾斜階段在4°～9°，臺階的外緣磨損快于內緣（外徑線速度快于內徑），臺階的次數一般為兩級[2]，如圖2所示。

磨損成錐形鉆頭的角度一般在8°～15°，錐尖處的臺階面寬度為1～2mm，如圖3所示。

原因： 第一，人為因素，鉆頭制造過程中，鉆頭底唇外徑部分鑲焊金剛石數量或質量不夠（外徑和內徑應加強金剛石數量和質量）;第二，擴孔時易產生外臺階或錐形，如圖4所示。

③內臺階或喇叭形。鉆頭磨損的內臺階成階梯形，相鄰臺階的高度差為2～3mm，臺面寬為2～4mm，臺階一般為兩級，如圖5所示。

磨損成喇叭形鉆頭的角度一般在5°～13°，喇叭口臺面寬1～3mm，如圖6所示。

原因：第一，鉆頭頂部頭身材制造方面的原因，內徑補強不良（如金剛石數量或質量）;第二，長時間掃殘留巖芯時易造成內臺階或喇叭形，如圖7所示。

④拉槽。拉槽的鉆頭成深弧形槽，槽口最寬處為5mm，槽深不規則，深度在3～5mm，如圖8所示。

原因：主要由于孔底冷卻不良，鉆頭底面中間局部燒鉆，或者中間有雜質剛好在鉆頭中間亦或者中間部分金剛石數量或質量很少，如圖9所示。

⑤胎體掉塊。胎體掉塊是一種產生破壞鉆頭的磨損，使用胎體掉塊的鉆頭由于高速轉動容易在孔內產生振動產生孔壁垮塌等其他鉆進事故。

原因：第一，鉆頭在廠家制造過程中胎體與鋼體鑲焊不牢固，易在使用過程中發生掉塊;第二，使用過程中產生嚴重沖擊;第三，鉆頭在鉆進堅硬地層易產生振動或產生沖擊，亦或者是鉆孔中掉進堅硬雜質造成掉塊，如圖10所示。

⑥胎體裂紋。

原因：第一，廠家的制造水平有缺陷，鉆頭在制造過程中，鉆頭體內產生內應力（冷熱不均）;第二，在鉆進過程中，鉆壓過大，超過鉆頭體承載能力;第三，內外水槽過深鉆具強烈振動，使胎體產生裂紋。

⑦內外徑偏磨（形成橢圓形），如圖11所示。

原因：鉆具的同心度不同。

⑧底面偏磨。鉆頭底唇面磨成一個斜面（斜面與新鉆頭底唇面的夾角在3°～6°）。

原因：鉆進過程中壓力過大，造成鉆進彎曲或者水口與水槽規格不一致。

⑨微燒。燒鉆不嚴重，中間拉槽屬于微燒，冷卻不良造成，如圖12所示。

⑩內外徑、底端磨損嚴重（嚴重磨損，是一種責任事故）。

原因：表明孔底有金屬碎屑（或巖石硬粒）或金剛石分布不均勻或者是內外徑補強不良，如圖13所示。

3 鉆頭磨損數量統計

本工程鉆進混凝土防滲墻累計進尺1768m，磨損熱壓孕鑲金剛石鉆頭42個，具體磨損形態數量統計如表2、圖14、圖15所示。

4 綜述非正常磨損原因

鉆頭磨損的原因多種多樣，既有鉆頭制造廠家的原因，也有鉆探工人使用操作的原因（見表3）。

5 減少磨損措施

綜合分析可知，孕鑲金剛石鉆頭的磨損既有鉆頭本身質量問題，也有鉆進方法參數的不合理，同時還有操作規范的不合適。綜合上述原因提出以下幾點措施來減少鉆頭的磨損。

①鉆進參數方面：第一，選擇合適的鉆速，開孔階段采用低速檔，后面采用高速檔，使鉆頭的圓周線速度達到1.5～3.0m/s;第二，鉆壓不能太大，最大鉆壓不能超過1.5MPa，鉆壓維持在1MPa左右最好;第三，使環狀間隙內的沖洗液流速維持在0.4～0.6m/s。②鉆進沖洗液：在混凝土防滲墻鉆進階段不用清水鉆進，配制沖洗液，以提高攜帶巖粉的作用，不使鉆渣反復破碎，鉆穿防滲墻后馬上排出孔內的沖洗液，且沖洗鉆孔，破除孔壁的泥皮，在鉆進基巖時采用清水鉆進。鉆進混凝土防滲墻的沖洗液的比重控制在1.06～1.1，漏斗黏度控制在35～50s，含砂量小于5‰，pH值維持在9～10。沖洗液的處理劑用碳酸鈉、聚丙烯酰胺。③鉆進工藝：鉆進混凝土防滲墻時雖說不用取芯，但是在鉆進過程中用的取芯鉆頭，巖芯在巖芯管內反復的磨損，使鉆頭出現內臺階或喇叭形，故在鉆進過程中還是取芯但不編錄巖芯這樣就可以節約鉆進成本，又由于鉆進防滲墻屬于淺孔鉆進，取芯使用時相比不取芯多耗費10%的施工時間，超用時人工費相比鉆頭的成本來說要小。故鉆進防滲墻取芯合適[3]。④人員管理：加強工作人員鉆進操作規程，提高操作人員的技術水平，杜絕上班打懶鉆行為。⑤鉆頭選用：選用質量優良的孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度用45和52兩種。

6 結論

金剛石鉆頭在探礦和巖土施工方面使用越來越多，然而金剛石鉆頭的成本很高，如果鉆頭的磨損嚴重，將會使施工成本增加。施工現場在鉆進混凝土防滲墻的過程中孕鑲金剛石鉆頭出現大量磨損，對施工影響非常大，所以亟需對磨損進行分析，調整工藝參數，延長鉆頭壽命。所以最終對孕鑲金剛石鉆頭磨損進行研究，作為專題研究。

中南工業大學王殿江對孕鑲金剛石鉆頭胎體磨損的幾何效應作過分析，通過對孕鑲金剛石鉆頭磨損機理的研究，王殿江得出了3種磨損機制，分別是硬磨粒滿足荷載條件時發生硬磨粒鑿削式磨損;軟磨粒以及不滿足荷載條件的硬磨粒發生軟磨粒選擇式磨損;沖刷磨粒及部分不受荷載作用的軟磨粒發生磨蝕式磨損。楊俊德等對金剛石鉆頭鉆進過程中金剛石磨損規律試驗展開研究。

本文在前人的基礎上根據現場熱壓孕鑲金剛石鉆頭的磨損特征，將鉆頭非正常磨損分為10類：燒鉆;外臺階或錐形;內臺階或喇叭形;拉槽;胎體掉塊;胎體裂紋;內外徑偏磨;內外徑、底端磨損嚴重;微燒;底面偏磨。

燒鉆時鉆頭與巖石融為一體，提鉆困難。外臺階或錐形磨損特征是鉆頭外徑呈臺階或錐形狀。內臺階或喇叭形磨損特征是鉆頭內徑呈內臺階或喇叭狀。拉槽磨損的特征是鉆頭底唇面呈深弧形槽。胎體掉塊是鉆頭胎體崩落。內外徑偏磨特征是鉆頭的內徑或外徑呈不規則圓形。內外徑、底端磨損嚴重特征是鉆頭只剩鋼體沒胎體。在10類磨損中現場以內臺階或喇叭形磨損最多。

通過對鉆頭磨損的原因進行分析及各個磨損形態的數量統計，最后分別從鉆進參數方面、鉆進沖洗液、鉆進工藝、人員管理、鉆頭選用方面提出了5點措施來減少鉆頭非正常磨損，具有一定的技術推廣價值。

【參考文獻】

【1】王殿江.孕鑲金剛石鉆頭胎體磨損的幾何效應[J].地質與勘探，1993（08）：58-62.

【2】楊凱華，潘秉鎖.金剛石地質鉆頭的現狀與發展[J].超硬材料工程，2009，21（02）：40-45.

【3】楊俊德，彭振斌，陳石林，等.金剛石鉆頭鉆進過程中金剛石磨損規律試驗研究[J].礦冶工程，2003（04）：64-66+70.