賈美玲,歐陽志勇,馬秀民,邵盛元

(1.北京探礦工程研究所,北京 100083;2.河北省煤田地質局第四地質隊,河北張家口 075100;3.核工業(yè)二○三研究所,陜西咸陽 712000）

深孔鉆探金剛石鉆頭技術研究

賈美玲1,歐陽志勇1,馬秀民2,邵盛元3

(1.北京探礦工程研究所,北京 100083;2.河北省煤田地質局第四地質隊,河北張家口 075100;3.核工業(yè)二○三研究所,陜西咸陽 712000）

介紹了能大幅提高深孔鉆探效率、降低鉆探成本的金剛石鉆頭——高效長壽命金剛石鉆頭的設計制造及工程應用效果。這種鉆頭包括兩種結構形式——單水口高胎體金剛石鉆頭和雙水口高胎體金剛石鉆頭。研究設計的新型高效長壽命金剛石鉆頭在鉆速提高20%的前提下,壽命比常規(guī)鉆頭提高了200%,有效解決了深孔弱研磨性地層和強研磨性地層鉆頭壽命短的難題,取得了良好的效果。

深孔鉆探;繩索取心;長壽命金剛石鉆頭

1 概述

隨著我國礦產資源供求形式的變化,資源短缺已成為制約我國經濟發(fā)展的重要因素,國家已把資源勘探放到一個重要的戰(zhàn)略地位來考慮,固體礦產勘查工作量尤其是深部鉆探的工作量明顯增加,到目前全國超過千米的鉆孔有數(shù)百口。深部巖心鉆探的特點是施工周期長,孔壁穩(wěn)定性較差,而且隨著鉆進的延續(xù),取心及起下鉆次數(shù)增加使鉆孔穩(wěn)定性更差,極易發(fā)生孔內事故;頻繁提下鉆,會加劇鉆桿等損傷。因此,根據(jù)深部鉆探施工的條件和特點,要求回次進尺和提鉆間隔越長越好,而金剛石鉆頭做為克取巖石的專用工具,其性能的優(yōu)劣將直接影響鉆進效率、鉆孔質量和鉆探成本,在深孔、繩索取心鉆探中鉆頭所起作用尤其明顯。

針對深孔鉆進金剛石繩索取心鉆頭的關鍵技術問題,通過“863”項目和地質調查項目的立項研究,成功研制了深孔鉆進用新型高效長壽命金剛石鉆頭,延長了鉆頭在孔底的工作時間,減少了繩索取心鉆具提下鉆的次數(shù),達到了快速鉆探取樣的目的,滿足了深孔、繩索取心鉆進的要求,極大縮短了地質工作周期,同時也使我國的金剛石鉆頭技術水平上了一個新的臺階。

2 深孔鉆進金剛石鉆頭研究思路及設計方法

深孔巖心鉆探的復雜性對金剛石鉆頭性能提出了更高的要求,即金剛石鉆頭要具有高效長壽命。從鉆頭結構設計和材料研究入手,對鉆頭的切削結構及水路結構進行優(yōu)化設計,這包括鉆頭的結構形式、胎體性能、金剛石參數(shù)、水路參數(shù)設計以及相應的制造工藝研究。設計目的是使鉆頭的金剛石切削單元在一定條件下平衡工作,以防止某些部位先期損壞,最大程度的發(fā)揮鉆頭的工作能力,最終達到鉆頭的高效和長壽命。技術路線見圖1。

2.1 結構設計

圖1 高效長壽命金剛石鉆頭研究的技術路線

基于深孔鉆探的特殊性,鉆頭結構設計的出發(fā)點為使用壽命和鉆速,而把保證鉆頭壽命做為第一要素來考慮,因此設計超高金剛石工作層成為深部鉆探金剛石鉆頭的關鍵技術之一,設計金剛石工作層由常規(guī)的8～10 mm增加到14～22 mm?？紤]超高金剛石層的冷卻效果,超高胎體鉆頭水路設計有兩種形式:一是單水口高胎體(圖2）,二是雙水口高胎體(圖3）,鉆頭工作層的加高,鉆頭保徑措施也需特殊設計,達到既不影響鉆進效率,又能起到保徑功能。因此在鉆頭的結構設計中應充分考慮金剛石層的結構強度、保徑設計和水路布置。必須考慮到超高金剛石層抗沖擊性能和抗疲勞載荷性能,水口結構對金剛石層的強度的影響,水路布置上考慮沖洗液對金剛石層的冷卻能力、沖洗液在各水口處流量的分布。

圖2 單水口高胎體鉆頭

2.2 超細粉末研究

超細粉末研究,也是長壽命鉆頭的關鍵技術之一,金剛石鉆頭的質量很大程度上取決于胎體結合劑,研究超細合金粉末在胎體材料中的應用,以改善胎體材料的性能,并通過添加對金剛石潤濕性好的元素,以實現(xiàn)對金剛石良好的把持力,同時具有降低燒結溫度,能有效保持人造金剛石的熱穩(wěn)定性,胎體在燒結過程中成型性好,本身具有較好的力學性能。

圖3 雙水口高胎體鉆頭

2.3 胎體性能及金剛石參數(shù)設計

針對不同地層條件,采用偏因素試驗分析方法設計不同的鉆頭胎體性能,研究胎體的硬度與耐磨性、抗彎強度及抗沖擊韌性隨胎體成分變化的規(guī)律,在滿足胎體的硬度與耐磨性的前提下,盡可能提高胎體的抗彎強度和抗沖擊韌性,這對超高胎體鉆頭尤為重要,這是保證超高胎體鉆頭在鉆進中具有良好力學性能,鉆頭獲得高使用壽命的前提條件。良好的胎體性能通過合理的胎體成分和優(yōu)化的燒結工藝來保證;而高的鉆頭壽命還必須通過選擇合理的優(yōu)質金剛石參數(shù)來實現(xiàn)。

2.4 鉆頭制造工藝研究

超高胎體鉆頭從制造的可行性和合理性考慮,采用熱壓二次鑲嵌和無壓浸漬兩種制造方法;對浸漬金屬、胎體配方進行工藝研究試驗,通過對浸漬溫度、浸漬時間的優(yōu)選,確定最佳的燒結工藝參數(shù);對二次鑲嵌式鉆頭,通過對研制的預合金粉末的燒結溫度、燒結壓力和保溫時間的試驗,確定鉆頭的制造工藝。

3 應用

在遼寧本溪9～11級堅硬的磁鐵礦中鉆進,該新型鉆頭(圖4）與普通鉆頭相比,鉆頭機械鉆速提高20%,鉆頭壽命提高2倍(在赤鐵礦中鉆進,鉆頭平均壽命達20 m）;該礦區(qū)鉆探中,鉆頭平均壽命超過80 m(最高壽命達180 m）,加快了本溪鐵礦勘探區(qū)的鉆進效率,節(jié)省了鉆進成本,取得了良好的效果。

圖4 高胎體金剛石鉆頭

在山東乳山和招遠金礦深孔(孔深1500～2000 m）粗?；◢弾r、片麻巖等地層中鉆進,鉆頭機械鉆速2～3 m/h,鉆頭平均壽命超過90 m(最高壽命198 m）,是普通鉆頭壽命的2～3倍,極大地縮短了地質工作周期,達到了快速鉆探取樣的目的,滿足了深孔、繩索取心鉆進的要求,取得了良好的效果(圖5）。

4 結論

(1）新型長壽命金剛石鉆頭(金剛石工作層高14～22 mm）在深孔鉆探提高鉆探效率、降低鉆探成本中能發(fā)揮至關重要的作用。

(2）對于堅硬弱研磨性地層,宜選用單水口高胎體金剛石鉆頭;對于堅硬強研磨性地層,宜選用雙水口高胎體金剛石鉆頭。

圖5 雙水口高胎體金剛石鉆頭

(3）未來幾年,隨著鉆孔深度的不斷加深,金剛石鉆頭使用者將更加注重鉆頭的使用壽命和鉆速,迫使研究者開發(fā)出新的更有效的方法來優(yōu)化鉆頭設計,延長鉆頭的工作壽命和提高鉆速,隨著粉末冶金技術的發(fā)展和新材料的應用,金剛石鉆頭的工作層高度有望比常規(guī)高出1倍甚至數(shù)倍,以獲得更高的鉆頭使用壽命。

[1] 王達.深孔巖心鉆探的技術關鍵[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(S1）.

Study on D iamond Bit for Deep Hole Drilling Technology

JIA M ei-ling1,OUYANG Zhi-yong1,MA Xiu-m in2,SHAO Sheng-yuan3(1.Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083,China;2.No.4 Team,Hebei ProvincialBu-reau of Coal Geology,Zhangjiakou Hebei 075100,China;3.No.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang Shaanxi 712000,China）

This paper introduces a new kind of high-efficiency and long-life diamond bit with low-cost and substantial in-crease in deep hole drilling efficiency.The bit includes two structural styles:single-waterway and dual-waterwaywith high matrix.Under the precondition of ROP increasing by 20%,it can provide 200%service life than conventional drill bit.It gives an effective solution for the problem of short bit service life during deep hole drilling in the low or high abrasive forma-tions.

deep hole drilling;wire-line coring;long-life diamond bit

P634.4+1

:A

:1672-7428(2010）12-0071-03

2010-09-10

“863”項目“2000 m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”中的子課題“2000米深孔用高效長壽命金剛石鉆頭的研究”(項目編號: 2007AA060701）;地質調查項目“復雜地層高效鉆進技術研究”(項目編號:1212010816008）

賈美玲(1964-）,女(漢族）,內蒙古東勝人,北京探礦工程研究所教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事金剛石碎巖工具的研究與開發(fā)工作,北京市海淀區(qū)學院路29號探工樓。