朱 英,周 原,趙憲富

(吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所,吉林長春 130103)

卵礫石地層鉆探用大直徑加強型金剛石鉆頭的研制

朱 英,周 原,趙憲富

(吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所,吉林長春 130103)

采用不同于常規(guī)金剛石鉆頭的設(shè)計理念,選用高強度金剛石及耐磨金剛石聚晶體,對普通金剛石鉆頭胎體配方進行了改進,對常規(guī)金剛石鉆頭的燒結(jié)工藝參數(shù)作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,試制出大直徑加強型金剛石鉆頭。該鉆頭在耐磨性、抗沖擊韌性及保徑等方面較常規(guī)金剛石鉆頭顯現(xiàn)出較大優(yōu)勢。在不改變常規(guī)鉆進參數(shù)的情況下,較好地解決了卵礫石、破碎地層鉆頭壽命短、鉆進速度慢、鉆頭易過早損壞等問題,可供類似的地層鉆探施工選用。

加強型金剛石鉆頭;胎體厚度;胎體工作層高度;金剛石粒度;金剛石濃度;鉆頭壽命;鉆進速度

1 概述

在地質(zhì)勘探、水利水電、橋梁道路等勘察領(lǐng)域鉆探施工中,經(jīng)常遇到卵礫石、孤石、漂石及強風(fēng)化破碎地層,該類地層一直以來是鉆探施工領(lǐng)域的一大難題,主要表現(xiàn)在:(1)鉆進速度緩慢;(2)鉆頭易損壞、鉆頭壽命短;(3)由于鉆頭內(nèi)外徑磨損嚴重,胎體內(nèi)徑多磨損成喇叭口形狀,造成取心質(zhì)量低,巖心采取率很難達到地質(zhì)要求。而一般勘察工程要求取心直徑較大,針對這種情況,研制一種解決上述難題的大直徑加強型金剛石取心鉆進用鉆頭顯得十分必要和迫切。為此,我所立項研制一種適用于該類地層鉆探施工的大直徑加強型金剛石鉆頭,以期解決鉆頭壽命短、平均時效低的難題。初步設(shè)計該鉆頭預(yù)期指標為:平均壽命22～28 m,鉆進平均時效為0.8～1.2 m。經(jīng)科研人員努力,試制出了成品鉆頭,該鉆頭在以卵礫石、孤石、漂石以及破碎地層為主的鉆探施工中使用效果良好,基本解決了多年來在該類地層中鉆頭壽命短、進尺慢的難題,加快了工程進度,取得了較好的綜合性經(jīng)濟效益。

2 卵礫石地層巖性特點

卵礫石地層多為覆蓋層,厚度一般在幾米到幾十米,有的可達百米。巖石成分復(fù)雜,粒徑變化大,從 “0.1～20 cm,還伴有 “20～100 cm的漂石、孤石。卵礫石地層的特點是松散無膠結(jié),空隙大,局部有架空層,滲透性大,漏失嚴重。其成分由火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖組成,顆粒組成無規(guī)律性,由粉細砂、中粗砂、卵礫石和大漂石、孤石等組成。由于卵礫石多為埋藏較淺的覆蓋層,大都不同程度受到風(fēng)化作用,所以質(zhì)地并不十分堅硬。

3 鉆頭受力分析

在卵礫石地層進行鉆探施工,首先遇到的問題就是無法保證正常的鉆進速度。如使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進,鉆進速度慢且鉆頭壽命極低;而用普通常規(guī)的金剛石鉆頭鉆進也存在鉆頭壽命短、鉆頭易損壞、巖心采取難等情況,一般鉆頭壽命5～8 m。

出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于鉆頭在卵礫石地層受力狀態(tài)造成的。完整地層中鉆進,鉆頭主要受垂直的軸向壓力及回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力,徑向力主要由鉆具震動產(chǎn)生,正常情況下這種徑向力不大,對鉆頭基本上不構(gòu)成損壞作用。而在卵礫石及破碎地層中鉆進則不同,鉆頭受軸向壓力和剪切力的同時,還要受到較大的徑向沖擊力。徑向沖擊力主要是由卵礫石及破碎巖塊在孔底翻滾、錯動、碰撞、擠壓等產(chǎn)生的,這種徑向力對鉆頭的破壞作用極大。用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進時,硬質(zhì)合金柱在上述幾種力的交互作用下就會崩刃、斷裂、脫落。用普通常規(guī)金剛石鉆頭鉆進,也同樣會發(fā)生鉆頭胎體出現(xiàn)裂紋、掉塊、胎體局部或整體脫落、內(nèi)徑磨損過快成喇叭口狀等現(xiàn)象。因為常規(guī)金剛石鉆頭是以中硬較完整巖石為對象設(shè)計生產(chǎn)的,不能適應(yīng)卵礫石及破碎巖層出現(xiàn)的復(fù)雜受力狀況。

加強型金剛石鉆頭由于其鉆頭設(shè)計上采用了與常規(guī)金剛石鉆頭不同的設(shè)計理念:一是在材料的選用上采用高強度金剛石并增加工作層厚度、使用加強型保徑材料;二是設(shè)計新的耐磨胎體配方;三是在制造工藝上對常規(guī)工藝加以適當(dāng)改進。因此,按上述設(shè)計生產(chǎn)出的加強型金剛石鉆頭克服了常規(guī)金剛石鉆頭的較多弱點,在卵礫石及破碎地層鉆探工程施工中顯現(xiàn)出常規(guī)金剛石鉆頭難以比擬的優(yōu)勢。

4 大直徑加強型金剛石鉆頭的設(shè)計

從提高鉆頭使用壽命和鉆進速度為出發(fā)點,鉆頭設(shè)計考慮以下幾個主要因素。

4.1 金剛石品級

4.1.1 金剛石強度

因為卵礫石地層較松散、有孔洞、卵礫較硬(堅硬的并不多),在回轉(zhuǎn)鉆進中卵礫石會對鉆頭產(chǎn)生沖擊、碰撞、徑向擠壓等作用,所以必須選擇使用耐壓強度高、耐磨性好的高強度金剛石,這樣才能滿足鉆進過程中金剛石不至于被壓裂、壓碎或過早磨耗。

4.1.2 金剛石粒度

由于卵礫石層一般埋藏較淺,多屬上部覆蓋層,一般都不同程度的受到風(fēng)化作用,所以其硬度并不是特別高,鉆頭在克取巖石時應(yīng)以切削破碎為主,故金剛石粒度不應(yīng)太小,這樣在鉆機軸心壓力作用下,金剛石顆?？蓧喝霂r石一定深度,在鉆機回轉(zhuǎn)力的作用下,金剛石如犁頭犁地一樣破碎巖石,對巖石產(chǎn)生較大的體積破碎,有利于提高機械鉆速。鑒于上述分析,選擇46目為主60目為輔兩種粒度的金剛石作為破碎巖石的材料。

4.1.3 金剛石濃度(含量)

金剛石鉆頭胎體所含的金剛石濃度是以每立方厘米體積所含金剛石質(zhì)量(以克為單位)來表示的,每立方厘米含金剛石質(zhì)量4.4 g視為100%濃度。常規(guī)金剛石鉆頭多采用75%～100%濃度,如果濃度大,就意味著鉆頭單位底唇面積上分布的金剛石質(zhì)點數(shù)量多,反之亦然。究竟采用多大金剛石濃度合適,一般視地層巖性情況決定。堅硬地層、破碎巖石應(yīng)以磨削為主,不要求金剛石壓入巖石太大深度(堅硬地層金剛石壓入巖石深度大會造成金剛石過早損壞),金剛石濃度可大一些,這樣鉆頭底唇面金剛石質(zhì)點多,可降低單個金剛石質(zhì)點的壓力,以防止大鉆壓壓碎(或壓裂)金剛石。而卵礫石并不十分堅硬,破碎巖石應(yīng)以切削產(chǎn)生體積破碎為主,這就要求金剛石質(zhì)點要壓入巖石一定深度,金剛石濃度過高鉆頭底唇面分布的金剛石質(zhì)點多反而不利于金剛石的壓入,故大直徑加強型金剛石鉆頭胎體工作層選擇80%金剛石濃度,這是考慮了巖石硬度、金剛石強度、設(shè)備加壓能力等綜合情況做出的合理選擇。

4.2 保徑材料

卵礫石地層及破碎地層鉆進時,由于礫石活動、翻滾、相互碰撞、擠壓等作用,對鉆頭胎體內(nèi)外徑磨損特別嚴重,尤其對內(nèi)徑磨損更為嚴重。普通金剛石鉆頭內(nèi)徑一般都磨損成喇叭口形狀,造成巖心采取不上來或采取率極低,滿足不了地質(zhì)要求。因此,選擇鉆頭保徑材料極為重要,加強型金剛石鉆頭把常規(guī)鉆頭保徑用的針狀硬質(zhì)合金條改為加強的金剛石聚晶體,增加聚晶體的數(shù)量,每個胎塊放置10～12粒聚晶體,保證了鉆頭胎體內(nèi)外徑不會過早磨損。

4.3 胎體配方

胎體配方是金剛石鉆頭制造的核心,根據(jù)不同地層的巖性特點,設(shè)計不同的胎體配方,是提高金剛石鉆頭整體質(zhì)量的重要途徑。在普通地層,常規(guī)金剛石鉆頭胎體硬度在 HRC30～38之間,在卵礫石及破碎地層中鉆進,這個胎體硬度就顯得較低,不耐磨,鉆頭壽命短。

針對卵礫石地層研磨性強這一特殊性,胎體配方設(shè)計必須提高耐磨性;針對鉆頭受徑向沖擊力較大等特點,胎體配方設(shè)計必須提高抗彎強度及抗沖擊韌性,在提高胎體骨架材料硬度的同時,適量加入其它耐磨材料(如細粒鑄造 WC、金剛石微粉等)以提高胎體的耐磨性。但胎體硬度不能提高太多,因為胎體硬度提高的同時,胎體脆性也同時增加,而且硬度大幅提高在鉆進時還會影響金剛石正常出露而降低鉆進速度。

控制胎體硬度在 HRC40～42之間較為適宜。另外為提高胎體抗沖擊韌性及抗彎強度,添加了微量的稀土元素。

4.4 鉆頭胎體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

胎體的扇形胎塊是用來直接克取巖石的,它的幾何形狀、尺寸直接影響著鉆頭在孔內(nèi)的受力狀態(tài),同樣關(guān)系到鉆頭使用壽命。而胎體工作層高度的高低是直接影響鉆頭使用壽命的重要因素。常規(guī)的“150 mm金剛石鉆頭胎體厚度在10 mm,扇形塊為16個,胎體工作層高度為4 mm。胎體不堅固的金剛石鉆頭在卵礫石地層中鉆進幾個回次工作層基本就消耗掉了。為了延長鉆頭的使用壽命,首先需要增加胎體的厚度。胎體厚度由原來的10 mm增加到13 mm,胎體工作層高度由原來的4 mm增加到8 mm,扇形塊數(shù)量(也就是水口數(shù)量)由原來的16個減少到12個,這樣增加胎體工作面積的同時,也加強了胎體的整體性,從而提高了胎體的耐磨性和抗沖擊性能。最后把底唇面由原來的平底型改為圓弧型,這種底唇面形狀有利于卵礫石地層鉆進時鉆頭胎體部位力的平衡與分解,克服了平底型底唇面由于邊角銳利抗沖擊性能差易掉塊的弊端。

大直徑加強型金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大直徑加強型金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)圖

5 鉆頭的制造工藝

本加強型金剛石鉆頭制造工藝從總體上與常規(guī)金剛石孕鑲鉆頭制造工藝基本一致,其工藝流程為:模具加工—剛體加工—混料—配模—模具、剛體除塵凈化—裝料—燒結(jié)—保溫—冷卻—退?！嚳邸蚰ニ?、水槽—外觀修整。但為使鉆頭達到設(shè)計參數(shù),對其中幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)參數(shù)做了相應(yīng)的調(diào)整。

5.1 混料

胎體配方是由骨架金屬、粘結(jié)金屬和改善胎體性能金屬這三大類金屬粉末組成。由于金屬粉末生產(chǎn)廠家不同,生產(chǎn)工藝不同,所以粉末的粒度、純度也不盡一致,尤其粒度差異較大?；炝系哪康木褪羌毣w粒,將金屬粉料均勻混合,使三大類金屬粉末按所占比例相互滲透、相互包容、減少孔隙、排出空氣。使用三維立體混料機混料時間≮24 h。為了減少粉料中的雜質(zhì),混料球采用與胎體成分相同的合金球。

5.2 組裝

鉆頭組裝是根據(jù)設(shè)計鉆頭的技術(shù)參數(shù),把金剛石胎體材料、保徑材料及金剛石按技術(shù)要求,分工序、分步驟組裝到石墨模具中。組裝是鉆頭生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),是鉆頭質(zhì)量的保證。首先必須嚴格對模具、鋼體進行嚴格的除塵、除銹、除油凈化處理,然后進行金剛石的精確稱量并與胎體工作層粉料均勻攪拌,最后將不同的粉料均勻填入模具中不同位置(并注意填裝工作層料時采用特殊的操作方法,以免發(fā)生金剛石分選而造成金剛石分布不均)。壓實后垂直將鋼體放入模具中。

5.3 燒結(jié)

5.3.1 燒結(jié)溫度和壓力

考慮到鉆頭在卵礫石地層鉆進的受力特點,適當(dāng)?shù)奶岣咩@頭的燒結(jié)溫度和壓力,其目的是提高胎體的壓實密度,這樣胎體與剛體的結(jié)合更為牢固,避免胎體掉塊或脫落。燒結(jié)溫度提高到1020℃,以加強胎體各組分的互相浸潤、滲透。

5.3.2 保溫

保溫時間延長到10 min,以防止降溫速度過快造成胎體局部出現(xiàn)微小裂紋(肉眼觀察不到),壓力增加到5 MPa,保溫溫度為800℃,取出后填埋在保溫材料中,自然緩慢冷卻至室溫。

6 野外生產(chǎn)試驗

6.1 試驗地層巖性

按上述設(shè)計生產(chǎn)出8只 “150 mm加強型金剛石鉆頭,在黑龍江省磨盤山水庫和齊齊哈爾罕達罕礦區(qū)2個鉆探施工工地進行了生產(chǎn)試驗。

磨盤山水庫鉆孔分布在河床兩側(cè),設(shè)計鉆孔深度為18～36 m,終孔直徑為150 mm,全部為直孔。地層巖性為:表層少許砂土(0.3～0.6 m)外,以下是卵礫石,平均厚度21 m,最大厚度達33 m。礫徑多為1～30 cm,含漂石、孤石,孤石直徑可達1 m以上。

齊齊哈爾罕達罕礦區(qū)巖性為花崗巖,上部極其破碎。

鉆頭在2個工地使用效果良好,表現(xiàn)出較常規(guī)鉆頭獨有的特性。

6.2 磨盤山水庫工地試驗用鉆探設(shè)備

鉆頭試驗不是單純?yōu)樵囼灦囼?而是結(jié)合生產(chǎn)進行試驗,以期解決鉆探施工中存在的鉆進速度慢、鉆頭壽命短等實質(zhì)性問題。鉆探設(shè)備采用:XY-2PC型巖心鉆機,其轉(zhuǎn)速范圍為 164、344、587、1190 r/min;BW-250型泥漿泵;“146 mm單管取心鉆具2套;配用試制生產(chǎn)的 “150 mm加強型金剛石取心鉆頭;“50 mm鉆桿 60 m;“168 mm套管、其他送水管線及輔助工具等。

6.3 鉆進參數(shù)

6.3.1 鉆壓

由于鉆孔直徑較大,為保證鉆頭底唇面單位面積上有足夠的壓力,需施加較大的鉆壓。而鉆機質(zhì)量較輕(質(zhì)量650 kg),所以鉆進時需加配重,以保證有效施加鉆壓。根據(jù)鉆機配重及動力情況(動力機為17kW電動機),施加鉆壓為10～13 kN。

6.3.2 轉(zhuǎn)速

本次生產(chǎn)試驗采用轉(zhuǎn)數(shù)為164、344 r/min。

6.3.3 泵量

卵礫石地層鉆孔護壁較為困難,為減少沖洗液上返流速過大對卵礫石層孔壁的沖刷作用,本次試驗一律采用泵量為90 L/min。按此泵量計算,沖洗液在環(huán)狀間隙上返流速為:

式中:V—上返流速;Q—泵量;A—鉆孔環(huán)狀面積。

計算得V=0.96 m/s。如果此泵量不能滿足懸浮和攜帶巖粉需要,則靠增加沖洗液密度或加入植物膠和PHP等高分子聚合物等手段來提高沖洗液攜帶巖粉能力,不宜再增加泵量。

6.4 沖洗液

磨盤山水庫工地卵礫石層存在漏失,如果不加以解決,沖洗液上返流速小,不能有效攜帶巖粉,會造成在孔底堆積,對鉆頭造成非正常磨損,影響試驗數(shù)據(jù)的真實性,因此對沖洗液性能要求除滿足保護孔壁穩(wěn)定外,還要求能有效攜帶巖粉。

沖洗液配方:膨潤土50 kg,SD-1植物膠25 kg,CMC 1 kg,PHP 1 kg,普通硅酸鹽水泥30 kg(以上均為1 m3體積加量),如此配制出的泥漿滿足了保護孔壁穩(wěn)定和有效攜帶巖粉的需要。

6.5 試驗效果

6.5.1 磨盤山水庫工地試驗效果

在該工地,常規(guī) “150 mm金剛石鉆頭壽命最高12.6 m,平均壽命為8.7 m,鉆進平均時效為0.62 m,加強型 “150 mm金剛石鉆頭壽命最高達到32.2 m,平均壽命26.4 m,平均時效0.84 m。

6.5.2 在罕達罕礦區(qū)試驗效果

在罕達罕礦區(qū),試驗設(shè)備、參數(shù)及沖洗液同磨盤山水庫工地。由于花崗巖破碎較硬,常規(guī) “150 mm金剛石鉆頭進尺8～10 m后水口就出現(xiàn)裂紋,胎體磨成喇叭口狀,巖心采取率達不到地質(zhì)要求。改用加強型 “150 mm金剛石鉆頭后平均壽命達到24.6 m,最高壽命達到35.3 m,平均時效達到0.96 m。由于鉆頭保徑好,內(nèi)徑?jīng)]有磨損成喇叭口形狀,巖心采取率高,滿足了地質(zhì)要求,保證了快速穿過破碎層,加快了工程進度,受到了施工方的好評。

7 試驗結(jié)論

通過2個鉆探工地的對比性試驗看出,加強型金剛石鉆頭在壽命和平均時效2個方面均超過了常規(guī)金剛石鉆頭,達到了預(yù)期的設(shè)計指標。但鉆進速度的提高幅度,遠不及壽命提高幅度大。要想獲得高的鉆進速度,鉆頭胎體就不能太硬。鉆頭壽命與鉆進速度始終是一對矛盾,這也正是目前金剛石鉆頭制造和研究領(lǐng)域需要繼續(xù)深入研究解決的課題。

該鉆頭適用于地質(zhì)、水利水電、公路、鐵路勘察、礦山及煤田等領(lǐng)域的鉆探施工,但不適用于完整堅硬或弱研磨性地層,由于硬度較高會出現(xiàn)金剛石出露難不進尺現(xiàn)象,使用時應(yīng)根據(jù)地層巖性特點加以選擇。

8 結(jié)語

大直徑加強型金剛石鉆頭,以其獨特的胎體配方和設(shè)計結(jié)構(gòu),克服了在卵礫石、孤石、漂石或破碎較硬等地層鉆頭壽命短和鉆進效率低、巖心采取率低等難題,雖然鉆頭制造成本有所增加,但壽命長、進尺相對較快,同時保證了取心質(zhì)量,縮短了工期,加快了工程進度,產(chǎn)生了明顯的綜合經(jīng)濟效益,受到了施工單位的好評。

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Development of Large Diameter Reinforced Diamond Bit for Drilling in G ravel Strata

Z HU Ying,Z HOU Yuan,Z HAO Xian-f u(Jilin Provincial Institute of Geo-exploration Techniques,Changchun Jilin 130103,China)

With different design idea,improvement was made on matrix formula of traditional diamond bit by selec-ting high strength diamond and wear-resistance diamond polycrystalline and adjustment was made on the sintering parameters of traditional diamond bit.A large diameter reinforced diamond bit was developed,which has advantages over traditional diamond bit in wearing2resistance,anti2impact toughness and bit diameter retention.The bit service life in gravel and broken formations and drilling rate were improved with no changes of traditional drilling parame- ters.

reinforced diamond bit;matrix thickness;matrix working layer height;diamond size;diamond concen-tration;bit service life;drilling rate

P634.4+1

A

1672-7428(2011)08-0068-04

2011-04- 25;

2011-06-27

朱英(1969-),女(漢族),吉林長春人,吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所工程師,鉆探機械專業(yè),從事金剛石鉆頭研究、制造工作,吉林省長春市高新區(qū)暢達路799號,zhuying19691222@163.com;周原(1984-),男(漢族),吉林長春人,吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所助理工程師,機械自動化專業(yè),從事金剛石鉆頭制造工作;趙憲富(1957-),男(漢族),吉林長春人,吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事巖心鉆探技術(shù)研究、施工及金剛石鉆頭研究工作。