高曉亮，陳洪巖，張朋

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

0 引言

鉆探施工在煤礦井下主要應(yīng)用于瓦斯抽采、探放水、地層構(gòu)造預(yù)判等方面，是煤礦開采過程中比較重要的輔助措施。隨著煤炭的逐年消耗，開采難度逐漸加大，煤礦井下鉆探施工也日趨多樣化、復(fù)雜化［1］。鉆進(jìn)的地層也由軟到中硬地層擴(kuò)展到堅(jiān)硬巖層，這就對(duì)煤礦鉆進(jìn)用鉆頭提出了新的要求。

目前煤礦瓦斯抽采孔鉆探施工，還是以普通PDC鉆頭為主，但普通PDC鉆頭在硬巖鉆進(jìn)中的鉆進(jìn)效率低下，甚至難以取得進(jìn)尺，鉆頭壽命較低，這直接對(duì)煤礦井下鉆探施工造成了極大困難，從而增加了煤礦開采的輔助作業(yè)時(shí)間，降低了煤礦的開采速率。

本文旨在分析國內(nèi)外硬巖鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦鉆探施工對(duì)金剛石鉆頭的要求，以及井下現(xiàn)有金剛石鉆頭的使用情況，對(duì)煤礦硬巖鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的選用及設(shè)計(jì)方向提出合理建議。

1 國內(nèi)外硬巖鉆進(jìn)金剛石鉆頭研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外在針對(duì)深部地層鉆井中的硬地層、強(qiáng)研磨性地層以及難鉆不均質(zhì)地層等的鉆頭技術(shù)方面開展了大量研究，也取得了不少成績。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

以休斯克里斯坦森公司為代表的一些公司，在鉆頭的改進(jìn)和開發(fā)方面做了大量的工作，研制了高性能切削齒，推出了混合式鉆頭、抗振鉆頭、快速硬地層鉆頭、雙切削結(jié)構(gòu)鉆頭、新型孕鑲金剛石鉆頭等［2］。近年來的研究和應(yīng)用成果主要包括：

（1）新型高性能PDC齒。

從2003年開始，以休斯公司為主的美國鉆頭制造商先后推出了性能優(yōu)異的新型PDC齒，這其中包括休斯公司的Zenith（Z）齒和Genesis定制齒。Smith公司的ONYX齒。以及Reed-Hycalog公司的Raptor（r）Thermostable切削齒等。

圖1 休斯公司定制的新型復(fù)合片

這些新的PDC齒在耐磨性、耐沖擊性以及熱穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于原有產(chǎn)品，因此使得PDC鉆頭適應(yīng)硬地層、研磨性地層以及難鉆不均質(zhì)地層的能力明顯增強(qiáng)。

（2）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及布齒優(yōu)化。有了新一代專利PDC齒技術(shù)以及先進(jìn)鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐，國外企業(yè)先后推出了用于對(duì)付惡劣或難鉆地層的PDC鉆頭［3］。這些鉆頭技術(shù)包括：休斯公司的Genesis XT系列；哈里伯頓公司的HyperCut系列；Reed-Hycalog公司的TransFormation系列以及Smith公司的SHARC系列（圖2）。

圖2 Smith公司的Sharc系列鉆頭

這些鉆頭能在硬巖中保持高效的鋒利切削邊緣，且更加堅(jiān)固，更加耐磨。并且降低了在復(fù)雜地層作業(yè)時(shí)的振動(dòng)，減少?zèng)_擊荷載?？稍谲浻步惶娴貙尤〉幂^高的機(jī)械鉆速。這些技術(shù)代表了目前世界PDC鉆頭技術(shù)的最高水平。

（3）金剛石強(qiáng)化孕鑲齒鉆頭

這種鉆頭的切削齒是在硬質(zhì)合金柱齒上粘結(jié)3層聚晶金剛石復(fù)合層，從而使切削齒同時(shí)具有金剛石的高耐磨性和硬質(zhì)合金的高抗沖擊性能，能以磨削和沖擊的方式有效地鉆進(jìn)硬地層和研磨地層。

（4）復(fù)合PDC鉆頭

為了發(fā)揮牙輪鉆頭和PDC的優(yōu)點(diǎn)，貝克休斯公司最近開發(fā)出集成了牙輪和PDC鉆頭的新一代的復(fù)合鉆頭（如圖3所示）。該鉆頭副刀翼的位置則被短尺寸的牙輪所替代。這樣，井眼的中心位置是由位于主刀翼上的PDC切削齒完成破巖的，而井眼外圍部分的鉆進(jìn)由牙輪和刀翼上的切削齒共同完成［4］。

圖3 牙輪PDC復(fù)合鉆頭

（5）新一代孕鑲鉆頭。

產(chǎn)品包括：休斯公司的 Hedge-Hog系列（圖4）；哈里伯頓公司的Ti3000系列。Reed-Hycalo公司的Dura-Diamond系列；Smith公司的Kinetic系列。這些新型孕鑲鉆頭提升了在軟硬交錯(cuò)地層中的鉆井性能等級(jí)。并具備優(yōu)化的水力設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的機(jī)體材質(zhì)拓寬了孕鑲鉆頭的工作范圍［3］。

圖4 休斯公司的Hedge系列

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)很多研究單位對(duì)硬巖鉆進(jìn)用金剛石鉆頭做了相應(yīng)的研究：

（1）金剛石復(fù)合片與硬質(zhì)合金、TSP混合型鉆頭

針對(duì)含有礫石和軟硬交錯(cuò)地層的特點(diǎn)，提出了混合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖5為一種適合多硬夾層地層的金剛石鉆頭。這種金剛石鉆頭以金剛石復(fù)合片作為主切削齒，以熱穩(wěn)定聚晶金剛石作為輔助切削齒，可鉆中硬～硬和有硬巖夾層的地層。在相同的條件下，該鉆頭性能優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭。大大提高了金剛石鉆頭的應(yīng)用范圍［4］。

圖5 TSP、PDC混合鉆頭圖

（2）新型金剛石復(fù)合片。

吉林大學(xué)研制了一種仿生非光滑聚晶金剛石復(fù)合片，如圖6所示，其在聚晶金剛石層表面形成有凸包形或凹坑形仿生非光滑形態(tài)，凸包形或凹坑形仿生非光滑形態(tài)以一定大小、間距和規(guī)律排布；該復(fù)合片具有壽命長、鉆速高、能耗低、防粘能力強(qiáng)等特點(diǎn)［6］。這種復(fù)合片PDC鉆頭，可以使PDC鉆頭始終保持快鉆速和耐磨性，仿生非光滑形態(tài)改善了PDC鉆頭齒的局部水力學(xué)狀態(tài)、切削條件和排屑環(huán)境，可以提高機(jī)械鉆速和使用壽命。

圖6 仿生非光滑復(fù)合片圖

（3）金剛石聚晶鉆頭

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在和烏克蘭合作的項(xiàng)目中研制了在金剛石孕鑲鉆頭中加入烏克蘭AKTM聚晶鉆頭［7］。在鉆進(jìn)花崗巖、片麻巖等硬地層時(shí)，鉆進(jìn)性能優(yōu)于普通金剛石鉆頭。

2 煤礦井下硬巖用鉆頭使用情況

現(xiàn)階段煤礦井下鉆進(jìn)方式主要有回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)兩種，除去少量軟煤地層鉆進(jìn)用硬質(zhì)合金鉆頭外，其余大部分為PDC鉆頭。而根據(jù)鉆進(jìn)方式的不同，現(xiàn)階段煤礦用PDC鉆頭主要有回轉(zhuǎn)用內(nèi)凹鉆頭和定向鉆進(jìn)用平底鉆頭，如圖7所示。

圖7 兩種煤礦用PDC鉆頭

2.1 淮南某礦石英砂巖鉆進(jìn)情況

淮南某礦深部豎井瓦斯抽采鉆孔施工過程中鉆遇石英砂巖，該巖層致密、堅(jiān)硬，研磨性高。分別采用兩種PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆進(jìn)結(jié)果如表1所示。

表1 淮南某礦內(nèi)凹鉆頭鉆進(jìn)效果

2.2 沈陽某礦花崗巖鉆進(jìn)情況。

沈陽某礦頂板梳狀定向鉆孔施工過程中，鉆遇花崗巖侵入帶，該巖層結(jié)構(gòu)致密，研磨性強(qiáng)。采用胎體式平底鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速率為5～8m／h，鉆頭壽命為120m。圖8為磨損的鉆頭圖。從圖中可以看出，該鉆頭邊緣復(fù)合片已經(jīng)崩齒嚴(yán)重，復(fù)合片合金墊磨損嚴(yán)重，靠內(nèi)復(fù)合片崩齒嚴(yán)重。

圖8 使用后的PDC平底鉆頭

由以上兩煤礦PDC鉆頭在硬巖中鉆進(jìn)情況，可以發(fā)現(xiàn)普通結(jié)構(gòu)PDC鉆頭已經(jīng)不能滿足煤礦井下硬巖鉆進(jìn)的要求，需要改進(jìn)現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)或開發(fā)新型鉆頭產(chǎn)品應(yīng)用于硬巖鉆進(jìn)，方能為煤礦硬巖鉆進(jìn)提供有力的保障。

3 煤礦硬巖鉆進(jìn)用鉆頭建議

（1）定制性能優(yōu)良的PDC鉆頭

一方面定制或者優(yōu)選高耐磨性、高強(qiáng)度并且自銳性能較好的PDC切削齒，另一方面改善現(xiàn)有PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，采用更易于切削巖石的結(jié)構(gòu)，結(jié)合PDC鉆頭布齒技術(shù)，設(shè)計(jì)制造出適用于中硬到硬地層的PDC鉆頭；

（2）研究新型復(fù)合型PDC鉆頭

采用金剛石聚晶、牙輪以及金剛石燒結(jié)體等超硬材料與PDC混合布置于鉆頭上，使鉆頭既能以較高的速率鉆進(jìn)，也能在鉆進(jìn)過程中以較小的磨損量保證自身的壽命

（3）開發(fā)硬巖鉆進(jìn)用孕鑲金剛石鉆頭、聚晶鉆頭

采用新型的結(jié)構(gòu)方式制作孕鑲金剛石鉆頭，使鉆頭保留有孕鑲金剛石鉆頭的高適用性、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改善孕鑲鉆頭在硬巖鉆進(jìn)中的效率。使孕鑲金剛石鉆頭適用煤礦井下鉆探施工。

［1］石智軍，胡少韻，姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］王愛江，潘眾信.PDC鉆頭最新技術(shù)的綜述［J］.內(nèi)江科技，2008（2）：125-126.

［3］黃蕾蕾，薛啟龍.國外鉆頭技術(shù)新進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2010（4）：73-86.

［4］胡珩.個(gè)性化PDC鉆頭發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用展望［J］.科技信息，2012（9）：140-146.

［5］楊麗，陳康民.PDC鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景.石油機(jī)械，2007（12）：70-72.

［6］高科，孫友宏，劉寶昌，等.仿生非光滑聚晶金剛石復(fù)合片，中國，102619473A［P］，2012-08-01.

［7］鄢泰寧.姚鄒.段隆臣.人造金剛石超硬材料在鉆探中的應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2011.