葉宏煜， 譚松成， 謝 濤， 潘家棟， 楊凱華,

(1.武漢萬邦激光金剛石工具有限公司，湖北 武漢 430056； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

工程勘察鉆機(jī)具有加壓能力小和扭矩不大的特點(diǎn)，且鉆遇的地層包括不同程度的風(fēng)化巖層和不同類型的完整基巖，因此工勘鉆頭在提高鉆進(jìn)效果、對(duì)地層的適應(yīng)性和巖心采取率等方面與地質(zhì)勘探鉆頭存在差異[1-3]。

鉆進(jìn)效果好主要指鉆進(jìn)時(shí)效高和鉆頭的使用壽命長。近年來，該衡量標(biāo)準(zhǔn)已由鉆頭使用壽命長逐漸轉(zhuǎn)化為鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效高為主了，特別是對(duì)于某些難鉆地層，更是要求鉆頭以鉆進(jìn)效率為主[4-5]。同時(shí)，不管研制何種性能的鉆頭，都應(yīng)該提前深入了解或測(cè)試所鉆地層的物理力學(xué)性質(zhì)，并準(zhǔn)確掌握鉆進(jìn)工藝參數(shù)與技術(shù)條件，才能設(shè)計(jì)出合理可行的鉆頭用于生產(chǎn)實(shí)踐。

工程勘察會(huì)涉及多種不同地層，要求工勘用金剛石鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)能力好[6-7]。目前，電鍍?cè)需偨饎偸@頭因鉆進(jìn)時(shí)效和使用壽命較高而受到工勘行業(yè)的歡迎，其原因在于電鍍金剛石鉆頭的胎體中含有微型針孔，且鍍層中存在不同程度的節(jié)瘤發(fā)育，檢測(cè)硬度與耐磨性時(shí)離散性較大。這樣的胎體性能條件既可以對(duì)金剛石有良好的包鑲，又能讓金剛石有好的出刃效果。但同時(shí)，電鍍方法因可能存在一定程度的環(huán)境污染，因而為熱壓金剛石鉆頭在工勘行業(yè)的推廣應(yīng)用提供了新的契機(jī)。為提高鉆頭使用壽命并同時(shí)保證機(jī)械鉆速，熱壓孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能不能一味追求硬度高、耐磨性強(qiáng)和致密程度好，必須同時(shí)考慮金剛石的出刃效果，從而提高鉆頭對(duì)不同地層的適應(yīng)性。

不論地質(zhì)勘探還是工程勘察，巖心采取率都是極為重要的指標(biāo)。巖心采取率除了與地層條件有直接而重要的關(guān)系外，與鉆頭和鉆具結(jié)構(gòu)，以及鉆進(jìn)工藝技術(shù)同樣有密不可分的關(guān)系。鉆頭和鉆具結(jié)構(gòu)合理，配合先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝技術(shù)，促使鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，卡心牢固，巖心采取率才能得以提高。

1 鉆頭設(shè)計(jì)

1.1 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程勘察通常涉及土層，強(qiáng)、弱風(fēng)化巖層和完整基巖等幾種類型的地層。在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中除了土層鉆進(jìn)可能會(huì)采用硬質(zhì)合金鉆頭或PDC鉆頭外，一般在施工現(xiàn)場(chǎng)不希望中途換鉆頭，因而要求一種結(jié)構(gòu)與性能的金剛石鉆頭能夠適應(yīng)整個(gè)鉆孔中地層變化的需要?；诖嗽O(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的孕鑲金剛石鉆頭(如圖1所示)。

圖1 鉆頭齒結(jié)構(gòu)示意

圖1所示兩種鉆頭結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是每個(gè)扇形工作齒均由S1和S2兩部分組成，且S1與S2的比值在1/3～2/3左右。其中，S1部分是扇形鉆齒的主切削刃部分，硬度與耐磨性較高，并采用高品級(jí)、高濃度的金剛石參數(shù)，是破碎巖石的主體；S2部分起著支撐S1的作用，同時(shí)起著輔助破碎巖石的作用，硬度與耐磨性較低，采用較低品級(jí)與較低濃度的金剛石參數(shù)。圖1中所示的兩種鉆頭結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)勢(shì)，可依據(jù)地層、鉆具和鉆探技術(shù)工況設(shè)計(jì)、選擇和使用。

由于S1和S2部分所存在的性能差異，鉆進(jìn)中可以起到類似復(fù)合片破碎巖石的效果，從而提高鉆進(jìn)效率。圖1(a)中的結(jié)構(gòu)對(duì)提高鉆進(jìn)效率有利，但對(duì)使用壽命會(huì)有影響，多用于不同程度的風(fēng)化巖層和第四系地層的鉆進(jìn)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)可以用于“打滑”巖層中鉆進(jìn)；同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)α的大小，適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆頭的性能。圖1(b)中的結(jié)構(gòu)具有較好的廣譜性能，對(duì)地層的適應(yīng)性更高，能同時(shí)兼顧鉆進(jìn)時(shí)效與鉆頭使用壽命。

為提高鉆頭鉆進(jìn)的穩(wěn)定性，從而提高巖心采取率和延長鉆頭使用壽命，該鉆頭結(jié)構(gòu)所采用的內(nèi)外保徑規(guī)格較高，且采用粗粒人造單晶和熱穩(wěn)定性聚晶體聯(lián)合保徑。保徑規(guī)必須延伸至工作層全高度(如圖2所示)。

圖2 鉆頭保徑規(guī)結(jié)構(gòu)示意

鉆頭水口可以用于調(diào)節(jié)鉆頭底唇面積大小和鉆進(jìn)性能，改善鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)性和鉆進(jìn)效果，一般設(shè)計(jì)為5～8 mm寬。加寬的水口有利于調(diào)節(jié)鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)性，有利于鉆頭底部沖洗液的循環(huán)，有效冷卻鉆頭和及時(shí)排除巖粉，并提高機(jī)械鉆速和減少鉆頭磨損。

1.2 鉆頭性能設(shè)計(jì)

鉆頭的性能主要指胎體的硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性、抗沖蝕性與胎體熱性能等，其中尤以胎體硬度與耐磨性最直觀、最重要，同時(shí)也最實(shí)用[8-10]。鉆頭的硬度與耐磨性不是一個(gè)概念，但兩者有相通之處。耐磨性主要涉及鉆頭自銳性能和金剛石出刃效果，因此直接影響鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效和使用壽命[11]。在熱壓工藝參數(shù)優(yōu)化的條件下，鉆頭的性能主要由胎體材料成分及其含量比所確定。

目前，孕鑲金剛石鉆頭的胎體材料已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向采用預(yù)合金粉為主的材料體系，通常由3～6種預(yù)合金粉組成，比采用單質(zhì)金屬粉時(shí)的金屬粉末種類明顯減少，但其組元成分卻更多[12-13]。因此，采用預(yù)合金粉材料體系燒結(jié)獲得的胎體其合金化程度更高，胎體成分分布均勻，性能穩(wěn)定，對(duì)金剛石包鑲效果好，鉆頭的性能良好。同時(shí)，預(yù)合金粉的粒度多為325目(部分甚至達(dá)到500目或更細(xì))，而普通單質(zhì)金屬粉的粒度為200目，因此燒結(jié)溫度較低，保溫時(shí)間可以縮短，壓力也可以適當(dāng)下降，有利于降低能源消耗。本研究采用了FJT和FAM型預(yù)合金粉，分別由湖南省冶金材料研究院有限公司和湖南富櫳新材料有限公司研制生產(chǎn)。

1.3 熱壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

熱壓工藝參數(shù)包括燒結(jié)溫度、壓力、升溫速度、保溫時(shí)間、出爐溫度及冷卻降溫環(huán)境等。分析熱壓參數(shù)的作用可知，溫度是實(shí)現(xiàn)胎體合金化的基本條件，設(shè)定的溫度可以使得胎體中的部分金屬成分處于液相或熔融塑變狀態(tài)，而另外一些硬質(zhì)金屬成分則一直保持固相，例如WC或YG8和Fe-Ni-Co等預(yù)合金粉。燒結(jié)溫度確定的基本依據(jù)是胎體材料中是否有高熔點(diǎn)金屬以及高熔點(diǎn)金屬的含量比例的大小。高熔點(diǎn)金屬(例如WC或YG8)含量高時(shí)，燒結(jié)溫度必然較高，而Cu-Sn等粘結(jié)合金材料含量高時(shí)，則設(shè)定的燒結(jié)溫度較低。同時(shí)，工程勘察用的金剛石鉆頭，采用預(yù)合金粉材料體系和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須同時(shí)兼顧S1與S2兩部分的不同性能。S1部分的硬度設(shè)計(jì)為HRC28～32，S2部分的硬度設(shè)計(jì)為HRC20～22，燒結(jié)溫度設(shè)定為950～965 ℃。

燒結(jié)過程中的壓力，有助于胎體合金化和綜合機(jī)械性能提高，因此將影響燒結(jié)溫度的確定。壓力越大，對(duì)胎體合金化影響越大，但壓力增加到22 MPa后，對(duì)硬度與耐磨性等性能的影響就不太明顯了。因此，燒結(jié)壓力一般控制在15～22 MPa。當(dāng)然，對(duì)于粘結(jié)金屬含量很低的預(yù)合金粉胎體，基本屬于固相燒結(jié)范疇，這時(shí)的壓力應(yīng)該提高到22～25 MPa，或者更高一些。

采用熱壓燒結(jié)法制造孕鑲金剛石鉆頭時(shí)，多采用中頻電爐升溫?zé)Y(jié)，通過熱傳導(dǎo)的方法將熱從模壁外傳至鉆頭胎體內(nèi)部，導(dǎo)致模具內(nèi)外存在溫度差。這種溫度差都在100 ℃以上，有時(shí)甚至可高達(dá)200 ℃。因此，必須設(shè)定保溫時(shí)間，以消除模具內(nèi)外的溫度差。保溫時(shí)間依據(jù)鉆頭規(guī)格、胎體材料、模壁厚度和升溫方式(或升溫速度)等有所不同，一般在4～6 min。

2 鉆頭研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆頭研制

鉆頭擬在福建南安某工勘場(chǎng)地使用，地層情況從上至下為：(1)第四系粘土覆蓋層，夾帶少量碎石與卵石，層厚2～10 m；(2)風(fēng)化巖層，厚度約5～8 m，其中強(qiáng)風(fēng)化層3～5 m，中風(fēng)化層2～3 m；(3)完整基巖(花崗巖)，在花崗巖基巖中鉆進(jìn)1～2 m即可完鉆。因此，該施工場(chǎng)地的工勘鉆孔深度一般在12～20 m。

依據(jù)前述鉆頭設(shè)計(jì)思路和施工地層情況，設(shè)計(jì)了如圖1所示的2種類型共4個(gè)?76 mm的工勘用熱壓金剛石鉆頭(實(shí)物如圖3所示)，并進(jìn)行了工勘鉆進(jìn)試驗(yàn)。具體鉆頭結(jié)構(gòu)、胎體材料、金剛石參數(shù)和熱壓工藝參數(shù)如下。

圖3 工勘用鉆頭實(shí)物

(1)工作層結(jié)構(gòu)：圖1a型鉆頭S1與S2的比值為1∶1.5，水口寬10 mm；圖1b型鉆頭S1與S2的比值1∶1，水口寬6 mm。

(2)胎體材料：S1部分工作層的胎體材料配方為FAM-103(40%)、FJT-A2(25%)、FJT-07(17%)和WC(18%)；S2部分工作層的胎體材料配方為FAM-103(37%)、FJT-B5(35%)、FJT-06(20%)和WC(8%)。

(3)金剛石參數(shù)：S1部分工作層的金剛石體積濃度為95%，粒度為35/40目(70%)、50/60目(30%)，品級(jí)為SMD40；S2部分工作層的金剛石體積濃度為75%，粒度為40/45目(75%)、50/60目(25%)，品級(jí)為SMD30。

(4)熱壓工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度960 ℃，壓力24 MPa，保溫時(shí)間5 min，出爐溫度780 ℃，出爐后緩冷至室溫。

2.2 鉆頭試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)用工勘鉆機(jī)為GY-200型，其鉆進(jìn)第四系地層、風(fēng)化巖層和花崗巖基巖的轉(zhuǎn)速和鉆壓分別為205 r/min+3.5 kN，388 r/min+4.5 kN和475 r/min+6.5 kN。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆進(jìn)第四系地層時(shí)，鉆頭的平均時(shí)效為5.90 m，未出現(xiàn)糊鉆現(xiàn)象；鉆進(jìn)風(fēng)化巖層(含花崗巖基巖)的平均時(shí)效為2.68 m；鉆頭的平均壽命達(dá)48.70 m，其中ZK-7孔取出的巖(土)心樣如圖4所示。

圖4 ZK-7孔取出的巖(土)心樣

試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效與壽命基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但仍然有提高的空間。(1)圖1a型鉆頭的水口寬度可減小為8 mm，從而提高鉆頭的耐磨性，并避免寬水口中塞卡小礫石，影響鉆進(jìn)效果；(2)S1部分的胎體硬度可以適當(dāng)提高，以提高鉆頭的耐磨性；(3)鉆頭的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化，從而完善預(yù)合金粉末體系的金剛石鉆頭固相燒結(jié)新理念。

3 結(jié)論

(1)工勘用孕鑲金剛石鉆頭需要面對(duì)多種不同性能的地層，要求鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)性好，并具備較高的耐磨性和較好的金剛石出刃效果。

(2)所設(shè)計(jì)的2種工勘鉆頭結(jié)構(gòu)合理、新穎，各具特色，均可用于工程勘察鉆進(jìn)中。2種類型鉆頭均體現(xiàn)出了復(fù)合片鉆頭的鉆進(jìn)特點(diǎn)和金剛石破碎巖石的特征，能夠得到基本肯定。

(3)除鉆頭結(jié)構(gòu)外，鉆頭的胎體性能同樣重要。本次試驗(yàn)采用預(yù)合金粉胎體材料，以鐵、鎳金屬為主，并配合碳化鎢材料，且粘結(jié)金屬為較低含量的鐵-銅合金粉。

(4)非均質(zhì)熱壓鉆頭與電鍍金剛石鉆頭對(duì)比，時(shí)效提高了約21%，使用壽命相當(dāng)，但鉆頭質(zhì)量仍然有改進(jìn)與提高的空間，有待下一步完善。