梁振德，韋鋒

（桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西 桂林 541199）

在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，常遇到深孔硬巖地層，這類地層具有結(jié)構(gòu)破碎、硬度級(jí)別高、研磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致深孔鉆探施工環(huán)節(jié)鉆頭嚴(yán)重磨損、使用壽命縮短，且鉆探效率低下。鑒于金剛石與胎體是鉆進(jìn)作業(yè)環(huán)節(jié)影響孕鑲金剛石鉆頭消耗情況、使用壽命的決定因素，其改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)成為當(dāng)下亟待探討的問題。

1 孕鑲金剛石鉆頭分類與磨損形態(tài)分析

1.1 孕鑲金剛石鉆頭的分類

孕鑲金剛石鉆頭的主要特征是金剛石顆粒分布在鉆頭胎體表面與內(nèi)部一定層厚中，在鉆進(jìn)過程中，伴隨胎體磨損、金剛石持續(xù)出刃，完成鉆進(jìn)作業(yè)。以粒度作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可將金剛石鉆頭分為三種類型，其中粗粒鉆頭為5 ～20 粒/克拉，中粒鉆頭為20 ～40 粒/克拉，細(xì)粒鉆頭為40 ～100粒克拉，并且細(xì)粒鉆頭被最常應(yīng)用于硬度大、致密地層的鉆進(jìn)作業(yè)中。以胎體硬度作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可將金剛石鉆頭劃分為五種類別，其具體分類標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 金剛石鉆頭胎體硬度與適應(yīng)巖層狀況分析

1.2 孕鑲鉆頭磨損形態(tài)分析

鉆頭磨損形態(tài)是衡量鉆頭工作性能、鉆進(jìn)效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)觀察到鉆頭底面呈現(xiàn)為內(nèi)、外錐形時(shí)，說明鉆進(jìn)巖層有可能為破碎巖層；當(dāng)鉆頭抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、硬度、耐磨度、自刃性均不佳時(shí)，易導(dǎo)致鉆進(jìn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)鉆頭破裂、脫落問題；當(dāng)鉆頭回轉(zhuǎn)過程中碰撞到孔壁、上下鉆具時(shí)掃脫落巖芯時(shí)，易造成胎體壓裂、脫落問題；當(dāng)鉆頭冷卻不良、胎體消耗速度過快時(shí)，也易引發(fā)金剛石崩裂、脫落問題。基于此，需針對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的選料、加工方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障鉆頭能夠有效適應(yīng)深孔條件下的鉆進(jìn)作業(yè)需求。

2 適應(yīng)深孔硬巖地層鉆探的孕鑲金剛石鉆頭改進(jìn)設(shè)計(jì)方案探討

2.1 金剛石選取與預(yù)處理

金剛石在鉆頭鉆進(jìn)過程中是用于切削的主要結(jié)構(gòu)，基于深孔硬巖地層特征、單晶抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行金剛石材料的比選，最終選取特級(jí)人造金剛石作為原材料，在700℃溫度條件下進(jìn)行鍍鈦處理，起到隔氧、提高金剛石穩(wěn)定性作用，并且還能夠提高金剛石的抗彎強(qiáng)度、固結(jié)強(qiáng)度與承載能力。

金剛石的唇面出刃高度、切削深度、分布密度、與巖石接觸面積等因素均與其粒度大小存在關(guān)聯(lián)，在此選取5 類粒度存在差異的金剛石作為試驗(yàn)樣本，其濃度均為85%且胎體配方、鉆孔深度均一致，將其分別燒制成鉆頭后進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，獲取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。通過觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，伴隨金剛石粒度的減小，其耐磨性呈不斷提高趨勢(shì)，以粒度為50 ～60 目時(shí)的耐磨性為最優(yōu)數(shù)值，當(dāng)粒度減小至一定限度后，將因胎體包鑲面積過小導(dǎo)致胎體磨損、掉粒，使得鉆頭耐磨性開始下降；同時(shí)，伴隨金剛石粒度的持續(xù)減小，其鉆速呈不斷上升趨勢(shì)，以粒度為40 ～50 目時(shí)的鉆速為最優(yōu)數(shù)值，當(dāng)粒度減小至一定限度后，將因金剛石與巖石間的接觸面積過小，導(dǎo)致鉆速開始下降。

表2 不同粒度金剛石在鉆進(jìn)試驗(yàn)中的鉆頭耐磨性與鉆速數(shù)據(jù)

2.2 鉆頭胎體配方改進(jìn)設(shè)計(jì)

通常在鉆進(jìn)作業(yè)過程中，鉆頭將受到壓、扭、彎、沖擊作用，巖粉、碎粒研磨作用，以及沖洗液沖蝕作用，胎體的硬度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性等性能將直接影響鉆頭的鉆進(jìn)效率與鉆頭使用壽命，因此，需針對(duì)胎體配方進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，針對(duì)胎體材料進(jìn)行優(yōu)化，選取鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢作為混合骨架材料，合理調(diào)節(jié)其目數(shù)與添加比例，配合少量碳化鈦、碳化鉻等材料，有效提高胎體材料的抗磨能力與抗沖擊能力。其次，是選取特定數(shù)量、排列方式的“硬質(zhì)點(diǎn)”加入每個(gè)胎塊中，通過觀察加入“硬質(zhì)點(diǎn)”數(shù)量、調(diào)整其排列方式后對(duì)于鉆頭鉆速、耐磨性的影響可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入9 個(gè)硬質(zhì)點(diǎn)、使其呈三層規(guī)律排列時(shí)，鉆速達(dá)到最高值3.3cm/min；當(dāng)加入15 個(gè)硬質(zhì)點(diǎn)、使其呈三層規(guī)律排列時(shí)，耐磨性達(dá)到最優(yōu)值5.8m/mm。最后是針對(duì)骨架結(jié)構(gòu)、黏結(jié)金屬等胎體配方進(jìn)行調(diào)整，其中骨架結(jié)構(gòu)材料主要為鑄造碳化鎢、碳化鎢和YG6，粘結(jié)金屬材料包含ZQSn663、Ni 和Mn，通過觀察不同配方對(duì)鉆頭胎體耐磨性影響的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，選取20%鑄造碳化鎢、10%碳化鎢、25%YG6 鈷合金粉、35%ZQSn663、5%Ni 和5%Mn作為鉆頭配方，制造出的鉆頭胎體耐磨性達(dá)到最大值5.1m/mm，以此確定鉆頭胎體的最佳配方。

2.3 燒結(jié)模具與工藝優(yōu)化

以往針對(duì)硬度較低、研磨性弱的地層開展鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，需保障燒結(jié)出的金剛石鉆頭胎體工作層的高度為10mm，但深孔硬巖地層的硬度較大、研磨性強(qiáng)、冷卻效果差，在鉆進(jìn)環(huán)節(jié)鉆頭消耗速度約為以往的3 倍左右，因此，需針對(duì)原有模具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使燒結(jié)出的鉆頭胎體工作層高度達(dá)到20mm，借此方可滿足鉆探作業(yè)要求、節(jié)約生產(chǎn)成本。

在模具設(shè)計(jì)上，需選取優(yōu)質(zhì)石墨作為模具制作原料，將燒結(jié)底模加深、裝料量增大，由此設(shè)計(jì)出一套燒結(jié)特制水口塊的新模具，并且針對(duì)原有唇模形狀進(jìn)行改進(jìn)、增設(shè)卡槽，借此可在燒結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭的二次燒結(jié)，同時(shí)，避免在燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)漏料、滲料問題，有效增強(qiáng)胎體包鑲金剛石的牢固程度與燒結(jié)密實(shí)度。在工藝改進(jìn)上，一方面，針對(duì)裝填工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用分層裝料、分層壓平方法，借此提高混合料裝填的密實(shí)度，增強(qiáng)“硬質(zhì)點(diǎn)”的穩(wěn)定性；另一方面，需進(jìn)行燒結(jié)工藝的優(yōu)化，通過添加黏結(jié)金屬降低燒結(jié)溫度，引入“二次保溫”與熱壓工藝增強(qiáng)胎體的耐磨性，更好地優(yōu)化金剛石鉆頭的工作性能。通過將改進(jìn)設(shè)計(jì)后的孕鑲金剛石鉆頭應(yīng)用于某深孔硬巖地層項(xiàng)目中開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆頭單只最高壽命達(dá)到140m，平均使用壽命大于80m，且鉆探效率得到顯著提高。

3 結(jié)語

在深孔硬巖地層鉆進(jìn)施工時(shí)，常出現(xiàn)鉆頭胎體斷裂、磨損程度高等問題，對(duì)于鉆頭的工作性能提出了更高的要求。本文通過針對(duì)金剛石材料進(jìn)行鍍鈦處理，調(diào)節(jié)金剛石粒度與濃度指標(biāo)、控制鉆進(jìn)速度，添加“硬質(zhì)點(diǎn)”改進(jìn)胎體性能，并針對(duì)模具與燒結(jié)工藝進(jìn)行優(yōu)化，有效滿足深孔條件下的鉆進(jìn)需求，提升鉆探效率。