深孔鉆探金剛石鉆頭技術(shù)研究

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(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì),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(shù)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(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì),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(shè)計(jì)制造及工程應(yīng)用效果。這種鉆頭包括兩種結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(qiáng)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(chǎn)資源供求形式的變化,資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素,國家已把資源勘探放到一個(gè)重要的戰(zhàn)略地位來考慮,固體礦產(chǎn)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(diǎn)是施工周期長,孔壁穩(wěn)定性較差,而且隨著鉆進(jìn)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(nèi)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(diǎn),要求回次進(jìn)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(jìn)效率、鉆孔質(zhì)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(jìn)金剛石繩索取心鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)問題,通過“863”項(xiàng)目和地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的立項(xiàng)研究,成功研制了深孔鉆進(jìn)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(shí)間,減少了繩索取心鉆具提下鉆的次數(shù),達(dá)到了快速鉆探取樣的目的,滿足了深孔、繩索取心鉆進(jìn)的要求,極大縮短了地質(zhì)工作周期,同時(shí)也使我國的金剛石鉆頭技術(shù)水平上了一個(gè)新的臺階。

2 深孔鉆進(jìn)金剛石鉆頭研究思路及設(shè)計(jì)方法

深孔巖心鉆探的復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料研究入手,對鉆頭的切削結(jié)構(gòu)及水路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),這包括鉆頭的結(jié)構(gòu)形式、胎體性能、金剛石參數(shù)、水路參數(shù)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的制造工藝研究。設(shè)計(jì)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(dá)到鉆頭的高效和長壽命。技術(shù)路線見圖1。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 高效長壽命金剛石鉆頭研究的技術(shù)路線

基于深孔鉆探的特殊性,鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)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(shè)計(jì)超高金剛石工作層成為深部鉆探金剛石鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)之一,設(shè)計(jì)金剛石工作層由常規(guī)的8～10 mm增加到14～22 mm。考慮超高金剛石層的冷卻效果,超高胎體鉆頭水路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),達(dá)到既不影響鉆進(jìn)效率,又能起到保徑功能。因此在鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮金剛石層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保徑設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)對金剛石層的強(qiáng)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(xì)粉末研究

超細(xì)粉末研究,也是長壽命鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)之一,金剛石鉆頭的質(zhì)量很大程度上取決于胎體結(jié)合劑,研究超細(xì)合金粉末在胎體材料中的應(yīng)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(shí)現(xiàn)對金剛石良好的把持力,同時(shí)具有降低燒結(jié)溫度,能有效保持人造金剛石的熱穩(wěn)定性,胎體在燒結(jié)過程中成型性好,本身具有較好的力學(xué)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(shè)計(jì)

針對不同地層條件,采用偏因素試驗(yàn)分析方法設(shè)計(jì)不同的鉆頭胎體性能,研究胎體的硬度與耐磨性、抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)中具有良好力學(xué)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(jié)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(zhì)金剛石參數(shù)來實(shí)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(jìn)行工藝研究試驗(yàn),通過對浸漬溫度、浸漬時(shí)間的優(yōu)選,確定最佳的燒結(jié)工藝參數(shù);對二次鑲嵌式鉆頭,通過對研制的預(yù)合金粉末的燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和保溫時(shí)間的試驗(yàn),確定鉆頭的制造工藝。

3 應(yīng)用

在遼寧本溪9～11級堅(jiān)硬的磁鐵礦中鉆進(jìn),該新型鉆頭(圖4）與普通鉆頭相比,鉆頭機(jī)械鉆速提高20%,鉆頭壽命提高2倍(在赤鐵礦中鉆進(jìn),鉆頭平均壽命達(dá)20 m）;該礦區(qū)鉆探中,鉆頭平均壽命超過80 m(最高壽命達(dá)180 m）,加快了本溪鐵礦勘探區(qū)的鉆進(jìn)效率,節(jié)省了鉆進(jìn)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(yuǎn)金礦深孔(孔深1500～2000 m）粗?；◢弾r、片麻巖等地層中鉆進(jìn),鉆頭機(jī)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(zhì)工作周期,達(dá)到了快速鉆探取樣的目的,滿足了深孔、繩索取心鉆進(jìn)的要求,取得了良好的效果(圖5）。

4 結(jié)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(guān)重要的作用。

(2）對于堅(jiān)硬弱研磨性地層,宜選用單水口高胎體金剛石鉆頭;對于堅(jiān)硬強(qiáng)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(shè)計(jì),延長鉆頭的工作壽命和提高鉆速,隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展和新材料的應(yīng)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(dá).深孔巖心鉆探的技術(shù)關(guān)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(xiàng)目“2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)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(xiàng)目編號: 2007AA060701）;地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“復(fù)雜地層高效鉆進(jìn)技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號:1212010816008）

賈美玲(1964-）,女(漢族）,內(nèi)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(xué)院路29號探工樓。