高胎體金剛石鉆頭設(shè)計制造中的幾個關(guān)鍵技術(shù)

肖麗輝，李國民，劉寶林

(1.中煤科工集團重慶研究院，重慶400039;2.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實驗室，北京 100083)

高胎體金剛石鉆頭設(shè)計制造中的幾個關(guān)鍵技術(shù)

肖麗輝1，李國民2，劉寶林2

(1.中煤科工集團重慶研究院，重慶400039;2.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實驗室，北京 100083)

為滿足深部鉆探需求，市場上出現(xiàn)了多種高胎體金剛石鉆頭。在野外鉆進中，與普通金剛石鉆頭相比，高胎體金剛石鉆頭的使用壽命雖有提高，但并沒有取得預(yù)期的理想效果。通過分析國內(nèi)外幾種高胎體金剛石鉆頭的優(yōu)缺點，找出了影響高胎體鉆頭壽命的關(guān)鍵技術(shù)，并對這幾點關(guān)鍵技術(shù)作了進一步的分析與研究。

高胎體金剛石鉆頭;胎體;保徑;水口

0 引言

為滿足深部、超深部鉆探的需要，國內(nèi)外許多單位和公司都開始研制高胎體金剛石鉆頭。高胎體金剛石鉆頭與傳統(tǒng)鉆頭相比，壽命提高的幅度更加明顯，而且還可與傳統(tǒng)提高壽命方法相結(jié)合，進一步提高鉆頭的使用壽命。但目前市場上出現(xiàn)的高胎體金剛石鉆頭在野外鉆進中并沒有取得預(yù)期的理想效果，不能充分發(fā)揮高胎體金剛石鉆頭長壽命的優(yōu)勢。綜合分析看來，主要是由于鉆頭達不到足夠的胎體強度和持久有效的保徑，以及水口設(shè)計不合理等方面的因素限制了其長壽命優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，要想讓高胎體金剛石鉆頭更好的為深部鉆探服務(wù)，必須加強對以下幾點關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1 保證胎體強度

金剛石鉆頭胎體起著連接鉆頭鋼體和金剛石的作用，同時鉆頭胎體又包鑲著金剛石，這就要求金剛石鉆頭胎體在牢固地包鑲住金剛石顆粒的同時保證金剛石的正常出刃，并具有一定的沖擊韌性、抗沖蝕性、耐磨性、硬度、強度。與普通鉆頭相比，隨著高胎體金剛石鉆頭胎體高度成倍的增加，井下作業(yè)時間也變長，相應(yīng)地胎體抗彎強度會降低，胎體易發(fā)生彎折、斷裂。因此對高胎體金剛石鉆頭而言，保證胎體有足夠的抗彎強度顯得特別重要?？赏ㄟ^調(diào)整、優(yōu)化胎體材料和改變鉆頭結(jié)構(gòu)等方式來提高胎體的強度以及綜合性能，保證胎體在井下作業(yè)時不發(fā)生彎折、斷裂。

楊凱華教授等試驗研究得出在鐵基胎體中添加適當?shù)南⊥猎?La、Ce、Gd等)均可提高純胎體和金剛石復(fù)合材料的抗彎強度和硬度，特別是鐵基胎體的抗彎強度與沖擊韌性提高的更為明顯［1］。鄭超進一步采用霧化法對這些添加的稀土元素合金粉末進行處理，經(jīng)試驗得出胎體抗彎強度在一定范圍內(nèi)隨著稀土合金粉末含量的增加而提高。當添加量達到1%時，純胎體材料抗彎強度達到最大值640 MPa，高于未加La－Ni合金粉末胎體材料的抗彎強度(514 MPa);當添加量超過1%時，抗彎強度又呈現(xiàn)降低趨勢［2］。超細粉末已較為普遍的應(yīng)用于鉆頭制造中，采用納米級超細粉末制作的胎體與使用傳統(tǒng)材料制作的胎體相比，納米級超細粉末胎體可獲得更高的耐磨性與抗沖擊韌性。在以往的試驗中還采用了氫還原脫氧法來提高胎體粉末的性能，從而使胎體獲得更高的金剛石包鑲能力、抗彎強度以及與鋼體的粘結(jié)力。除調(diào)整、優(yōu)化胎體材料外，還可通過選擇最優(yōu)的保徑材料以及在胎體工作層中添加聚晶顆粒等方式來提高胎體性能，如中國大陸科學(xué)鉆探工程“科鉆一井”中使用的在工作層中添加聚晶顆粒的孕鑲金剛石鉆頭不僅取得了較明顯的保徑效果，而且胎體的綜合性能有所提高。

在鉆頭結(jié)構(gòu)上，目前常使用的加厚型金剛石鉆頭，是通過加厚鉆頭工作層來提高胎體抗彎強度的，胎塊強度得到了保證。還可通過設(shè)置加強機構(gòu)來保證胎塊強度，如Fordia公司以及國內(nèi)公司設(shè)計的加強筋高胎體金剛石鉆頭，比較成功地解決了高胎體金剛石鉆頭胎體強度不夠的技術(shù)難題［3］。

2 持久有效的保徑

據(jù)統(tǒng)計，大部分金剛石鉆頭的損壞都是因為保徑失效，金剛石鉆頭的保徑能力是提高鉆頭使用壽命的關(guān)鍵因素。早些年瑞典 Craelius公司就有9 mm孕鑲層的鉆頭，在當時被稱為特高胎體(3 mm為基本的)，僅適用于46和59 mm的鉆頭，但是由于該鉆頭在使用過程中鉆頭內(nèi)外徑磨損嚴重，致使過高的工作層顯得沒有意義，因而沒有得到推廣使用。因此，對高胎體金剛石鉆頭而言，更應(yīng)注重保徑設(shè)計。文獻中提到可通過調(diào)整保徑材料［4］、改變保徑方式［5］和改變鉆頭結(jié)構(gòu)［6］等方法來提高金剛石鉆頭的保徑效果。

朱英等研制的加強型大直徑金剛石取心鉆頭采用圓柱形金剛石聚晶體保徑，后經(jīng)實驗證明，該鉆頭取得了一定的保徑效果，與硬質(zhì)合金保徑相比，鉆頭的使用壽命也得到了提高［7］。阮海龍等研制的方聚晶保徑金剛石鉆頭，與圓柱狀聚晶保徑相比，增加了聚晶的工作體積，保徑效果更為明顯，在強研磨性地層中平均使用壽命達38 m以上［4］。彭步濤在低唇面高效繩鉆金剛石鉆頭中也采用了規(guī)格為1.5 mm×1.5 mm×4 mm的具有強耐磨性的方聚晶保徑(圖1)，同樣取得了良好的保徑效果［8］。

圖1 方聚晶保徑

要想大幅度地提高鉆頭的保徑效果，除了改變保徑材料，還要不斷地嘗試新的保徑方法。要打破常規(guī)思路，除設(shè)置專門的保徑規(guī)外，更應(yīng)做好工作層自身的保徑，如采用工作層聚晶保徑或三合一復(fù)合型保徑方法。在科鉆一井中使用的在工作層中采用聚晶保徑的孕鑲金剛石鉆頭取得了較明顯的保徑效果(圖2)，基本能實現(xiàn)工作層和內(nèi)外徑按比例磨損，充分發(fā)揮了工作層的作用，鉆進效率和鉆頭的使用壽命均得到了提高［5］。楊展等研制的在工作層中采用聚晶保徑的電鍍金剛石鉆頭在大陸科學(xué)鉆探工程中也同樣獲得成功［9］。周天勝等研制的金剛石與聚晶體復(fù)合型鉆頭在砂卵石強磨損性地層鉆進沒有出現(xiàn)非正常磨損、掉塊與崩刃的現(xiàn)象，取得了很好的鉆進效果［10］。除以上的保徑方式外，還可在鉆頭胎體的內(nèi)外側(cè)設(shè)計凸出保徑。

圖2 工作層聚晶保徑示意

魯凡提出了鉆頭內(nèi)徑磨損受水口影響，并得出水口總寬度越大，內(nèi)徑磨損越嚴重這一結(jié)論［6］。根據(jù)以上可知，要想獲得好的保徑效果，就應(yīng)適當?shù)臏p少水口寬度和水口數(shù)量。同時，楊凱華教授等提出斜水口鉆頭可以減少沖洗液對鉆頭的沖刷和孔底循環(huán)流通阻力，從而減少沖洗液對工作層與保徑規(guī)接觸部位的沖刷，提高了鉆頭的保徑效果;若同時配合螺旋形水槽，斜水口鉆頭的保徑效果將會更好［5］。

3 合理的水口設(shè)計

目前，高胎體金剛石鉆頭主要有單層水口高胎體金剛石鉆頭和多層水口高胎體金剛石鉆頭2種。單層水口高胎體金剛石鉆頭只有一層工作水口，該鉆頭的特點是水口設(shè)計較長，沖洗液對鉆頭的冷卻效果不好。同時，隨著鉆頭的磨損，過水面積減小，在鉆進時會出現(xiàn)壓力“激動”等問題。多層水口高胎體金剛石鉆頭有多層工作水口，分堵口和不堵口2種形式。由于單層水口設(shè)計較常規(guī)，本文主要討論多層水口高胎體金剛石鉆頭的水口設(shè)計。

寶長年的Alpha Stage 3孕鑲金剛石鉆頭是多層不堵口高胎體金剛石鉆頭的代表，該鉆頭在胎體中間位置設(shè)計了類似窗口的三層階梯水口(圖3)，經(jīng)在加拿大1年多的生產(chǎn)實驗，其壽命達100 m以上，是普通鉆頭的3倍，節(jié)約了33%的生產(chǎn)成本［11］。但由于該鉆頭第二、三層水口沒有堵口，沖洗液在到達孔底巖石面前已大量流失，致使沖洗液不能很好的冷卻鉆頭底唇面，易發(fā)生金剛石碳化、燒鉆現(xiàn)象，且排粉效果不佳，增加了鉆頭的重復(fù)破碎。

北京探礦工程研究所研發(fā)的雙水口金剛石鉆頭也為多層不堵口高胎體鉆頭(圖4)。該鉆頭在第二層和第三層水口的胎體中間部位開了一個“窗戶”，根據(jù)鉆頭直徑大小，設(shè)計不同組數(shù)的“窗戶”水口，每組的“窗戶”水口錯落分開布置，保證了相鄰2個水口之間的胎體強度［12］。該鉆頭在國外平均壽命提高到56 m，為標準鉆頭的2倍;在國內(nèi)某礦區(qū)使用，平均壽命與常規(guī)鉆頭相比提高5倍以上。但該鉆頭的雙水口設(shè)計也存在沖洗液流失、孔底排粉不暢等問題。且由于冷卻不良，在交錯排列的矩形雙層水口處易出現(xiàn)溫差應(yīng)力和應(yīng)力集中，在使用中發(fā)現(xiàn)鉆頭唇面扇形塊中部出現(xiàn)明顯裂紋，而且有的扇形塊已從第一層水口根部掰掉。針對該鉆頭存在的問題，方俊等提出將軟鋼或其他軟金屬做成擋水片嵌入第一層胎體底部，減少部分沖洗液流失;在兩層水口過渡層采用較軟的胎體，并適當疊加第二層水口的重疊高度;為防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，采取將第二層水口的下端形狀設(shè)計為圓弧形等解決方案［13］。

圖3 Alpha Stage 3孕鑲金剛石鉆頭

圖4 雙水口鉆頭

從以上2種鉆頭存在的問題可以看出，多層不堵口高胎體金剛石鉆頭還存在沖洗液流失、冷卻效果不好等問題。根據(jù)這些問題，吉林大學(xué)設(shè)計了堵口式可再生水口金剛石鉆頭［14］(圖5)。該鉆頭雖可解決由不堵口產(chǎn)生的沖洗液流失、鉆頭冷卻效果不好等問題，但設(shè)計的初始水口與第二層水口(隱藏水口)沒有重疊高度(圖6)，這種水口設(shè)計產(chǎn)生的新問題便出現(xiàn)在上、下兩層水口過渡磨損期。當?shù)谝粚映跏妓诳煲ネ旰?，如果第二層隱藏水口堵口材料不能及時脫落，則沖洗液無法正常流通，孔底排粉不暢，鉆頭冷卻效果不良，可能會導(dǎo)致燒鉆。

圖5 可再生水口鉆頭模型

圖6 可再生水口 鉆頭結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)以上幾種高胎體金剛石鉆頭水口存在的問題來看，多層堵口式水口形式較適合高胎體金剛石鉆頭，但堵口式水口設(shè)計還不夠完善。在以后的研究中，應(yīng)結(jié)合實際情況和存在的問題，設(shè)計一種在初始水口磨損殆盡之前就可順利出露、銜接參加作業(yè)的隱藏水口。并可根據(jù)方俊的建議適當?shù)卦黾由舷聝蓪铀诘闹丿B高度，同時把不出露水口的下端設(shè)計成圓弧狀，減少應(yīng)力集中。水口堵口材料應(yīng)具有易成形、易鑲嵌到胎體中，易磨損出露等特性。

4 結(jié)論

在野外實地鉆進中，與普通金剛石鉆頭相比，高胎體金剛石鉆頭的使用壽命提高的幅度更加明顯，是最適合地質(zhì)深部、超深部鉆探的鉆頭。但由于該種類鉆頭還存在一些問題，達不到預(yù)期的理想效果。在以后的研究中，只有不斷地對胎體強度、保徑能力和水口設(shè)計等這些關(guān)鍵技術(shù)作改進和完善，才可以從根本上克服現(xiàn)有高胎體金剛石鉆頭存在的問題，使高胎體金剛石鉆頭充分發(fā)揮其長壽命的優(yōu)勢，為深部鉆探工程提供更有力的技術(shù)保證。

［1］楊新.金剛石鉆頭性能優(yōu)化中的一些熱點研究問題［J］.西部探礦工程，2003，91(12).

［2］鄭超.進一步提升金剛石鉆頭設(shè)計制造水平的思考［J］.超硬材料工程，2010，22(2).

［3］Fordia Group.James Bay Drill Site Reaches 1012 Meters With Vulcan 16mm［Z］.2006.

［4］阮海龍，紀衛(wèi)軍，沈立娜，等.針對復(fù)雜地層金剛石鉆頭的改進與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1).

［5］楊凱華，王達，張曉西.科學(xué)深鉆金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)與性能分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(S1).

［6］魯凡.對孕鑲金剛石鉆頭磨損規(guī)律的探討［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，28(6).

［7］朱英，周原，趙憲富.卵礫石地層鉆探用大直徑加強型金剛石鉆頭的研制［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(8).

［8］彭步濤.低唇面高效繩鉆金剛石鉆頭的研制與應(yīng)用［J］.中國西部科技，2007.

［9］楊展，蘭橋昌，段隆臣.提高電鍍金剛石鉆頭保徑能力的幾種方法［J］.金剛石與磨料磨具工程，2003，(4).

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［11］Thompson Manitoba.Boart Long Year The Alpha Stage3 Bit［Z］.2008.

［12］趙爾信，蔡家品，賈美玲，等.淺談國內(nèi)外金剛石鉆頭的發(fā)展趨勢——高效、低耗［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37 (10).

［13］方俊，鄢泰寧，李田軍.雙層水口超高胎體金剛石鉆頭孔底磨損過程分析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(1).

［14］王傳留，孫友宏，高科，等.金剛石鉆頭可再生水口的試驗［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2010，40(3).

Several Key Technologies in the Design and Manufacture of Diamond Drill Bit with High Matrix

XIAO Li-hui1，LI Guo-min2，LIU Bao-lin2(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400039，China;2.National Lab on Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

A variety of high-matrix diamond drill bits present in the market to meet the requirements of deep-hole drilling.In the field drilling，although the service life of high-matrix diamond bit has been further improved compared with the conventional ones，it did not achieve the desired effects.By analyzing the advantages and disadvantages of high-matrix diamond bits both in China and abroad，the key technologies affecting bit service life haven been found and further discussion and research were made on them.

high-matrix diamond bit;matrix;radius retention;water way

P634.4+1

A

1672－7428(2012)06－0077－03

2012－02－10;

2012－05－10

肖麗輝(1985－)，女(漢族)，內(nèi)蒙古赤峰人，中煤科工集團重慶研究院，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事鉆探設(shè)備與器具方面的研究工作，重慶市九龍坡區(qū)二郎科技新城科城路6號，xiaolihui2006_@126.com。