新型金剛石造斜鉆頭的研制及改進

沈立娜，阮海龍，賈美玲，李 春，吳海霞，陳云龍

(北京探礦工程研究所，北京100083)

隨著鉆探與鉆井工程的深部發(fā)展，對勘探精度要求不斷提高，以往的1.5°～2°/100 m已不能滿足要求，設(shè)計部門提出了0.5°/100 m的更高要求，因此，采用人工造斜工具與技術(shù)強制進行鉆孔彎曲的受控定向鉆井技術(shù)逐漸發(fā)展起來。國內(nèi)造斜器具主要具有以下用途［1］：(1)地質(zhì)勘探鉆孔糾斜(糾方位角和頂角);(2)施工單底定向孔、多孔底分支定向孔;(3)在復(fù)雜孔內(nèi)事故中，繞過事故鉆具不留隱患;(4)補采巖礦心;(5)在礦山建設(shè)中施工特種工程孔，如坑道通風(fēng)孔、豎井凍結(jié)孔、溜井導(dǎo)向孔和止水注漿孔等。

與連續(xù)造斜器配合使用的金剛石造斜鉆頭是定向鉆進技術(shù)的重要組成部分之一，造斜鉆頭的性能好壞直接影響造斜效果及鉆進效率。因此，有必要對造斜鉆頭進行相應(yīng)的技術(shù)研究。

1 新型金剛石造斜鉆頭的設(shè)計

造斜鉆具下入鉆孔后，因受孔壁限制，造斜件的彎曲點與孔壁接觸，鉆具在鉆壓P的作用下，使鉆頭處產(chǎn)生2個分力：一是鉆頭軸線方向的力Pz;一是鉆頭的側(cè)向力Pr。在其作用下，鉆頭一方面沿自己的中心線方向鉆進，同時又沿垂直鉆頭中心線方向側(cè)向鉆進，其結(jié)果使鉆孔軌跡偏離鉆具原軸向，達到定向造斜的目的。即井眼方向發(fā)生變化是由于鉆頭對井底的不對稱切削以及鉆頭對井壁的側(cè)向切削所引起的。

根據(jù)以往資料，在中硬巖層，適宜選用表鑲鉆頭或混鑲鉆頭;在堅硬或極硬巖層適宜選用熱壓孕鑲或電鍍鉆頭。

1.1 中心“死點”的處理

為回避中心“死點”，鉆頭中心部分留有小孔，鉆進中可形成細小巖心，但中心孔設(shè)計要合適。太大，形成的巖心過粗，鉆進中難以折斷，對鉆頭起到導(dǎo)正作用，反而妨礙鉆頭的側(cè)向切削，影響造斜效果;太小，起不到保護鉆頭的作用。經(jīng)過以上分析，中心孔直徑設(shè)計為14 mm，且為外小內(nèi)大圓錐孔。為防止中心巖心柱堵塞水口，在中心孔兩側(cè)設(shè)置直通水路，如圖1所示。

1.2 唇部形狀設(shè)計

為了適應(yīng)定向鉆進特點，一般設(shè)計造斜鉆頭為全面鉆頭。由于剖面為凹面時可增大鉆頭底唇部的自由刻取面積，充分發(fā)揮碎巖作用，提高偏斜鉆進效果，因此目前的造斜鉆頭多為內(nèi)錐角為140°～170°的凹面狀，其外邊刃為圓弧形(R=3～8 mm)，具體如圖2所示?；卺槍χ杏驳接矌r設(shè)計，本文中鉆頭設(shè)計選用170°內(nèi)錐角。

1.3 保徑設(shè)計

圖1 造斜鉆頭中心部位設(shè)計

圖2 φ75 mm金剛石造斜鉆頭水路設(shè)計形式

造斜鉆進時，造斜強度的大小主要與鉆頭側(cè)向力Pr有關(guān)，Pr越大，造斜強度越大。而Pr的大小隨鉆壓增加而增大，卻與造斜件以下鉆具長度成反比。因此，在滿足鉆孔保徑要求下，盡量縮短鉆頭保徑長度，以提高造斜強度。根據(jù)文獻［2］得知，在鉆頭底唇7～10 mm長度范圍鉆頭磨損較快，所以，鉆頭的保徑一般設(shè)計為7～10 mm即可。這樣既可滿足保徑，側(cè)鉆需要，亦能節(jié)約金剛石，且有利于造斜。為達到較好的造斜強度，本設(shè)計選用7.5 mm保徑。

1.4 水路設(shè)計

大多造斜器工作時，需要沖洗液排量大，泵壓高，致使鉆頭唇部流速增大，因此鉆頭過水面積需較大，水路通常設(shè)計較深，水眼、水槽分布亦須合理均勻分布。此外，在保證鉆頭胎體及鋼體強度的條件下，鉆頭外徑與鋼體外徑之差需盡量大以便加大外徑部分的水槽深度。

為了進一步獲得比較理想的水路分布參數(shù)，利用先進的有限元分析軟件Ansys中的計算流體動力學(xué)Fluent模塊對該模型進行了井底水力流場的數(shù)值模擬。圖3(a)為水路的三維模型圖，對入水口inlet和出水口outlet網(wǎng)格劃分需要更加稠密，經(jīng)過模擬分析，得到圖3(c)所示流場效果圖，經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化分析，最終獲得最優(yōu)水路設(shè)計形式和參數(shù)。具體見圖2。

1.5 金剛石參數(shù)及分布設(shè)計

圖3 鉆頭水力數(shù)值模擬

造斜鉆頭外側(cè)刃的切削能力和壽命大大影響造斜效果，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計有中心孔的造斜鉆頭來說，內(nèi)側(cè)刃的壽命同樣十分重要。然而由于鉆頭唇部外側(cè)刃和內(nèi)側(cè)刃處工作條件惡劣，以往造斜鉆頭通常會由于外側(cè)刃磨損較快而失去造斜能力，或是由于中心小孔磨成喇叭口，巖心頂死而無法進尺，這些無疑是造斜鉆頭的致命缺點。為此，在外側(cè)刃及內(nèi)側(cè)刃處選用品級高的優(yōu)質(zhì)天然金剛石表鑲(18～25目)形式+孕鑲(金剛石濃度60% ～80%，35～45目)設(shè)計，同時采用天然金剛石保徑，在保證造斜強度的同時增加鉆頭使用壽命，避免由于外側(cè)刃或中心部位過早磨損導(dǎo)致鉆頭提前報廢。

2 新型金剛石造斜鉆頭制造工藝

無論是傳統(tǒng)熱壓法或是無壓法制造金剛石造斜鉆頭，普遍存在燒結(jié)溫度高(無壓法較熱壓法高出更多)，這對金剛石高溫損傷和熔融金屬對金剛石的腐蝕較為嚴重，尤其對單晶人造金剛石的影響更大［3］。因此，采用二次鑲嵌式制造法研制造斜鉆頭。

為保證焊接質(zhì)量，焊件在焊接前必須認真清洗，先用硼砂水沸煮15 min后，再用丙酮沸煮3～5 min后擦凈放入密閉容器內(nèi)，以備使用。被焊件亦需噴砂處理后，利用丙酮清洗再放入真空烘箱中加熱，其目的在于在焊接時不會由于溫度梯度過大而產(chǎn)生較大應(yīng)力，影響焊接質(zhì)量。焊接過程嚴控焊接溫度在750℃以內(nèi)，并對焊件進行高溫焊劑保護。最終獲得成品如圖4所示。

圖4 二次鑲嵌式金剛石造斜鉆頭

3 新型金剛石造斜鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用效果

新型金剛石造斜鉆頭經(jīng)武警黃金十二支隊、河北地勘局四隊、湖南有色地勘總隊、中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所等單位現(xiàn)場施工使用，雖取得良好的造斜效果，但中心位置由于不斷克取巖石，磨損較為嚴重。為此，我們對中心位置重新進行磨損分析，最終設(shè)計成品如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場試驗，該種造斜鉆頭在中硬至堅硬巖層造斜效果良好，中心部位磨損情況得到大幅改善。

4 結(jié)語

圖5 混合式金剛石造斜鉆頭

所研制的新型金剛石造斜鉆頭通過優(yōu)化改進，配合連續(xù)造斜器共同工作，獲得令人滿意的使用效果，中心“死點”問題得到大幅改善，適宜推廣應(yīng)用。

［1］ 朱恒銀.關(guān)于螺桿鉆用金剛石造斜鉆頭結(jié)構(gòu)性能問題的討論［J］.地質(zhì)與勘探，1990，(3)：53 －57.

［2］ 劉廣志.金剛石鉆探手冊.北京：地質(zhì)出版社.1991.

［3］ 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)：68－71.

［4］ 沈立娜，阮海龍.國內(nèi)外金剛石鉆頭的部分技術(shù)進展［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(5)：78 －80.

［5］ 鄧偉，李子章，胡立.金剛石定位排布鉆頭設(shè)計［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6)：62－64.