深部找礦金剛石鉆進工具發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢①

呂 智,劉志環(huán),潘曉毅,羅文來,林 峰,王進保

(1.廣西超硬材料重點實驗室;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心;

3.中國有色桂林礦產地質研究院,廣西桂林 541004)

深部找礦金剛石鉆進工具發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢①

呂 智,劉志環(huán),潘曉毅,羅文來,林 峰,王進保

(1.廣西超硬材料重點實驗室;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心;

3.中國有色桂林礦產地質研究院,廣西桂林 541004)

結合國內近幾年深部找礦的發(fā)展現(xiàn)狀,介紹了金剛石深孔鉆頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,對當前備受關注的深孔鉆頭進行了簡要的介紹與分析,并對深孔鉆頭未來的發(fā)展方向提出了一些想法。

深部找礦;深孔鉆頭;結構;胎體性能;發(fā)展現(xiàn)狀

1 引言

現(xiàn)階段,能源以及礦產資源開發(fā)已經成為支撐一個國家經濟社會發(fā)展的重要支柱。經過數(shù)十年的礦產勘查與開采,我國淺部地層的礦產資源開采殆盡,地質找礦逐步從過去的淺部(300m以內)、中深部(300～1000m)轉向深部(大于1000m)甚至超深部勘探(大于3000m)。積極尋找“第二找礦空間”,深部找礦已成為我國地質找礦事業(yè)的發(fā)展方向,而深孔鉆探工具技術制約了深部找礦事業(yè)進一步的發(fā)展[1～3]。

金剛石鉆頭是我國最早應用人造金剛石的工具產品,經過數(shù)十年的發(fā)展,金剛石鉆頭從產品的材料、結構、制作方法幾乎沒有發(fā)生變化。近年來,應用于深孔鉆探的深孔鉆進工具的研制逐步受到超硬材料行業(yè)及地質行業(yè)相關人員的重視,然而,由于行業(yè)交流、重視程度等多方面的限制,深孔鉆頭研發(fā)進度很慢,雖然已經有仿制國外產品的使用報道,但使用效果不明顯,不能實現(xiàn)批量應用[4～8]。

本文針對我國深孔鉆頭的發(fā)展狀況進行了相關總結,分析了深孔鉆頭未來的發(fā)展趨勢,希望通過本文的分析闡述,為深孔鉆頭的研究發(fā)展提供新的思路。

2 深孔鉆頭與常規(guī)鉆頭的區(qū)別

隨著鉆探深度的增加,巖石性質、鉆進受力、鉆進輔助時間等都發(fā)生了很大的變化,常規(guī)鉆頭已很難滿足使用的要求。深孔鉆探用金剛石鉆頭(深孔鉆頭)必須從材料、結構、配方、強度等方面進行改變,才能滿足深部找礦的需要。深孔鉆頭與常規(guī)鉆頭的不同之處主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)鉆頭使用壽命要求不同。普通金剛石鉆頭平均使用壽命約為40～50m,單個鉆頭使用完成后,需要提桿更換鉆頭,這一更換過程所占用的時間往往占總鉆進時間的40%以上,而且提桿過程中對孔的穩(wěn)定性也產生了一定的危險,操作不當有可能導致孔塌事故;特別是在1500m以深的深孔鉆進中,這一問題尤為突出。因此,盡可能提高鉆頭工作層的使用壽命,減少起下鉆次數(shù),是深孔鉆頭研究的重要方向之一。同時,也必須認識到,提高鉆進效率,單位時間進尺深度提高,也同樣能減少起下鉆次數(shù),但是,通過現(xiàn)有技術水平,很難大幅度提高鉆頭的效率,而大幅度提高鉆頭的壽命相對較容易。

(2)鉆頭破巖能力要求不同。受地質構造的影響,深孔鉆進過程中,軟硬互層往往較多,巖石不均勻和各向異性明顯,因此,金剛石鉆進過程中容易出現(xiàn)鉆頭跑偏導致孔斜,而深部鉆探對孔斜的控制要求更高。解決孔斜的問題,除了要從施工設計、鉆探工藝、檢測儀器等技術方法著力解決之外,還要求金剛石鉆頭具備很好的硬巖破巖能力,需要從切削刃、鉆頭結構等多方面考慮,使之滿足深孔鉆進的需要。

(3)鉆頭廣譜性能的要求。深部找礦鉆探往往在受地質構造影響的區(qū)域進行,特別是那些受地質構造控礦因素的影響,礦層及其頂?shù)装甯郊貙虞^復雜,地層一般經過多次復雜的構造運動,斷層、解理和破碎帶發(fā)育。復雜的地層特性對深孔鉆頭提出了更高的要求,由于深孔鉆頭往往具有很長的使用壽命,因此鉆進過程中會經過各種不同的地層,這就要求深孔鉆頭具有廣譜性,能夠適應不同巖石硬度、不同研磨性的地層鉆進需要。

(4)鉆頭強度的要求。鉆頭成孔過程中,由于巖石的去除,巖石受力結構發(fā)生重組,被去除的巖石邊緣會產生側壓力,隨著巖層深度的增加,巖石側壓力也逐漸增大。巖石側壓力的增大對鉆齒斷裂強度提出了更高的要求,而深孔鉆頭往往鉆齒高度也較常規(guī)鉆頭高,因此,鉆齒與鋼體的結合強度是深孔鉆頭的研究重點之一。

(5)鉆頭抗疲勞性能的要求。深部找礦鉆進過程中,由于地層復雜,以及深孔鉆頭的長壽命,鉆頭需要保持長時間運行的穩(wěn)定性,必然要求深孔鉆頭具備更好的抗疲勞強度,包括鋼體、鋼體與鉆齒的結合部位以及鉆齒本身的抗疲勞性能等。常規(guī)金剛石鉆頭材料、結構、結合強度已不能滿足深部鉆探技術的要求。

正是因為深孔鉆探的地層特征、環(huán)境特點、鉆探方式等因素的影響,要求深孔鉆頭必須從整體材料選擇、鉆頭結構、鉆齒增壽與強化、結合強度、制作方式等幾個方面進行研究與開發(fā),從常規(guī)鉆頭制作思路中脫離出來,結合超硬材料最新發(fā)展技術,使之滿足深部找礦的需要。

3 深部找礦金剛石鉆進工具產品現(xiàn)狀

近年來,隨著我國深部找礦戰(zhàn)略的實施,超硬材料和地質找礦行業(yè)相關人員都開始了深孔鉆進工具的研究,通過數(shù)年的努力,已取得了一定的進步,通過相關資料收集,近年來我國深孔鉆頭的研究方向基本都集中在鉆頭胎體的增高[9～12]方面,具體包括以下幾類產品。

3.1 扇形單水口高胎體鉆頭

近年來出現(xiàn)的扇形單水口高胎體金剛石鉆頭(圖1)就是在常規(guī)熱壓孕鑲金剛石鉆頭的基礎上進行改進而成的,通過配方、燒結工藝、結構改良使其更匹配深孔鉆探的嚴苛環(huán)境并且降低提前失效的風險。

圖1 扇形單水口鉆頭Fig.1 The fan-shaped single runner bit

扇形單水口高胎體鉆頭由于其扇形水口的設計,降低了內外圓弧的弧長差,制作前通過對鉆頭工作時內外圓弧線損耗率及胎體設計高度進行計算確定相關參數(shù),保障在長時間的鉆進工作過程中內外圓弧高度方向損耗相近,避免唇面出現(xiàn)內外沿高度差形成斜坡形唇面,從而加速工作層的磨損,減少工作層服役壽命的狀況,且水口的設計參數(shù)保證了冷卻液的沖洗,保障了鉆頭工作冷卻效率。

3.2 多層水口高胎體鉆頭

為提高鉆頭的工作冷卻效率與工作壽命,常見的解決策略是制造多工作層并相應的增添水口數(shù)目。多水口、多工作層高胎體鉆頭中,充足的水口數(shù)量保證了沖洗液對金剛石層的冷卻能力,排粉充分,降低了鉆進過程中金剛石的熱損耗率,提升了鉆頭壽命。

圖2為國內某單位研發(fā)的雙層水口高胎體鉆頭。雙層水口金剛石鉆頭經過幾年的試用推廣,在全國各勘探單位小口徑巖芯鉆探深孔施工中取得了很好的使用效果,壽命較常規(guī)產品高出一到兩倍。其雙層結構的設計一方面借雙水口增加了過水面積,保證了鉆頭的冷卻效果;另一方面,雙工作層提高了鉆頭胎體高度,當?shù)谝还ぷ鲗酉拇M時,新的胎體工作層會隨之出露,進行新的一輪巖石破碎工作,從而實現(xiàn)長壽命鉆頭的高效鉆進;再者,其獨特的結構設計強化了胎體與基體的連接強度,也緩解了鉆頭高胎體在鉆進過程中的應力集中、胎體易脫落斷裂的問題。

圖2 雙層水口高胎體鉆頭Fig.2 The high matrix drill bit with double-lay nozzle

3.3 聚晶金剛石復合鉆頭

這類鉆頭采用聚晶與工作層復合技術,在工作層中交錯鑲嵌超硬體作“骨架”與耐磨相,在增加胎體強度的同時增加胎體耐磨性能,以提高深孔孕鑲金剛石鉆頭的壽命(圖3)。

圖3 聚晶復合金剛石孕鑲鉆頭Fig.3 The composite polycrystalline diamond impregnated bit

經研究發(fā)現(xiàn)所選工作層鑲嵌聚晶需滿足:(1)具有低的磨耗比;(2)加入比例不宜過高。如若不然會導致鉆進過程中鉆頭鋒利度降低,使金剛石不出刃,降低工作效率,胎體易發(fā)生斷裂等問題。低磨耗比的聚晶及合理的鑲嵌排布設計可以有效提高該類鉆頭的使用壽命與工作效率。

3.4 超高胎體橋式聯(lián)接鉆頭

高胎體鉆頭由于其胎體較高,從力學角度來看,高胎體結構在鉆頭運轉過程中越接近胎體根部的部位所承受的彎矩越大,胎體越高越容易發(fā)生提前斷裂的失效事故(掉齒、斷齒等),使鉆頭無法按設計壽命正常服役。橋式聯(lián)接結構高胎體金剛石鉆頭(見圖4)胎體間以“橋”進行聯(lián)接,在鉆頭運轉過程中,該結構可以通過“橋”將高胎體單齒塊受到的應力有效地分散到整體結構中,降低單齒提前失效的風險,從而增加胎體強度。

圖4 超高胎體橋式聯(lián)接金剛石鉆頭Fig.4 The diamond bit with ultra-high matrix bridged linkage

超高胎體橋式聯(lián)接鉆頭特點:

(1)胎體高度最高可以達到約22mm,金剛石工作層高約16mm;

(2)相鄰胎體單齒之間以“橋”進行聯(lián)接,既增加了胎體強度,又不妨礙沖洗液的正常流通;

(3)水口設計數(shù)量較多,水口投影底面積約占胎體投影底面總面積的50%,運轉過程中胎體同巖石的接觸面積小,有利于鉆進效率的提高,同時排粉通液效率極高。

上述深孔鉆頭的開發(fā)在部分鉆探施工中得到應用,并取得了良好的效果,但由于只是單純的提高胎體的高度,而胎體材料、內部結構、制作方式并沒有相應改變,使得使用效果并不顯著,性價比不高,市場應用面遲遲不能打開。

4 深孔鉆頭技術未來趨勢

為了實現(xiàn)深孔鉆頭的普及應用,應當改變常規(guī)理念,應用現(xiàn)有先進技術,從材料、結構、強度等多方面入手,全方位提高鉆頭的使用性能,使之滿足深孔鉆探的需要。

4.1 合金改性技術實現(xiàn)工作層胎體的強化

隨著胎體的提高,由于熱壓燒結存在的局限性,會出現(xiàn)胎體內部成分分布不均、致密度偏低、運轉中易斷折等問題。若要求高胎體鉆頭能滿足鉆探需要則需通過有效的手段改善胎體性能。

就合金改性而言,在未來將有以下幾點可行的發(fā)展思路:

(1)采用超細粉體配方設計。超細粉體可在燒結過程中改善胎體成分的交互性與流動性,使胎體成分易均勻化,燒結成型需求的溫度更低,燒結胎體密度、強度更高,力學性能分布更均勻。這就要求在配置粉料時重新審視成分的配比與各組分粒度的選擇與搭配,力求優(yōu)化配方體系,使胎體強度、耐磨性與金剛石包鑲性能更符合深孔鉆探。

(2)稀土改性配方體系的深入研究。稀土的變性作用、微合金化作用、脫氧純化、密度均勻化作用能明顯提高鉆頭胎體的性能,很微量的添入稀土就能很好地提高胎體綜合性能,對提高鉆頭質量與鉆頭對深部巖層的適應性意義重大。目前稀土對于胎體配方體系及性能的強化影響機理還處于研究階段,但是相信不遠的將來會得到更廣泛的應用。

(3)新型預合金粉末技術的引入:預合金粉末較常規(guī)的機械混合金屬粉末而言,元素分布更均勻、致密化更高,能有效避免成分偏析,使胎體組織均勻、性能一致、致密性更好并有效改善胎體耐磨性能;所需燒結溫度較低,在避免對金剛石造成熱損傷的同時對金剛石包鑲能力更高,提高金剛石利用率,更能有效延長金剛石服役壽命。進一步對預合金粉末進行有針對性的研究有助于改善鉆頭胎體工藝,優(yōu)化其性能,滿足更長時間的服役要求。

就復合強化技術而言,可以通過復合強化技術來保證高胎體的強度,使高胎體深孔鉆頭更好地滿足人們的預期進行服役。

目前國內對于超細纖維強化類材料的研究已經有一定的建樹。碳超細纖維材料具有強度、硬度與韌性上的優(yōu)勢,若能作為強化相與胎體工作層加以復合,充當“骨架”與耐磨相,在理論上將能有效提高胎體強度與耐磨性能。雖然纖維材料在金剛石工具中的應用尚處于試驗研究階段,但相信隨著材料科學的進步,在不遠的未來會得到長足的發(fā)展。

4.2 進一步強化鉆齒獨立燒結技術

高胎體鉆頭由于胎體較高,若采用單次成型鉆頭熱壓燒結工藝將會不可避免的面對燒結時間長的問題,而熱壓單次成型若要保障胎體與基體的結合部位性能又需求極高的溫度,長時間高溫燒結條件下金剛石的石墨化、熱損問題會愈加嚴重,且常規(guī)熱壓燒結單向加壓,胎體內部具有致密性梯度差,力學性能分布不均的缺陷。

鉆齒的獨立燒結由于具有可采取雙向加壓、燒結所需溫度低、可先冷壓成塊再燒結等特點,可有效避免單次成型工藝上引發(fā)的缺陷,為未來鉆頭的發(fā)展提供了一個很好的思路。鉆齒的獨立燒結也為鉆齒內部設計改良提供了便捷,可以引入金剛石有序排布技術讓鉆齒內部金剛石分布更均勻;也可以發(fā)展?jié)舛炔钽@齒令鉆齒易磨損部位金剛石濃度更高,使鉆進過程中整個唇面均勻磨損或自形成有利唇面使鉆進更有效率等。

4.3 新型焊接技術在深孔鉆頭中的應用

改善胎體與基體結合強度能有效避免高胎體在深部鉆進過程中嚴苛條件下的提前失效(掉齒)。故而,未來新型結合技術的引入也是未來深孔鉆頭發(fā)展的重要思路。

激光焊接技術在超硬材料中的應用已經有十多年的歷史,在金剛石鋸片、薄壁工程鉆頭中已發(fā)展得較為成熟。激光焊接具有能量集中、能量輸出覆蓋范圍廣、焊接過程無需填充釬料、可焊材質種類范圍大、異種材料焊接性能好、焊接深寬比高、易于實現(xiàn)自動化等其他焊接、中頻燒結無法比擬的優(yōu)勢。

但是,由于地質鉆頭壁厚一般在10mm左右,遠大于鋸片與薄壁工程鉆頭鋼體厚度,目前常規(guī)的薄壁工程鉆頭、鋸片用激光機在深孔鉆頭上的實現(xiàn)還有一定的困難,若能在激光頭處加以改進實現(xiàn)激光內外雙面焊接,激光焊接深孔鉆頭投入實際運用就不會太遠了。

5 深孔鉆頭的市場需求

在討論市場需求之前,需重新定義一下所謂的深孔鉆頭。深孔鉆頭,即具有長壽命、深鉆進、高鉆進速率、廣譜性能好的一類新技術鉆頭,較普通常規(guī)鉆頭有單體鉆進距離深、回次數(shù)低,節(jié)約起下鉆時間、針對地層巖類廣、鉆進時效高的優(yōu)勢,而并不是指僅僅指只能運用于深部鉆探工程的鉆頭,在常規(guī)普通鉆頭能使用的場合也適用并且相較而言能更好地適應更復雜的環(huán)境。

雖然深孔鉆頭由于技術上及制造成本上的原因相較普通鉆頭單價高,但是若能在非深部鉆探工程中得到普及應用,從總體上來看將會為施工帶來縮短工期、降低勞動強度、降低人工成本、減少機械損耗、節(jié)約資源能源、減少鉆頭耗費數(shù)目等優(yōu)勢,長遠上來看利遠大于弊,在未來其必然將逐步甚而完全取代市面上現(xiàn)有的普通鉆頭。

據(jù)SNL金屬經濟集團(SNL Meg)為加拿大勘探開發(fā)者協(xié)會年會(PDAC)編制的《2013年世界勘探趨勢》所述:雖然由于2008年爆發(fā)的金融危機使全球經濟低迷,世界金屬價格動蕩不定,大多數(shù)的金屬價格在2009年年初探底,導致全球范圍內2009年勘探總支出較2008年高峰相比猛跌57.7億美元(下降42%),但是,整個行業(yè)復蘇速度遠遠超出預期,至2012年,盡管中國經濟增速放緩,歐洲出現(xiàn)經濟崩潰的威脅,美國存在政治與經濟的不確定因素,但是全球勘探預算仍達到了19%的年同比增長量,全球總勘探預算一舉達到234.2億美元,創(chuàng)下了歷史新高。其中拉丁美洲、非洲、加拿大地區(qū)依次包攬了前三的勘探投資,中國僅僅占有全球勘探總投資的4%。

而2009年我國金屬找礦鉆探工作量就已達1720.5萬米,2010年1800萬米,2011年更是達到了前所未有的2500萬米。從鉆頭市場來看,以2011年我國鉆探總工作量為例,現(xiàn)有金剛石鉆頭消耗量超過60萬個(指常規(guī)鉆頭),按鉆頭價值估算,每年耗費鉆頭總價值約1億美元,照此投資占有比例進行估算,全球單年度將耗費總值約20多億美元的鉆頭,其中每年約有近2億多美元將耗費在深孔鉆頭上。如果在未來,深孔鉆頭技術發(fā)展成熟并逐步向常規(guī)鉆頭使用領域進行推廣應用,由于深孔鉆頭性能上相較常規(guī)鉆頭具有無可比擬的優(yōu)越性,在未來幾年內其市場占有率將會進一步加速擴張。

由此可知,隨著深孔鉆頭技術的進步及國內外推廣普及應用,深孔鉆頭將會為超硬材料制品產業(yè)的發(fā)展提供新的方向,且具有很高的經濟價值。

6 未來展望

隨著深部找礦戰(zhàn)略的實施,現(xiàn)有金剛石地質鉆頭技術已不能滿足深孔鉆探的需要,深部找礦用金剛石地質鉆頭的研究開發(fā)將是超硬材料新產品、新技術的重要方向,將會為超硬材料制品技術的進步開拓新的思路。由于深孔鉆頭在淺部地層鉆探的通用性,因此深孔鉆頭還將具有顯著的市場應用價值,也會為地質鉆探技術的進步注入新的動力,具有顯著的經濟和社會效益。

深部找礦用金剛石鉆頭的研究與發(fā)展應從以下幾個方面去努力:

(1)加強對深部找礦鉆探機理的研究,進一步認識深部鉆探的巖層構造、礦物特性、巖石力學及水力學特征等,為深孔鉆進金剛石鉆頭的結構、強度、材料設計提供理論依據(jù);可學習石油鉆頭設計開發(fā)過程,有效建立不同條件下深部鉆探工具使用模型,運用計算機模擬技術進行推導與分析,驗證設計可行性和使用安全性,為深孔鉆頭設計與研究提供助力。

(2)充分利用超硬材料新技術和相關行業(yè)最新發(fā)展成果,打破常規(guī)金剛石鉆頭制造技術的陳舊思路,根據(jù)深孔鉆進存在的主要問題和矛盾,結合相關理論分析結論,從材料設計、結構改型、連接技術、制作方式等幾個方面進行研究與開發(fā),使深孔鉆頭的使用壽命、破巖能力、地層廣譜性、強度與疲勞性能等都能滿足深部鉆探的需要。

(3)要充分認識深孔鉆探技術的制約因素除了鉆進工具技術外,還包括鉆探設備、鉆桿強度、鉆井液體系、鉆探檢測與固控技術等多方面的問題,因此,在深孔鉆頭研發(fā)過程中,應加強與相關技術領域的單位或企業(yè)合作,發(fā)揮各自技術優(yōu)勢,共同進步,從而根本性地解決深孔鉆探技術問題。

(4)另外,超硬材料工具技術最重要的實驗手段是現(xiàn)場使用,然而深孔鉆頭與普通工具相比,現(xiàn)場使用的難度相對較大,實驗成本較高。因此,有必要與鉆探單位形成合作,設立深孔鉆頭專門實驗點,為樣品試驗和數(shù)據(jù)反饋提供通道。同時,也可在深孔鉆探理論研究結論基礎上,設計模擬深部鉆進平臺,提高試驗效率和降低試驗成本。

(5)還需要引起重視的是,由于深孔鉆頭的研制是一個需要多學科交叉及綜合技術應用的過程,涉及材料、地質、機械等多方面的專業(yè)領域,因此,應當注重具有不同知識面的人才的培養(yǎng),注重不同專業(yè)領域人才研發(fā)團隊的建設,只有這樣,深孔鉆頭的成功開發(fā)與普及應用才是有可能做到的。

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Development status and trends of deep prospecting diamond tools

LU Zhi,LIU Zhi-huan,PAN Xiao-yi,LUO Wen-lai,LIN Feng,WANG Jin-bao
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin 541004,Guangxi; 2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center,Guilin 541004,Guangxi; 3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,Guangxi)

This article combines the domestic deep prospecting current development status in recent years to introduce the present research status and future trends of the deep hole bits.Brief introduction and analysis on the current popular deep hole bits are presented, and some ideas to the development direction for the deep hole bits are introduced.This paper is mean to play a positive role to domestic deep hole bits and deep prospecting.

deep prospect;deep hole bit;structure;matrix performance;development status

TQ164

A

1673-1433(2013)04-0039-06

2013-09-30

呂智(1956-),男,博士,教授級高級工程師,中國材料研究學會超硬材料及制品專業(yè)委員會主任委員,廣西有色金屬集團副總經理,中國有色桂林礦產地質研究院院長,長期從事超硬材料方面的研發(fā)和管理工作。