深孔金剛石地質(zhì)鉆頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)綜述①

謝志剛，王智慧，羅文來(lái)

（1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，桂林 541004；2.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林541004）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)多年的快速增長(zhǎng)，各種金屬和能源的消耗也急劇加快，現(xiàn)有探明的金屬和能源的儲(chǔ)量明顯不足，成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的制約因素之一，國(guó)家一直十分重視礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘探工作，由于受地質(zhì)找礦、勘探等技術(shù)限制，以往的地質(zhì)找礦主要在淺部，隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益枯竭及地質(zhì)找礦理論的成熟以及勘探等技術(shù)的進(jìn)步，逐漸將地質(zhì)找礦轉(zhuǎn)向中深部，鉆孔深度也在800m以上。作為深部勘探的重要組成部分——金剛石鉆頭的需求量因此有很大增長(zhǎng)，而對(duì)其性能和質(zhì)量的要求則更高，更需要研制出超乎常規(guī)的長(zhǎng)壽命地質(zhì)巖芯鉆頭。這預(yù)示著沉寂多年的巖芯地質(zhì)鉆頭又將掀起一股大發(fā)展的浪潮。

2 深孔金剛石地質(zhì)鉆頭特點(diǎn)分析

與淺部勘探用金剛石地質(zhì)鉆頭相比，深孔金剛石地質(zhì)鉆頭（以下簡(jiǎn)稱：深孔鉆頭）具有如下特點(diǎn)：

2.1 高強(qiáng)度要求

因鉆孔深，打一口鉆的費(fèi)用相當(dāng)高，且孔底復(fù)雜，這就要求深孔鉆頭聯(lián)接螺紋精度高并有高的強(qiáng)度，深孔鉆頭胎體與鉆頭鋼體之間具有高的粘接強(qiáng)度，深孔鉆頭胎體具有較好的韌性，確保在鉆進(jìn)過(guò)程中，不掉鉆頭、不掉齒及不掉塊。

2.2 廣普性要求

由于鉆孔深，各種地質(zhì)情況均可能出現(xiàn)，且礦床一般存在于復(fù)雜地層中，因此深孔鉆頭必須適應(yīng)性強(qiáng)，在各種地層中均能正常鉆進(jìn)。

2.3 長(zhǎng)壽命要求及合適的鋒利性要求

深孔鉆進(jìn)時(shí)，更換一次鉆頭需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，且發(fā)生孔底事故的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，必須在保持深孔鉆頭合適的鋒利性的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)鉆頭壽命以減少更換鉆頭次數(shù)；此外延長(zhǎng)深孔鉆頭壽命后遇到的巖層變化更多，鉆頭胎體的適應(yīng)性也要求更寬。

2.4 良好的保徑要求

深孔鉆進(jìn)時(shí)，因鉆頭壽命長(zhǎng)、孔底復(fù)雜，一旦深孔鉆頭保徑不好，就會(huì)導(dǎo)致縮孔，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)深孔鉆頭掉齒，因此對(duì)深孔鉆頭保徑提出了更高的要求。

2.5 水路設(shè)計(jì)

為保證深孔鉆頭能正常工作，具有合適的鋒利度及長(zhǎng)的壽命，不出現(xiàn)燒鉆、糊鉆現(xiàn)象，深孔鉆頭水路設(shè)計(jì)也是十分重要的。

3 提高深孔鉆頭設(shè)計(jì)性能的一些措施

深孔鉆頭要求比淺孔鉆頭具有更高的性能，主要表現(xiàn)為在合適的鉆進(jìn)效率條件下具有長(zhǎng)的使用壽命。下面從幾個(gè)方面闡述提高深孔鉆頭設(shè)計(jì)性能的措施。

3.1 加高深孔鉆頭胎體高度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保持深孔鉆頭合適的鉆進(jìn)效率條件下提高其使用壽命的最有效措施是加高深孔鉆頭胎體高度，然而隨著深孔鉆頭胎體高度的增加，其胎體強(qiáng)度會(huì)下降，如何提高深孔鉆頭超高金剛石工作層的強(qiáng)度就成為深孔鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)之一。設(shè)計(jì)深孔鉆頭胎體高度由常規(guī)的7～10毫米增加到14～20毫米，圖1為阿特拉斯-科普柯公司的加高鉆頭，通過(guò)減少鉆頭齒數(shù)提高鉆齒強(qiáng)度，為了排粉方便，增加內(nèi)外副水口。

圖2為長(zhǎng)年公司加高深孔鉆頭，通過(guò)減少鉆頭齒數(shù)提高鉆齒強(qiáng)度，為了排粉方便，采用窗戶式多水口形式。

圖3為桂林特邦新材料有限公司（以下簡(jiǎn)稱桂林特邦）加高深孔鉆頭，采用公司專利在齒內(nèi)植入加強(qiáng)材料達(dá)到提高鉆齒強(qiáng)度的目的。

圖1 阿特拉斯-科普柯公司加高鉆頭Fig.1 The heightening drill bits made by Atlas Copco Group

圖2 長(zhǎng)年公司加高鉆頭Fig.2 The heightening drill bit made by the Longyear Co.

圖3 桂林特邦加高鉆頭Fig.3 The heightening drill bit made by the Guilin Tebon Superhard Material Co.

3.2 水路設(shè)計(jì)

長(zhǎng)壽命深孔鉆頭水路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)鉆頭長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水路設(shè)計(jì)既要考慮冷卻鉆頭，預(yù)防燒鉆、糊鉆等孔底事故的發(fā)生；又要考慮巖粉及時(shí)排除，預(yù)防孔底巖粉重復(fù)破碎引起鉆頭壽命變短；更要考慮鉆齒強(qiáng)度，預(yù)防鉆齒斷裂等孔底事故的發(fā)生。高胎體深孔鉆頭的水路設(shè)計(jì)主要有三種形式，一是單水口的高胎體（類似圖3），這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，冷卻鉆頭及排粉效果好，缺點(diǎn)是鉆齒強(qiáng)度偏低，需要有提高強(qiáng)度的附加措施；二是雙水口高胎體（類似圖2），這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是鉆齒強(qiáng)度適中，缺點(diǎn)是制造相對(duì)復(fù)雜；三是帶內(nèi)外輔助水口的高胎體（類似圖1），這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度相對(duì)較高，制造相對(duì)雙水口高胎體的簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是冷卻鉆頭及排粉效果較差。

3.3 保徑材料

深孔鉆頭的保徑好壞對(duì)深孔鉆頭壽命影響極大，深孔鉆頭在使用過(guò)程中由于排粉不暢造成深孔鉆頭內(nèi)徑和外徑磨損過(guò)快而使深孔鉆頭報(bào)廢的情況是經(jīng)常發(fā)生的，因深孔鉆頭內(nèi)徑磨損變大而引起巖心變粗，使取芯工具無(wú)法卡取巖心會(huì)造成無(wú)效進(jìn)尺；深孔鉆頭外徑磨損變小會(huì)使鉆孔孔徑變小，導(dǎo)致新深孔鉆頭無(wú)法下到孔底，造成重復(fù)鉆進(jìn)，嚴(yán)重的會(huì)造成卡鉆事故。出現(xiàn)這種情況，是由于鉆頭的保徑材料質(zhì)量差及保證方法單一。保徑材料不僅需要選擇強(qiáng)度高及耐磨性好的長(zhǎng)方柱狀金剛石聚晶，還需在深孔鉆頭胎體內(nèi)側(cè)及外側(cè)植入粗顆粒金剛石，增加其抗磨性。

3.4 胎體材料的選擇

優(yōu)化深孔鉆頭胎體粉料是提高深孔鉆頭壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要考慮下列因素：

（1）具有較好的強(qiáng)度及韌性，其抗彎強(qiáng)度要求在900Mpa以上，以確保鉆齒在工作過(guò)程中不蹦齒、斷齒；

（2）具有較高的硬度及耐磨性；

（3）粉料對(duì)金剛石包鑲能力好；

（4）粉料的燒結(jié)溫度低，避免金剛石的熱損傷，提高金剛石的利用率 ；

（5）粉料與深孔鉆頭鋼體具有很好的粘結(jié)強(qiáng)度，以確保鉆齒在工作過(guò)程中不掉齒。

預(yù)合金粉末、超細(xì)合金粉末及稀土鑭La、鈰Ce在胎體粉料中的應(yīng)用，可改善其對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石良好的把持力，同時(shí)具有降低燒結(jié)溫度，避免金剛石的熱損傷，對(duì)提高胎體材料的綜合性能具有積極的作用。

3.5 金剛石的選用

金剛石的濃度和粒度的高低與粗細(xì)直接關(guān)系鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中時(shí)效的快慢和壽命的長(zhǎng)短。通常認(rèn)為破碎強(qiáng)研磨性地層可采用較高濃度的金剛石鉆頭，粒度以50／60～100／120細(xì)粒度金剛石為主。而對(duì)于弱研磨性堅(jiān)硬的“打滑”地層可采用較低的濃度，粒度以30／40～60／70中等粒度金剛石為主。對(duì)于深孔鉆頭，破碎強(qiáng)研磨性地層、“打滑”地層等各種交叉出現(xiàn)地層，金剛石以高品級(jí)20／30～60／70粗中等粒度金剛石為主，配3%～10%與主粒度相差2～3級(jí)金剛石輔磨料，金剛石表層經(jīng)真空鍍覆處理，使得金剛石顆粒與粉料的結(jié)合更強(qiáng)，金剛石出刃的高度增高，耐磨性提高，從而使鉆頭在正常地層下工作時(shí)延長(zhǎng)壽命，在復(fù)雜地層下工作時(shí)，適應(yīng)性增強(qiáng)，能保持合適的鉆進(jìn)效率。

3.6 鋼體設(shè)計(jì)

深孔鉆頭多采用繩索取芯工藝，工作層壁厚，為保持最優(yōu)鉆壓，鉆進(jìn)過(guò)程中深孔鉆頭螺紋承受著較大壓力，而且由于深孔鉆頭在孔內(nèi)工作時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致鋼體磨損嚴(yán)重，這對(duì)鋼體材質(zhì)的選擇和加工提出了更高的要求。鋼體材料一般采用45＃鋼材或更高強(qiáng)度的材料，深孔鉆頭螺紋和端部的密封角的精度比普通鉆頭要求更高，為提高鋼體表面耐磨性，可在深孔鉆頭鋼體外表噴焊硬質(zhì)合金粉末。

4 提高深孔金剛石地質(zhì)鉆頭性能的一些工藝措施

根據(jù)深孔鉆頭特點(diǎn)及使用要求，為了保證深孔鉆頭在合適的鉆進(jìn)效率條件下具有長(zhǎng)的使用壽命及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，合理的工藝流程及制作工藝是十分重要的。

4.1 冷壓-燒結(jié)工藝

將深孔鉆頭胎體粉料先冷壓成型，再裝入模內(nèi)與鉆頭鋼體一起燒結(jié)成深孔鉆頭，此工藝稱冷壓-燒結(jié)工藝。由于深孔鉆頭胎體高達(dá)20毫米，若直接裝粉將帶來(lái)下列問(wèn)題：

（1）若深孔鉆頭胎高由10毫米提高到20毫米，則石墨陰模裝粉空間高度也將提高1倍，這就要求陰模選用更高強(qiáng)度的石墨，否則在燒結(jié)過(guò)程中陰模易裂；此外，直接裝粉將大幅增加石墨模具費(fèi)用。

（2）地質(zhì)鉆頭屬于單向燒結(jié)，由于受粉料內(nèi)部磨擦及粉料與陰模、模芯之間磨擦的影響，鉆頭底部的燒結(jié)壓力與鉆頭靠近鋼體的壓力有一較大差值，此外鋼體在高溫下，強(qiáng)度變得很低，由于壓力梯度的存在，對(duì)直接裝粉的鉆頭，會(huì)使深孔鉆頭底部因燒結(jié)壓力不足而導(dǎo)致胎體疏松，鉆頭沿胎高方向性能具有很大的差異。

（3）對(duì)多層胎體結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜的深孔鉆頭，如圖1、2所示水口鉆頭，采用冷壓-燒結(jié)工藝，才能更好地達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及性能要求，采用其他制作工藝則胎體密度、強(qiáng)度的均勻性難以保證。

4.2 激光焊接工藝

先將鉆齒單獨(dú)燒結(jié)成型，再用激光將鉆齒與鉆頭鋼體焊成一體形成鉆頭，此工藝稱激光焊接制作鉆頭工藝。采用激光焊接工藝制作地質(zhì)鉆頭具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光焊接的優(yōu)勢(shì)是使得焊接層的局部達(dá)到“深熔焊接”狀態(tài)，令焊縫狹窄平滑牢固，熱影響區(qū)小，其鉆齒與鋼體連接強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻焊接的強(qiáng)度。也高于熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)的鉆頭的連接強(qiáng)度。

（2）采用熱壓燒結(jié)法，必須使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組合燒結(jié)石墨模，且能耗高，從而導(dǎo)致其造價(jià)高。

（3）采用激光焊接工藝制造鉆頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的可行性遠(yuǎn)大于采用熱壓燒結(jié)法工藝制造鉆頭，生產(chǎn)效率高。

（4）單獨(dú)燒結(jié)鉆齒，可采用相對(duì)高的燒結(jié)壓力及相對(duì)低的燒結(jié)溫度工藝，減少了金剛石的熱損傷，且易于保證鉆齒各部位性能的均勻性，且因單獨(dú)燒結(jié)鉆頭齒制作過(guò)程簡(jiǎn)單，鉆齒穩(wěn)定性易于保證。

（5）單獨(dú)燒結(jié)鉆齒胎體配方從液相到固相均適應(yīng)，而熱壓燒結(jié)法鉆頭胎體配方只能是液相，因而激光焊接鉆頭胎體配方可選空間大，容易實(shí)現(xiàn)在保持合適的鉆進(jìn)效率條件下提高使用壽命的目標(biāo)。

（6）激光焊接工藝目前的不足是，激光焊接鉆頭的壁厚不能太大，一般不能超過(guò)5毫米，且對(duì)焊接層粉有十分嚴(yán)格的要求，這也是目前激光焊接工藝在地質(zhì)鉆頭生產(chǎn)中不能推廣的主要原因。

5 結(jié)論

（1）對(duì)深孔鉆頭的基本要求主要包括：強(qiáng)度要求、廣普性要求、長(zhǎng)壽命要求、合適的鋒利性要求及鉆頭保徑要求；

（2）提高深孔鉆頭設(shè)計(jì)性能的一些措施主要包括：加高深孔鉆頭胎體高度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水路設(shè)計(jì)、保徑材料設(shè)計(jì)、胎體材料設(shè)計(jì)、金剛石的選用及鋼體設(shè)計(jì)；

（3）提高深孔鉆頭性能的一些工藝措施主要包括：冷壓-燒結(jié)工藝、激光焊接工藝。

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