大口徑孕鑲復(fù)合體金剛石取芯鉆探技術(shù)及其應(yīng)用

王書豪

摘 要 隨著我國綜合國力的提高，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)領(lǐng)域都有了更高的追求，科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展能夠為國家的發(fā)展鑄就基石。深入研究科學(xué)的鉆探技術(shù)是人類獲取地球內(nèi)部情況的最佳途徑，對人類了解自己生活的環(huán)境有很大的作用。大口徑孕鑲復(fù)合體金剛石取芯鉆探技術(shù)是鉆探領(lǐng)域的新興技術(shù)，對地質(zhì)勘探水利工程等都有很大的幫助。文章介紹了金剛石鉆探技術(shù)的發(fā)展歷程，對大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體的鉆頭設(shè)計進(jìn)行探討，并通過實例研究大口徑孕鑲金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 大口徑孕鑲復(fù)合體金剛石；金剛石取芯鉆探；鉆探技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0101-02

1 大口徑金剛石鉆探技術(shù)概述

1.1 金剛石取芯鉆探技術(shù)的發(fā)展

金剛石鉆探技術(shù)已有一百多年的歷史，是鉆探技術(shù)中很重要的一部分。1862年，瑞士工程師J.R.李舒特研制出了金剛石鉆頭并用之鉆出一些爆破孔，隨后金剛石鉆探技術(shù)被推廣開來，金剛石鉆探技術(shù)鉆進(jìn)速度快及鉆孔質(zhì)量高的特點令其成為大多數(shù)礦產(chǎn)種的主要勘探手段。

隨著其他高新技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆探技術(shù)的步伐也逐漸被帶動起來，在水電、鐵路及交通建設(shè)等工程項目的勘查中，要求金剛石鉆頭的直徑越來越大，因此，大口徑金剛石鉆頭的設(shè)計規(guī)范逐漸得到完善從而滿足工程需求，例如俄羅斯的薄壁取芯金剛石轉(zhuǎn)筒等在技術(shù)深化的同時帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 國內(nèi)大口徑金剛石鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

金剛石鉆探技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)在我國，并通過40年的深入探究達(dá)到了發(fā)達(dá)國家的水平，甚至有些技術(shù)點已成為世界先進(jìn)水平。我國的金剛石鉆探發(fā)展經(jīng)歷了三個時期：我國的金剛石鉆探技術(shù)從1957年到1970年間開始起步；從1971年到1980年的10年期間，金剛石鉆探技術(shù)在我國大力推廣；1980年至今，我國的金剛石鉆探技術(shù)已趕超世界水平。

在我國，第一次涉及到大口徑取芯鉆探技術(shù)是在建立在宜賓的水利水電工程中，而后葛洲壩、三峽、萬安等地的壩址都沿用了大口徑取芯鉆孔技術(shù)，且鉆孔深度超過50米。大口徑金剛石取芯鉆探同樣可以應(yīng)用到大陸科學(xué)鉆探工程中，其鉆頭直徑最大可達(dá)到25厘米。而在1999年青島流清河水庫項目中，金剛石鉆頭直徑已超過60厘米。

2 大口徑孕鑲金剛石鉆頭研究

2.1 金剛石鉆頭胎體性能

胎體性能是大口進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭的一個基本參數(shù)，胎體硬度、耐磨性、巖層巖性、研磨性記者之間相協(xié)調(diào)才能保證鉆頭的使用。尤其在孕鑲鉆頭的鉆進(jìn)過程中，胎體的磨損應(yīng)在金剛石之前，否則會因金剛石不易出露兒時的鉆進(jìn)效率得不到保障，甚至出現(xiàn)鉆進(jìn)打滑的可能。但如果孕鑲鉆頭的磨損太快，會使得金剛石因出露太快而出現(xiàn)過早脫落或崩刃的情況，這樣會大大影響鉆頭的使用壽命。

孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)性能的主要指標(biāo)就是胎體的耐磨性，但由于胎體耐磨性難以測定，因此在實際操作中人們常常用胎體硬度情況代替耐磨性的測定。在實踐過程中不難發(fā)現(xiàn)，很多硬度相同的胎體并不具備相同的耐磨性，所以胎體硬度并不能完全將耐磨性囊括在內(nèi)。技術(shù)人員在長期研究后發(fā)現(xiàn)胎體硬度與耐磨性之間存在一定的聯(lián)系，由此胎體耐磨性能更好地測定出來。運(yùn)用不同的胎體配方能使胎體的耐磨性達(dá)到不同的鉆探需求，同樣，鉆頭的類型不同對胎體的性能要求也會改變，所鉆巖層的巖性不同決定了對孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能的不同要求。

2.2 大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭設(shè)計

在孕鑲金剛石復(fù)合體的設(shè)計過程中，做到理念創(chuàng)新、思路創(chuàng)新以及突破性從而完成工作層復(fù)合、復(fù)合塊保徑復(fù)合以及聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合三個層次的工作。工作層復(fù)合指的是在工作層設(shè)計磨料的復(fù)合，其中有人造金剛石磨料與硬質(zhì)柱狀合金的復(fù)合，也有金剛石磨料中不同粒徑的金剛石復(fù)合；復(fù)合塊保徑復(fù)合是將不同保徑材料的人造聚晶與柱狀合金體的復(fù)合，另外還有保徑不同位置的復(fù)合；聚晶金剛石和硬質(zhì)合金復(fù)合是一種金剛石復(fù)合片的燒結(jié)工藝，其一是實現(xiàn)金剛石與基體間的微晶無間隙結(jié)合，其二是人造細(xì)顆粒金剛石與金剛石之間的結(jié)合。

2.3 金剛石鉆頭破巖機(jī)理

巖石破碎機(jī)理非常復(fù)雜，因而國內(nèi)外專家都對此做出了大量研究，并在一定程度上取得了相應(yīng)的成果。不同的巖層所表現(xiàn)出的破碎形式是不一樣的，其破碎形式受到了礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)、膠結(jié)類型以及組成結(jié)構(gòu)等方面的影響。脆性均質(zhì)巖層一般會出現(xiàn)微壓裂壓碎或體積破碎，塑性巖層的破巖往往表現(xiàn)為微切削和微翠削，而隱晶玻璃質(zhì)巖層會形成抓擦式或磨削式的表面破碎現(xiàn)象。

孕鑲金剛石鉆頭主要鉆探物質(zhì)一般為巖體堅硬、密度極大且具有脆性的巖層，而且這些巖層普遍是由不同的組織結(jié)構(gòu)、不同成分、不同礦物組成及不同特性構(gòu)成的非均質(zhì)巖層。各礦物組成間因強(qiáng)度和硬度上存在很大的差別而產(chǎn)生了薄弱面，因此孕鑲金剛石鉆頭在工作過程中其胎體金剛石在壓入巖層的薄弱部位時產(chǎn)生作用，其剪切應(yīng)力使得巖石顆粒脫落從而實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的鉆進(jìn)目的。

3 金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用

以黃河某水利樞紐為例，根據(jù)其勘探情況概述金剛石取芯鉆探技術(shù)的應(yīng)用。在黃河水利樞紐的勘探中，所運(yùn)用的鉆頭為直徑615毫米的大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭，此鉆頭目前在國內(nèi)是最大口徑的鉆頭。

施工中分別用大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭鉆進(jìn)了直徑615毫米深60米的孔1，并用鋼粒鉆頭同時鉆進(jìn)了同直徑切同深度的孔2?？?的完成時間為27天，其鉆進(jìn)時間為143.5小時，取芯時間為185小時，平均每天鉆進(jìn)2.26米，工程消耗280元?？?的完成時間為51天，其鉆進(jìn)時間為322.4小時，取芯時間為417小時，平均每天鉆進(jìn)1.18米，工程消耗630元。

孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭節(jié)約了近40%的時間，平均每天鉆進(jìn)深度提高了近一倍，而與鋼粒鉆頭相比其所需成本節(jié)約了一半。由此可見，大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭應(yīng)該廣泛投入使用當(dāng)中。

4 結(jié)束語

大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭的使用開創(chuàng)了金剛石取芯鉆探工程中的新大陸，實現(xiàn)了金剛石鉆頭的技術(shù)跨越及規(guī)格跨越。將大口徑孕鑲金剛石復(fù)合體鉆頭透雨水利水電工程地質(zhì)勘探及沿途挖掘中有能有效提高工程進(jìn)度，并降低工程成本，應(yīng)該大力推廣。

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