孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制

王傳留，李建軍，孫榮軍

1.中煤科工集團(tuán)西安研究院，西安 7100772.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024

孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制

王傳留1，李建軍2，孫榮軍1

1.中煤科工集團(tuán)西安研究院，西安 710077
2.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024

為了提高金剛石鉆頭的時效和壽命，將釬焊法引入到高胎體金剛石鉆頭的設(shè)計和加工中。首先利用熱壓法加工耐磨性能好的金剛石孕鑲塊；然后加工自帶兩層水口和水槽的新型鉆頭鋼體，且兩水口之間預(yù)留焊接槽；最后采用釬焊法，將金剛石孕鑲塊焊接到鉆頭鋼體上。野外試驗表明，試制的2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭，與現(xiàn)場使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，鉆進(jìn)效率分別提高41.7%和8.3%，使用壽命分別提高50.4%和32.9%。采用二次釬焊法加工的金剛石鉆頭，兼顧了熱壓法的優(yōu)點，解決了工作層高度過高導(dǎo)致鉆頭胎體折斷、掉塊的難題，明顯提高了金剛石鉆頭的使用壽命。

高胎體金剛石鉆頭；金剛石孕鑲塊；釬焊法

0 前言

近年來，為了支撐迅速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)，國家加大了能源及礦產(chǎn)資源勘探力度。隨著鉆孔越來越深，地層復(fù)雜性越來越大，勘探開發(fā)難度逐漸增加，資金和材料的消耗也越來越多，特別是在深孔鉆進(jìn)中更是如此。而作為碎巖先鋒的鉆頭，其結(jié)構(gòu)是否合理、與所鉆地層性質(zhì)是否相適應(yīng)，直接影響著鉆進(jìn)速度、成孔質(zhì)量以及勘探成本［1－3］。

目前針對硬地層鉆進(jìn)，普遍采用孕鑲金剛石鉆頭，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，其胎體硬度、金剛石濃度等參數(shù)可根據(jù)所鉆巖層性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。目前加工孕鑲金剛石鉆頭主要采用熱壓燒結(jié)法，受到溫度場不均勻、壓力傳遞衰減等工藝因素的限制，其工作層高度一般不超過10mm，大部分為5～7mm。因為工作層高度過高時，孕鑲金剛石鉆頭胎體部分整體強(qiáng)度弱化，使用過程中，容易出現(xiàn)掉塊、折斷等不良現(xiàn)象。

為解決普通單階孕鑲金剛石鉆頭使用壽命短、鉆進(jìn)效率低的難題，我國研究者進(jìn)行了大量的研究，也采用了不同的技術(shù)手段，比如研制新胎體配方、改進(jìn)鉆頭燒結(jié)工藝、設(shè)計新的鉆頭結(jié)構(gòu)、選用高質(zhì)量的金剛石顆粒等，并取得了一定的成效［4－8］，但尚未取得較大的突破，無論是鉆進(jìn)效率還是鉆頭壽命，提高的幅度都比較有限。筆者在研究國內(nèi)外新型金剛石鉆頭的基礎(chǔ)上，提出采用特殊的鋼體結(jié)構(gòu)，結(jié)合熱壓工藝，采用二次釬焊法加工高胎體金剛石鉆頭，以期延長鉆頭使用壽命，提高鉆進(jìn)效率。

1 孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的設(shè)計思路

二次釬焊法原理如圖1所示。金剛石孕鑲塊采用技術(shù)成熟的熱壓燒結(jié)法加工，鉆頭鋼體由機(jī)械加工完成，并且水口與水槽與鋼體為一體，然后采用釬焊法將金剛石孕鑲塊與鉆頭鋼體焊接到一起。根據(jù)金剛石孕鑲塊的高度，在鋼體上可以加工2層、3層等多層水口。

釬焊工藝對高胎體金剛石鉆頭的加工至關(guān)重要，直接決定高胎體金剛石鉆頭的成敗。二次釬焊的工藝流程為：將金剛石孕鑲塊和鉆頭鋼體進(jìn)行焊前處理；把厚度0.1～0.2mm的焊片剪成與金剛石孕鑲塊相同的形狀，并與金剛石孕鑲塊一并放入鉆頭鋼體的焊接槽中；裝好焊接定位用的模具；采用火焰或者高頻等焊接方法，焊接時輕觸金剛石孕鑲塊，確保焊料充分充填焊縫；必要時，用同材質(zhì)焊條進(jìn)行補(bǔ)焊；然后放入保溫箱，緩慢冷卻至常溫［9－11］。

圖1 二次釬焊法加工高胎體金剛石鉆頭原理Fig.1 Schematic of manufacturing high matrix diamond bit by two times braze welding method

二次釬焊法加工的高胎體金剛石鉆頭的胎體力學(xué)性能可以從兩方面考慮，即孕鑲塊力學(xué)性能和釬縫強(qiáng)度。孕鑲塊采用熱壓法燒結(jié)，因材料和工藝技術(shù)比較成熟，并鑲嵌于鋼體之內(nèi)，所以不會出現(xiàn)掉塊、折斷等現(xiàn)象；釬焊強(qiáng)度可通過剪切實驗進(jìn)行驗證，通過實驗發(fā)現(xiàn)，孕鑲塊與鋼體之間的釬焊強(qiáng)度主要受焊料和焊縫兩方面的影響。釬縫剪切強(qiáng)度為

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MP a；8．8 4為由試樣剪切面積和單位換算決定的系數(shù)，1／mm2；為釬縫剪開時載荷的數(shù)值，k N，為5次試驗結(jié)果的平均值。

通過對比分析，選擇含銀量為60%的銀焊料，釬焊溫度不高于720℃，焊縫寬度0.15～0.3mm時，釬縫剪切強(qiáng)度達(dá)到160MPa，能較好地滿足設(shè)計要求［12］。

2 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場需要，對Φ75/54.5mm規(guī)格鉆頭進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場地層情況的前期調(diào)研，欲加工2只金剛石鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場試驗。金剛石孕鑲塊胎體硬度分別為 HRC25～30和 HRC30～35；金剛石濃度為85%；將粒度46目和60目的金剛石按1∶1混合；同時在金剛石孕鑲塊中植入保徑聚晶，每個孕鑲塊外保徑聚晶3粒，內(nèi)保徑聚晶2粒。工作層高度15 mm，非工作層高度6mm，底唇面形狀為圓弧形。

圖2 Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure ofΦ75/54.5mm high matrix diamond bit

根據(jù)鉆頭規(guī)格和金剛石孕鑲塊尺寸加工鉆頭鋼體，其特點是：具有高度不同且相互錯開的2層水口，且2層水口具有2mm的重疊；同時在鉆頭鋼體上也加工出了內(nèi)外水槽，外水槽高2mm，內(nèi)水槽高3mm，并在2層水口之間加工焊接槽，用以焊接金剛石孕鑲塊；焊接槽兩側(cè)留有一定量的厚度，以補(bǔ)強(qiáng)金剛石孕鑲塊抗彎強(qiáng)度，防止出現(xiàn)掉塊、折斷等不良現(xiàn)象；焊接槽的尺寸由金剛石孕鑲塊尺寸確定。

3 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的加工

3.1 鋼體加工

鉆頭鋼體外形如圖2所示，主要采用機(jī)械加工方式完成。其工藝流程如下：選擇合適的管材，截成一定的長度；采用車床，加工鉆頭鋼體部分外形尺寸和螺紋；采用銑床，先加工金剛石孕鑲塊焊接槽，然后加工2層水口，最后加工內(nèi)外水槽。其中，利用銑床加工金剛石孕鑲塊焊接槽時，要注意焊接面的光潔度，焊接槽與金剛石孕鑲塊的形狀要匹配，配合間隙應(yīng)控制在0.3mm以內(nèi)。

3.2 金剛石孕鑲塊加工

根據(jù)Φ75/54.5mm取心用金剛石鉆頭公差尺寸要求，確定金剛石孕鑲塊尺寸參數(shù)，然后設(shè)計和加工石墨模具；計算各種胎體金屬粉末質(zhì)量，加入硬質(zhì)合金球進(jìn)行混料；稱取一定質(zhì)量的混合粉末，與金剛石顆粒進(jìn)行再次混合，形成工作層粉料；組裝模具后，把含有金剛石的胎體粉料裝入模具，進(jìn)行初步壓實，然后裝入非工作層粉料，并放入保徑用的金剛石聚晶；采用限位－熱壓法燒結(jié)，燒結(jié)溫度980℃，保溫時間根據(jù)每次燒結(jié)數(shù)量而定，燒結(jié)完成后，放入保溫箱緩慢冷卻；最后進(jìn)行清理。金剛石孕鑲塊底唇面形狀容易實現(xiàn)改變，本次加工采用的是圓弧形，還可以改成尖齒形、平底形等［13－16］。加工的金剛石孕鑲塊如圖3所示。

圖3 金剛石孕鑲塊Fig.3 Impregnated diamond block

3.3 焊接

將金剛石孕鑲塊和鉆頭鋼體焊接表面進(jìn)行處理，裁剪成厚度0.2mm的焊片，并與金剛石孕鑲塊一并放入焊接槽中；裝好焊接定位用的模具，采用火焰加熱，焊接溫度700～720℃；焊接過程中，輕觸金剛石孕鑲塊，確保焊料充分充填焊縫；爆料流失嚴(yán)重時，可用同材質(zhì)焊條進(jìn)行補(bǔ)充；然后放入保溫箱，第2天取出進(jìn)行后續(xù)清理。圖4為加工的2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭。

4 Φ75/54.5mm孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭現(xiàn)場試驗

4.1 試驗現(xiàn)場情況

試驗地點位于青海玉樹曲麻萊縣，鉆孔目的是對通天河上某水壩選址進(jìn)行前期勘探，試驗地層以致密砂巖和板巖為主，含石英夾層，硬度7～9級，研磨性中等偏弱，而覆蓋層主要有沖積物、沖洪積物、洪積物及坡積物，以砂卵石為主，厚度3～26m。

圖4 Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭Fig.4 Φ75/54.5mm high matrix diamond bit

鉆孔深度100m，鉆孔結(jié)構(gòu)比較簡單，分成兩級鉆進(jìn)，即鉆穿覆蓋層后，進(jìn)行下套管作業(yè)，基巖層進(jìn)行裸眼鉆進(jìn)。試驗設(shè)備為XP-2型巖心鉆機(jī)，沖洗液為清水。鉆具組合較為簡單，采用了常用的Φ73.0mm單動雙管取心鉆具，配套Φ50.0mm鉆桿。

4.2 試驗過程

試驗時，采用的鉆進(jìn)工藝參數(shù)為：鉆壓8～12 kN；轉(zhuǎn)速960r/min；泵量10～15L/min。2只Φ75/54.5mm高胎體金剛石鉆頭交替下入鉆孔，進(jìn)行取心鉆進(jìn)，圖5為使用中的高胎體金剛石鉆頭。觀察磨損后的鉆頭可知，鉆頭出刃良好，磨損正常，不存在掉塊、折斷等不良現(xiàn)象，只是鉆頭內(nèi)外徑比普通孕鑲金剛石鉆頭磨損嚴(yán)重，但不影響使用。圖6為現(xiàn)場使用的孕鑲金剛石鉆頭，工作層只有7mm，壽命31.0m。

因鉆頭試驗時，鉆孔工作量即將完成，故2只鉆頭只在最后一個鉆孔中進(jìn)行了試驗。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，2只鉆頭共鉆進(jìn)79.3m，其中：一只鉆頭鉆進(jìn)42.1 m，平均鉆進(jìn)效率1.7m/h；另一只鉆頭鉆進(jìn)37.2 m，平均鉆進(jìn)效率1.3m/h。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計以前使用的多只普通孕鑲金剛石鉆頭，平均壽命28.0m，平均鉆進(jìn)效率1.2m/h。表1為鉆頭參數(shù)及使用情況對比表。其中：1號代表現(xiàn)場使用的孕鑲金剛石鉆頭；2號和3號代表試制的孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭。

4.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表1的鉆頭參數(shù)和使用情況，可以得出以下結(jié)果：

圖5 使用中的高胎體金剛石鉆頭Fig.5 High matrix dimaond bit using

圖6 現(xiàn)場用普通鉆頭Fig.6 Normal diamond bit used

1）1號鉆頭為現(xiàn)場使用的孕鑲金剛石鉆頭統(tǒng)計值，具有廣泛的代表性，孕鑲金剛石鉆頭工作層之所以沒有磨完，主要是因為其磨損到一定程度時，水口越來越小，引起了憋泵等不良現(xiàn)象，致使鉆頭棄用。

2）2號高胎體金剛石鉆頭工作層磨損了7.3 mm，但其使用壽命比1號孕鑲金剛石鉆頭壽命平均值提高了50.4%，充分體現(xiàn)了高胎體金剛石鉆頭的優(yōu)勢，并且鉆進(jìn)效率提高了41.7%，這主要是因為降低胎體硬度和金剛石濃度更適用鉆進(jìn)該地層。

3）3號高胎體金剛石鉆頭僅磨損了6.1mm，但其使用壽命比1號孕鑲金剛石鉆頭壽命平均值提高了32.9%，但其鉆進(jìn)效率僅提高了8.3%，這主要與胎體硬度高有關(guān)，胎體硬度高，金剛石顆粒出露慢，鉆進(jìn)效率降低。

表1 鉆頭參數(shù)及使用情況Table 1 Parameters of bit and usage information

4）2號高胎體金剛石鉆頭工作層磨損量比3號大，主要是因為3號胎體硬度更高，胎體更耐磨，這同時也是3號高胎體金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率遠(yuǎn)低于2號的原因。可見，根據(jù)地層性質(zhì)，選擇正確的鉆頭技術(shù)參數(shù)，對于兼顧鉆頭壽命和效率的提高具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）基于自帶多層水口和水槽的新型鋼體，利用二次釬焊法加工取心用金剛石鉆頭，兼顧了熱壓法的優(yōu)點，解決了因工作層高度過大而導(dǎo)致胎體折斷、掉塊的難題，可明顯提高金剛石鉆頭的使用壽命，具有很高的實用價值。

2）焊接工藝對高胎體金剛石鉆頭的加工至關(guān)重要，推薦采用含銀量為60%的銀焊料，焊縫為0.15～0.30mm。

3）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，試制的2只Φ75/54.5 mm高胎體金剛石鉆頭，工作層高度達(dá)到15mm，與現(xiàn)場使用的孕鑲金剛石鉆頭相比，鉆進(jìn)效率分別提高41.7%和8.3%，使用壽命分別提高50.4%和32.9%。

（References）：

［1］楊俊德，陳章文.新型高時效金剛石鉆頭試驗研究［J］.超硬材料與工程，2007，19（1）：26-28.

Yang Junde，Chen Zhangwen.The Experimental Study on the New Pattern Diamond Bit with High Drilling Speed［J］.Superhard Material Engineering，2007，19（1）：26-28.

［2］史曉亮，劉曉陽，段隆臣，等.新型打滑地層鉆頭的研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2004，34（3）：484-486.

Shi Xiaoliang，Liu Xiaoyang，Duan Longchen，et al.Research on a New Type of Drilling Bit in the Slipping Formation［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2004，34（3）：484-486.

［3］張紹和，魯凡.金剛石鉆頭參數(shù)設(shè)計規(guī)律［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，35（2）：195-200.

Zhang Shaohe，Lu Fan.Designing Method About Parameters of Impregnated Diamond Bit［J］.Journal of Central South University：Science and Technology，2004，35（2）：195-200.

［4］劉建福.提高人造孕鑲金剛石鉆頭使用壽命和時效的探討［J］.地質(zhì)裝備，2008，9（1）：28-30.

Liu Jianfu.Study on Improving the Life and Efficiency of Synthetic Impregnated Diamond Bit［J］.Equipment for Geotechnical Engineering，2008，9（1）：28-30.

［5］蔣青光，張紹和，陳平，等.新型優(yōu)質(zhì)孕鑲金剛石鉆頭研制［J］.金剛石與磨料磨具工程，2008（6）：12-16.

Jiang Qingguang，Zhang Shaohe，Chen Ping，et al.Development of New Type and High Quality Impregnated Diamond Bits［J］.Diamond and Abrasives Engineering，2008（6）：12-16.

［6］孫友宏，徐良，趙樂濤，等.JBD-75仿生非光滑繩索取心金剛石鉆頭的研制［J］.探礦工程，2007，34（增刊）：291-294.

Sun Youhong， Xu Liang， Zhao Letao，et al.Development of JBD-75SBionics Non-Smooth Diamond Bit for Wire-Line Core Drilling［J］.Exploration Engineering，2007，34（Sup.）：291-294.

［7］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），694-698.

Wang Chuanliu，Sun Youhong，Gao Ke，et al.Experimental Study on Bionic Nozzle of Diamond Bit［J］.Journal of Jilin University： Earth Science Edition，2010，40（3）：694-698.

［8］馬銀龍，孫友宏，高科，等.熱壓碳化鎢基復(fù)合胎體材料性能試驗［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2013，43（1）：207-211.

Ma Yinlong， Sun Youhong， Gao Ke， et al.Experiment on WC Matrix Composites Performance Prepared by Hot-Pressing Sintering［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（1）：207-211.

［9］Ottlik A.Stresses，Residual Stresses and Distortions Developing During Brazing of Cemented Carbide and Steel Joints with Cylindrical Geometry［J］.Materials Science Forum，2002，404/405/406/407：233-238.

［10］張超，左劍波.表面改性硬質(zhì)合金釬焊性能的研究［J］.西安石油學(xué)院學(xué)報，1992，7（2）：40.

Zhang Chao，Zuo Jianbo.A Study on the Brazing Properties of Surface Improved Hard Metal［J］.Journal of Xi’an Shiyou University，1992，7（2）：40.

［11］龍偉民.PCD用釬料及釬焊工藝的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2002，34（增刊）：291-294.

Long Weimin.Research on the Brazing Alloy and Brazing Technology for PCD ［J］.Diamond and Abrasives Engineering，2002，34（Sup.）：291-294.

［12］姚小飛，劉潔，葛東生.聚晶金剛石復(fù)合體（PDC）焊接工藝研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2009（5）：192-193.

Yao Xiaofei，Liu Jie，Ge Dongsheng.Study on Welding Technique of PDC ［J］. Mechanical Engineering and Automation，2009（5）：192-193.

［13］徐潤澤.粉末冶金結(jié)構(gòu)材料學(xué)［M］.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1998：163-167.

Xu Runze.Powder Metallurgy Structural Materials［M］.Changsha：Central South Industry University Press，1998：163-167.

［14］方嘯虎.超硬材料科學(xué)與技術(shù)：下卷［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1998：80-81.

Fang Xiaohu.Science and Technology of Superhard Material：Volume Two［M］.Beijing：China Building Materials Industry Press，1998：80-81.

［15］劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京：地質(zhì)出版社，1991：223-228.

Liu Guangzhi.Diamond Drilling Handbook［M］.Beijing：Geological Publishing House，1991：223-228.

［16］張義東.金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)工藝研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010：22-23.

Zhang Yidong.Study on the Diamond Drill Bit Sintering Technics by Hot Pressing［D］.Changsha：Central South University，2010：22-23.

Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block

Wang Chuanliu1，Li Jianjun2，Sun Rongjun1

1.Xi’anResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Xi’an710077，China
2.HydrochinaBeijingEngineeringCorporation，Beijing100024，China

Brazing method was introduced into designing and manufacturing diamond drill bit with high matrix to improve its drilling efficiency and extend its life.Firstly，impregnated diamond blocks with good wear resistance were manufactured by hot pressing method.Then new steel body of drill bit including multilayer nozzles and water way was designed，and the welding grooves were formed between two nozzles.Lastly，the impregnated diamond blocks were welded in the drill bit steel body.The life of diamond drill bit manufactured by welding method was improved obviously.Field experimental results showed that the drilling efficiency of twoΦ75/54.5mm high matrix diamond bits was increased by 41.7%and 8.3%respectively，their lives were improved by 50.4%and 32.9%respectively compared with the conventional one.The two times braze welding method takes the advantage of hot pressing method，solves the breaking and blocking off problem of drilling bit，and improves its life greatly.

high matrix diamond bit；impregnated diamond block；welding method

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205

P634.4

A

王傳留，李建軍，孫榮軍.孕鑲塊式高胎體金剛石鉆頭的研制.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1276-1281.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

Wang Chuanliu，Li Jianjun，Sun Rongjun.Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1276-1281.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

2013-10-17

國家重大科技專項（2011ZX05041-001）；中煤科工集團(tuán)西安研究院資助項目（2012XAYQN003）

王傳留（1983—，男，助理研究員，博士，主要從事鉆頭新產(chǎn)品研發(fā)及鉆探工藝研究工作，E-mail：chuanliu236＠163.com。