關(guān)于金剛石鉆頭胎體硬度分布的試驗(yàn)研究

湯鳳林，Чихоткин В．Ф．，彭 莉，李曉磊，趙俊彩

(中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢430074;2．無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇無錫214174)

1 概述

金剛石鉆進(jìn)是固體地質(zhì)勘探中廣泛使用的一種鉆探方法。金剛石鉆進(jìn)，特別是孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，與其它鉆進(jìn)方法不同，在鉆進(jìn)過程中，在鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(鉆壓、鉆頭回轉(zhuǎn)速度、給定性能的沖洗液量)的作用下，鉆頭上金剛石破碎巖石，形成孔底。巖粉沉積在孔底，磨損鉆頭胎體，使胎體中金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石。其它鉆進(jìn)方法時(shí)，這3個(gè)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)都起著非常大的作用，但在金剛石鉆進(jìn)時(shí)，在所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)和鉆頭類型已經(jīng)確定的情況下，鉆壓和鉆頭回轉(zhuǎn)速度可以決定鉆進(jìn)速度和孔底巖粉的多少，但不能改變留在孔底巖粉的數(shù)量，而改變孔底巖粉數(shù)量在很大程度上取決于沖洗液的數(shù)量。沖洗液量過大時(shí)，會導(dǎo)致孔底沒有巖粉，巖粉全被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，結(jié)果是鉆頭拋光。沖洗液量過小時(shí)，不能排走孔底巖粉，滯留孔底巖粉過多，致使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損，如拉槽、金剛石脫落等。只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖粉，既能保證巖粉有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不至于孔底巖粉過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損。這種情況稱為正常巖屑規(guī)程?？梢?，在這種情況下，沖洗液量大小才是金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)［1－5］。

實(shí)際上，金剛石鉆進(jìn)過程中，在鉆壓作用下，只有出露的金剛石與巖石接觸，而胎體表面與巖粉接觸。金剛石出刃部分與巖石接觸部分產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在金剛石與巖石表面處出現(xiàn)壓碎、犁削、張裂與塑脆性剪切破碎，這是黏合磨損過程。隨著金剛石克取巖石，不斷產(chǎn)生巖粉，在胎體和巖石表面之間的巖粉就成了磨粒。在這個(gè)鉆進(jìn)過程中，磨粒對胎體表面產(chǎn)生高應(yīng)力滾壓式摩擦，這是磨粒磨損過程。所以，金剛石鉆頭胎體－磨粒－巖石之間的磨損是兩種類型磨損的綜合磨損，又稱三體磨粒磨損。在鉆進(jìn)過程中，胎體磨損的主要形式是磨粒磨損［6］。

從孔底破碎巖石過程來看，應(yīng)以胎體耐磨性作為胎體性能的主要指標(biāo)更為合理。但是，在一定條件下，胎體硬度與胎體耐磨性關(guān)系緊密，加之硬度測量方法簡單方便，所以目前在探礦工程行業(yè)內(nèi)部仍以胎體硬度作為金剛石鉆頭的一個(gè)重要指標(biāo)。用戶采用胎體硬度訂購金剛石鉆頭，廠商根據(jù)胎體硬度設(shè)計(jì)鉆頭和生產(chǎn)鉆頭，購買胎體粉料也按標(biāo)稱胎體硬度購買。但是，應(yīng)該指出的是，胎體硬度和金剛石鉆頭硬度是不同的，胎體硬度不能全面反映金剛石鉆頭的硬度。由于鉆頭胎體中孕鑲了一定濃度的金剛石，所以，測試鉆頭硬度時(shí)只能檢測純胎體的硬度。

由此可見，胎體硬度是金剛石鉆頭的非常的重要性能指標(biāo)。胎體硬度直接影響與所鉆巖石可鉆性(硬度)和研磨性是否相適應(yīng)，以保證胎體被適量磨損，金剛石被適量出露，有效破碎孔底巖石，提高鉆探工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。鉆頭胎體硬度還影響沉積孔底巖粉的數(shù)量，因此影響鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的合理選擇和確定。鉆頭工作唇面上胎體硬度分布均勻，是保證正常鉆進(jìn)過程的重要因素。如果硬度分布不均勻，則工作唇面上胎體磨損不均勻，很容易產(chǎn)生拉槽、偏磨、掉塊乃至金剛石脫落等，甚至發(fā)生事故。所以應(yīng)該對鉆頭胎體硬度及其在工作唇面上的分布進(jìn)行分析和研究。

鉆頭胎體硬度分布試驗(yàn)研究是在無錫鉆探工具廠有限公司鉆頭實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。

為了進(jìn)行試驗(yàn)，制備了不含金剛石的空白胎體鉆頭，測量了胎體硬度，對其進(jìn)行了分析和研究，提出了有關(guān)建議。

2 鉆頭胎體的制備

2．1 1號配方胎體6和8 mm高度鉆頭胎體的制備

按1號胎體配方的配料比例，經(jīng)過計(jì)算稱取500 g粉末，在混料機(jī)中攪拌30 min。

組裝好的鉆頭待酒精在DH－5型烘干爐烘干后，用KGPS－250型中頻爐按以下工藝燒結(jié):將1號胎體配方空白鉆頭慢慢升溫到650℃后加壓到2.0 MPa，在升溫到990℃時(shí)壓力加到3.0 MPa，在990℃的溫度及3.0 MPa的壓力下保溫3 min，慢慢加壓到5.0 MPa后再保溫1 min，然后保壓冷卻，冷卻到700℃以下卸壓取出自然冷卻。

鉆頭胎體燒結(jié)過程中溫度、壓力、時(shí)間曲線見圖1。

圖1 1號配方鉆頭空白胎體燒結(jié)溫度、壓力、時(shí)間曲線

2．2 2號配方胎體6和8 mm高度鉆頭胎體的制備

按2號胎體配方配料比例，經(jīng)過計(jì)算稱取500 g粉末，在混料機(jī)中攪拌30 min。

組裝好的鉆頭待酒精烘干后，用KGPS－250型中頻爐按以下工藝燒結(jié):將2號胎體配方空白鉆頭慢慢升溫到650℃后加壓到2.0 MPa，在升溫到990℃時(shí)壓力加到3.0 MPa，在1010℃的溫度及3.0 MPa的壓力下保溫3 min，慢慢加壓到5.0 MPa后保溫1 min，然后保壓冷卻，冷卻到700℃以下卸壓取出自然冷卻。

鉆頭胎體燒結(jié)過程中溫度、壓力、時(shí)間曲線見圖2。

圖2 2號配方鉆頭空白胎體燒結(jié)溫度、壓力、時(shí)間曲線

3 胎體硬度測量

待鉆頭胎體完全冷卻后，進(jìn)行粗加工。然后按從0～9的次序?qū)γ總€(gè)鉆頭的10個(gè)扇形塊依次編號(見圖3)，用洛氏硬度計(jì)(HR150－A)按照給定的4～12點(diǎn)標(biāo)號順序，依次測量每個(gè)扇形塊上每個(gè)點(diǎn)的硬度并記錄。將胎塊磨去1 mm，依次測量每個(gè)扇形塊各點(diǎn)硬度并記錄，直到胎塊全部磨完接近過渡層。高度為6 mm的胎體共需測量6次，高度8 mm的需測量8次。

圖3 胎體扇形塊編號圖

每個(gè)鉆頭胎體上都有10個(gè)扇形塊。每個(gè)扇形塊上劃定9個(gè)測點(diǎn)，分內(nèi)、中、外三圈，綠色曲線測點(diǎn)6、7、10 是靠近鉆頭內(nèi)圈硬度，黑色曲線 4、9、12 是靠近鉆頭外圈硬度，紅色點(diǎn)5、8、11位于中環(huán)上。在整個(gè)胎體上，每種顏色曲線均由30個(gè)測點(diǎn)硬度測量結(jié)果組成。

3．1 1號配方6 mm高度胎體硬度測量結(jié)果

1號配方6 mm高度胎體硬度測量結(jié)果，見圖4～9。

圖9 1號配方6 mm高度胎體第5次磨1 mm后硬度曲線

3．2 1號配方8 mm高度胎體硬度測量結(jié)果

1號配方8 mm高度胎體硬度測量結(jié)果見圖10～17。

3．3 2號配方6 mm高度胎體硬度測量結(jié)果

2號配方6 mm高度胎體硬度測量結(jié)果見圖18～23。

3．4 2號配方8 mm高度胎體硬度測量結(jié)果

2號配方8 mm高度胎體硬度測量結(jié)果見圖24～31。

圖24 2號配方8 mm高度胎體表面硬度曲線

4 分析與討論

根據(jù)上述胎體硬度測量結(jié)果，可以看出以下情況:

(1)工作面上硬度分布很不均勻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所測4個(gè)鉆頭胎體共40個(gè)扇形塊中，其上硬度差大于5個(gè)HRC的扇形塊為24個(gè)，占60%。在磨掉1 mm后，硬度差大于5個(gè)HRC的扇形塊為25個(gè)，占62.5%。偌大比例的偌大硬度差，不可能保證正常鉆進(jìn)，不可能得到高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，甚至可能導(dǎo)致發(fā)生事故。

(2)胎體硬度均未達(dá)到設(shè)計(jì)硬度指標(biāo)。在所測4個(gè)鉆頭胎體硬度中，總體上說，均未達(dá)到設(shè)計(jì)的硬度指標(biāo)。這可能與所用的胎體熱壓燒結(jié)工藝有關(guān)，特別是對熱壓壓力應(yīng)該給予充分考慮和注意。資料［6－8］表明，為了提高胎體的密實(shí)度和硬度，提高鉆頭的使用壽命，熱壓壓力一般取15～22 MPa。而上述兩個(gè)配方4個(gè)鉆頭胎體燒結(jié)時(shí)使用的壓力是5 MPa，似乎小了一點(diǎn)。當(dāng)然，也不一定要達(dá)到15～22 MPa，對于確定的配方胎體來說，最優(yōu)壓力可以通過試驗(yàn)研究確定。

(3)個(gè)別扇形塊硬度偏低。在2號配方8 mm高度的胎體(圖24～29)中，在5號到6號扇形塊(橫坐標(biāo)16點(diǎn)到21點(diǎn))間的硬度偏低，而且從胎體唇面直到磨掉5 mm后均是如此。這可能與熱壓時(shí)，這一部分受到的壓力偏低(模具相對偏斜，與壓機(jī)的壓力方向不垂直)有關(guān)，屬于系統(tǒng)誤差范圍。

(4)扇形塊中環(huán)部分硬度大且穩(wěn)定。從2種配方、4種胎體硬度測量結(jié)果可見，總體上說，扇形塊中環(huán)部分(紅色曲線部分)硬度均偏大而且穩(wěn)定，外環(huán)部分(黑色曲線部分)次之，內(nèi)環(huán)部分(綠色曲線部分)最小。這可能是因?yàn)樵阢@頭胎體燒結(jié)過程中，中環(huán)部分比內(nèi)環(huán)部分和外環(huán)部分的應(yīng)力更為集中，壓強(qiáng)更大，密實(shí)度更大，因而硬度更大。

(5)胎體高度對胎體硬度的影響?？偟目磥恚? mm高度胎體硬度比8 mm高度胎體硬度稍大一點(diǎn)，硬度更為均衡一點(diǎn)。這可能是因?yàn)楹笳呤芰Ψ秶惹罢叽笠稽c(diǎn)，因而壓強(qiáng)不如前者大所致。但是，這個(gè)趨勢不夠明顯，需要今后進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

5 幾點(diǎn)建議

(1)胎體硬度指標(biāo)非常重要。目前我們國內(nèi)的情況是，用戶根據(jù)胎體硬度訂購金剛石鉆頭，廠家根據(jù)胎體硬度設(shè)計(jì)和生產(chǎn)鉆頭，購買胎體粉料也按胎體硬度指標(biāo)訂購。這是我國市場經(jīng)濟(jì)條件下的一種新形勢、新特點(diǎn)，胎體硬度變成了商品的標(biāo)牌和規(guī)格，可見，誰也離不開市場，只能從市場中找效益、求發(fā)展。但是，存在的問題是如何保證用戶所買鉆頭胎體硬度就是廠家出廠標(biāo)稱的胎體硬度，買到的胎體粉料就能制備出標(biāo)稱胎體硬度的胎體，這一點(diǎn)應(yīng)該引起我們的關(guān)注。

(2)胎體硬度分布不均勻，硬度差別很大。這不單單是本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題，其它很多鉆頭也可能存在類似問題。我們測量從機(jī)臺返回的廢舊鉆頭胎體硬度的結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。從鉆頭胎體燒結(jié)工藝上看，首先要從燒結(jié)壓力上進(jìn)行討論和研究，因?yàn)榭偟目磥韷毫ζ?例如5 MPa)，沒有達(dá)到高密實(shí)度需要的壓力數(shù)值。

(3)胎體硬度應(yīng)與所鉆巖石(硬度)可鉆性和研磨性相適應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)后二者來選擇。如果不適應(yīng)，就不可能保持正常鉆進(jìn)，不可能得到好的鉆進(jìn)速度和鉆頭進(jìn)尺。所以對鉆頭唇面形狀、鉆頭胎體硬度等，一定要綜合考慮，選用最好的鉆頭。鉆頭選型、鉆進(jìn)工藝、現(xiàn)場操作、現(xiàn)場管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，是一個(gè)整體，相互聯(lián)系，缺一不可。好的鉆頭，不一定得到好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因?yàn)殂@進(jìn)工藝、操作、管理可能出問題。鉆進(jìn)工藝、操作都很重要。工藝參數(shù)沒選好，同樣可能得不到好的效果。操作也是如此，因?yàn)榻饎偸@進(jìn)非常敏感“矯情”，不像其它普通鉆進(jìn)方法那樣“友好”，操作不當(dāng)很容易出問題甚至發(fā)生事故?，F(xiàn)在有一種觀點(diǎn)認(rèn)為鉆孔沒打好就是鉆頭不好，這是不客觀的，應(yīng)該從更多方面分析和討論這個(gè)問題，任何環(huán)節(jié)都可能出問題，找出問題所在，才能做到“對癥下藥”。

(4)胎體硬度與選用的鉆進(jìn)工藝參數(shù)直接有關(guān)。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭上金剛石破碎巖石，形成孔底?？椎讕r粉磨損鉆頭胎體，使金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石，如此循環(huán)。鉆壓和鉆頭回轉(zhuǎn)速度可以決定進(jìn)尺效率和孔底巖粉的多少，而改變孔底巖粉數(shù)量在很大程度上取決于沖洗液的數(shù)量。沖洗液量過大時(shí)，會導(dǎo)致孔底沒有巖粉，全被沖走，不能磨損胎體，金剛石不出刃，結(jié)果是鉆頭拋光。沖洗液量過小時(shí)，不能排走孔底巖粉，滯留孔底巖粉過多，致使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損，如拉槽、金剛石脫落等。只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖粉，既能保證巖粉有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不至于孔底巖粉過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損。在這種情況下，沖洗液量大小才是金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)。

(5)把經(jīng)驗(yàn)打鉆上升到科學(xué)打鉆。我們的鉆工打鉆經(jīng)驗(yàn)非常豐富，能夠高效優(yōu)質(zhì)地完成施工任務(wù)。機(jī)臺上一般都配備有功率表和泵壓表。根據(jù)功率表變化情況來判斷孔底功率消耗的情況和鉆進(jìn)是否正常。正常鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，功率變化平穩(wěn)。臨界鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，功率值急劇增大，有產(chǎn)生非正常磨損和燒鉆的危險(xiǎn)。但是功率是軸向載荷(鉆壓)和鉆頭轉(zhuǎn)速的乘積，功率一定時(shí)可以選擇大鉆壓和小轉(zhuǎn)速或小鉆壓和大轉(zhuǎn)速兩組組合乃至多種組合。選哪一種組合合適?要根據(jù)所鉆巖石硬度(可鉆性)和研磨性分析確定。常以泵壓變化來判斷沖洗液的循環(huán)狀況和孔底鉆進(jìn)的情況，但是多數(shù)機(jī)臺沒有配備沖洗液流量計(jì)，不能定量確定孔底的沖洗液數(shù)量，而后者對于保證正常的巖粉規(guī)程是非常重要的。可見，機(jī)臺上配備流量計(jì)是很必要的。我們應(yīng)該重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也應(yīng)尊重科學(xué)，提倡把經(jīng)驗(yàn)打鉆上升到科學(xué)打鉆上來。

［1］ 湯鳳林，?。ぃ永飳?，段隆臣．巖心鉆探學(xué)［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009:217－219．

［2］ 湯鳳林，段隆臣，Чихоткин В．Ф．，等．合理設(shè)計(jì)巖屑規(guī)程，保證正常鉆進(jìn)條件［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(6):45－48．

［3］ Чихоткин В． Ф． Исследование призабойных прочессов валмазном бурении［D］． Москва，1998: 118 － 127．

［4］ В．Ф．Чихоткин，段隆臣，湯鳳林，等．基于破碎單位體積巖石能耗量設(shè)計(jì)堅(jiān)硬研磨性巖石用鉆頭方法的研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S2):72 －76．

［5］ Чихоткин В．Ф．，高申友，蔣國盛，等．關(guān)于金剛石鉆進(jìn)工藝優(yōu)化幾個(gè)問題的研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(9):18－22．

［6］ 朱恒銀，王強(qiáng)，楊展，等．深部地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭研究與應(yīng)用［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2014:31－35．

［7］ 朱恒銀，等．深部巖心鉆探技術(shù)與管理［M］．北京:地質(zhì)出版社，2014:133－136．

［8］ 段隆臣，潘秉鎖，方小紅．金剛石工具的設(shè)計(jì)與制造［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2012:206－209．