空心階梯J空型孕鑲金剛石鉆頭的研制

【摘 要】本文主要從孕鑲金剛石鉆頭的胎體唇面形狀上來改變鉆頭的特性，加之選用先進(jìn)的胎體配方、合理的設(shè)計(jì)鉆頭參數(shù)及采取精準(zhǔn)的燒結(jié)工藝及機(jī)加工技術(shù)等，來滿足金剛石鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層時(shí)的時(shí)效和壽命?？招碾A梯J空型鉆頭的特點(diǎn)是隨著鉆頭的不斷進(jìn)尺始終保持著它的唇面形狀，因此就能夠保證鉆頭始終有較高的鉆進(jìn)時(shí)效和較長(zhǎng)的鉆頭壽命。

【關(guān)鍵詞】空心階梯J空型鉆頭 設(shè)計(jì)原則 空心階梯J空型鉆頭特點(diǎn)

1 引言

目前在地質(zhì)找礦市場(chǎng)不景氣的大環(huán)境下，為了適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格的激烈競(jìng)爭(zhēng)，為保證孕鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層中的鉆頭時(shí)效和鉆頭壽命，提高鉆頭在市場(chǎng)上的占有量，使得鉆頭的需求量處于穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，我們由此研制了一種新型的孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀—空心階梯J空型鉆頭，加之選用先進(jìn)的胎體配方、設(shè)計(jì)合理的鉆頭參數(shù)及采取精準(zhǔn)的燒結(jié)工藝等綜合設(shè)計(jì)，經(jīng)過多家用戶的試驗(yàn)，該鉆頭對(duì)鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層有很好的鉆進(jìn)效果，達(dá)到了預(yù)期的目的。為我隊(duì)的鉆探機(jī)械業(yè)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層時(shí)的設(shè)計(jì)原則

堅(jiān)硬弱研磨性地層是指該地層巖石特別堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高，研磨性很弱，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)這樣的巖層時(shí)進(jìn)尺效率就很慢，而且壽命也不長(zhǎng)，為了保證鉆頭鉆進(jìn)這樣的巖層既有一定的時(shí)效又有一定的壽命，需要遵循以下設(shè)計(jì)原則。

（1）選用高品級(jí)人造金剛石。高品級(jí)人造金剛石具有晶型好，單粒抗壓強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是低品級(jí)金剛石所無法比擬的。（2）選用中粗粒混目人造金剛石。中粗?；炷咳嗽旖饎偸饶鼙ＷC鉆頭的有效進(jìn)尺，又能使鉆頭有一定的使用壽命。（3）選用較低的金剛石濃度。由于濃度低，金剛石顆粒相對(duì)減少的分布在鉆頭的唇面上，在施加同等鉆壓的情況下，每粒金剛石的鉆壓就會(huì)增加，有利于金剛石的出刃，更好的切入巖石，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。（4）選用較低硬度的胎體配方。低硬度的胎體便于金剛石的及時(shí)出露，使得金剛石更好的切入巖石，避免表層磨鈍的金剛石不及時(shí)脫去而打滑。（5）人造金剛石表層真空鍍覆處理。金剛石表層經(jīng)過鍍覆處理后，增加了金剛石顆粒與胎體結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)金剛石的自身強(qiáng)度也會(huì)加強(qiáng)，因此使得金剛石的出刃高度增高，其結(jié)果使鉆頭的時(shí)效和壽命均有所提高。（6）選用與巖石接觸面積較少的唇面形狀。鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層時(shí)，應(yīng)選用自由面較多的唇面形狀，自由面越多，越有利于巖石破碎，有利于提高鉆速。但同時(shí)又要考慮鉆速的恒定，這就要求鉆頭唇面形狀隨著鉆進(jìn)時(shí)間的推移，唇面形狀變化不大更好，空心階梯J空型鉆頭的唇面形狀就滿足了這樣的要求，鉆頭的唇面形狀在鉆進(jìn)中保持時(shí)間最長(zhǎng)，它可以貫穿于鉆頭的始終，因而鉆速是恒定的。（7）在鉆頭胎體配方中加入微量的稀土金屬及少量的高純碳粉，目的是改善胎體的性能及在鉆進(jìn)時(shí)有利于工作層中的金剛石及時(shí)出露，克服以往在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆頭不進(jìn)尺時(shí)需投石英砂的現(xiàn)象。投石英砂雖然有利于鉆頭出刃，進(jìn)尺快，但同時(shí)對(duì)鉆頭內(nèi)徑磨損也很嚴(yán)重，影響鉆頭的使用壽命。（8）鉆頭的水口數(shù)量選用要少。水口數(shù)量在滿足排粉、冷卻的條件下，盡量不易過多，因水口數(shù)量太多時(shí)會(huì)將孔內(nèi)巖粉沖刷干凈，不利于孔內(nèi)適量的巖粉磨損鉆頭胎體，抑制了工作層中金剛石的出露，影響鉆進(jìn)效率。（9）鉆頭在下鉆時(shí)進(jìn)行預(yù)出刃處理。鉆頭加工完畢后，進(jìn)行噴砂處理，使得表層金剛石出露，這樣鉆頭下鉆時(shí)即刻進(jìn)行工作，提高鉆進(jìn)效率。

3 空心階梯J空型鉆頭試驗(yàn)情況及效果

3.1 各礦區(qū)巖層情況簡(jiǎn)介

鞍山關(guān)寶山磁鐵礦區(qū)：巖石為紅褐色磁鐵礦，堅(jiān)硬致密，脆性較大，可鉆性達(dá)9～10級(jí)。

北京金泰在河南洛寧礦區(qū)所鉆巖層為：堅(jiān)硬致密英安巖、斑狀結(jié)構(gòu)、紫灰紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為長(zhǎng)石和石英，石英含量較高，巖石硬度較大，蝕變主要為硅化、鉀化，局部可見石英細(xì)脈、黃鐵礦化，晶形較好，研磨性較弱，可鉆性9～10級(jí)浙江華東院在安徽績(jī)溪水電工程所鉆巖層為：堅(jiān)硬致密花崗巖，巖石為混合花崗巖，主要礦物為石英、鉀長(zhǎng)石、黑云母。石英含量大于45%，中細(xì)?；◢弾r變晶結(jié)構(gòu)，可鉆性8～9級(jí)。遼寧海城析目礦區(qū)，所鉆巖層為：以細(xì)粒似斑狀花崗巖、中粗粒似斑狀花崗巖、細(xì)?；◢弾r為主。其主要礦物成分有石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、云母。石英含量為25～35%，中等研磨性，可鉆性8～9級(jí)。

3.2 鉆頭試驗(yàn)情況及效果

在上述四個(gè)礦區(qū)先后投入了140個(gè)Y76.5S梯齒型、齒輪型、鋸齒型鉆頭和52個(gè)Y76.5SJ空型鉆頭，為了具有良好的可比性，將Y76.5SJ空型鉆頭和Y76.5S梯齒型、齒輪型、鋸齒型鉆頭所采取的制作工藝（如所用金剛石品級(jí)、粒度、濃度、胎體配方、水口數(shù)量、燒結(jié)工藝等）完全相同，只是鉆頭的唇面形狀不同，來進(jìn)行比較。52個(gè)Y76.5SJ空型鉆頭總進(jìn)尺為1180米，鉆頭平均壽命為22.7米，鉆頭平均時(shí)效為1.93米/小時(shí)，平均每米鉆頭費(fèi)用為16.74元/米。140個(gè)Y76.5S其它形狀的鉆頭總進(jìn)尺為2023米，鉆頭平均壽命為14.45米，鉆頭平均時(shí)效為1.55米/小時(shí)，平均每米鉆頭費(fèi)用為22.14元/米。由此可見，不同唇面形狀的鉆頭在其他設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝、配方等完全相同的情況下，只因鉆頭唇面形狀的變化而結(jié)果卻有很大的區(qū)別，Y76.5SJ空型鉆頭平均壽命比Y76.5S其它形狀的鉆頭提高了57.1%，平均時(shí)效提高了24.5%。平均每米鉆頭費(fèi)用下降24.4%。

4 空心階梯J空型鉆頭的特點(diǎn)

通過在上述4個(gè)礦區(qū)的鉆進(jìn)試驗(yàn)，J空型鉆頭顯示了以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）壽命長(zhǎng)。J空型鉆頭由于采取了特殊制造工藝，鉆頭唇面內(nèi)外磨損均勻，內(nèi)保徑效果好。克服了碟形變相和內(nèi)拉溝，使工作層得到充分利用，鉆頭壽命長(zhǎng)。（2）鉆速高。J空型鉆頭唇面形狀增加了破碎巖石的自由面和鉆進(jìn)時(shí)的比壓，環(huán)狀溝槽內(nèi)的巖石受擠壓振動(dòng)而破碎，既能產(chǎn)生大的體積破碎，又能減少破巖所消耗的功。另外由于金剛石在唇面上分布合理，受力均勻，能保持較鋒利的出刃，因此鉆速高。而且在巖石變化不大時(shí)，鉆速又比較均勻。（3）排粉、冷卻功能好。繩索取芯鉆頭壁厚，平底、圓弧等形狀的鉆頭不利于排粉、散熱和冷卻，鉆速高就產(chǎn)生微燒現(xiàn)象，甚至燒鉆。J空型鉆頭的唇面形狀，其圓環(huán)溝槽將唇面分成兩個(gè)薄壁唇面，沖洗液能把熱量和巖粉很快帶走，另外由于金剛石出刃量大，增加了唇面與孔底、內(nèi)徑與巖心、外徑與井壁的間隙，有利于通水排粉和冷卻，減輕了金剛石和胎體的熱磨損，克服了鉆速高產(chǎn)生的微燒現(xiàn)象。（4）對(duì)巖層適應(yīng)范圍廣。各礦區(qū)一般巖層變化很大，即使在一個(gè)鉆孔巖層變化也是很頻繁的，繩索取芯鉆進(jìn)，提鉆間隔較長(zhǎng)，不可能隨著巖層變化隨時(shí)更換所需要的鉆頭，這就要求繩索取芯鉆頭對(duì)巖層要有廣泛的適應(yīng)性。J空型鉆頭就有這個(gè)特點(diǎn)。它不但適應(yīng)堅(jiān)硬致密的弱研磨性地層，而且也適應(yīng)硬、脆、碎等中等研磨性巖層。（5）有利于防止孔斜。J空型鉆頭的唇面形狀，具有一定的導(dǎo)向性，增強(qiáng)了鉆頭在孔底工作的穩(wěn)定性，有利于防止孔斜，在上述4個(gè)礦區(qū)鉆進(jìn)中，對(duì)于防止孔斜均取得了較好的效果。（6）節(jié)約了成本。因?yàn)镴空型鉆頭，由于唇面形狀的變化，自由面增多，中間的環(huán)形溝槽被石墨取代，將減少了粉料及金剛石的用量，因此鉆頭的成本在同條件下將會(huì)下降。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述試驗(yàn)，盡管各礦區(qū)不同，但所鉆巖層均為堅(jiān)硬致密、弱研磨性的地層?？蛻敉ㄟ^采用我們?cè)O(shè)計(jì)的空心階梯J空型鉆頭，目前已經(jīng)解決了鉆進(jìn)時(shí)效低、鉆頭壽命短的問題。隨著空心階梯J空型鉆頭的批量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，將使繩索取芯鉆進(jìn)有著更加廣泛的使用前景，給我隊(duì)的鉆探機(jī)械業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡(jiǎn)介：溫姝靜（1968—），女，遼寧建昌人，畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院探礦工程專業(yè)，探礦工程高級(jí)工程師，研究方向：工程勘查。