適合新疆某礦區(qū)軟巖地層的孕鑲鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓菲，趙俊彩，李曉磊，王磊，宋秋鋒，朱彩華

(1.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 2.無(wú)錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

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適合新疆某礦區(qū)軟巖地層的孕鑲鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓菲1，趙俊彩2，李曉磊2，王磊1，宋秋鋒3，朱彩華3

(1.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 2.無(wú)錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174；3.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，石家莊 051134)

新疆某礦區(qū)繩索取心鉆進(jìn)過(guò)程中，遇到鉆頭打滑、鉆進(jìn)效率低下等問(wèn)題，作者從胎體配方、燒結(jié)工藝入手，適當(dāng)降低胎體的耐磨性，改善了鉆頭的鉆進(jìn)效率，在礦區(qū)取得了良好的鉆進(jìn)效果，平均鉆進(jìn)時(shí)效約3 m/h，平均使用壽命達(dá)120 m。

軟巖；打滑；配方；耐磨性

0 概況

試鉆的新疆某礦區(qū)巖層呈片狀節(jié)理發(fā)育，傾角60°～80°，破碎地層為主，大部分巖石較軟，研磨性極弱，易打滑，可用小刀類似削鉛筆輕松切削巖屑，指甲可刻劃出印。使用切削刃明顯的硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效良好，但取心率不能滿足鉆進(jìn)工藝要求；礦區(qū)鉆進(jìn)中也試用了胎體式復(fù)合片鉆頭，但是復(fù)合片的圓弧邊緣與巖石形成契合的滑槽，在巖石中滑動(dòng)、研磨回轉(zhuǎn)，形成滑磨巖石，未對(duì)巖石形成切削，出現(xiàn)憋泵、糊鉆、進(jìn)尺慢，且復(fù)合片鉆頭遇到軟硬互層時(shí)易崩齒；客戶選擇使用不同廠家孕鑲鉆頭時(shí)也發(fā)現(xiàn)鉆頭存在一定回次鉆進(jìn)后進(jìn)尺緩慢的現(xiàn)象，提鉆后鉆頭胎體磨損輕微，金剛石難以出露，客戶希望能夠針對(duì)孕鑲鉆頭進(jìn)行改進(jìn)性試驗(yàn)。

1 鉆頭設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

孕鑲鉆頭的性能由胎體配方及金剛石濃度、粒度決定，合理調(diào)整金剛石及胎體配方以匹配巖石的物理機(jī)械性能，使金剛石能適時(shí)脫落及出刃，提升鉆頭的鉆進(jìn)效果。

1.1 主要原材料

目前孕鑲鉆頭配方的骨架材料多以WC為主，采用其他難熔金屬W、Mo代替WC等使用，可以提高韌性，適當(dāng)降低鉆頭耐磨性。此次試驗(yàn)擬全部采用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的微米級(jí)別的W粉作為骨架材料，其他金屬粉料如電解Cu粉、Mn粉、Ni粉、Co粉、Cr粉等采購(gòu)自北京某公司，粒度均為300目以細(xì)。金剛石采用粒度為30/35～50/60目的國(guó)產(chǎn)高品級(jí)金剛石。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及配方選擇

主要原材料W、Cu、Mn、Ni粉作為4個(gè)試驗(yàn)影響因素，按照質(zhì)量比將其控制在：W：20%～55%，Cu：30%～60%，Mn：1%～8%，Ni：0.5%～10%，剩余量為其他粉料，用三維混料機(jī)按設(shè)計(jì)配方混料1 h，混料罐內(nèi)球料比為1∶2，使用高品級(jí)SMD金剛石，相同金剛石濃度及粒度根據(jù)設(shè)計(jì)配方試制?28 mm/?17 mm鉆頭，對(duì)鉆頭胎體進(jìn)行限位燒結(jié)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制燒結(jié)溫度在920～980 ℃之間，壓強(qiáng)值設(shè)置為1176 N/cm2，將鉆頭胎體水口下方打磨后，使用HRA-150型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試(采用直徑1.58 mm淬硬的鋼球作為壓頭，980 N加載)，打多個(gè)點(diǎn)，取硬度平均值。對(duì)成型鉆頭半成品鋼體部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)加工，在自制鉆頭試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行微鉆試驗(yàn)，選出性能最佳的胎體配方及燒結(jié)工藝如表1。

表1 胎體配方及燒結(jié)工藝

1.3 試鉆鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 鉆頭唇面設(shè)計(jì)

針對(duì)礦區(qū)軟巖打滑地層，減小鉆頭工作層唇面面積，使用齒輪形狀鉆頭唇面，加大水口面積，適當(dāng)降低鉆頭內(nèi)外沖洗液壓差，減低沖洗液流速，巖粉適當(dāng)研磨鉆頭，使金剛石利于出刃。

1.3.2 金剛石參數(shù)

對(duì)于軟巖巖層，采用品級(jí)高、粒度較粗的金剛石(30目～50目)，選用中等金剛石濃度(75%)，保持金剛石的正常出露，保證一定的鉆進(jìn)效率。

2 鉆進(jìn)試驗(yàn)及分析

2.1 試鉆鉆頭

試用兩只?78 mm繩索鉆頭，配方分別為4#(試驗(yàn)配方)和7020(常規(guī)產(chǎn)品中耐磨性最低WC基配方)。

2.2 鉆探設(shè)備及鉆進(jìn)參數(shù)

礦區(qū)采用XY-5型鉆機(jī)，BW-250泥漿泵，試鉆的地層覆蓋層用?130 mm硬質(zhì)合金鉆頭開(kāi)孔，后下?127 mm孔口管，再用?110 mm鉆頭施工，下?108 mm套管后，使用?78 mm繩索鉆頭取心鉆進(jìn)至終孔，施工要求孔深在400 m以上。

由于巖層基本破碎，完整地層少，鉆頭回轉(zhuǎn)不平滑振動(dòng)大，鉆壓過(guò)大，會(huì)造成孔斜嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)需要控制轉(zhuǎn)速和泵量，所以鉆進(jìn)參數(shù)控制為：轉(zhuǎn)速一般在357 r/min，最多偶爾提高至500 r/min，鉆壓為4～9 kN，泵量為40～60 L/min。

2.3 試鉆結(jié)果

該隊(duì)當(dāng)時(shí)正在使用的河北某公司鉆頭硬度標(biāo)注為HRC 8，在鉆進(jìn)的頭三個(gè)回次進(jìn)尺較快，能達(dá)到3 m/h，之后金剛石出刃減慢，時(shí)效大概為0.6～1 m/h，壽命不到100 m。我廠提供給該隊(duì)的7020配方鉆頭在試用過(guò)程中，同樣存在前期進(jìn)尺較快，平均進(jìn)尺速度較慢的情況，平均時(shí)效為1.43 m/h，客戶放棄試用。而4#配方鉆頭在應(yīng)對(duì)該地層時(shí)均能達(dá)到實(shí)際平均時(shí)效3 m/h，壽命120 m左右，鉆頭進(jìn)尺快，時(shí)效穩(wěn)定，獲得客戶認(rèn)可。

試鉆鉆頭使用記錄見(jiàn)表2。

表2 試鉆鉆頭使用記錄

2.4 分析討論

將W基配方(4#配方)與常規(guī)產(chǎn)品耐磨性最低的WC基7020配方(HRC 5)的鉆頭斷面用掃描電鏡進(jìn)行形貌觀察并對(duì)比，見(jiàn)圖1和圖2。

從圖1可以看出WC基配方的金剛石邊界清晰，金剛石表面完整、干凈、光滑，無(wú)明顯被侵蝕現(xiàn)象，金剛石脫落處的凹坑亦為干凈致密的光滑表面，金剛石與胎體幾乎沒(méi)有化學(xué)冶金粘結(jié)，主要是機(jī)械鑲嵌。

圖1 WC基試樣斷面掃描電鏡圖

W基配方的金剛石有一定的刻蝕，金剛石邊界呈圓滑的形態(tài)，棱角不明顯，金剛石表面及脫落處的凹坑凹凸不平，有附著物，推斷W與金剛石表面發(fā)生了一定的反應(yīng)。這種反應(yīng)有利于金剛石和胎體的粘結(jié)，對(duì)附著物進(jìn)行EDS能譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3及圖3，說(shuō)明金剛石及胎體附著物可能為WC，W可以與金剛石發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合，提高胎體對(duì)金剛石的包鑲能力，發(fā)生反應(yīng)的熱力學(xué)條件并不苛刻，750 ℃ 以上就有碳化物生成[1]，850～950 ℃是最佳的WC形成溫度范圍。

圖2 W基試樣斷面掃描電鏡圖

元素Wt%At%CK81739592CuL203045WM223017MnK151039CoK641153

圖3 金剛石及胎體附著物EDS定性分析

分析4#配方，W作為骨架粉含量過(guò)高，燒得的樣品難以致密化，燒結(jié)溫度偏高，對(duì)金剛石傷害過(guò)大；W含量過(guò)低，配方耐磨性會(huì)過(guò)低，也會(huì)造成鉆頭的壽命縮短。

根據(jù)Cu-Ni二元相圖，在鉆頭燒結(jié)的溫度區(qū)間內(nèi)Ni和Cu可以形成置換型無(wú)限固溶體，Ni粉的加入，強(qiáng)化Cu基粘結(jié)相，減少銅基合金流失，促進(jìn)W基骨架材料的活化燒結(jié)，提高胎體的強(qiáng)度和塑性，提升胎體對(duì)金剛石的包鑲能力，能更好地吸收金剛石在工作中受到的沖擊力，使金剛石的出刃更高，更適合弱研磨性的巖層，有利于高效鉆進(jìn)。Mn也能大

量固溶于Cu，查找Cu-Ni-Mn三元相圖，Mn可以和Cu、Ni形成三相共熔合金，顯著降低粘結(jié)成分的熔點(diǎn)，較低的燒結(jié)溫度有利于保留金剛石性能，同時(shí)Mn在燒結(jié)合金化時(shí)可以作為脫氧劑，減少合金中殘余碳的不良影響，減少雜質(zhì)含量，但是Mn的加入量要適當(dāng)，Mn脫氧形成的化合物作為夾雜物對(duì)胎體有一定的副作用[2]。

電解銅粉由于其易變形性在鉆頭中使用較少，但在本次實(shí)驗(yàn)中樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的細(xì)粒度的電解銅粉配合相應(yīng)的其他單金屬粉末，在燒結(jié)過(guò)程中合金化后，胎體的均勻性及整體的機(jī)械性能良好，在軟地層使用效果不亞于我們的663銅合金等配方，但在組裝過(guò)程中存在一些問(wèn)題，由于銅粉松裝密度小，造成原底模組裝腔體高度不夠的情況，進(jìn)行了模具、組裝工具的重新修改加工，導(dǎo)致模具成本升高。

3 結(jié)果與討論

(1)選用W做骨架材料，采用合適的粘結(jié)金屬，在鉆進(jìn)軟巖、弱研磨型地層有優(yōu)異的效果。

(2)對(duì)于松裝密度偏低的胎體或者高胎體鉆頭，可考慮試驗(yàn)冷壓坯成型或者制粒的方法以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)鉆頭，降低生產(chǎn)成本。

(3)有條件的情況下可嘗試與粉料生產(chǎn)廠家合作，將Cu、Ni、Mn等粘結(jié)金屬制備成合金粉料，減少粉末氧化，提升胎體的均勻性，提高生產(chǎn)效率。

[1] 孫毓超, 宋月清. 金剛石工具制造理論與實(shí)踐[M]. 鄭州:鄭州大學(xué)出版社, 2005.

[2] 孫毓超, 劉一波, 王秦生. 金剛石工具與金屬學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社, 1999.

2016-10-08

韓菲，(1985 -)，女，工程師，北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士畢業(yè)，主要從事金剛石鉆探工具及制品研發(fā)工作，E-mail：hanfei@cgeg.com.cn。

P634.41

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1009-282X(2016)06-0017-03