青海東昆侖、祁曼塔格地區(qū)金剛石鉆頭的研究

吳海霞，歐陽志勇，李 春，沈立娜，梁 濤

(北京探礦工程研究所，北京100083)

金剛石于磨料磨具工程

青海東昆侖、祁曼塔格地區(qū)金剛石鉆頭的研究

吳海霞，歐陽志勇，李 春，沈立娜，梁 濤

(北京探礦工程研究所，北京100083)

針對青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)的典型硬巖強研磨性地層情況，對孕鑲金剛石鉆頭胎體材料、金剛石濃度、燒結工藝等方面進行分析研究，并對鉆頭進行了臺架、野外試驗。根據各項理論分析結合實驗數據，確定了鉆頭的設計方案，研發(fā)出了適用于該地區(qū)硬巖強研磨地層鉆進的孕鑲金剛石鉆頭。

強研磨性地層;金剛石鉆頭;預合金粉末;胎體材料

1 青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)鉆頭使用情況分析

2013年以來，強研磨性、堅硬致密地層一直是制約青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)鉆探施工效率的技術“瓶頸”。中深孔鉆進中鉆頭壽命低和鉆效低對破碎地層帶來的失穩(wěn)影響往往最終演變成孔內事故。該地區(qū)的大部分地層是花崗巖、氧化蝕變花崗巖，蝕變后花崗巖膠結強度下降、硬度降低，但研磨性大幅度上升。經調查統(tǒng)計，2014年7月前在不同礦區(qū)及巖層中金剛石鉆頭使用效果分述如下。

1.1 黑海南礦區(qū)地層特點與金剛石鉆頭的使用情況

黑海南礦區(qū)主要的巖層是蝕變閃長斑巖、破碎安山巖、長石石英砂巖、千枚巖、細晶灰?guī)r等，礦物顆粒以中細居多，巖石的研磨性強，鉆頭的平均壽命不足2.4 m，在鉆遇破碎安山巖和蝕變花崗閃長巖時的平均機械鉆速是0.8～0.9 m/h。該地區(qū)不同巖層中金剛石鉆頭使用情況參見表1，典型破碎蝕變閃長斑巖見圖1。

1.2 拉陵高里河溝腦礦區(qū)地層特點與金剛石鉆頭的使用效果

表1 黑海南礦區(qū)不同巖層中金剛石鉆頭使用情況

圖1 破碎蝕變閃長斑巖

拉陵高里河溝腦礦區(qū)ZK3201孔，自開孔即為破碎花崗巖，中粗顆粒，石英含量較高。隨孔深增加，巖石礦物顆粒越來越細、結構越來越致密，巖石硬度和可鉆性越來越高(參見圖2)。該孔地層不僅硬度高、可鉆性差，其研磨性也比較強。從使用效果來看，平均壽命最長的是國外進口的某金剛石鉆頭，大約在11 m左右，但鉆效低，平均小時效率不足1.0 m。其次為國產某廠家的金剛石鉆頭，平均壽命6.5 m，但鉆效較之國外鉆頭提高20%以上。其他鉆頭平均壽命則不足3.5 m，且磨損形式表現為非正常磨損，由圖3中的鉆頭的非常磨損觀察可知:(a)外徑磨損;(b)內徑磨損;(c)底唇面磨損為環(huán)槽狀; (d)底唇面充分磨損，內外徑磨損程度輕微。

圖2 ZK3201孔花崗巖

圖3 ZK3201金剛石鉆頭非正常磨損情況

1.3 五龍溝地區(qū)黑石溝－水閘東溝礦區(qū)地層特點與金剛石鉆頭的使用情況

青海都蘭縣五龍溝金礦區(qū)屬柴達木地區(qū)北緣，其中包括有紅旗溝、石灰溝、黃龍溝、巖金溝、淡水溝等多個子礦區(qū)。紅旗溝、淡水溝以硅化大理巖、石英巖(如圖4所示)、細?；◢弾r的致密堅硬地層為典型;石灰溝則以高嶺土化、絹云母化的蝕變花崗巖為典型。鉆遇該類地層，往往不僅施工效率低，難以滿足地質找礦任務的計劃進程，而且常發(fā)生孔內事故，甚至工作量報廢事故。

2 針對該地區(qū)地層對孕鑲金剛石鉆頭的改進設計

2.1 新型超細晶胎體復合材料研究

圖4 石英巖

由于超細晶預合金粉末各組分的均勻性、在燒結過程中低熔點金屬不易流失及偏析，以及有較高的燒結活性等優(yōu)點，選用預合金粉末為金剛石胎體材料，可以大幅提高胎體的機械性能，降低燒結溫度，減小對金剛石的熱損傷，改善胎體對金剛石的把持能力［1－3］。

對多種預合金粉末進行研究，優(yōu)選出兩種適用于該區(qū)域地層的預合金粉末胎體材料，其顯微照片見圖5。由圖5可知預合金粉末粒度基本在10 μm以下，說明所得到的預合金粉末顆粒度比較均勻。為了觀察預合金粉末的元素分布狀態(tài)，對粉末中的細小顆粒進行了定點物相分析，得到如圖5所示的能譜分析圖。由圖中可以看出，經過熔煉噴霧后得到的粉末顆粒中包括了構成合金粉末的各種金屬元素，這說明預合金粉末較機械混合多種單質金屬粉末更加均勻。對以上兩種胎體材料進行力學性能測試，其結果見表2。

圖5 R1、R10胎體配方粉末顯微圖片及能譜分析

由表2可知，這兩種胎體配方的硬度為HRC20～34;它們的抗沖擊韌性和抗彎強度的區(qū)別較大，其中R10胎體配方的抗沖擊韌性和抗彎強度較大，R1胎體配方的耐磨性最高。根據該地區(qū)的不同地層特性，可以選用不同的胎體配方。

表2 胎體配方的基本性能參數測定值

采用球磨法［4］對預合金粉末進行預處理，球磨3 h時，胎體粉末晶粒逐漸細化，顆粒趨于球形，均勻度得到提高，且胎體的沖擊韌性、硬度、抗彎強度等燒結性能達到最高。

2.2 金剛石濃度的合理選擇

金剛石是鉆頭的主要鉆進切削刃，其質量的好壞直接影響鉆頭的使用壽命和時效?，F今的人造金剛石品種繁多，質量不一，所以在使用前，必須按照鉆進地層的特點合理選擇其品級、粒度及密度［5－8］。

針對該地區(qū)硬巖強研磨性地層的特點，我們選取特級(JRT)人造金剛石，其35/40目的人造金剛石平均單晶抗壓強度是445 N。對于孕鑲金剛石鉆頭，金剛石濃度對鉆頭的耐磨性有直接影響，為了確定金剛石濃度對鉆頭耐磨性的影響，使用微鉆試驗平臺對R1、R10胎體配方的不同金剛石濃度的鉆頭進行了鉆進試驗，試驗結果見表3。

表3 臺架試驗結果統(tǒng)計

從表3可以看出，在轉速500 r/min時，金剛石濃度越低，鉆頭的平均機械鉆速越高，但鉆頭的磨損也越大;在轉速800 r/min時，鉆頭的平均機械鉆速還是隨著金剛石濃度的增加而有所降低，但是鉆頭的磨損在80%、100%金剛石濃度時基本一致;在轉速1000 r/min時，鉆頭的平均機械鉆速規(guī)律與其它鉆速保持一致，但是不同金剛石濃度鉆頭的磨損量基本一致。充分說明了孕鑲金剛石鉆頭轉速對提高金剛石有效切削的重要性。

在本研究區(qū)的實際鉆進過程中，鉆機的轉速基本在500 r/min左右，結合上述微鉆試驗研究，在保證鉆頭的機械鉆速及壽命的基礎上，確定鉆頭的金剛石濃度在80%～100%之間。

2.3 鉆頭燒結工藝研究

針對該地區(qū)的復雜地層，采用熱壓燒結的方法燒制新型金剛石胎塊鉆頭，制造工藝流程見圖6。根據鉆頭結構設計及技術要求，精確設計制造胎塊的石墨模具，根據地層巖性和鉆進工藝設計胎體配方和金剛石參數，采用熱壓燒結，R1胎體配方的燒結溫度為820℃，R10的燒結溫度為840℃，整個燒結過程由程序自動控制，保證切削具的尺寸精確和質量穩(wěn)定。其N規(guī)格鉆頭燒結工藝曲線見圖7。通過鉆頭燒結工藝的研究，試制適用于該地區(qū)復雜地層的新型金剛石鉆頭，為下一步的野外試驗提供充足的準備。

圖6 新型金剛石鉆頭制造工藝流程

圖7 N規(guī)格金剛石鉆頭燒結工藝曲線

3 孕鑲金剛石鉆頭的野外使用情況

針對該地區(qū)的地層特點，結合上述研究，確定了2種鉆頭配方設計(具體金剛石鉆頭參數設計見表4)，并在拉陵高里河溝腦礦區(qū)和都蘭縣五龍溝地區(qū)的3個鉆孔進行了野外試驗?，F場勘探隊根據地形條件和鉆孔性質選擇了鉆探設備，具體設備見表5。

表4 金剛石鉆頭參數設計

表5 鉆探設備

2015年，分別在拉陵高里河溝腦礦區(qū)ZK3202、ZK4002孔和五龍溝地區(qū)的ZK5102鉆孔中進行了試用。使用過程中，為了避免鉆頭外徑磨損，在不同鉆孔中進行了排隊。經統(tǒng)計，R1、R10型的平均機械鉆速及壽命見表6。

表6 鉆頭野外使用情況

由表6可知，現場試驗共使用孕鑲金剛石鉆頭10支，累計進尺1032.2 m。在堅硬與強研磨性并存地層中，R1型金剛石鉆頭的平均鉆速是1.9～2.4 m/h，比R10型平均機械鉆速快一些，但鉆頭的平均壽命比R10型短一些;在堅硬地層較少，研磨性較強的地層中，R1型金剛石鉆頭的平均機械鉆速比R10型提高了77%，但R10型金剛石鉆頭的平均壽命是R1型的1.26倍。與普通鉆頭相比，北京探礦工程研究所研制的鉆頭，針對性強，鉆頭壽命和機械鉆速均有顯著提高，解決了拉陵高里河溝腦礦區(qū)和五龍溝地區(qū)的典型地層難鉆進問題。

4 結論

在青海省東昆侖、祁曼塔格地區(qū)難鉆進地層的孕鑲金剛石鉆頭研究中，針對現場地層及現有鉆進情況進行了細致的分析研究，引入了新型預合金粉末材料，很好地解決了胎體性能、金剛石濃度、包鑲的難題，選用適用該地區(qū)地層的鉆頭胎體配方及燒結工藝，經過多次野外實際應用，研發(fā)出適用于該地區(qū)硬巖強研磨地層鉆進的孕鑲金剛石鉆頭，提高了鉆探效率。

(1)對胎體粉末材料進行研究，確定了適用于該地區(qū)地層的超細預合金粉末材料，保證了胎體性能及其對金剛石的包鑲能力。

(2)選擇合理的金剛石目數及金剛石濃度，保證單顆金剛石的合理鉆壓，以及鉆頭的有效出刃及耐磨性。

(3)對鉆頭的燒結工藝進行重新設計和優(yōu)化，并提出研究要求，以得到最優(yōu)的鉆頭性能。

［1］董海燕，歐陽志勇，吳海霞，等.深部探測金川預導孔深孔鉆探鉆頭的應用與分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40 (9):41－46.

［2］吳海霞，沈立娜，等.河北寬城唐杖子金礦區(qū)新型金剛石鉆頭的研究與應用［C］//中國地質學會探礦工程專業(yè)委員會.第十八屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術學術交流年會論文集.北京:地質出版社，2015:697－702.

［3］沈立娜，阮海龍，李春，等.堅硬致密“打滑”地層新型自銳金剛石鉆頭的研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(11): 57－59.

［4］沈立娜，李樹輝，阮海龍，等.球磨時間對鐵基胎體顯微結構和性能的影響［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):78－80.

［5］賈美玲，歐陽志勇，馬秀民，等.深孔鉆探金剛石鉆頭技術研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(12):71－73.

［6］姜亦軍，王文龍，張輝.SY系列深孔硬巖孕鑲金剛石鉆頭的研究與應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(6):80－84.

［7］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質出版社，1991.

［8］阮海龍，紀衛(wèi)軍，沈立娜，等.針對復雜地層金剛石鉆頭的改進與應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1):67－69.

Study of Diamond Bits in Qinghai Province Dongkunlun and Qimantage Area

/WU Hai-xia，OUYANG Zhi-yong，LI Chun，SHEN Li-na，LIANG Tao(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China)

According to the typical strong abrasive formations in Qinghai province dongkunlun and qimantage area，the research and analysis were made for impregnated diamond bit in matrix materials，diamond concentration and sintering technology.The bench tests and field texts for bits were carried out.On the basis of the test data，the design of the bit was determined，and a new type impregnated diamond bit suitable to the strong abrasive formations has been developed.

strong abrasive formations;diamond bits;matrix materials;matrix materials

P634.4+1

A

1672－7428(2017)03－0077－04

2016－07－20

吳海霞，女，漢族，1986年生，工程師，地質工程專業(yè)，碩士，從事金剛石鉆頭的優(yōu)化設計工作，北京市海淀區(qū)學院路29號，379940006@qq.com。