工勘打滑金剛石燒結(jié)鉆頭的開發(fā)

羅文來，劉盛斌，呂中勝，唐智勇，覃懷鵬

(桂林特邦新材料有限公司 ，廣西 桂林 541004 )

工勘打滑金剛石燒結(jié)鉆頭的開發(fā)

羅文來，劉盛斌，呂中勝，唐智勇，覃懷鵬

(桂林特邦新材料有限公司 ，廣西 桂林 541004 )

在工程勘探施工中，鉆頭鉆進堅硬巖石時效率低下，以往的地勘打滑鉆頭在工勘鉆機振動強烈的條件下又容易斷齒。文章分析了工程勘探與地質(zhì)勘探的設(shè)備、工藝等施工特點，針對存在的問題，采用增加鋼體與胎體接觸面積的方法提高連接強度，采用較少孔底接觸面積和添加脆性物質(zhì)的方法提高鉆進速度，開發(fā)的鉆頭在初步試用中滿足了客戶的施工要求且鉆頭無斷齒現(xiàn)象。

金剛石燒結(jié)鉆頭；工程勘探；打滑巖層；鋼體結(jié)構(gòu)；脆性物質(zhì)

1 產(chǎn)品開發(fā)背景

1.1 市場存在的問題和要求

金剛石鉆頭鉆進巖石是在一定的回轉(zhuǎn)速度和軸向壓力的條件下，通過金剛石顆粒切削或磨削巖石使之變成小顆粒巖粉，在流體的作用下帶走生成的巖粉，金剛石又不斷接觸新鮮的巖石，流體不斷帶走舊的巖粉，在這樣的循環(huán)中形成了鉆孔。打滑層的巖石硬度大密度高研磨性低，要能在此類巖層中連續(xù)鉆進，既要求鉆頭表面的金剛石有足夠的壓力和轉(zhuǎn)速破碎巖石，又要求在金剛石刃角磨平失效后能及時從胎體中脫落并出露新的金剛石，因此對胎體的強度、研磨性均要求較低。

工程勘探中會遇到打滑巖層，其鉆進速度很低，有時十幾小時只能鉆進0.5米，采用反復(fù)投放磨料的方法可加快進尺，但鉆頭壽命又急劇降低。

地勘打滑鉆頭的強度低，在工程勘探的鉆進中因鉆具、鉆機振動大，很容易斷齒；用強度高的胎體制作鉆頭，金剛石又難于及時出露，中途需要開刃，不能正常連續(xù)工作。

此外，工勘施工人員的整體素質(zhì)相對偏低，操作不規(guī)范，經(jīng)常敲擊鉆具取巖心，也會敲斷鉆齒。因此，市場需要適合工程勘探條件的打滑鉆頭。

1.2 兩種勘探施工方式的對比

如表1所示，工程勘探與地質(zhì)勘探的特點不相同。

表1 兩種勘探的對比

2 開發(fā)思路與過程

產(chǎn)品開發(fā)的要務(wù)是解決鉆頭斷齒(圖1)和提高在打滑巖層的鉆進速度問題。

2.1 開發(fā)思路

(1)增加鋼體與胎體接觸面積及結(jié)構(gòu)改善受力狀態(tài)，提高鉆齒與鋼基體的連接強度，防止鉆頭斷齒。

(2)設(shè)計合適的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)，使鉆頭與孔底的接觸面積只相當(dāng)于同規(guī)格常規(guī)鉆頭接觸面積的75%～82%，提高孔底壓強來提高鉆速。

(3)在鉆齒胎體中添加硅藻土、氮化鈦等脆性物質(zhì)來降低胎體的耐磨性，使金剛石更利于新陳代謝，以提高鉆進速度。

2.2 開發(fā)過程

3 試驗與研究

3.1 增加接觸面積和改善結(jié)構(gòu)提高連接強度的研究

從圖2可見，斷面2的鋼體結(jié)構(gòu)，其與胎體的接觸面積要比斷面1和斷面3的均大，在同等外力下其抵抗能力也比斷面1和斷面3的大，連接強度相同時其連接力最大。

結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3斷面周長(mm)16．626．620斷面接觸面積比(%)100160120實測斷裂力(kN)8．112．39．5實測斷裂力之比(%)100151．8117．3

圖3 3種鋼體結(jié)構(gòu)的效果對比Fig.3 Effect comparison of 3 types of steel structure

由表2可見，改變鉆頭鋼體的斷面形式，在連接強度相同的條件下，在CMT4304材料試驗機測試斷裂力 ，得知采用斷面2結(jié)構(gòu)形式其連接力可提高50%以上。試驗生產(chǎn)的工勘打滑鉆頭的3種規(guī)格共11個樣品在現(xiàn)場測試中均未出現(xiàn)鉆頭齒斷裂的現(xiàn)象，與其對比的其他打滑鉆頭則出現(xiàn)過斷齒。

3.2 提高鉆進速度的研究

3.2.1 減少孔底接觸面積提高鉆進速度

工勘鉆頭的鉆進效率與金剛石參數(shù)、胎體參數(shù)及孔底接觸面積有關(guān)，而工程勘探的鉆機小，能力不足，因此同規(guī)格的相同金剛石參數(shù)、胎體參數(shù)的鉆頭，改善孔底接觸面積可顯著提高壓入力。

圖4 111/91鉆頭的常規(guī)底面結(jié)構(gòu)Fig.4 Conventional underside structure of the 111/91 drill bit

圖5 111/91打滑鉆頭的底面結(jié)構(gòu) Fig.5 Conventional underside structure of the 111/91 drill bit for slip layer表3 兩種孔底接觸面積對比表Table 3 Comparison of two types of downhole contact area

面積比壓力比鉆速比圖4100%100%100%圖580．5%124．2%115．7%

從圖4的111/91鉆頭常規(guī)底面結(jié)構(gòu)及圖5改變后的鉆頭底面結(jié)構(gòu)對比，改變后的孔底接觸面積只有常規(guī)的80.5%，但是同一個鉆頭齒與鋼體的接觸面積幾乎相同，這樣可以保證在單個鉆齒受到相同外力時的連接力足夠。在同等轉(zhuǎn)速和鉆壓條件下鉆進巖石，后一種鉆頭的底面單位壓強可提高24.2%，則其鉆進速度理論上可提高24.2%；在其他條件相同時，圖4圖5底面結(jié)構(gòu)鉆頭在現(xiàn)場施工的效率分別為0.7米/時及0.81米/時，鉆進效率提高15.7%。因此優(yōu)選確定效果好的圖5作為鉆頭底面結(jié)構(gòu)。

3.2.2 胎體添加脆性物質(zhì)提高鉆進速度

3.2.2.1 對脆性物質(zhì)的基本要求

(1)滿足使用性能要求，即添加后胎體的強度、耐磨性及包鑲金剛石的能力等滿足要求；

(2)滿足生產(chǎn)工藝要求，即添加物與胎體成分在混料過程中能均勻一致保持穩(wěn)定性，且在保存過程中無特別要求，其物化性質(zhì)在存儲中不影響制作質(zhì)量；

(3)滿足采購渠道要求，即添加物在采購過程中不需要增加額外成本，也不會耽誤生產(chǎn)進度的要求，最好是市場上批量供應(yīng)的，不需要專門訂做；

(4)滿足成本要求，即在胎體中添加脆性物質(zhì)后，其成本在可控范圍內(nèi)，產(chǎn)品的性價比在市場銷售中有一定的優(yōu)勢。

3.2.2.2 胎體添加脆性物質(zhì)的種類和比例選定

根據(jù)上面選取脆性物質(zhì)的要求，在市場上采購回3種脆性物質(zhì)A、B、C，在現(xiàn)有的胎體配方中選擇強度比原來的打滑層胎體略高的F15#胎體，在其中加入脆性物質(zhì)對比其基本性能的變化，主要測試抗彎強度、磨耗比等胎體性能，優(yōu)選合適的物質(zhì)和比例，然后制作樣品到現(xiàn)場做對比測試，最后確定工勘打滑鉆頭的胎體。我們選用單因素3水平的對比試驗，試驗方案如表4所示，做出9種胎塊進行測試，每種做空白塊和含5%的70/80金剛石的胎塊測試磨耗比。試驗塊規(guī)格:(30×12×6)mm，6塊/模，燒結(jié)工藝如表5所示，測試結(jié)果如表6所示。

表4 試驗方案

表5 燒結(jié)工藝表

表6 測試結(jié)果

磨耗比測試條件：設(shè)備型號DHM-3，線速度25m/s，時間200s，測試后砂輪加熱到120℃，一小時烘干后稱重量；磨耗比指在相同條件下砂輪與胎體樣塊對磨，砂輪的重量損失與胎體樣塊的重量損失的比值，該比值越小說明胎體樣塊越不耐磨且金剛石的出刃程度越快越鋒利，比值越大說明胎體樣塊越耐磨而金剛石的出刃程度越慢。

根據(jù)我們以往的打滑鉆頭胎體性能使用經(jīng)驗：強度低于800MPa易斷齒，磨耗比大于1.4時鉆進打滑層效率低。我們選擇A2、C2這兩種抗彎強度、磨耗比均合適的胎體作為室內(nèi)樣品試驗的胎體，A3、C3的胎體鋒利度雖然更好，但其抗彎強度太小，在使用中有掉齒的風(fēng)險，故而不用。

3.2.2.3 室內(nèi)樣品鉆進試驗

圖6 室內(nèi)測試鉆頭與巖心 Fig.6 Laboratory test drill bit and core

制作Φ75/Φ60.8-10水口的鉆頭樣品做室內(nèi)測試，測試其鉆進速度，金剛石與常規(guī)打滑鉆頭的參數(shù)相同，測試條件為：鉆機型號為液壓鉆床Z3040×16，轉(zhuǎn)速分別為160r/min、320r/min、630r/min(按接近現(xiàn)場XY-1鉆機的三檔142r/min、285r/min、570r/min用Φ91/71鉆頭相近的線速度原則選取)，壓力按鉆床的自動鉆進給定的壓力，巖石為中粒度淺紅色花崗巖，巖板厚度62mm。測試的平均結(jié)果如表7所示。

表7 兩種樣品鉆頭的測試平均結(jié)果表

由表7可見，A2的胎體鉆進速度與常規(guī)打滑鉆頭的速度接近。因此決定采用A2的胎體及上面分析的鋼體結(jié)構(gòu)2、鉆頭底面結(jié)構(gòu)如圖5，制作Φ91/Φ71、Φ111/Φ91、Φ131/Φ111的鉆頭到現(xiàn)場做對比試驗。

3.2.2.4 脆性物質(zhì)提高鉆進速度的機理探討

(1)脆性物質(zhì)本身存在微小裂紋，在沖擊、振動作用下會加速破碎，從而弱化了胎體，有利于金剛石的出刃與代謝，因此提高了鉆進速度。

(2)脆性物質(zhì)破碎脫落后，在胎體中形成洞穴，增加了容屑空間，利于提高金剛石連續(xù)破碎巖石時排除巖屑的能力并減少重復(fù)破碎的幾率，進而減少單位體積破碎功，因此提高了鉆進速度；此外，在胎體中形成的洞穴也利于賦存冷卻液，當(dāng)鉆頭在連續(xù)工作狀態(tài)時，冷卻液在洞穴中處于密閉-開放的循環(huán)狀態(tài)，冷卻液瞬間的壓力釋放能快速帶走金剛石與巖石摩擦產(chǎn)生的熱量，降低了金剛石的溫度，從而降低了金剛石刃角的磨損速度，保持了其長時間的工作能力，進而提高了鉆進速度。

4 現(xiàn)場使用的初步結(jié)果

4.1 在陽朔的地基勘探應(yīng)用

桂林核工310隊在陽朔某小區(qū)做地基勘探，遇到硅質(zhì)化嚴(yán)重的灰?guī)r，XY-1鉆機，鉆頭規(guī)格Φ91/Φ71， 用轉(zhuǎn)速285r/min，HRC7型測試數(shù)量3個。

表8 陽朔測試結(jié)果表

4.2 在大圩的水井鉆探應(yīng)用

桂林某客戶在大圩鎮(zhèn)打水井，遇到比較硬的卵石，有時還松動，用XY-2鉆機，鉆頭規(guī)格Φ131/Φ113，使用轉(zhuǎn)速248r/min，HRC7型測試數(shù)量3個。

4.3 在防城港碼頭勘探的應(yīng)用

XY-2鉆機，鉆頭規(guī)格Φ111/Φ91，轉(zhuǎn)速310r/min，鉆進硬巖， HRC7型測試數(shù)量8個。

表9 大圩測試結(jié)果表

表10 防城港測試結(jié)果表

4 結(jié) 論

(1)增加鋼體與胎體的連接面積及改善其結(jié)構(gòu)，可提高鋼體與胎體的連接力，室內(nèi)測試可提高效率51%，現(xiàn)場測試沒出現(xiàn)斷鉆頭齒的現(xiàn)象。

(2)在胎體中添加脆性物質(zhì)和改變鉆頭底面接觸面積可提高鉆進速度，測試樣品在工勘打滑巖層中的鉆進速度在每小時0.83～1.5米，最高壽命34米，滿足了客戶的施工要求。

[1] 廣西壯族自治區(qū)桂林圖書館文獻信息檢索查新中心2014年6月3日出具的報告(編號2014-125).

The Development of Sintered Diamond Drill Bit for Slip Layer in Engineering Survey

LUO Wen-lai, LIU Sheng-bin, LV Zhong-sheng, TANG Zhi-yong, QIN Huai-peng

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd,Guilin,Guangxi541004,China)

In engineering survey, the drilling efficiency of the drill bit is low when drilling into hard rock, and the geological prospecting drill bit is easy to be broken under strong vibration. The construction characteristics of equipment and technology of engineering survey and geological prospecting have been analyzed in this article. In order to solve the existing problems, the contact area of the steel structure and the matrix has been increased to promote its connection strength, and the technique of less downhole contact area and addition of brittle material has improved the drilling rate. The developed drill bit has met the construction requirements of the clients during the preliminary trial without tooth broken phenomenon.

sintered diamond drill bit; engineering survey; slip layer; steel structure; brittle material

2016-09-10

羅文來(1968-)男，長期從事金剛石制品的開發(fā)工作。E-mail:1435977253@qq.com。

羅文來，劉盛斌，呂中勝，等.工勘打滑金剛石燒結(jié)鉆頭的開發(fā)[J].超硬材料工程，2017，29(2)：7-11.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0007-05