鄒 鋒, 蔣文峰, 鎖銀飛
(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410007)
與硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)相比,金剛石鉆頭鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、成孔質(zhì)量好、鉆探成本低、易操作、事故少等優(yōu)點(diǎn)。因此金剛石鉆頭得到迅速發(fā)展,特別是近幾年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,金剛石鉆頭被廣泛用于地質(zhì)礦藏勘探、水電工程、抽芯驗(yàn)樁等領(lǐng)域中。同時(shí)對它的性能,特別是鉆進(jìn)速度提出了更高的要求。
常規(guī)平底孕鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)中,隨著工作層的磨損,唇面會(huì)形成圓弧形狀,增大了徑向擠壓力,引起鉆進(jìn)功率增加,因而鉆進(jìn)速度大大降低,使用壽命也降低。特別是在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的巖層時(shí),由于巖石中石英含量高,巖礦物中石英顆粒細(xì)而致密,或者硅化程度高,鉆頭切入阻力大,每顆金剛石很難實(shí)現(xiàn)有效切入,不能對巖石產(chǎn)生微體積方式破碎,一般都以磨削的方式或疲勞方式破碎巖石,因此,產(chǎn)生的巖粉量很少,巖粉粒度極細(xì),不能對鉆頭胎體產(chǎn)生有效的磨損,金剛石必然難以出刃,造成鉆進(jìn)效率低。
解決這類金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度低的一般方法有以下幾種。
(1)鉆頭胎體的性能上,可以采用低硬度、低耐磨性胎體材料,如孫毓超、宋月清等提出在銅基胎體材料中添加非金屬添加劑(如石墨和玻璃粉等),可以有效降低胎體材料的耐磨性能,提高金剛石的出刃高度,增加工具的自銳能力,提高時(shí)效,但這種方法追求的是鉆進(jìn)速度,而降低了鉆頭的使用壽命。
采用較好品級(jí)的金剛石,讓它能足夠承受鉆進(jìn)中的復(fù)雜載荷,同時(shí)調(diào)整金剛石濃度和粒度,能夠在鉆壓有限的條件下,保證每顆金剛石能夠傳遞足夠的壓力有效切入巖層,產(chǎn)生微體積方式破碎巖石,提高破碎效率,但此方法不僅會(huì)增大成本,而且對鉆進(jìn)速度的提高有限。
(2)鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,改變鉆頭唇面形狀,產(chǎn)生較大的鉆進(jìn)比壓,產(chǎn)生較多的自由面,有效提高鉆進(jìn)效率,具有代表性的底唇采用“同心圓齒”結(jié)構(gòu),但該鉆頭的特殊設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)初期確實(shí)能較好地提高鉆進(jìn)速度,但當(dāng)“同心圓齒”底唇消耗完后,速度即等同于普通鉆頭。
很多科技人員在調(diào)整鉆頭胎體參數(shù)的同時(shí),也在鉆頭唇面的幾何形狀上想了很多方法,如圓弧形、階梯形、錐形、交錯(cuò)型、同心圓齒型等,中國地質(zhì)大學(xué)楊凱華等也提出將金剛石鋸片上的“三明治”型結(jié)構(gòu)用于鉆頭上的想法(參見圖1),并為此做了很多試驗(yàn)。但由于鉆頭結(jié)構(gòu)的特殊性,目前這種結(jié)構(gòu)的鉆頭在生產(chǎn)設(shè)計(jì)上還存在很多不足:先冷壓后熱壓,工藝復(fù)雜,設(shè)計(jì)要求高;冷壓是徑向壓制,再熱壓是軸向壓制,易造成復(fù)合層變形;由于鉆頭結(jié)構(gòu)(弧形、扇形等)的特殊性,很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求;只能平行分層,不能形成V字形結(jié)構(gòu)。
圖1 傳統(tǒng)“三明治”型結(jié)構(gòu)壓制示意圖
本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)“三明治”型結(jié)構(gòu)鉆頭的基礎(chǔ)上,基于“同心圓齒”鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)的顯著時(shí)效,將鉆頭設(shè)計(jì)成分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)的鉆齒,沿鉆頭徑向設(shè)計(jì)成耐磨性強(qiáng)弱相間的鉆齒,使鉆頭鉆進(jìn)唇面與巖石磨削時(shí),形成“凹凸”狀的同心圓齒結(jié)構(gòu),并且由于鉆齒耐磨性相間結(jié)構(gòu)貫穿于整個(gè)工作層,因而在鉆進(jìn)過程中唇面將始終保持“凹凸”狀的同心圓齒結(jié)構(gòu),直到鉆頭消耗完為止。同時(shí)采用特殊的底摸設(shè)計(jì),采用現(xiàn)有的熱壓燒結(jié)工藝,就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
(1)根據(jù)使用要求,調(diào)配出弱耐磨層的金剛石品級(jí)、粒度、濃度和金屬粉料的組成,弱耐磨性根據(jù)鉆進(jìn)巖層的需要,有時(shí)甚至不添加金剛石,采用熱壓方法燒出成品,可以燒結(jié)出不同形狀,一般是V形,對于堅(jiān)硬致密巖層,還可使用通過機(jī)工加工出的鋼環(huán)、銅環(huán)、石墨環(huán)等(參見圖2)。
(2)將弱耐磨層條裝入特殊石墨底模中,再整體裝入石墨模具中(參見圖3)。
(3)按使用要求,調(diào)配出強(qiáng)耐磨層的金剛石品級(jí)、粒度、濃度及金屬粉料的組成,裝入帶有特殊底模的石墨模具中,再組裝非工作層,之后裝入鋼體(參見圖4),在常規(guī)的中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。
圖2 環(huán)形結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 石墨底模組裝圖
圖4 燒結(jié)體組裝圖
在湖南平江仁里鈮鉭礦工地和湖北宜昌三岔溪工地對分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭(圖5)和普通平底型結(jié)構(gòu)金剛石鉆頭(圖6)進(jìn)行了對比試驗(yàn)。
(1)湖南平江仁里鈮鉭礦工地使用HGY-300型鉆機(jī),鉆進(jìn)巖層為9~10級(jí)細(xì)顆?;◢弾r,鉆頭規(guī)格為?75mm/49mm繩索取心鉆頭,胎體硬度為HRC25,金剛石濃度90%,金剛石粒度40/50。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
(2)在湖北宜昌三岔溪工地,采用XY-4型鉆機(jī),鉆進(jìn)巖層為7~8級(jí)的花崗閃長巖,鉆頭規(guī)格為?75/49mm繩索取心鉆頭,胎體硬度為HRC30,金剛石濃度90%,金剛石粒度40/50。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
圖5 分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭
圖6 普通平底型結(jié)構(gòu)鉆頭
鉆頭類型鉆進(jìn)速度/(m·h-1)鉆頭壽命/m鉆進(jìn)位置/m試用數(shù)量/只分層復(fù)合型1.5~1.840~50110~3405普通平底型0.5~0.820~3080~2306
表2 湖北宜昌工地分層復(fù)合型鉆頭與普通鉆頭使用情況
(1)鉆進(jìn)速度明顯提高,并且這種速度能一直保持到鉆頭消耗完。
(2)從返水情況可以看出,分層復(fù)合型鉆頭排出巖屑的顆粒比普通型鉆頭排出巖屑要粗得多。
(3)提鉆后,取出鉆頭可以看到鉆頭唇面有很明顯的帶V形的間槽(見圖7)。
圖7 鉆頭鉆進(jìn)前后唇面的對比
(4)分層復(fù)合型鉆頭的胎體中復(fù)合了弱耐磨性的金剛石層或不含金剛石的純胎體層(也可用純鐵,純銅等),有規(guī)律地分布在工作層中,鉆頭性能有了明顯的改變,對巖石的適應(yīng)性大大提高了,具有一定的廣譜性能。
(5)鉆頭在工作時(shí),由于各部分耐磨性不一致而導(dǎo)致磨損不一致,易磨層超前磨損產(chǎn)生V形槽,因此鉆進(jìn)唇面形成“同心圓”齒形,相應(yīng)地在被鉆進(jìn)的巖層表面形成溝槽,在孔底出現(xiàn)環(huán)形巖脊,在巖脊內(nèi)形成在大量的微裂紋,巖脊部分即形成“體積破碎”,并且這種復(fù)合層結(jié)構(gòu)始終貫穿于整個(gè)鉆頭的工作層,因此這種破碎方式產(chǎn)生在整個(gè)鉆進(jìn)過程中。由于巖脊部分是“體積破碎”的方式,破碎的巖粉顆粒較粗,對鉆頭胎體有較強(qiáng)的磨損作用,有利于金剛石出刃,從而大大提高了鉆進(jìn)速度,一定程度上延長了鉆頭的使用壽命。
(6)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)時(shí),在唇面形成多條溝槽,能更好地冷卻鉆頭和排屑。使金剛石鉆頭不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^高而導(dǎo)致金剛石石墨化,也不會(huì)造成金剛石與胎體因熱應(yīng)力而導(dǎo)致金剛石過多脫落,從而提高了鉆頭的速度與壽命。
(7)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)時(shí),在巖體上留下一條條巖脊,與鉆頭唇面上的鋸齒形成“吻合”,鉆頭與孔底的嚙合力有較大提高,具有預(yù)防孔斜的作用。
(1)用常規(guī)中頻感應(yīng)爐熱壓燒結(jié)的方式制作分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭,工藝簡單,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,適合大批量生產(chǎn)。
(2)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭對巖層適應(yīng)性大大提高,具有一定的廣譜性。
(3)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭鉆進(jìn)速度大大高于普通型鉆頭,壽命也有了一定的提高。
(4)分層復(fù)合型結(jié)構(gòu)鉆頭具有很好的防斜效果,大大提高了成孔質(zhì)量。