孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在甘青隧道應(yīng)用

馬銀龍,張?jiān)姀?周福軍,孫志剛,任 杰

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026

2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043

0 引言

孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理與砂輪磨削的工作原理相似,利用胎體表面出露的金剛石對巖石進(jìn)行磨削,且隨著金剛石與胎體的逐步磨耗,促使新的金剛石又裸露出來工作[1]。然而在堅(jiān)硬地層中鉆進(jìn)時(shí),常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭經(jīng)常會出現(xiàn)進(jìn)尺慢、壽命短等問題[2-5]。對此,相關(guān)學(xué)者通常在分析和測試鉆遇地層巖性的條件下,通過對孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、胎體性能調(diào)整等方式優(yōu)化鉆頭鉆進(jìn)硬巖的性能[6-11]。

甘青隧道地層巖性大多為閃長巖[12],其主要礦物成分有石英、黑云母、角閃石及長石等。常規(guī)鉆頭在此地層鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)了如下問題:鉆頭無法實(shí)現(xiàn)有效進(jìn)尺,機(jī)械鉆速低;鉆頭磨損嚴(yán)重,使用壽命短。以上兩個(gè)問題導(dǎo)致鉆井作業(yè)效率低、成本高[13]。因此,針對甘青隧道的地質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合巖層的強(qiáng)度、硬度和磨損性等方面的綜合特點(diǎn)[14],對孕鑲金剛石鉆頭的底唇面形狀和胎體硬度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文制備了不同硬度和不同底唇面形狀直徑為Φ95.5 mm的孕鑲金剛石鉆頭,其中包括:胎體硬度為HRC 15～20,底唇面為環(huán)槽尖齒型的孕鑲金剛石鉆頭;胎體硬度分別為HRC 8～10和HRC 10～15的滾齒型孕鑲金剛石鉆頭。通過在甘青隧道S2Z-45號勘查施工孔進(jìn)行現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn),以對比分析鉆頭的胎體硬度和唇面型狀對孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)速度和壽命的影響規(guī)律。

1 鉆孔概況

1.1 鉆孔地理位置及地層性質(zhì)

現(xiàn)場試驗(yàn)選擇在甘青隧道S2Z-45號鉆孔進(jìn)行,具體鉆孔位置為里程DK394+712右25 m,坐標(biāo)X=526677.2,Y=3932902.4,標(biāo)高3 599.8 m。鉆孔位于瓜什則鄉(xiāng)北側(cè)一山頂上,距瓜什則鄉(xiāng)約2.5 km,有土路可以通行至該孔。地表覆蓋第四系薄層種植土,下伏主要為燕山期花崗閃長巖。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

S2Z-45號鉆孔(圖1)為兩開結(jié)構(gòu)的垂直孔:一開外徑為Φ150.00 mm,一開深度為26.00 m;二開外徑為Φ95.00 mm,鉆至設(shè)計(jì)孔深670.00 m終孔。其中:一開孔段0～21.50 m為青灰色和黃褐色的粗礫土,21.50～23.00 m為青灰色板巖,23.00～26.00 m為灰黑色閃長巖;二開孔段26.00～670.00 m為閃長巖。使用繩索取心鉆具提取巖心。

圖1 S2Z-45 的孔身結(jié)構(gòu)圖

2 巖石的可鉆性

鉆遇地層的巖石可鉆性等級是選擇鉆進(jìn)工藝和鉆頭參數(shù)的主要參考因素。鉆頭性能和鉆進(jìn)工藝與鉆遇地層不匹配時(shí),會導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低和鉆頭使用壽命低等[15]不良后果。

本文采用動載硬度試驗(yàn)法和靜載硬度試驗(yàn)法來確定甘青隧道巖石的可鉆性。測試巖樣分別取自甘青隧道S2Z-45鉆孔相鄰孔深度為125.00、221.00、488.00和520.00 m巖層。此外,還對取得的巖樣進(jìn)行切割加工,制成薄片后使用顯微鏡觀察并進(jìn)行巖礦鑒定、巖相學(xué)分析,同時(shí)分析了巖石的組成成分,判斷巖石的類別及巖石的性能。

動載硬度試驗(yàn)法使用WYQ-1巖石擺球硬度測試儀來進(jìn)行測量,以標(biāo)準(zhǔn)鋼球(質(zhì)量5.7 g)自水平位置做定長圓弧擺動,沖擊垂直的巖面,記錄擺球回彈的角度和回彈的次數(shù)作為巖石的硬度指標(biāo)。靜載硬度試驗(yàn)法是使用WYY-1巖石壓入硬度測試儀以壓頭侵入巖石發(fā)生第一次躍進(jìn)式破碎的壓強(qiáng)作為巖石的硬度指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 動載硬度試驗(yàn)結(jié)果

表2 靜載硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表1和表2可知,巖石的壓入硬度與擺球硬度測得的可鉆性定級結(jié)果相差較多。因此,采用兩者的回歸方程式(1)來確定巖石可鉆性K值,可為確定生產(chǎn)定額和選擇鉆進(jìn)方法提供依據(jù)。

K=3.198+8.854×10-4Hy+2.578×10-4Hn。

(1)

式中;Hy為巖石的壓入硬度;Hn為巖石的擺球回彈次數(shù)。將表1和表2的結(jié)果代入并計(jì)算確定了巖石的平均可鉆性,結(jié)果如表3所示。

表3 巖石可鉆性等級

通過測試甘青隧道地層巖石樣品的硬度、礦物組成與粒度,分析其研磨性,根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)孕鑲金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇。圖2為巖樣薄片的顯微鏡下照片。

a. 125.00～128.00 m處巖樣1; b. 221.00～224.00 m處巖樣2; c. 488.00～491.00 m處巖樣3; d. 520.00～523.00 m處巖樣4。

孔深125.00～128.00 m處巖樣1(圖2a)為似斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為斜長石、普通角閃石和黑云母,基質(zhì)為細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石主要礦物組成為斜長石(體積分?jǐn)?shù)65%～70%)、石英(5%～10%)、角閃石(20%)和黑云母(5%),副礦物有磷灰石、榍石等,定名為蝕變斑狀角閃石英閃長巖。斑晶中存在局部綠泥石化蝕變,蝕變的普通角閃石粒徑為0.50～1.80 mm,斜長石斑晶的粒徑為0.50～0.80 mm,巖石基質(zhì)的粒徑為0.10～0.30 mm。

孔深221.00～224.00 m處巖樣2(圖2b)為泥狀結(jié)構(gòu),水平層理構(gòu)造。巖石整體以黏土礦物、隱晶質(zhì)礦物集合體和極少量長英質(zhì)碎屑顆粒組成,分選較好,整體顆粒粒徑小于0.003 mm,長英質(zhì)碎屑粒徑為0.003～0.010 mm,定名為鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖。

孔深488.00～491.00 m處巖樣3(圖2c)為似斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為斜長石、普通角閃石及少量黑云母,基質(zhì)為細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石主要礦物組成為斜長石(65%～70%)、石英(5%)、角閃石(20%)和黑云母(不足5%),副礦物有磷灰石、榍石等,定名為斑狀角閃石英閃長巖。斑晶中存在部分綠簾石化和綠泥石化蝕變,蝕變的普通角閃石粒徑為0.50～1.50 mm,自行板柱狀斜長石斑晶的粒徑為0.50～1.00 mm,基質(zhì)礦物粒徑為0.10～0.30 mm。

孔深520.00～523.00 m處巖樣4(圖2d)為似斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為斜長石和普通角閃石,基質(zhì)為細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石主要礦物組成為斜長石(70%)、石英(5%)、角閃石(20%)和黑云母(5%),副礦物有磷灰石、榍石等,定名為蝕變斑狀角閃石英閃長巖。完全被褐簾石化褐碳酸鹽化蝕變后的斑晶粒徑為0.50～2.00 mm,被高嶺土化的斜長石斑晶粒徑為0.50～1.50 mm,基質(zhì)礦物蝕變程度與斑晶相當(dāng),其粒徑為0.10～0.30 mm。

如圖2所示,通過對4組巖樣進(jìn)行薄片分析可以得出,甘青隧道中的地層巖石粒徑較小,膠結(jié)強(qiáng)度高,研磨性較弱。根據(jù)巖樣測得的硬度、礦物組成、粒徑及研磨性設(shè)計(jì)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)的選擇。

3 孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

鉆頭設(shè)計(jì)在很大程度上會影響鉆進(jìn)作業(yè)的工作效率、鉆探質(zhì)量和鉆探成本。通常情況下,孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括鉆頭的底唇面形狀、胎體硬度和壁厚、工作層高度、金剛石的粒度和體積分?jǐn)?shù)等[17-18]。本文優(yōu)選了金剛石品級、粒度和體積分?jǐn)?shù),設(shè)計(jì)了不同胎體硬度和底唇面形狀的孕鑲金剛石鉆頭。通過比較鉆頭的實(shí)際使用情況來研究影響孕鑲金剛石鉆頭性能的因素。

3.1 孕鑲金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對甘青隧道的巖層特點(diǎn),在鉆頭的底唇面設(shè)計(jì)上采用了兩種結(jié)構(gòu),分別是環(huán)槽尖齒結(jié)構(gòu)和滾齒結(jié)構(gòu)。

圖3所示為環(huán)槽尖齒唇面孕鑲金剛石鉆頭的三維設(shè)計(jì)簡圖,水口數(shù)為10。鉆頭設(shè)計(jì)內(nèi)徑為64.00 mm,外徑為96.00 mm,設(shè)計(jì)胎體高度為15.00 mm。此結(jié)構(gòu)能使井底形成易于脆性破壞的環(huán)形巖脊,從而使比壓集中,并在孔底形成破巖自由面,提高造屑粒度,有利于金剛石出刃,從而提高破巖效率[19]。

a. 立體圖的正視圖;b. 立體圖的內(nèi)視圖;c. 鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸圖;d. 鉆頭唇面結(jié)構(gòu)圖。Φ.直徑。長度單位:mm。

圖4所示為滾齒唇面孕鑲金剛石鉆頭的三維設(shè)計(jì)簡圖,主水口數(shù)為8。設(shè)計(jì)內(nèi)徑為64.00 mm,外徑為96.00 mm,設(shè)計(jì)胎體高度為12.00 mm。此結(jié)構(gòu)在鉆進(jìn)過程中有利于排除巖屑,避免巖石重復(fù)破碎,提高鉆頭唇面的冷卻效果,防止燒鉆。同時(shí),能增加鉆頭鉆取孔底巖石的自由面,形成剪切破碎,提高碎巖效率。

a. 立體圖的正視圖;b. 立體圖的內(nèi)視圖;c. 鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸圖;d. 鉆頭唇面結(jié)構(gòu)圖。Φ.直徑;R.半徑。長度單位:mm。

3.2 金剛石參數(shù)優(yōu)選

孕鑲金剛石鉆頭的工作層是由鉆頭胎體和孕鑲在其中的金剛石組成的,鉆頭胎體是包鑲金剛石并固定于鋼體的重要連接部分[20],鉆頭碎巖依靠的是金剛石出露形成切削刃,因此,孕鑲鉆頭的金剛石體積分?jǐn)?shù)、品級和粒度優(yōu)選是鉆頭設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

本文針對甘青隧道的巖石性質(zhì),選取金剛石粒度為40～50目,金剛石品級為MBD8(JR5),金剛石體積分?jǐn)?shù)為20%。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

在甘青隧道S2Z-45孔進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),試驗(yàn)孔段為26.00～521.00 m,共使用了4只鉆頭,鉆頭的使用情況如表4所示。

表4 甘青隧道孕鑲金剛石鉆頭使用記錄

在現(xiàn)場鉆進(jìn)時(shí),對每種鉆頭的使用情況分別進(jìn)行了記錄,選取了若干個(gè)鉆進(jìn)回次,記錄相應(yīng)鉆頭的回次進(jìn)尺長度和純鉆時(shí)間,從而計(jì)算鉆頭的鉆進(jìn)效率。

表5所示為硬度為HRC 15～20的環(huán)槽尖齒型孕鑲金剛石鉆頭使用記錄。圖5所示為使用后的鉆頭唇面磨損情況。通過測量,磨損后的鉆頭內(nèi)徑為63.50 mm,外徑為95.14 mm,胎體高度由15.00 mm磨損到10.52 mm;水口出現(xiàn)輕微磨損,環(huán)槽尖齒型鉆頭的磨損高度為4.48 mm,說明每磨損1.00 mm鉆頭前進(jìn)71.65 m;唇面尖齒部分完全磨損、金剛石出露良好。

表5 甘青隧道HRC 15～20環(huán)槽尖齒型鉆頭使用記錄

圖5 甘青隧道HRC 15～20環(huán)槽尖齒型鉆頭磨損情況

從圖5可以看出,鉆頭底唇面被磨平,盡管仍能使用,但鉆頭的鉆進(jìn)效率已經(jīng)出現(xiàn)下降。根據(jù)表5計(jì)算可得,硬度為HRC 15～20的環(huán)槽尖齒型孕鑲金剛石鉆頭的平均鉆速為1.17 m/h。

表6所示為硬度為HRC 10～15的滾齒型孕鑲金剛石鉆頭使用記錄。經(jīng)過計(jì)算可得,鉆頭在21個(gè)回次中的平均鉆速為1.18 m/h。值得注意的是,鉆頭在前半段(孔深392.00～419.00 m)10個(gè)回次的純鉆時(shí)間明顯更短,因此對前10個(gè)回次的鉆進(jìn)速度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示,滾齒型孕鑲金剛石鉆頭在前半段的鉆進(jìn)速度能夠達(dá)到1.44 m/h,明顯高于整個(gè)鉆頭的平均鉆速以及環(huán)槽尖齒型孕鑲金剛石鉆頭的平均鉆速。圖6所示為在前半段使用后的鉆頭唇面磨損情況。通過測量,磨損后的鉆頭內(nèi)徑為63.26 mm,外徑為95.06 mm,水口出現(xiàn)輕微磨損;胎體高度由12.00 mm磨損至5.43 mm,磨損高度為6.57 mm,說明每磨損1.00 mm鉆頭前進(jìn)9.59 m。金剛石出露良好。

表6 甘青隧道HRC 10～15滾齒型鉆頭使用記錄

圖6 甘青隧道HRC 10～15滾齒型鉆頭在孔深392.00～419.00 m磨損情況

表7所示為硬度為HRC 8～10的滾齒型孕鑲金剛石鉆頭使用記錄。經(jīng)過計(jì)算可得鉆頭的平均鉆速為1.04 m/h。圖7所示為使用后的鉆頭唇面磨損情況。通過測量,磨損后的鉆頭內(nèi)徑為63.00 mm,外徑為95.12 mm,胎體高度為2.02 mm。胎體磨損達(dá)到9.98 mm,水口出現(xiàn)輕微磨損,金剛石出露良好,每磨損1.00 mm鉆頭前進(jìn)6.60 m。由于鉆頭胎體硬度相對較低,鉆頭磨損嚴(yán)重,胎體的嚴(yán)重磨損導(dǎo)致鉆頭在工作時(shí)與地層的接觸面積增大,鉆壓恒定的情況下,比壓減小,導(dǎo)致鉆速明顯降低。由于胎體硬度低,鉆頭的鉆進(jìn)速度降低。與環(huán)槽尖齒型鉆頭相比,滾齒型鉆頭的磨損情況更為嚴(yán)重。

表7 甘青隧道HRC 8～10滾齒型鉆頭使用記錄

圖7 甘青隧道HRC 8～10滾齒型鉆頭磨損情況

對現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算不同底唇面形狀和胎體硬度孕鑲金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)速度。結(jié)果表明,滾齒型鉆頭的使用壽命遠(yuǎn)低于環(huán)槽尖齒型鉆頭。但HRC 10～15滾齒型鉆頭的鉆進(jìn)速度較高,尤其是在使用初期,其鉆頭的鉆速達(dá)到1.44 m/h。 現(xiàn)場試驗(yàn)后的鉆頭實(shí)物見圖8。

圖8 現(xiàn)場試驗(yàn)使用后的鉆頭實(shí)物圖

5 結(jié)論

1)本文采用動載硬度試驗(yàn)法和靜載硬度試驗(yàn)法來確定甘青隧道巖石的可鉆性,對地層巖樣制作薄片并進(jìn)行顯微鏡觀察,分析判斷了巖石的類別和性能,確定巖層大部分由閃長巖組成,為弱研磨性,可鉆性等級為8級,為孕鑲鉆頭的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)針對甘青隧道的巖石性質(zhì)對金剛石參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,選取金剛石粒度為40～50目,金剛石品級為MBD8(JR5),金剛石體積分?jǐn)?shù)為20%,并分別制備了胎體硬度為HRC 15～20、底唇面為環(huán)槽尖齒型的孕鑲金剛石,以及胎體硬度為HRC 8～10和HRC 10～15的滾齒型孕鑲金剛石。

3)通過現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析,表明滾齒型鉆頭的使用壽命遠(yuǎn)低于環(huán)槽尖齒型鉆頭。HRC 10～15滾齒金剛石鉆頭的鉆進(jìn)速度比HRC 15～20環(huán)槽尖齒型鉆頭的鉆進(jìn)速度更高,尤其是在使用初期,胎體硬度為HRC 10～15的滾齒型孕鑲金剛石鉆頭使用初期最高鉆速能夠達(dá)到1.44 m/h。試驗(yàn)結(jié)果表明,HRC 15～20的環(huán)槽尖齒型鉆頭在弱研磨性的閃長巖中使用性能最佳。