摘 要：在分析打滑地層特點(diǎn)的基磕上，指出了鉆進(jìn)該地層所存在的問(wèn)題，提出了用于打滑地層鉆進(jìn)的新型孕鍍金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)思路，在鉆頭工作層中采用主、l輔兩種磨科，并對(duì)這兩種磨料的工作機(jī)理、處理工藝以及該新型鉆頭的制造進(jìn)行了闡述。鉆頭的室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果表明：在鉆進(jìn)極堅(jiān)硬致密的鋯剛玉時(shí)，相對(duì)于普通金剛石鉆頭，新型孕鍍金剛石鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效提高1．93倍，平均磨損量增加38％，具有高時(shí)效、相對(duì)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是打滑地層鉆進(jìn)的理想鉆頭。

       關(guān)鍵詞：打滑地層I新型孕鑲金喇石鉆頭；主磨料；輔磨料；鉆進(jìn)試驗(yàn)

       堅(jiān)硬致密弱研磨性的巖層(又稱打滑地層)在中國(guó)廣泛發(fā)育，具有以下3個(gè)特點(diǎn)：① 巖石硬度大，石英含量高。其巖石壓入硬度一般可達(dá)5 000 MPa，其中部分在5 500～6 500 MPa間，個(gè)別甚至高達(dá)7000 MPa。② 強(qiáng)度高。這類巖層的造巖礦物細(xì)，粒度多為0．01～0．20 mm，硅質(zhì)膠結(jié)，顆粒之間結(jié)合力大，結(jié)構(gòu)致密，整體強(qiáng)度高。其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)150 MPa或更高。③ 研磨性弱。由于鉆進(jìn)時(shí)效低，巖粉少且顆粒細(xì)，對(duì)鉆頭胎體磨損甚微，金剛石難以出刃。

       在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層時(shí)，普通金剛石鉆頭容易出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，即鉆進(jìn)時(shí)金剛石鉆頭在巖石上打滑而不進(jìn)尺，或進(jìn)尺極慢，時(shí)效常在0．1～0．2 m／h間；回次進(jìn)尺僅0．2～O．5 m，鉆頭使用壽命2～3 m。由于打滑現(xiàn)象的發(fā)生，即使這種巖層只有幾米或十幾米也要耗費(fèi)大量時(shí)間和鉆頭，導(dǎo)致整個(gè)鉆孔施工周期延長(zhǎng)，勘探成本增高，經(jīng)濟(jì)效益下降。因此，解決該類巖層鉆進(jìn)打滑問(wèn)題具有實(shí)際意義。

       1 打滑地層鉆進(jìn)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

       為解決鉆進(jìn)時(shí)鉆頭打滑問(wèn)題，前人已進(jìn)行了多方面的研究 ，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐，產(chǎn)生了很多克服鉆頭打滑的方法：① 金剛石鉆頭人工出刃法。主要有打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法等，該法所需輔助工作時(shí)間增加不多，但如果投砂量過(guò)多，或投砂研磨的時(shí)間掌握不好，會(huì)導(dǎo)致鉆頭的磨損加快，降低鉆頭壽命。② 軟胎體鉆頭法。但如果該法中胎體過(guò)軟，就會(huì)造成整個(gè)金剛石鉆頭的胎體強(qiáng)度不夠，甚至鉆頭變形而無(wú)法使用。③ 異形唇面鉆頭法。如高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭等。但該類鉆頭在鉆進(jìn)一段時(shí)間后，尖齒磨平，鉆速下降很快，尖齒磨平后其優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在，與普通鉆頭沒(méi)有兩樣。④ 弱包鑲金剛石鉆頭法。該法對(duì)金剛石采用弱包鑲工藝。該類鉆頭在鉆進(jìn)中金剛石從胎體中適時(shí)脫落，磨損胎體，有利于金剛石出刃，能提高鉆頭的時(shí)效，但鉆頭的壽命降低，因此也不是解決打滑地層鉆進(jìn)的根本方法。

       2 新型孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)

       為解決鉆進(jìn)時(shí)鉆頭打滑的問(wèn)題，結(jié)合前人的工作，打破從鉆頭的結(jié)構(gòu)形狀、胎體的軟硬性能、金剛石體積分?jǐn)?shù)等方面來(lái)改善鉆頭性能的常規(guī)思路，提出了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其運(yùn)用效果。

       該設(shè)計(jì)思路擬在鉆頭工作層中選用2種磨料分別作為主、輔磨料。主磨料為主要碎巖材料，用以切削巖層，輔磨料為次要碎巖材料，主要用以實(shí)現(xiàn)胎體自銳，主、輔磨料二者的有機(jī)結(jié)合使鉆頭性能得以改善，并提高鉆頭壽命和鉆進(jìn)時(shí)效，解決堅(jiān)硬致密弱研磨性巖層鉆進(jìn)時(shí)存在的“打滑”問(wèn)題。

       ?？箟簭?qiáng)度大．耐磨損．印削巖石能力強(qiáng)，并使用真空鍍工藝在金剛石表面沉積強(qiáng)碳化物臺(tái)成元索— —金屬w?？咏饘賥 鍍覆層有如下功效：① 隔膜作用。在高溫?zé)Y(jié)鉆頭時(shí)將金剛石與氧氣和胎體材料隔開(kāi)．使金剛石不受氧氣的氧化和胎體材料的侵蝕．降低壘剛石的損耗 ② 改善金剛石表面性能使金剛石與胎體材料的潤(rùn)濕性能大大提高，燒結(jié)時(shí)能提高金剛石與胎體材料的結(jié)臺(tái)力．使金剛石牢牢地包裹在胎體材料中，不容易脫落．作為鉆頭工作層的主切削材料，工作時(shí)間延長(zhǎng)．能大大提高鉆頭壽命。

       (2)輔磨料采用低品質(zhì)金剛石或其他磨料

       用滾動(dòng)式造粒工藝在輔磨料的表面包裹一層WC粉末．該層WC粉末與輔磨料的結(jié)合力差．可使輔磨料與胎體材料隔開(kāi)．從而使輔磨料并不是牢固地包裹在胎體材料中 鉆進(jìn)時(shí)．輔磨料易從胎體材料中脫落而進(jìn)入 L底．磨損胎體．使主磨料適時(shí)出露而切削巖石。

       3 鉆頭工作層中主、輔磨料的處理工藝

       3．1 主磨料表面真空鍍覆金屬W

       取適量的wo₃． 粉料．用HF丙酮溶液濕潤(rùn)，加入氫化鈦粉末及金剛石顆粒．混勻后放人真空蒸鍍?cè)O(shè)備中鍍覆。鍍覆溫度為820ºC．保溫時(shí)間為1h，真空鍍覆金屬w 的金剛石表面形貌如圖1所示。

       設(shè)計(jì)的滾動(dòng)式金剛石造球機(jī)的參數(shù)如下：最大裝料量為0.5kg；工作轉(zhuǎn)速為0～100r/min；容器傾斜角度為30～60度。滾動(dòng)式金剛石造球機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

       4 新型孕鑲金剛石鉆頭的制造

       為驗(yàn)證打滑地層新型孕鎪金剛石鉆頭的實(shí)際鉆進(jìn)效果，設(shè)計(jì)了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭，并采用熱壓法制造該新型鉆頭。

       4．1鉆頭結(jié)構(gòu)鉆頭結(jié)掏見(jiàn)圖4所示

       4．2鉆頭配方設(shè)計(jì)根據(jù)文獻(xiàn)．將鉆頭配方設(shè)計(jì)如下：骨架成分為WC．質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40 ；黏結(jié)成分為Ni、90Cu、Fe、Co、Mn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6O％ ；粉末粒徑為0．071mm(200目)；金剛石體積分?jǐn)?shù)為75％；其中主、輔磨料的比例可調(diào)。

       4．3 熱壓燒結(jié)設(shè)備

       實(shí)驗(yàn)中采用熱壓燒結(jié)法制造鉆頭，主要燒結(jié)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下。① 燒結(jié)爐：KGPS100—1型中頻感應(yīng)電源，加熱功率為100 kW ，中頻頻率為1 000Hz。② 壓力機(jī)：YH41-40C型單臂壓力機(jī)，噸位為4O T。③ 測(cè)溫儀：CIT型紅外測(cè)溫儀，測(cè)量范圍為700～ 1 300°C。

       4．4 混料

       混合粉料的制備方法采用機(jī)械球磨混料法，用感量為0．000 1 g的分析天平，按事先設(shè)計(jì)好的配方混料，裝入混料瓶中球磨，球磨時(shí)間大于24 h。將混合好的粉料置人稱量瓶中，并放人真空干燥器中保存、待用。

       4．5熱壓燒結(jié)工藝

       熱壓燒結(jié)的步驟為：將組裝好的模具放人中頻爐熱壓機(jī)的工作臺(tái)上，然后送電升溫，當(dāng)加熱功率為20~30 kW 時(shí)，燒結(jié)5～6 min后先施加一定的初壓(約20 MPa)，在燒結(jié)8～9 min后升到燒結(jié)溫度，此時(shí)應(yīng)立即施以全壓，并在該壓力下保溫3～5 min。保溫保壓結(jié)束后，即可停電降溫，但壓力不卸，當(dāng)溫度降到7oo~C時(shí)，卸除壓力，并將鉆頭的燒結(jié)模具移至保溫箱中或放在空氣中冷卻到室溫。

       5 新型孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)

       5．1鉆進(jìn)試驗(yàn)條件、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

       室內(nèi)微鉆試驗(yàn)平臺(tái)由Z32k鉆床改造而成，試驗(yàn)時(shí)，將需要鉆削的巖芯試樣安裝于巖芯座中。巖芯座由3個(gè)鉆壓傳感器支承，浮置于工作臺(tái)上；工作臺(tái)與給進(jìn)油缸的活塞端部聯(lián)接，由給進(jìn)油缸控制工作臺(tái)的升降，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)或提鉆動(dòng)作，同時(shí)用給進(jìn)油缸的工作壓力控制鉆壓的大小。鉆頭安裝于主軸端部，并由上部的可調(diào)速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)。鉆頭回轉(zhuǎn)切削巖樣時(shí)，由于切向力的作用使巖芯座上的壓板壓在扭矩傳感器的端部，通過(guò)測(cè)量該作用力的大小便可計(jì)算出切削扭矩的大小。在鉆削過(guò)程中，可采集以下5個(gè)參數(shù)：鉆壓、扭矩、位移、鉆頭轉(zhuǎn)速及流量，然后計(jì)算出瞬時(shí)鉆速，為研究巖石的可鉆性和鉆頭的特性提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)過(guò)程的控制均在計(jì)算機(jī)的操作界面上進(jìn)行。

       鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)如下：鉆頭規(guī)格為ФP36．5／21．5mm；冷卻液為清水；泵量為15 L／min；鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r／min；鉆壓為300 kg。

       5．2鉆進(jìn)巖石及其力學(xué)性能

       試驗(yàn)時(shí)選取了堅(jiān)硬致密弱研磨性的巖石：細(xì)粒鉀長(zhǎng)花崗巖、紅色花崗巖和白色花崗巖以及鋯剛玉4種巖樣，分別對(duì)這4種巖樣進(jìn)行了壓人硬度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并對(duì)每種巖石進(jìn)行可鉆性分級(jí)，結(jié)果如表1所示。

       5．3 鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果在鉆進(jìn)設(shè)備與鉆進(jìn)規(guī)程一定的條件下，分別用常規(guī)金剛石鉆頭，在微鉆試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。

 

       發(fā)現(xiàn)常規(guī)金剛石鉆頭進(jìn)尺較緩慢，并出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)尺較快，鉆頭壽命也較高，且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的打滑現(xiàn)象，該鉆頭的兩個(gè)性能參數(shù)比常規(guī)金剛石鉆頭要好許多。鉆進(jìn)所得數(shù)據(jù)如表2所示。

 

       6 結(jié)論與展望

 

       所研制的新型孕鑲金剛石鉆頭通過(guò)主、輔磨料的共同作用，提高了主磨料的利用率，具有平均時(shí)效較高、鉆頭的壽命也相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)。在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的細(xì)中粒鉀長(zhǎng)花崗巖時(shí)，平均時(shí)效是常規(guī)金剛石鉆頭的1．88倍，鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1．22倍。在極堅(jiān)硬致密的鋯剛玉中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的平均時(shí)效是常規(guī)金剛石鉆頭的1．93倍，鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1．38倍。同時(shí)，由于該新型孕鑲金剛石鉆頭采用主、輔磨料共同作用的設(shè)計(jì)思路，從而大大降低了鉆頭的生產(chǎn)成本，因此在打滑地層鉆進(jìn)中有著良好的應(yīng)用前景。另外，目前金剛石制品市場(chǎng)極其廣闊，若將這種新型鉆頭的設(shè)計(jì)原理及制造工藝推廣到其他加工硬、脆材料的金剛石制品行業(yè)中，其應(yīng)用前景也極為可觀。