金剛石鉆頭的壽命一般是指鉆頭從開始工作到不能鉆進為止的總進尺量。在鉆進過程中,鉆頭可能會遇到正常工作磨損和非正常磨損兩種情況,非正常磨損影響鉆頭的壽命。由于孕鑲金剛石鉆頭的設(shè)計制造和使用是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程,鉆頭的壽命與金剛石參數(shù)、胎體成分性能,鉆進工藝和所鉆巖石的性質(zhì)等因素之間存在復(fù)雜的關(guān)系,只有各個環(huán)節(jié)相互配合,才能充分挖掘出鉆頭的潛力,提高鉆頭壽命和效率。因此,金剛石鉆頭從設(shè)計、制模、選料、燒制一直到最后的使用過程,各個環(huán)節(jié)對它的壽命都有很大的影響,這些環(huán)節(jié)都影響著鉆頭的使用壽命,影響著鉆探施工的效率。
按照孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計、制造和使用這一流程,影響金剛石鉆頭壽命的因素有:所鉆巖石的性質(zhì)、鉆頭本身的質(zhì)量、鉆進工藝參數(shù)及施工過程管理等四方面。
1、所鉆巖石的性質(zhì)
在鉆進破碎巖石的過程中,金剛石鉆頭本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍,直到損壞。但是鉆進中的磨損并不一定都是壞事,在孕鑲金剛石鉆進中,必要的磨粒磨損是非常重要的,可以及時的幫助金剛石鉆頭自銳出刃,使得鉆頭能夠正常工作,提高碎巖效率,增加鉆頭壽命。
所鉆巖石磨損金剛石鉆頭的能力稱為研磨性。影響巖石研磨性的的因素主要有巖石顆粒的硬度及研磨性、顆粒的形狀、尺寸、孔隙度、巖石的礦物類型和種類、巖石的粘結(jié)強度、巖石介質(zhì)等。巖石的研磨性決定了碎巖工具的效率及壽命,并且對于鉆掘工藝的參數(shù)選擇、鉆頭設(shè)計使用等都具有重大的影響。
2、金剛石鉆頭的性能
鉆頭的壽命不僅僅是受到所作用的巖石的影響,更重要的是在于鉆頭自身性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等性能參數(shù),因為巖石的性質(zhì)和成分是不可控制的因素,而鉆頭本身的質(zhì)量可以經(jīng)過合理的設(shè)計、先進的制造工藝而得到提高。對于金剛石鉆頭本身來說,其壽命影響因素中,鉆頭的耐磨性起著決定性作用(在某些條件下,胎體的耐磨性與胎體的硬度及抗沖蝕性是一致的,例如在胎體配方相同的情況下,硬度越高的胎體的耐磨性與抗沖蝕性也就越高),鉆頭的耐磨性包括唇面金剛石的耐磨性和胎體材料磨損兩個方面。在孕鑲金剛石鉆頭中,這兩個方面要相互配合才可以取得良好的效果,也就是金剛石的磨損要比胎體的磨損稍慢,這樣可以保證在鉆進過程中金剛石的不斷出刃,保持鉆頭的高效率,提高鉆進施工的效率。反之,會造成鉆頭不出刃而失效。
金剛石是鉆頭破碎巖石的關(guān)鍵部位,金剛石自身的品級、粒度大小及它的濃度都會影響著鉆頭的壽命。如果金剛石的質(zhì)量好,金剛石在鉆進中磨損的速度慢,鉆頭壽命會相應(yīng)增加。在鉆進過程中,金剛石顆粒承受主要的荷載,同時保護著胎體材料,使得它不被快速磨損掉,從某種角度上,金剛石耐磨的程度也決定了胎體的耐磨程度,因此,在能夠保持正常包鑲能力的前提下,胎體唇面上金剛石的濃度大,鉆頭胎體的耐磨性就強,鉆頭的壽命也就會耐久,但是并不是濃度越大越好,當(dāng)濃度太大的時候,會影響鉆速,進而影響到碎巖速度。在鉆探施工中并不是金剛石的粒度越大越好,在強研磨性地層中,細(xì)粒的金剛石相比粗粒來說,不容易脫落,能起到良好的碎巖作用。
另一影響壽命的因素是胎體本身,在鉆進中胎體起著包鑲金剛石、連接鋼體的作用。在鉆進過程中,胎體應(yīng)該有足夠的強度、一定的抗沖擊韌性和耐磨性。在孕鑲金剛石鉆頭中,胎體對于鉆頭的壽命影響更大,如果胎體能夠適時的超前磨損可以使得金剛石不斷出刃,這樣金剛石鉆頭兼具有高效率和長壽命的優(yōu)點,如果磨損過快或者過慢都會影響到鉆頭的使用壽命。胎體的硬度、強度、抗沖擊韌性以及包鑲能力等參數(shù)與胎體成分、以及各個組分所占比例的大小有關(guān)。
此外,對于孕鑲金剛石鉆頭來說胎體的高度、水口的尺寸及唇面形狀等都影響著鉆頭的壽命以及效率。對于某一個鉆頭來說,胎體的高度越高,鉆頭的壽命就會越長,但是胎體高度受到胎體強度,水口尺寸以及上返流速等因素的制約。對于唇面形狀來說,不同的唇面形狀,對于鉆頭壽命的影響不同。一般鉆頭的唇面形狀為半圓型,為了提高鉆頭的效率,我們會采取自同心圓設(shè)計、錐形設(shè)計、高低齒等等異形設(shè)計,這些設(shè)計有的可以增加鉆頭在鉆探過程中的鉆進效率,利于巖屑的沖洗,有的可以提高鉆頭的穩(wěn)定性,這些都可以一定程度的提高鉆頭的效率和壽命。
金剛石鉆頭在經(jīng)歷過尺寸參數(shù)設(shè)計、胎體配方的選擇之后就要進行制造,現(xiàn)在比較流行的燒制金剛石鉆頭的方法大體分成三種:粉末冶金法、電化學(xué)法和二次鑲焊法等。在制造金剛石鉆頭的過程中,不同制造技術(shù)之間存在著差異,這些差異也會影響到鉆頭壽命,例如熱壓燒結(jié)法很容易因為高溫造成金剛石損失,此外在胎體能否均一、胎體材料自身限制、保徑材料選擇設(shè)置和燒制鉆頭的石墨模具等等方面都會影響到鉆頭壽命。
電鍍金剛石鉆頭的原理是在電鍍槽內(nèi)將鎳、鈷等金屬沉積到鉆頭體上,同時分層、分次把金剛石微粒撒到電鍍面上,利用沉積的金屬把金剛石鑲嵌在胎體之中。電化學(xué)法缺點是在鉆頭尺寸上不容易控制,造成鉆頭過早損壞,此外電鍍液的性質(zhì)和電鍍方法都會影響鉆頭壽命。
二次鑲焊法是先預(yù)制好胎體塊,然后將胎體塊與鋼體焊接在一起,這種方法的最大優(yōu)勢就是可以制造唇面形狀復(fù)雜的鉆頭。其中釬焊金剛石鉆頭是比較先進的一種方法,釬料的粘接能力和預(yù)制胎體塊的質(zhì)量影響著鉆頭的壽命。
3、鉆進工藝參數(shù)
鉆頭最終是要應(yīng)用到鉆進施工過程中,鉆進的工藝參數(shù)例如鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等對鉆頭的壽命也有很大的影響,三者并不是獨立作用的,而是要相互配合才可以取得良好的鉆進效果,例如如果鉆壓過高,巖屑量增加,而金剛石完全吃入巖層,孔底冷卻和排粉條件惡化,鉆頭磨損就會加劇,導(dǎo)致鉆頭壽命下降,此時可以提高泵量,來加快排粉和孔底冷卻來保護鉆頭。在生產(chǎn)過程中,我們需要選用合理的參數(shù)來提高效率。在鉆進過程中,鉆頭在孔中一直做著無規(guī)則的運動,比如上下跳動,左右擺動,還有在孔底的渦動等復(fù)雜運動,由于金剛石屬于脆性材料,抗沖擊力的性能低,在鉆孔無規(guī)則的振動中,金剛石很容易遭受沖擊破壞,也會大大的影響鉆頭壽命。
4、鉆探施工管理
在金剛石鉆頭制造成功之后,最終要在鉆進生產(chǎn)現(xiàn)場使用,在選擇合理的鉆進參數(shù)之后。必須在了解地層情況下,選擇與地層相適應(yīng)的鉆頭,如果鉆頭與地層不適應(yīng),就會出現(xiàn)不進尺,鉆進效率低下,或者是鉆頭磨損過快,這些都會影響鉆探施工的質(zhì)量,其次在鉆進過程中操作的規(guī)范程度也會影響到鉆頭壽命。