水平沖擊回轉鉆進孕鑲金剛石鉆頭的國內外研究現狀及存在問題

程 敏

（鄂州職業大學機械工程學院，湖北 鄂州 436000）

水平沖擊回轉鉆進孕鑲金剛石鉆頭的國內外研究現狀及存在問題

程 敏

（鄂州職業大學機械工程學院，湖北 鄂州 436000）

目前，關于沖擊回轉鉆進用金剛石鉆頭有一定的研究，但對于水平沖擊回轉鉆進用金剛石鉆頭的研究很少。本文總結了一些水平沖擊回轉鉆進用金剛石鉆頭的研究現狀，并詳細分析了目前水平沖擊回轉鉆進孕鑲金剛石鉆頭研究存在的問題，期望對今后水平沖擊回轉鉆進用孕鑲金剛石鉆頭的研制提供一定的參考價值。

水平；沖擊回轉鉆進；金剛石鉆頭

1 沖擊回轉鉆進及鉆頭

1.1 沖擊回轉鉆進

沖擊回轉鉆進是以液力或氣力驅動靠近孔底的沖擊器，產生沖擊載荷，同時由地面機構施加軸向壓力和回轉扭矩，以縱向沖擊力和回轉切削力共同破碎巖石的鉆進方法。

1.2 沖擊回轉鉆進用鉆頭

沖擊回轉鉆進分為液動沖擊回轉鉆進和氣動沖擊回轉鉆進。一般沖擊回轉鉆進鉆頭也分為液動沖擊回轉鉆頭和風動沖擊回轉鉆頭兩類。

1.2.1液動沖擊回轉鉆頭

1）硬質合金鉆頭。

硬質合金鉆頭主要有普通八大角硬質合金鉆頭、長片狀肋骨式硬質合金鉆頭、異形硬質合金鉆頭等。江蘇省地質局第一地質隊設計的Φ91長方片液動沖擊回轉鉆頭，是在鉆頭體上對稱焊接4塊YG8C牌號K115型硬質合金，出刃大，刃部長，通水截面大，平均機械轉速1.2m/h。

2）球齒鉆頭。

根據不同的巖石情況，球齒鉆頭可以選用不同的結構。用碳化鎢硬質合金制造球齒，分為半球形和彈道形。一般情況下，半球形的球齒用于堅硬研磨性巖石和堅硬破碎性的巖石破碎，有較好的保徑作用。彈道形的球齒則用于中硬均質巖石，在軟或粘滯性巖石中鉆進有較高的鉆速。有時還可以混合使用這兩種球齒，把半球形的球齒鑲于鉆頭唇面外面，而把彈道的形球齒鑲于唇面中間，這種鉆頭兼顧有以上兩種形狀球齒的優點［1］。

和硬質合金球齒釬頭相比，還有一種聚晶球齒釬頭。它的硬度要比硬質合金球齒釬頭高出3～5倍，抗磨損能力多出100%，抗壓能力多出115%，特別適用于深孔鉆井，減少提鉆次數［2］。

3）金剛石鉆頭。

它是近十幾年來使用最多的一種鉆頭。吉林省地質勘探技術研究所生產的JCT型金剛石液動沖擊回轉鉆頭，在四川、河南和廣東等礦區的8～10級地層鉆進，平均機械轉速2.83m/h。

1.2.2 風動沖擊回轉鉆頭

空氣錘鉆頭，又叫沖擊鉆頭或平底鉆頭，是以沖擊為主、回轉為輔聯合作用來破巖。鉆頭唇面不僅要承受沖擊器的高頻沖擊載荷，而且還要承受巖石的剪切反力。

1970年國內外開始大力開發金剛石增強齒技術［3］。目前已經應用到了空氣錘釬頭上。在釬頭體中加入一些碳化鎢，金剛石復合片加上表面，鉆頭齒的頂部加入一層金剛石聚晶，緊接著的是兩層金剛石或硬質合金合成的過渡層，這樣就形成了金剛石增強齒平底釬頭，既能降低鉆具的要求，又能井眼更平滑，同時鉆井成本也降低了。

1.3 其他沖擊回轉鉆進鉆頭

中國地質大學楊展［4］采用碳化鎢、碳化鈦和YG8作為胎體硬質相，不僅提高了胎體的耐磨性而且還提高了金剛石的出刃效果。通過多次的試驗與研究，取得了研究沖擊回轉鉆進鉆頭胎體的基本而又有價值的成果。并在此基礎上研究與試制了鋼結硬質合金胎體沖擊回轉鉆進金剛石鉆頭。通過福建某礦區的沖擊回轉鉆進試驗顯示平均鉆進時效達到2.29m/h，平均使用壽命達到63.82m。鉆頭設計與試驗達到了預計的目的。

吉林大學王秋雯［5］等設計、制造了一種用CVD金剛石條作為硬支點材料的新型孕鑲金剛石鉆頭。設計了CVD金剛石條的尺寸、數量及在鉆頭胎體上的排列方式。根據被鉆巖樣的可鉆性及研磨性，設計了鉆頭胎體硬度、金剛石粒度、濃度及鉆頭結構。采用中頻感應熱壓法制造了Φ59mm硬支點孕鑲金剛石鉆頭，并進行了沖擊回轉鉆進試驗。試驗結果表明：硬支點鉆頭的鉆進效率、抗沖擊性能均優于軟支點孕鑲金剛石鉆頭；與純回轉鉆進試驗相比，鉆頭的平均時效更高，達2.84m/h，且鉆進性能更加穩定。

除了以上鉆頭，在實際沖擊回轉鉆進過程中，現在使用最多的是和回轉鉆進使用一樣的普通的人造孕鑲金剛石鉆頭。

2 水平鉆進及鉆頭

水平鉆進技術的發展已經有幾十年的歷史。水平鉆進在煤礦井下鉆進、金屬礦山坑道鉆探中、石油鉆井和非開挖鉆進都有用到。

從1975年開始，西德在煤礦采區勘探時就進行了長距水平鉆進的研究工作。使用金剛石鉆頭，采用穩定器，鉆進效果明顯。

談耀麟指出，鉆進水平孔段時采用鑲有保徑切削刃的聚晶金剛石鉆頭，具有很好的鉆進效果，而且提高了機械鉆速，延長了使用壽命。

烏效鳴等提出水平鉆進用硬質合金鉆頭時的問題。在鉆進過程中為了保直鉆進，粗徑鉆具與孔壁之間的間隙應盡量地小。鉆頭的外出刃就決定著這個間隙的大小。經過過試驗研究，外出刃合理的量取應是2～3mm［6］。

3 水平沖擊回轉鉆進及鉆頭

水平沖擊回轉鉆進技術是在水平鉆進硬巖的過程中發展起來的，是在鉆進技術迅速發展，機械化程度越來越高的情況下得到發展的。氣動沖擊器設備及其工藝方法的創新發展，使其應用領域更為廣闊，尤其在工程施工領域，已延伸到錨固工程，大直徑基巖嵌巖樁施工，以及鋪設水平地下管線施工，坑道圍護工程的管棚施工等［7］。

在水平鉆進、定向井和非開挖領域應用比較廣泛的是空氣錘，這方面處于領先水平的是美國。目前世界上先進的空氣錘和鉆頭可鉆直徑89～1100㎜，并擁有全系列覆蓋層鉆進系統以及用于水平孔的環狀沖擊式鉆進系統。空氣錘在美國、日本、英國、加拿大等國人口密集處安裝水平天然氣管線時鉆水平孔排水孔進行了大量的工程應用均取得非常好的效果［8］。

江西良礦鉆探隊在某金礦井巷施工時，使用冶金地質探礦技術研究所研制的適于水平孔的小口徑TK-35A沖擊器，用沖擊回轉鉆進的方法，選用硬胎體金剛石鉆頭成功地突破了硬巖打滑難關，平均時效良好。

4 存在問題

目前，水平沖擊回轉鉆進用鉆頭與垂直/常規沖擊回轉鉆進用鉆頭類似，只不過要考慮水平鉆進的特點，總結存在下列問題：

4.1 巖屑的排除

沖擊回轉鉆進產生的巖屑顆粒較粗，很容易將鉆頭的水口堵塞，使水流不暢通，產生背壓，不利于鉆進。

沖擊回轉鉆進水平孔段時，除了水平孔的特殊結構外，由于沖擊載荷的作用，破碎的巖石更多，巖屑集結在水平孔段的低邊，會引起很大阻力，甚至可能造成卡鉆。因此，巖屑的排除更應該考慮，采用金剛石鉆頭和平滑連接的鉆桿柱比采用大切削具鉆頭和接箍連接的鉆桿柱更有利于巖屑的清除［9］。

4.2 鉆具的重力

潛孔錘鉆進水平孔，由于潛孔錘、鉆頭和鉆桿的重力作用，鉆孔易彎曲。影響孔斜的關鍵因素是鉆具的重力（潛孔錘和鉆頭），它使鉆孔在垂直平面內下沉；而這一重力又是無法避免的。鉆頭、鉆具在重力作用下產生下沉，與孔壁下方接觸產生摩擦力，使鉆孔方位偏斜。偏斜又容易造成巖屑排除的問題。

4.3 鉆頭唇面形狀

鉆頭的底部形狀不僅與鉆孔的孔斜有關，還與凹心鉆頭在鉆進時因前部中間有一凸起巖石，對鉆頭起到扶正作用，有利于防斜。

由于重力作用的影響，水平孔鉆進使用人造孕鑲金剛石鉆頭時，外徑的磨損比直斜孔的磨損要大，而且巖粉容易掉落堆積在鉆頭的下孔壁，再加上鉆頭拉送鉆具的過程，更增加了鉆頭胎體外徑的磨耗。在鉆具內管、卡簧座和巖心的下垂作用，造成鉆頭內徑損傷。由于上述的一些原因，會使胎體和鋼體的連接強度降低，造成胎體脫落或胎體部分脫落［9］。

4.4 沖擊功大小的影響

沖擊回轉鉆進中，沖擊功的大小事決定破碎巖石效果的根本條件。然而沖擊功越大越會影響到金剛石鉆頭的性能。鍍膜的金剛石，由于晶粒缺陷得到被鍍金屬的補強，再加之金屬膜的作用，其脆性減小，抗沖擊韌性相對有所提高［10］。

4.5 節約鉆進成本的考慮

在鉆遇硬巖、破碎或結核底層時，回轉鉆進使用的硬質合金和PDC鉆頭消耗量大，而沖擊回轉所用的釬頭則壽命較長，且單價較低。因此設計低成本的孕鑲金剛石鉆頭很有必要。

5 結語

有了目前水平沖擊回轉鉆進孕鑲金剛石鉆頭研究存在問題的分析，對今后水平沖擊回轉鉆進用孕鑲金剛石鉆頭的研制能提供一定的參考價值。

［1］談耀麟.潛孔錘鉆進技術發展水平［J］.探礦工程，1995.10：30.

［2］朱海燕，等.空氣錘釬頭現狀及發展趨勢［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：17.

［3］耿瑞倫.國外空氣潛孔錘鉆頭設計與效果［J］.探礦工程譯叢，1998（3）：126.

［4］楊展.鋼結硬質合金胎體沖擊回轉鉆進金剛石鉆頭研究.

［5］王雯秋.CVD金剛石強化孕鑲金剛石鉆頭的沖擊回轉鉆進試驗研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2011.1：6.

［6］烏效鳴，等.水平鉆進橫穿公路的定向技術研究［J］.探礦工程，2000.4：63.

［7］菅志軍，等.沖擊旋轉鉆進技術新發展［J］.地質與勘探，2003.5：79.

［8］唐俊，等.空氣錘發展和應用研究［J］.石油礦場機械，2013.11：19.

［9］鄧夢春，樊臘生.潛孔錘鉆進水平錨索孔的防斜技術［J］.探礦工程.1999（增刊）.99-5457：391

［10］楊凱華.新型金剛石工具研究［M］.地質出版社，2000：37.

程敏（1979—），湖北鄂州人，鄂州職業大學機械工程學院，講師，碩士，從事超硬材料及其工具的教學與研究工作。