如何提高鉆進硬巖地層孕鑲金剛石鉆頭的壽命

李東

【摘 要】 為鉆進硬巖地層中，使人造金剛石鉆頭有更高的時效和較長的壽命，改變以往的胎體粉料性能，使用更加先進的“預合金粉末”胎體料及采用合理的金剛石鉆頭結構設計、精準的制造工藝等方案來提高其壽命。

【關鍵詞】 硬巖 ?提高鉆頭壽命的方案 ?采用預合金粉末 ?鉆頭結構設計 ?制造工藝

1 前言

在研磨性高的硬巖層中或者在堅硬弱研磨性的“打滑”地層中鉆進時，要研制出高效長壽命的孕鑲人造金剛石鉆頭，除了要求有高質量的人造金剛石外，對孕鑲鉆頭胎體成分的全面細致的研究及對金剛石鉆頭結構的合理設計，是一項很重要的工作。孕鑲人造金剛石鉆頭的胎體應能牢固的包鑲住金剛石;胎體材料本身與金剛石的磨損速度要協調，以保證鉆頭有良好的“自銳性”，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過早脫粒而失去工作能力，如果胎體磨損很慢，則金剛石出刃很小，造成鉆頭不進尺或打滑。因此必須緊密結合巖石的研磨性、金剛石的強度等，研制出相適應的胎體材料。

2 提高孕鑲金剛石鉆頭壽命的幾點方案

2.1 骨架材料

骨架材料是胎體中的硬質點，也是胎體中的輔助材料，胎體性能的好壞，與骨架材料的種類，性能及含量有直接關系，骨架材料應有高熔點、高硬度，容易被鐵族金屬和很多有色金屬所潤濕，經過燒結能形成性能優良的致密胎體，要滿足這些要求，只有元素周期表中過度金屬的碳化物，硼化物，氮化物和硅化物，其中以碳化物的應用最廣，例如WC、W2C、TiC等，實踐證明對金屬濕潤性好的WC和W2C為主要材料是恰當的。

2.2 粘結材料

（1）鉆頭的燒結溫度，主要是粘結金屬熔點的高低，為了避免高溫對人造金剛石性能的損害，應該選擇低熔點的金屬（或合金）作粘結材料。（2）粘結材料的數量在燒結溫度下使之能剛好潤濕胎體中所有碳化物和金剛石，而在外壓力作用下又不產生流失。（3）在燒結溫度下粘結金屬與骨架材料若產生反應，則只能對胎體機械性能有利，而不允許形成性能低劣的合金，同時也不侵蝕金剛石。（4）鉆頭燒結后的冷卻過程或在以后保存過程中，淬火或時效作用下，只能對胎體機械性能有利，以保證鉆頭的質量。（5）在鉆頭正常的溫度下（不包括燒結），粘結金屬應保證薄的粘結物質層能承受胎體中硬質顆粒傳給它的應力而不發生位移。（6）根據地層的不同要求，不同的鉆進方法（如高頻沖擊回轉鉆進等），粘結金屬與骨架材料，在品種和含量等方面應適當的配合，采用不同的配方。

熱壓燒結鉆頭的粘結材料，目前國內外是多采用單一金屬元素粉末的混合物。常用的金屬粉末為663-青銅，銅，鎳，鈷，錳，錫，鐵等金屬粉末。

我們通過長期的研究，采用了多種金屬熔煉成低熔點合金后再噴制成的粉末，即所謂“預合金粉末”。采用預合金粉末作粘結劑，易于調整鉆頭胎體性能，使其與巖性相適應。同時由于預先熔煉成合金，然后才制成粉末的，所以每顆粒粉末中都包含了組成合金的各種金屬元素，這就比機械混合多種單一金屬元素粉末要均勻得多;通過制粉，粉末受到噴射沖擊及淬火，其性能要比同種合金的鑄造狀態性能為高。在燒結成鉆頭胎體過程中，只要溫度升到預合金粉末的液相線以上一點兒時，整個粘結成分的粉末就融化，此時鉆頭也就燒結好了。所以再也不會出現那種比重偏低、低熔點金屬先熔與富集、易氧化及易發輝的金屬在燒結過程中難以控制等影響胎體性能的問題了。

使用預合金粉作為鉆頭胎體料具有如下優點。（1）能根據巖石的研磨性不同采用不同的粘結劑，提高鉆頭使用的針對性;（2）采用預合金粉粘結劑所制成的鉆頭，提高鉆頭胎體的致密性和均勻性，從而提高了鉆頭胎體正常磨損期限;（3）采用預合金粉粘結劑所制成的鉆頭可以提高胎體包鑲金剛石的能力，也是沖擊回轉鉆進用金剛石鉆頭的較理想的材料;（4）預合金粉末不易氧化，保存方便，并能簡化制造鉆頭的工藝，能取得較好的經濟效益。

預合金粉的這些特點，會大大提高鉆頭的壽命和時效。為了調整鉆頭胎體的綜合性能，使其硬度進一步提高和調整鉆頭胎體的磨損速率，更能適合硬、脆、碎的構造帶巖性的要求，還可在Cu-Ni-Mn系合金中，加入少量的其他金屬元素，如添加Cr，可使鉆頭胎體材料顯得硬而韌。

2.3 金剛石鉆頭的結構設計

孕鑲金剛石鉆頭的結構設計，應該根據所鉆巖石的特點，盡量做到與巖石可鉆性相適應，力求在鉆進過程中鉆頭能夠自磨出刃，爭取使鉆頭的徑向磨損和高度消耗協調一致。保證水路暢通以達到冷卻鉆頭和攜帶巖粉的目的，要做到這點，除了要有相適應的胎體料和穩定的燒結工藝外，還要有合理的鉆頭結構設計，金剛石鉆頭的結構主要包括：金剛石的品級，胎體中含金剛石的濃度，金剛石的粒度，工作層胎體的高度，保徑措施，唇面形狀以及水口的數量大小等，這些因素直接影響鉆頭的使用效果。

（1）金剛石的品級，硬巖鉆進的金剛石鉆頭，由于所鉆進的對象是有很高硬度的巖石。所以胎體中金剛石必須有相當高的強度，在鉆進過程中，鉆頭才能承受較高的軸向壓力和扭矩，使處于工作狀態的金剛石有效地破碎巖石，高強度的金剛石，晶型完整率高，抗磨能力好，從而在鉆進過程中，可減少金剛石的脆性破壞，延長單粒金剛石破碎的時間，提高鉆頭的使用壽命。（2）胎體中含金剛石的濃度：合理的金剛石濃度應與所鉆巖層相適應，一般來說，巖層愈硬脆，研磨性愈大則濃度要高些，相反堅硬研磨性弱的“打滑”層則濃度應低些，濃度范圍一般為18-25%。（3）金剛石的粒度：金剛石的粒度直接影響金剛石鉆頭的自銳性，金剛石的粒度過粗，實質上就成了表鑲鉆頭，則不能自銳，金剛石粒度小，單位體積內的金剛石粒度多，隨著胎體的磨損，新舊金剛石替換快，有利于破碎巖石，目前廣泛采用46-70目。（4）胎體工作層尺寸：胎體中含有金剛石的部分稱為工作層。工作層的高度確定，高度值應該和鉆頭的徑向磨耗速率相匹配，即當鉆頭徑向磨耗達到報廢程度時，工作層基本磨光，這樣就能充分有效的利用金剛石，降低鉆頭成本，工作層的高度一般為6-9mm。（5）鉆頭唇面形狀：平底型、圓弧型鉆頭制作簡單，鉆頭適應性廣，多被采用。為了研制“打滑”層的鉆頭，可改變唇面形狀;采用鋸齒形鉆頭鉆進“打滑”地層能獲得顯著的效果。（6）水口，在保證扇形體的強度情況下，可適當增加水口的數量，扇形體的內弧邊長不得小于12mm。水口深一般為7～10mm，即略高于工作層的高度，寬度為5-6mm。（7）保徑措施;為了減輕胎體內外徑在鉆進時的磨損，提高鉆頭的使用壽命，采用各種行之有效的保徑措施是很必要的，保徑材料可采用天然金剛石，聚晶人造金剛石以及硬質合金等。

2.4 人造金剛石孕鑲鉆頭的制造工藝

采用預合金粉粘結劑，可以改善胎體性能、有利于粉料的保存，在燒結工藝方面的優點;混料簡便，容易混合均勻、熱壓燒結過程中只要溫度出現液相的溫度，就可獲得理想的胎體。鉆頭制造過程與普通熱壓燒結鉆頭基本相同、容易掌握。

3 結語

采用預合金粉粘結劑來改善鉆頭的胎體性能，加之合理的設計金剛石鉆頭的結構，精準的制造工藝，使得我們的鉆頭在各勘探隊試驗后，不論在鉆頭的使用壽命上，還是在鉆進效率上，效果都很好，市場上已經普遍使用。

參考文獻：

[1]阮海龍，等.針對復雜地層金剛石鉆頭的改進與應用[J].探礦工程，2010（1）：67-69.

[2]屠厚澤，等主編《鉆探工程學》上冊，中國地質大學出版社，1998（7）.