工程勘察用非均質熱壓金剛石鉆頭試驗研究

葉宏煜， 譚松成， 謝 濤， 潘家棟， 楊凱華,

(1.武漢萬邦激光金剛石工具有限公司，湖北 武漢 430056； 2.中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

工程勘察鉆機具有加壓能力小和扭矩不大的特點，且鉆遇的地層包括不同程度的風化巖層和不同類型的完整基巖，因此工勘鉆頭在提高鉆進效果、對地層的適應性和巖心采取率等方面與地質勘探鉆頭存在差異[1-3]。

鉆進效果好主要指鉆進時效高和鉆頭的使用壽命長。近年來，該衡量標準已由鉆頭使用壽命長逐漸轉化為鉆頭鉆進時效高為主了，特別是對于某些難鉆地層，更是要求鉆頭以鉆進效率為主[4-5]。同時，不管研制何種性能的鉆頭，都應該提前深入了解或測試所鉆地層的物理力學性質，并準確掌握鉆進工藝參數與技術條件，才能設計出合理可行的鉆頭用于生產實踐。

工程勘察會涉及多種不同地層，要求工勘用金剛石鉆頭對地層的適應能力好[6-7]。目前，電鍍孕鑲金剛石鉆頭因鉆進時效和使用壽命較高而受到工勘行業的歡迎，其原因在于電鍍金剛石鉆頭的胎體中含有微型針孔，且鍍層中存在不同程度的節瘤發育，檢測硬度與耐磨性時離散性較大。這樣的胎體性能條件既可以對金剛石有良好的包鑲，又能讓金剛石有好的出刃效果。但同時，電鍍方法因可能存在一定程度的環境污染，因而為熱壓金剛石鉆頭在工勘行業的推廣應用提供了新的契機。為提高鉆頭使用壽命并同時保證機械鉆速，熱壓孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能不能一味追求硬度高、耐磨性強和致密程度好，必須同時考慮金剛石的出刃效果，從而提高鉆頭對不同地層的適應性。

不論地質勘探還是工程勘察，巖心采取率都是極為重要的指標。巖心采取率除了與地層條件有直接而重要的關系外，與鉆頭和鉆具結構，以及鉆進工藝技術同樣有密不可分的關系。鉆頭和鉆具結構合理，配合先進的鉆進工藝技術，促使鉆具運轉平穩，卡心牢固，巖心采取率才能得以提高。

1 鉆頭設計

1.1 鉆頭結構設計

工程勘察通常涉及土層，強、弱風化巖層和完整基巖等幾種類型的地層。在生產實踐當中除了土層鉆進可能會采用硬質合金鉆頭或PDC鉆頭外，一般在施工現場不希望中途換鉆頭，因而要求一種結構與性能的金剛石鉆頭能夠適應整個鉆孔中地層變化的需要。基于此設計了兩種結構的孕鑲金剛石鉆頭(如圖1所示)。

圖1 鉆頭齒結構示意

圖1所示兩種鉆頭結構的特點之一是每個扇形工作齒均由S1和S2兩部分組成，且S1與S2的比值在1/3～2/3左右。其中，S1部分是扇形鉆齒的主切削刃部分，硬度與耐磨性較高，并采用高品級、高濃度的金剛石參數，是破碎巖石的主體；S2部分起著支撐S1的作用，同時起著輔助破碎巖石的作用，硬度與耐磨性較低，采用較低品級與較低濃度的金剛石參數。圖1中所示的兩種鉆頭結構各有其優勢，可依據地層、鉆具和鉆探技術工況設計、選擇和使用。

由于S1和S2部分所存在的性能差異，鉆進中可以起到類似復合片破碎巖石的效果，從而提高鉆進效率。圖1(a)中的結構對提高鉆進效率有利，但對使用壽命會有影響，多用于不同程度的風化巖層和第四系地層的鉆進，同時該結構可以用于“打滑”巖層中鉆進；同時，可以通過調節α的大小，適當調節鉆頭的性能。圖1(b)中的結構具有較好的廣譜性能，對地層的適應性更高，能同時兼顧鉆進時效與鉆頭使用壽命。

為提高鉆頭鉆進的穩定性，從而提高巖心采取率和延長鉆頭使用壽命，該鉆頭結構所采用的內外保徑規格較高，且采用粗粒人造單晶和熱穩定性聚晶體聯合保徑。保徑規必須延伸至工作層全高度(如圖2所示)。

圖2 鉆頭保徑規結構示意

鉆頭水口可以用于調節鉆頭底唇面積大小和鉆進性能，改善鉆頭對地層的適應性和鉆進效果，一般設計為5～8 mm寬。加寬的水口有利于調節鉆頭對地層的適應性，有利于鉆頭底部沖洗液的循環，有效冷卻鉆頭和及時排除巖粉，并提高機械鉆速和減少鉆頭磨損。

1.2 鉆頭性能設計

鉆頭的性能主要指胎體的硬度、耐磨性、抗彎強度、抗沖擊韌性、抗沖蝕性與胎體熱性能等，其中尤以胎體硬度與耐磨性最直觀、最重要，同時也最實用[8-10]。鉆頭的硬度與耐磨性不是一個概念，但兩者有相通之處。耐磨性主要涉及鉆頭自銳性能和金剛石出刃效果，因此直接影響鉆頭的鉆進時效和使用壽命[11]。在熱壓工藝參數優化的條件下，鉆頭的性能主要由胎體材料成分及其含量比所確定。

目前，孕鑲金剛石鉆頭的胎體材料已經逐步轉向采用預合金粉為主的材料體系，通常由3～6種預合金粉組成，比采用單質金屬粉時的金屬粉末種類明顯減少，但其組元成分卻更多[12-13]。因此，采用預合金粉材料體系燒結獲得的胎體其合金化程度更高，胎體成分分布均勻，性能穩定，對金剛石包鑲效果好，鉆頭的性能良好。同時，預合金粉的粒度多為325目(部分甚至達到500目或更細)，而普通單質金屬粉的粒度為200目，因此燒結溫度較低，保溫時間可以縮短，壓力也可以適當下降，有利于降低能源消耗。本研究采用了FJT和FAM型預合金粉，分別由湖南省冶金材料研究院有限公司和湖南富櫳新材料有限公司研制生產。

1.3 熱壓工藝參數設計

熱壓工藝參數包括燒結溫度、壓力、升溫速度、保溫時間、出爐溫度及冷卻降溫環境等。分析熱壓參數的作用可知，溫度是實現胎體合金化的基本條件，設定的溫度可以使得胎體中的部分金屬成分處于液相或熔融塑變狀態，而另外一些硬質金屬成分則一直保持固相，例如WC或YG8和Fe-Ni-Co等預合金粉。燒結溫度確定的基本依據是胎體材料中是否有高熔點金屬以及高熔點金屬的含量比例的大小。高熔點金屬(例如WC或YG8)含量高時，燒結溫度必然較高，而Cu-Sn等粘結合金材料含量高時，則設定的燒結溫度較低。同時，工程勘察用的金剛石鉆頭，采用預合金粉材料體系和非均質結構，必須同時兼顧S1與S2兩部分的不同性能。S1部分的硬度設計為HRC28～32，S2部分的硬度設計為HRC20～22，燒結溫度設定為950～965 ℃。

燒結過程中的壓力，有助于胎體合金化和綜合機械性能提高，因此將影響燒結溫度的確定。壓力越大，對胎體合金化影響越大，但壓力增加到22 MPa后，對硬度與耐磨性等性能的影響就不太明顯了。因此，燒結壓力一般控制在15～22 MPa。當然，對于粘結金屬含量很低的預合金粉胎體，基本屬于固相燒結范疇，這時的壓力應該提高到22～25 MPa，或者更高一些。

采用熱壓燒結法制造孕鑲金剛石鉆頭時，多采用中頻電爐升溫燒結，通過熱傳導的方法將熱從模壁外傳至鉆頭胎體內部，導致模具內外存在溫度差。這種溫度差都在100 ℃以上，有時甚至可高達200 ℃。因此，必須設定保溫時間，以消除模具內外的溫度差。保溫時間依據鉆頭規格、胎體材料、模壁厚度和升溫方式(或升溫速度)等有所不同，一般在4～6 min。

2 鉆頭研制與現場試驗

2.1 鉆頭研制

鉆頭擬在福建南安某工勘場地使用，地層情況從上至下為：(1)第四系粘土覆蓋層，夾帶少量碎石與卵石，層厚2～10 m；(2)風化巖層，厚度約5～8 m，其中強風化層3～5 m，中風化層2～3 m；(3)完整基巖(花崗巖)，在花崗巖基巖中鉆進1～2 m即可完鉆。因此，該施工場地的工勘鉆孔深度一般在12～20 m。

依據前述鉆頭設計思路和施工地層情況，設計了如圖1所示的2種類型共4個?76 mm的工勘用熱壓金剛石鉆頭(實物如圖3所示)，并進行了工勘鉆進試驗。具體鉆頭結構、胎體材料、金剛石參數和熱壓工藝參數如下。

圖3 工勘用鉆頭實物

(1)工作層結構：圖1a型鉆頭S1與S2的比值為1∶1.5，水口寬10 mm；圖1b型鉆頭S1與S2的比值1∶1，水口寬6 mm。

(2)胎體材料：S1部分工作層的胎體材料配方為FAM-103(40%)、FJT-A2(25%)、FJT-07(17%)和WC(18%)；S2部分工作層的胎體材料配方為FAM-103(37%)、FJT-B5(35%)、FJT-06(20%)和WC(8%)。

(3)金剛石參數：S1部分工作層的金剛石體積濃度為95%，粒度為35/40目(70%)、50/60目(30%)，品級為SMD40；S2部分工作層的金剛石體積濃度為75%，粒度為40/45目(75%)、50/60目(25%)，品級為SMD30。

(4)熱壓工藝參數：燒結溫度960 ℃，壓力24 MPa，保溫時間5 min，出爐溫度780 ℃，出爐后緩冷至室溫。

2.2 鉆頭試驗與分析

試驗用工勘鉆機為GY-200型，其鉆進第四系地層、風化巖層和花崗巖基巖的轉速和鉆壓分別為205 r/min+3.5 kN，388 r/min+4.5 kN和475 r/min+6.5 kN。試驗結果表明，鉆進第四系地層時，鉆頭的平均時效為5.90 m，未出現糊鉆現象；鉆進風化巖層(含花崗巖基巖)的平均時效為2.68 m；鉆頭的平均壽命達48.70 m，其中ZK-7孔取出的巖(土)心樣如圖4所示。

圖4 ZK-7孔取出的巖(土)心樣

試驗結果表明，鉆頭的鉆進時效與壽命基本達到了設計要求，但仍然有提高的空間。(1)圖1a型鉆頭的水口寬度可減小為8 mm，從而提高鉆頭的耐磨性，并避免寬水口中塞卡小礫石，影響鉆進效果；(2)S1部分的胎體硬度可以適當提高，以提高鉆頭的耐磨性；(3)鉆頭的熱壓燒結工藝參數可進一步優化，從而完善預合金粉末體系的金剛石鉆頭固相燒結新理念。

3 結論

(1)工勘用孕鑲金剛石鉆頭需要面對多種不同性能的地層，要求鉆頭對地層的適應性好，并具備較高的耐磨性和較好的金剛石出刃效果。

(2)所設計的2種工勘鉆頭結構合理、新穎，各具特色，均可用于工程勘察鉆進中。2種類型鉆頭均體現出了復合片鉆頭的鉆進特點和金剛石破碎巖石的特征，能夠得到基本肯定。

(3)除鉆頭結構外，鉆頭的胎體性能同樣重要。本次試驗采用預合金粉胎體材料，以鐵、鎳金屬為主，并配合碳化鎢材料，且粘結金屬為較低含量的鐵-銅合金粉。

(4)非均質熱壓鉆頭與電鍍金剛石鉆頭對比，時效提高了約21%，使用壽命相當，但鉆頭質量仍然有改進與提高的空間，有待下一步完善。