高效擴孔器的研制及應(yīng)用

孫鑫，周東富，王迪，李舜豐

1.吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所，吉林 長春 130103 ；2.吉林省地勘局物業(yè)管理中心，吉林 長春 130061；3.吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136000

0 引言

隨著鉆孔深度的增加，鉆探遇到的巖層復雜程度越來越高，在鉆探施工過程中，金剛石鉆頭配合擴孔器使用，而擴孔器也是直接影響鉆探效率的重要環(huán)節(jié)。目前使用的擴孔器，用聚晶作為保徑材料，不能主動的克取巖石，只能被動的被磨損，隨著新型超硬材料的發(fā)展和鉆頭制作新工藝的出現(xiàn)，金剛石鉆頭壽命逐漸增加。擴孔器很快便失去了擴孔的能力，這時容易導致鉆孔縮徑，孔內(nèi)鉆具磨損[1-2]。再新下孔的鉆頭還需掃孔，致使鉆頭壽命減短，嚴重影響鉆進效率。而我所新研制的擴孔器采用天然金剛石和大顆粒人造金剛石作為克取巖石的材料，輔以高耐磨性的胎體包裹，并將擴孔器與鉆頭連接端的胎體部分設(shè)計成斜面，斜面上均布天然金剛石和大顆粒人造金剛石可以逐步擴孔，因為金剛石克取巖石的能力一定優(yōu)于聚晶。并且斜面的設(shè)計可以導正逐步擴孔，增加鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，減少了發(fā)生事故的風險，以此提高鉆探的效率。

1 高效擴孔器的胎體組成

高效擴孔器的胎體材料根據(jù)作用可以分為以下三類:

(1)骨架材料：在胎體中起著支撐骨架作用的硬相組元，一般采用難熔的金屬如鑄造碳化鎢、碳化鈦等，通過調(diào)整胎體中骨架材料的含量，就可以得到性能不同的硬度、耐磨性的胎體。本研究骨架材料采用碳化鎢與鑄造碳化鎢混合，鑄造碳化鎢雖然顯微硬度高達2 500～3 000 N/mm2,但燒結(jié)性差，而且粒度較大，采用碳化鎢填充在鑄造碳化鎢顆粒之間，形成超強硬度和耐磨性的骨架。

(2)強化材料：改善、強化胎體強度、韌性等性能的材料，本研究采用羥基鎳粉和錳粉與胎體中的銅形成固溶體。鎳屬于過渡族元素，但鎳又具有獨特的金屬學特性和機械特性，有良好的延伸性、韌性、抗氧化性，與銅可以無限互溶。鎳與碳形成碳化物比較困難，內(nèi)界面反應(yīng)幾乎不發(fā)生，但液態(tài)的鎳可以牢固的附著在金剛石表面，形成極薄的鎳膜，對金剛石的粘接極為有利，并且鎳粉、錳粉的加入可以改善銅對碳化鎢的濕潤性。使基體骨架金屬得到強化。

(3)浸漬材料：把骨架材料和強化材料粘接固化到一起，成為一個整體，本研究采用鋅白銅作為浸漬金屬，鋅白銅的牌號：BZn18-26 熔點： 1 080℃ 組成成分見表1。

表1 鋅白銅的組成成分

2 高效擴孔器的胎體配方

胎體配方的設(shè)計是最重要最基本的工作，胎體配方是其他工作的基礎(chǔ)，只有做好胎體配方的設(shè)計試驗，才能篩選出性能好的配方。無壓浸漬胎體配方的特點是耐磨性高、浸漬強度高、流動性好。所以本實驗采用碳化鎢和鑄造碳化鎢混合作為骨架材料，強化材料主要以鎳為主，還有微量的鉻和硅。有研究表明，鎳是r相的促成元素，與Cr搭配使用有階躍性貢獻，鎳雖然對金剛石的失重影響很大，但鎳具有良好的延伸性、韌性和抗氧化性，能提高胎體的強度和韌性，鎳在以鑄造碳化鎢和碳化鎢為主要材料的胎體配方中用量較小，與其他元素又有很好的相容性，并且鎳在碳化物氛圍中對金剛石的影響很小。

表2是通過多次壓裂試驗從12組胎體配方中篩選出的2組胎體配方的化學成分及配比。

表2 試驗后得出的兩種胎體配方

3 高效擴孔器參數(shù)

(1)斜面角度及水口片厚度：本實驗鉆頭直徑選定為78 mm，所以孔器外徑確定為78.5 mm，擴孔器成品加工剛體外徑尺寸為74 mm，經(jīng)過計算斜面角度為1°30″，斜面長度為12 mm，水口片厚度為2.25 mm。

(2)水口寬度及天然金剛石、聚晶的分布：由于本實驗選定的繩索78鉆頭為標準75規(guī)格加大到78 mm，破碎體積較大，巖粉量相對較大，所以擴孔器通水量相應(yīng)增加，通水量與鉆頭相同，經(jīng)過計算，水口寬度確定為16 mm，天然金剛石選用低級中小粒度等級，在斜面上分布采用4列5粒排列，聚晶采用2×4方聚晶在直槽以3列3粒排列。

(3)模具組成：擴孔器的燒結(jié)模具分為模具外套、型環(huán)和水口片，具體規(guī)格尺寸見圖1。

圖1 高效擴孔器石墨加工部分裝配圖Fig.1 Assembly drawing of graphite processing part of high efficiency reamer

4 高效擴孔器的野外試驗

4.1 項目概況

(1)實驗項目名稱吉林省伊通縣轉(zhuǎn)心湖金礦區(qū)巖心鉆探項目。

(2)實驗項目所在地理位置及交通:詳查區(qū)2000國家地理坐標：東經(jīng)：125°23′33″～125°27′03″北緯： 43°15′32″～43°18′02″面積6.80 km2。

長春—營城子高速公路在礦區(qū)西側(cè)3 km處通過，另有伊通—公主嶺、伊通—遼源二級公路相連，礦區(qū)到新家鄉(xiāng)為砂石路，新家鄉(xiāng)到伊通縣城有油渣路相通，詳查區(qū)位于伊通縣縣城115°方向，直距9 km，距伊通縣新家鄉(xiāng)東約4 km，距最近鐵路公主嶺站北西296°方向直距47 km，行政區(qū)劃隸屬吉林省伊通縣營城子鎮(zhèn)。

(3)實驗時間:2021年7月5日開始。

4.2 實驗區(qū)地層情況簡介

4.2.1 區(qū)域地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)主要礦產(chǎn)種類為金礦，施工地層較復雜。地層由上至下依次為第四系覆蓋層、褐鐵礦化花崗巖、花崗巖、大理巖、黃鐵礦化絹云母化花崗巖、碳化黑鐵礦化大理巖、長石斑巖、黃鐵礦化大理巖、絹云母化花崗巖、黃鐵礦化大理巖、碳化花崗巖、碳化大理巖、碳化花崗巖，碳化大理巖。上部花崗巖層較厚，層厚100 m左右，巖石堅硬，完整，局部破碎，進尺緩慢；大理巖普遍較為破碎，裂隙較為發(fā)育，常常含有黃鐵礦化、碳化，鉆進中易發(fā)生沖洗液漏失、掉塊、坍塌等現(xiàn)象。所有這些，都會給施工帶來不利影響。

4.2.2 區(qū)域地層簡表

區(qū)域地層出露不全，缺失較多。出露地層主要為下新元古界西保安組、下古生界志留系和新生界第四系見表3。

表3 試驗高效擴孔器的地層表

4.2.3 地層資料

實驗層位地層自上而下為：黃鐵礦化絹云母化中細粒花崗巖，淺灰-灰白色，中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)。巖石由石英，鉀長石和斜長石及角閃石組成。肉紅色中粒花崗巖肉紅色-淺灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物由石英、鉀長石和斜長石及角閃石組成。巖石較碎。黃鐵絹云中粒花崗巖，淺灰-灰白色，中粒花崗巖，塊狀構(gòu)造。巖石主要由石英、鉀長石和斜長石及角閃石組成。碳化黃鐵礦化大理巖，灰黑—灰白色，粒裝變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要由方解石組成，灰白色，粒狀。長石斑巖，灰白—淺灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由斑晶及基質(zhì)組成。巖石受構(gòu)造影響被挫呈泥質(zhì)軟塊。黃鐵礦化大理巖，灰黑—灰白色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石由方解石組成。巖石受構(gòu)造作用較破碎。絹云母化中粒花崗巖，灰綠-灰白色，中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由石英，鉀長石，斜長石及少量角閃石組成[3-4]。

4.3 高效擴孔器使用情況

該孔從40 m更換直徑為78.5 mm高效擴孔器鉆進，直至終孔300.6 m，共鉆進260.6 m，提出孔外，觀察擴孔器并無明顯磨損，而且新鉆頭下孔不需要掃孔，不僅壽命長而且提高了鉆進效率(減少了新鉆頭下孔后的掃孔時間)。

圖2是采集的巖心圖，圖3～圖5為擴孔器使用情況的對比。

圖2 采集的巖心Fig.2 Collected cores

圖3 使用后的擴孔器Fig.3 Reamer after use

圖4 未使用的擴孔器Fig.4 Unused reamer

圖5 使用后的擴孔器胎體的尺寸Fig.5 Size of reamer carcass after use

5 結(jié)論

斜面上均布天然金剛石的高效擴孔器在鉆進過程中利用天然金剛石擴孔，而且斜面在擴孔過程中是逐步擴孔，既減少新鉆頭下孔掃孔，又可增加鉆具在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，既提高了鉆進效率又減少了發(fā)生事故風險，所以我所研制的高效擴孔器具有巨大的應(yīng)用價值和推廣空間。