遼寧五龍金礦區金剛石取芯鉆頭研究＊

王魯朝，吳海霞

（1.山東省第三地質礦產勘查院,山東 煙臺 264000）

（2.北京探礦工程研究所,北京 100083）

五龍金礦是遼東礦集區的大型石英脈型金礦床，位于丹東市區以西約30 km。自1939年被發現以來，累計黃金儲量超過80 t，平均品位為5.35 g/t。隨著開采量的增加，目前該礦床開采深度達近千米，保有儲量不斷減少，步入危機礦山行列[1]，而深部豐富的黃金資源還在等待被發現、開發，但是由于諸多深部探測找礦技術有待突破，阻礙了五龍金礦向“深部進軍”的腳步。近年來，隨著科技部將五龍金礦礦集區定為重點勘查靶區，并將國家重點研發計劃項目3 000 m 深鉆落地五龍金礦[2]，確立了五龍金礦區的深部找礦工作方向。

在深孔找礦鉆探中，金剛石繩索取芯鉆進方法有利于減少起下鉆的次數和間隔、提高回次鉆速或臺月效率，從而節約鉆進成本[3-5]。但制約金剛石繩索取芯鉆進效果的瓶頸是金剛石鉆頭的鉆進效率和使用壽命[6-9]。針對上述問題，很多科研工作者對金剛石鉆頭胎體進行了研究，如郭慶清等[10]研究了不同胎體弱化顆粒材質對鉆頭胎體結構、力學性能和摩擦磨損行為的影響；也有對鉆頭的結構方面進行了研究，如葉宏煜等[11]研究了直角梯形齒金剛石鉆頭，通過調整直角梯形齒的底角和齒頂寬來調整鉆頭的工作性能，以適應不同巖石的鉆進需要。

本文中，針對五龍金礦區深部硬巖地層特點，開展關于胎體配方、鉆頭結構和金剛石參數等方面的研究，進而試制金剛石取芯鉆頭并進行現場試驗，觀察鉆頭的鉆進效率和使用壽命表現。

1 五龍金礦區的地層特點

五龍金礦區處于遼東-吉南多金屬成礦帶西南部，出露的巖石類型包括變質巖、火山巖和侵入巖。區域內巖漿露的巖石類型包括變質巖、火山巖和侵入巖。區域內巖漿活動頻繁，形成了一系列花崗質巖石，最早的為五龍巖體，巖性主要為中細粒片麻狀黑云母二長花崗巖，其后為燕山期的花崗閃長巖-花崗巖系[11]。

區域構造發育，以北東向和北西向斷裂構造為主，褶皺構造次之；局部，特別是五龍金礦區，近南北向，和北西向斷裂發育，是金礦體的定位空間（圖1）。鴨綠江深大斷裂，北東向斷裂，以及控礦的近南北向及北西向斷裂，形成了較完整的控礦構造體系。

圖1 五龍地區地質-構造-礦產簡圖Fig.1 Brief diagram of geology,structure and mineral resources in Wulong Area

五龍金礦區鉆遇地層以中細粒片麻狀黑云母二長花崗巖（圖2）為主，巖石硬度大、研磨性強，可鉆性等級為9～10 級。使用普通金剛石鉆頭鉆進時，平均機械鉆速不足1 m/h，平均壽命80 m 左右；且地層存在局部破碎（圖3），易造成金剛石鉆頭壽命短、鉆進效率低等施工難題，嚴重影響了機臺施工效率。

圖2 黑云二長花崗巖Fig.2 Biotite adamellite

圖3 局部破碎地層巖心Fig.3 Partially fractured formation core

2 金剛石鉆頭的研制

2.1 鉆頭胎體配方材料

結合以往的研究成果，本研究采用預合金粉末狀的鐵基胎體配方，其熱壓燒結溫度為820 ℃，具有各組分均勻（顯微照片見圖4）、燒結活性高等優點，可有效降低對金剛石的熱損傷，提高鉆頭胎體性能和把持金剛石的能力。通過室內試驗，該鐵基胎體配方的基本性能參數如表1所示。

表1 鐵基胎體配方的基本性能Tab.1 Basci property of iron-base matrix formula

圖4 鐵基胎體配方粉末顯微圖片Fig.4 Micrograph of powder in iron-base matrix formula

2.2 金剛石取芯鉆頭結構

針對該區硬巖地層，引入偏心齒結構設計，得到的金剛石取芯鉆頭如圖5所示。將切削齒設計為偏心條狀的平面結構（圖5a）[12]，可將金剛石取芯鉆頭工作唇面的面積減少35%～45%，進而提高鉆進過程中單齒工作壓力，以實現硬巖地層的快速進尺；在切削齒后襯位置設計扭面過渡后支撐結構[12]，以保證鉆頭在鉆進過程中的扭轉強度和耐沖擊性能。圖5b所示為在靜壓力下條件下所模擬的偏心齒金剛石鉆頭的水力流場，在鉆頭旋轉過程中，液流以一定的體積流量自行排出。可見，偏心布齒配合扭面后支撐設計起到了一定的“自排屑”效果。

圖5 偏心齒金剛石取芯鉆頭Fig.5 Diamond coring bit with eccentric teeth

針對該礦區破碎硬巖地層，引入高胎體結構[13]，制備如圖6所示的高胎塊金剛石取芯鉆頭。其扇形切削齒唇面設計為同心圓尖齒形式，且切削齒間固定了支撐柱（圖6a、圖6b），保證鉆頭在鉆進過程中的強度，以實現鉆頭的高效長壽命鉆進；在保證鉆頭配方具有足夠耐磨及強度的基礎上，通過有限元模擬進行高胎體工作層鉆頭的水路設計，利用Ansys（CFD）模塊對其進行了旋轉水力流場模擬，最終計算速度矢量圖如圖6c所示。從圖6c 中可見：鉆頭可以得到充分冷卻，有助于提高鉆頭壽命。

圖6 高胎塊金剛石取芯鉆頭Fig.6 Diamond coring bit with high matrix body

2.3 金剛石參數

對于堅硬巖石，較小粒度金剛石更有利于鉆進[14-15]。為了避免過細粒度造成出刃不足，將中等粒度與細粒度金剛石單晶進行混合配料[16]。鉆頭切削齒設計采用表鑲大顆粒人造金剛石 + 孕鑲多級人造金剛石的熱壓胎塊，表鑲粒度尺寸為1 000～1 180 μm 的人造金剛石，孕 鑲 粒 度 尺 寸 分 別為425～500 μm，355～425 μm 和212～250 μm 的人造金剛石（圖7）。選用品級最好的D90 級人造金剛石，其中1 000～1 180 μm 的人造金剛石的熱沖擊韌性值是88（TTI），孕鑲的3 種人造金剛石的熱沖擊韌性值是84～86（TTI）[17]。鉆頭的工作層高度設計為22～25 mm；可根據地層硬度和研磨性，設計相適應的金剛石濃度，并可以添加一定濃度的自銳材料，以改善鉆頭的表面粗糙度，提高金剛石自出刃比例，達到提高鉆效的目的。

圖7 D90 級人造金剛石Fig.7 Synthetic diamond graded D90

2.4 金剛石取芯鉆頭試制

針對該區的硬巖地層，設計的金剛石取芯鉆頭的具體參數見表2。鉆頭的切削齒采用熱壓法燒結成形后，通過二次鑲焊技術將其與鉆頭鋼體進行低溫焊接，焊接溫度為750 ℃左右，以減少人造金剛石的熱損傷。鉆頭成品如圖8、圖9所示。

圖8 偏心齒金剛石取芯鉆頭（a）Fig.8 Diamond coring bit with eccentric teeth (a)

圖9 高胎塊金剛石取芯鉆頭 (b)Fig.9 Diamond coring bit with high matrix body (b)

表2 金剛石取芯鉆頭參數表Tab.2 Parameters of diamond coring bits

3 鉆頭野外試驗情況

結合以往的研究基礎，將使用上述2 種方案制備的孕鑲金剛石鉆頭在五龍金礦區的某鉆孔中進行了應用試驗。鉆頭的使用情況見表3，鉆頭使用后照片見圖10、圖11。

表3 金剛石取芯鉆頭應用試驗結果Tab.3 Results of application tests on diamond coring bits

圖10 斜齒孕鑲金剛石鉆頭出井照片Fig.10 Picture of helical impregnated diamond bit after drilling

圖11 高胎塊金剛石鉆頭出井后照片Fig.11 Pictures of diamond bits with high matrice after drilling

該鉆孔共使用北京探礦工程研究所研制的偏心齒金剛石取芯鉆頭2 只和高胎塊金剛石取芯鉆頭3 只。其中偏心齒金剛石取芯鉆頭的平均機械鉆速可達2.2～2.3 m/h，是現用普通鉆頭的鉆速（1 m/h）的2 倍以上；但鉆頭的壽命較低，主要是由于地層破碎導致的鉆頭的快速消耗，所以其并不適用于該礦區。高胎塊金剛石取芯鉆頭-9 齒的平均機械鉆速為1.4 m/h，比普通的鉆速提高了40%；平均壽命為132.2 m，是普通鉆頭平均壽命的1.6 倍。

4 結論

經過五龍金礦區的現場試驗驗證，高胎塊金剛石取芯鉆頭-9 齒可有效提高該礦區的機械鉆速和壽命，平均機械鉆速為1.4 m/h，平均壽命為132.2 m，比現用普通鉆頭的性能分別提高了40%和60%，表現出優良的鉆進性能，較高的施工效率和良好的經濟技術效果，可在該類硬巖地層推廣應用。