摘 要：在分析打滑地層特點的基磕上，指出了鉆進該地層所存在的問題，提出了用于打滑地層鉆進的新型孕鍍金剛石鉆頭的設計思路，在鉆頭工作層中采用主、l輔兩種磨科，并對這兩種磨料的工作機理、處理工藝以及該新型鉆頭的制造進行了闡述。鉆頭的室內鉆進試驗結果表明：在鉆進極堅硬致密的鋯剛玉時，相對于普通金剛石鉆頭，新型孕鍍金剛石鉆頭的鉆進時效提高1．93倍，平均磨損量增加38％，具有高時效、相對壽命長的優(yōu)點，是打滑地層鉆進的理想鉆頭。

       關鍵詞：打滑地層I新型孕鑲金喇石鉆頭；主磨料；輔磨料；鉆進試驗

       堅硬致密弱研磨性的巖層(又稱打滑地層)在中國廣泛發(fā)育，具有以下3個特點：① 巖石硬度大，石英含量高。其巖石壓入硬度一般可達5 000 MPa，其中部分在5 500～6 500 MPa間，個別甚至高達7000 MPa。② 強度高。這類巖層的造巖礦物細，粒度多為0．01～0．20 mm，硅質膠結，顆粒之間結合力大，結構致密，整體強度高。其單軸抗壓強度達150 MPa或更高。③ 研磨性弱。由于鉆進時效低，巖粉少且顆粒細，對鉆頭胎體磨損甚微，金剛石難以出刃。

       在鉆進堅硬致密弱研磨性巖層時，普通金剛石鉆頭容易出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，即鉆進時金剛石鉆頭在巖石上打滑而不進尺，或進尺極慢，時效常在0．1～0．2 m／h間；回次進尺僅0．2～O．5 m，鉆頭使用壽命2～3 m。由于打滑現(xiàn)象的發(fā)生，即使這種巖層只有幾米或十幾米也要耗費大量時間和鉆頭，導致整個鉆孔施工周期延長，勘探成本增高，經濟效益下降。因此，解決該類巖層鉆進打滑問題具有實際意義。

       1 打滑地層鉆進現(xiàn)狀及存在的問題

       為解決鉆進時鉆頭打滑問題，前人已進行了多方面的研究 ，進行了多次實驗及生產實踐，產生了很多克服鉆頭打滑的方法：① 金剛石鉆頭人工出刃法。主要有打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法等，該法所需輔助工作時間增加不多，但如果投砂量過多，或投砂研磨的時間掌握不好，會導致鉆頭的磨損加快，降低鉆頭壽命。② 軟胎體鉆頭法。但如果該法中胎體過軟，就會造成整個金剛石鉆頭的胎體強度不夠，甚至鉆頭變形而無法使用。③ 異形唇面鉆頭法。如高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭等。但該類鉆頭在鉆進一段時間后，尖齒磨平，鉆速下降很快，尖齒磨平后其優(yōu)勢不復存在，與普通鉆頭沒有兩樣。④ 弱包鑲金剛石鉆頭法。該法對金剛石采用弱包鑲工藝。該類鉆頭在鉆進中金剛石從胎體中適時脫落，磨損胎體，有利于金剛石出刃，能提高鉆頭的時效，但鉆頭的壽命降低，因此也不是解決打滑地層鉆進的根本方法。

       2 新型孕鑲金剛石鉆頭的設計

       為解決鉆進時鉆頭打滑的問題，結合前人的工作，打破從鉆頭的結構形狀、胎體的軟硬性能、金剛石體積分數(shù)等方面來改善鉆頭性能的常規(guī)思路，提出了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭的設計思路，并通過試驗驗證其運用效果。

       該設計思路擬在鉆頭工作層中選用2種磨料分別作為主、輔磨料。主磨料為主要碎巖材料，用以切削巖層，輔磨料為次要碎巖材料，主要用以實現(xiàn)胎體自銳，主、輔磨料二者的有機結合使鉆頭性能得以改善，并提高鉆頭壽命和鉆進時效，解決堅硬致密弱研磨性巖層鉆進時存在的“打滑”問題。

       粒抗壓強度大．耐磨損．印削巖石能力強，并使用真空鍍工藝在金剛石表面沉積強碳化物臺成元索— —金屬w。浚層金屬w 鍍覆層有如下功效：① 隔膜作用。在高溫燒結鉆頭時將金剛石與氧氣和胎體材料隔開．使金剛石不受氧氣的氧化和胎體材料的侵蝕．降低壘剛石的損耗 ② 改善金剛石表面性能使金剛石與胎體材料的潤濕性能大大提高，燒結時能提高金剛石與胎體材料的結臺力．使金剛石牢牢地包裹在胎體材料中，不容易脫落．作為鉆頭工作層的主切削材料，工作時間延長．能大大提高鉆頭壽命。

       (2)輔磨料采用低品質金剛石或其他磨料

       用滾動式造粒工藝在輔磨料的表面包裹一層WC粉末．該層WC粉末與輔磨料的結合力差．可使輔磨料與胎體材料隔開．從而使輔磨料并不是牢固地包裹在胎體材料中 鉆進時．輔磨料易從胎體材料中脫落而進入 L底．磨損胎體．使主磨料適時出露而切削巖石。

       3 鉆頭工作層中主、輔磨料的處理工藝

       3．1 主磨料表面真空鍍覆金屬W

       取適量的wo₃． 粉料．用HF丙酮溶液濕潤，加入氫化鈦粉末及金剛石顆粒．混勻后放人真空蒸鍍設備中鍍覆。鍍覆溫度為820ºC．保溫時間為1h，真空鍍覆金屬w 的金剛石表面形貌如圖1所示。

       設計的滾動式金剛石造球機的參數(shù)如下：最大裝料量為0.5kg；工作轉速為0～100r/min；容器傾斜角度為30～60度。滾動式金剛石造球機的結構示意圖如下：

       4 新型孕鑲金剛石鉆頭的制造

       為驗證打滑地層新型孕鎪金剛石鉆頭的實際鉆進效果，設計了打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭，并采用熱壓法制造該新型鉆頭。

       4．1鉆頭結構鉆頭結掏見圖4所示

       4．2鉆頭配方設計根據(jù)文獻．將鉆頭配方設計如下：骨架成分為WC．質量分數(shù)為40 ；黏結成分為Ni、90Cu、Fe、Co、Mn，質量分數(shù)為6O％ ；粉末粒徑為0．071mm(200目)；金剛石體積分數(shù)為75％；其中主、輔磨料的比例可調。

       4．3 熱壓燒結設備

       實驗中采用熱壓燒結法制造鉆頭，主要燒結設備的技術參數(shù)如下。① 燒結爐：KGPS100—1型中頻感應電源，加熱功率為100 kW ，中頻頻率為1 000Hz。② 壓力機：YH41-40C型單臂壓力機，噸位為4O T。③ 測溫儀：CIT型紅外測溫儀，測量范圍為700～ 1 300°C。

       4．4 混料

       混合粉料的制備方法采用機械球磨混料法，用感量為0．000 1 g的分析天平，按事先設計好的配方混料，裝入混料瓶中球磨，球磨時間大于24 h。將混合好的粉料置人稱量瓶中，并放人真空干燥器中保存、待用。

       4．5熱壓燒結工藝

       熱壓燒結的步驟為：將組裝好的模具放人中頻爐熱壓機的工作臺上，然后送電升溫，當加熱功率為20~30 kW 時，燒結5～6 min后先施加一定的初壓(約20 MPa)，在燒結8～9 min后升到燒結溫度，此時應立即施以全壓，并在該壓力下保溫3～5 min。保溫保壓結束后，即可停電降溫，但壓力不卸，當溫度降到7oo~C時，卸除壓力，并將鉆頭的燒結模具移至保溫箱中或放在空氣中冷卻到室溫。

       5 新型孕鑲金剛石鉆頭的鉆進試驗

       5．1鉆進試驗條件、鉆進規(guī)程參數(shù)

       室內微鉆試驗平臺由Z32k鉆床改造而成，試驗時，將需要鉆削的巖芯試樣安裝于巖芯座中。巖芯座由3個鉆壓傳感器支承，浮置于工作臺上；工作臺與給進油缸的活塞端部聯(lián)接，由給進油缸控制工作臺的升降，從而實現(xiàn)鉆進或提鉆動作，同時用給進油缸的工作壓力控制鉆壓的大小。鉆頭安裝于主軸端部，并由上部的可調速直流電機驅動回轉。鉆頭回轉切削巖樣時，由于切向力的作用使巖芯座上的壓板壓在扭矩傳感器的端部，通過測量該作用力的大小便可計算出切削扭矩的大小。在鉆削過程中，可采集以下5個參數(shù)：鉆壓、扭矩、位移、鉆頭轉速及流量，然后計算出瞬時鉆速，為研究巖石的可鉆性和鉆頭的特性提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集及試驗過程的控制均在計算機的操作界面上進行。

       鉆進規(guī)程參數(shù)如下：鉆頭規(guī)格為ФP36．5／21．5mm；冷卻液為清水；泵量為15 L／min；鉆機轉速為1 000 r／min；鉆壓為300 kg。

       5．2鉆進巖石及其力學性能

       試驗時選取了堅硬致密弱研磨性的巖石：細粒鉀長花崗巖、紅色花崗巖和白色花崗巖以及鋯剛玉4種巖樣，分別對這4種巖樣進行了壓人硬度和抗壓強度測試，并對每種巖石進行可鉆性分級，結果如表1所示。

       5．3 鉆進試驗結果在鉆進設備與鉆進規(guī)程一定的條件下，分別用常規(guī)金剛石鉆頭，在微鉆試驗平臺上進行鉆進試驗。

 

       發(fā)現(xiàn)常規(guī)金剛石鉆頭進尺較緩慢，并出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而打滑地層新型孕鑲金剛石鉆頭鉆進進尺較快，鉆頭壽命也較高，且沒有出現(xiàn)明顯的打滑現(xiàn)象，該鉆頭的兩個性能參數(shù)比常規(guī)金剛石鉆頭要好許多。鉆進所得數(shù)據(jù)如表2所示。

 

       6 結論與展望

 

       所研制的新型孕鑲金剛石鉆頭通過主、輔磨料的共同作用，提高了主磨料的利用率，具有平均時效較高、鉆頭的壽命也相對較高的優(yōu)點。在鉆進堅硬致密的細中粒鉀長花崗巖時，平均時效是常規(guī)金剛石鉆頭的1．88倍，鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1．22倍。在極堅硬致密的鋯剛玉中鉆進時，鉆頭的平均時效是常規(guī)金剛石鉆頭的1．93倍，鉆頭的平均磨損量是常規(guī)金剛石鉆頭的1．38倍。同時，由于該新型孕鑲金剛石鉆頭采用主、輔磨料共同作用的設計思路，從而大大降低了鉆頭的生產成本，因此在打滑地層鉆進中有著良好的應用前景。另外，目前金剛石制品市場極其廣闊，若將這種新型鉆頭的設計原理及制造工藝推廣到其他加工硬、脆材料的金剛石制品行業(yè)中，其應用前景也極為可觀。