鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密地層的金剛石鉆頭

     隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家建設(shè)對(duì)資源需求量的快速增加和資源供需矛盾的進(jìn)一步擴(kuò)大，地質(zhì)深部找礦工作將是未來(lái)找礦的發(fā)展趨勢(shì)，但是隨著找礦深度增加，地質(zhì)巖層也越來(lái)越復(fù)雜，特別是在鉆孔時(shí)遇到堅(jiān)硬致密巖石地層，鉆進(jìn)時(shí)效特別低，平均只有0.3-0.4m/h，這樣就明顯降低了鉆進(jìn)速度，甚至還會(huì)出現(xiàn)跑孔的孔內(nèi)事故，大大地提高了鉆探成本。這就需要我們急需解決這類巖石鉆進(jìn)問(wèn)題，提高鉆進(jìn)速度和鉆孔質(zhì)量。堅(jiān)硬致密性巖層具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1,巖石硬度大，石英含量高。

2.巖石強(qiáng)度高，造巖礦物細(xì)，巖石硅化程度高；

3.巖石研磨性弱[1]。

　　由于巖石硬，鉆進(jìn)時(shí)金剛石壓人巖石阻力大，每顆金剛石很難有效切入巖石，不能對(duì)巖石產(chǎn)生微體積方式破碎，一般都以磨削的方式破碎或疲勞方式破碎巖石。因此，產(chǎn)生的巖粉少，巖粉粒度極細(xì)，不能對(duì)胎體產(chǎn)生有效的磨損，金剛石很難出刃，造成金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率極低，甚至?xí)霈F(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，即金剛石鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)效率極低或者出現(xiàn)不鉆進(jìn)現(xiàn)象。解決這類巖石鉆進(jìn)有利于提高鉆探效率，降低鉆探成本，因此我們針對(duì)鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密性巖層的金剛石鉆頭提出了幾種改進(jìn)的方法，以滿足地質(zhì)勘探特別是深部勘探的需要。

　　金剛石鉆頭胎體設(shè)計(jì)
　　鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密性巖層時(shí)，鉆進(jìn)失效低，產(chǎn)生的巖粉細(xì)而且含量少，不利于胎體的磨損，金剛石難以出刃。因此在設(shè)計(jì)這類鉆頭時(shí)，為了加快金剛石鉆頭胎體的磨損，一般采用低硬度，低耐磨性胎體材料，一般設(shè)計(jì)為HRC 5-10軟胎體材料，但是在采用軟胎體材料后，由于胎體材料硬度低，極易磨損，金剛石容易脫落，能夠讓鉆頭上的金剛石及時(shí)的更新，金剛石鉆頭能夠以比較高的鉆進(jìn)速度鉆進(jìn)，但是在鉆進(jìn)過(guò)程中，這類鉆頭表現(xiàn)壽命短，因此單純地降低金剛石鉆頭胎體硬度和耐磨性無(wú)法很大程度上解決鉆進(jìn)致密巖石的問(wèn)題。
　　采用輔料弱化胎體設(shè)計(jì)[2]，從而降低胎體耐磨性，輔料弱化的原理就是對(duì)胎體進(jìn)行造孔處理，使金剛石鉆頭唇面在磨削過(guò)程中不斷地出現(xiàn)孔洞。這些孔洞出現(xiàn)大大地加速了金剛石脫落，使鉆頭表面金剛石不斷地更新，從而提高了金剛石出刃效果，提高了金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率。通過(guò)不斷試驗(yàn)與研究，我們選擇石墨材料作為弱化胎體的材料，石墨材料它具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：石墨硬度低，具有一定的脆性且不與胎體材料發(fā)生反應(yīng)，石墨還可以顯著降低磨削力，磨削比能和界面溫度（下降幅度最大達(dá)400°C）。鑒于石墨上述的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)囍屏?個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆頭和一個(gè)空白對(duì)照鉆頭，在金剛石鉆頭胎體中分別添加2%，4%，6%（質(zhì)量比）含量石墨，分別拿到某工地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地層為堅(jiān)硬致密石英巖，研磨性差，可鉆級(jí)別達(dá)10-12級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果如表1。
　　從表1中可以看出，添加石墨含量≤6%，金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度均有提高，但是當(dāng)含量達(dá)到6%時(shí)，金剛石鉆頭壽命迅速下降，可能與金剛石鉆頭胎體耐磨性迅速下降有關(guān)，當(dāng)添加4%含量石墨時(shí)，金剛石鉆頭不但進(jìn)尺速度提高了，壽命也有了大幅提高。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在胎體中添加石墨弱化材料，有利于金剛石鉆頭在堅(jiān)硬致密巖層中的鉆進(jìn)，從而提高金剛石鉆頭在這類巖石鉆進(jìn)中的效率。
　　優(yōu)選金剛石參數(shù)設(shè)計(jì)
　　(1)金剛石品級(jí)設(shè)計(jì)
　　對(duì)于鉆進(jìn)硬而致密巖石地層，我們一般設(shè)計(jì)是在工作層中分別加入主，輔兩種磨料，由于堅(jiān)硬致密巖層具有極高的壓人硬度，每顆參與切削破巖的金剛石都處于較高的壓力下，這就要求金剛石必須具有高的抗壓強(qiáng)度，才能保證金剛石鉆頭順利破碎巖石，因此主磨料應(yīng)采用高品質(zhì)金剛石，為碎巖的主要磨料。而輔磨料主要起次碎巖作用，采用低品質(zhì)金剛石，在鉆進(jìn)過(guò)程中輔磨料不斷地被壓碎與脫落，脫落的輔磨料進(jìn)入孔底，磨損金剛石鉆頭胎體，從而使主磨料不斷地出刃，實(shí)現(xiàn)鉆頭自銳，提高了地質(zhì)鉆頭在堅(jiān)硬致密地層適應(yīng)性。
　　(2)金剛石濃度設(shè)計(jì)
　　在鉆進(jìn)硬而致密巖層地層時(shí)，金剛石的濃度不能太高，一般設(shè)計(jì)40%-50%。其目的是在鉆壓有限的條件下，保證每顆金剛石能傳遞足夠的壓力有效切入巖石，采用低濃度金剛石可以增加單粒金剛石上的壓力，從而增加了金剛石壓人硬巖的能力，提高了金剛石鉆頭破巖的效率。
　　(3)金剛石粒度設(shè)計(jì)
　　金剛石粒度采用細(xì)粒度金剛石，一般選擇50/60與60/70兩種混合粒度，由于同級(jí)別的金剛石抗磨損能力差不多，細(xì)金剛石被磨損后，容易從胎體中剝離下來(lái)，從而使切削的金剛石不斷地自我更新。
　　胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　(1)設(shè)計(jì)的基本方法
　　在金剛石巖芯鉆探施工中，對(duì)于硬而致密地層，其金剛石鉆頭使用一般自銳性差，壽命短，有時(shí)甚至金剛石鉆頭會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，造成無(wú)法鉆進(jìn)。如何設(shè)計(jì)金剛石胎體塊結(jié)構(gòu)，從而能夠使金剛石鉆頭在硬巖地層中鉆進(jìn)即能有比較好的時(shí)效性，又有較長(zhǎng)的壽命，這是整個(gè)地質(zhì)勘探行業(yè)一直追求的目標(biāo)，也是一個(gè)困擾地勘行業(yè)的難題。以往設(shè)計(jì)胎體唇面采用同心圓尖齒形狀，這種同心圓尖齒鉆頭齒高3mm左右，在鉆進(jìn)初期使用效果好，時(shí)效高，但是一旦這種尖齒被磨平，就等同于平底鉆頭，其鉆進(jìn)時(shí)效就會(huì)大幅度下降。針對(duì)這種情況，我們進(jìn)行了大量研究與分析，試制了層狀自銳式金剛石鉆頭，這種金剛石鉆頭優(yōu)點(diǎn)是在于能夠從始至終保持同心圓尖齒形[3]，直至金剛石鉆頭全部消耗完，因而這種鉆頭在硬巖中鉆進(jìn)能夠一直保持高的時(shí)效性，具有較高的壽命，能夠自始至終的發(fā)揮它的優(yōu)越性。 　　層狀自銳式金剛石鉆頭跟普通鉆頭有很大的不同，這種鉆頭的胎體塊是分層組成的，由尖齒形成層和溝槽形成層兩部分組成，其尖齒形成層是含有金剛石的耐磨性好的胎體材料，是破碎巖石的主要力量，而溝槽形成層是不含或者含極低金剛石的耐磨性差的胎體材料組成，起著輔助破碎巖石的作用，溝槽形成層設(shè)計(jì)的厚度一般為1.0-1.5mm左右。這種金剛石鉆頭隨著胎體磨損，其溝槽形成層比尖齒形成層磨損速度快，使得金剛石鉆頭唇面自動(dòng)形成同心圓尖齒環(huán)。
　　(2)制作的基本工藝
　　層狀自銳式金剛石鉆頭制作的工藝最大難點(diǎn)在于裝模設(shè)計(jì)，由于胎體塊是由成分不同的層狀刀頭塊組成，因此整個(gè)裝模工藝我們先采用冷壓成型工藝預(yù)制出刀頭塊，然后再進(jìn)行分層裝模，裝模完后在中頻感應(yīng)機(jī)上進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為950℃，壓力100KG/cm2，保溫時(shí)間5分鐘。
　　(3)野外試驗(yàn)
　　試驗(yàn)單位為江西某礦區(qū)，其地層可鉆級(jí)別為10-12級(jí)巖層，研磨性弱，普通鉆頭在該地層使用時(shí)，進(jìn)尺慢且壽命短，鉆頭鉆進(jìn)一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用層狀自銳式金剛石鉆頭后，其進(jìn)尺速度有了較明顯提高，也不需要進(jìn)行孔底投砂來(lái)磨鉆頭了，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了鉆探時(shí)間，鉆頭壽命也得到了大幅提高。
　　　結(jié)論

　?。?）通過(guò)改變金剛石品質(zhì)，濃度和粒度設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化金剛石鉆頭的性能，從而使這種金剛石鉆頭在堅(jiān)硬致密地層鉆進(jìn)過(guò)程中表現(xiàn)更強(qiáng)適應(yīng)性。

　?。?）采用石墨輔料弱化胎體設(shè)計(jì)，可以降低胎體耐磨性，使金剛石鉆頭唇面在磨削過(guò)程中不斷地出現(xiàn)孔洞。這些孔洞出現(xiàn)大大地加速了金剛石脫落，從而提高了金剛石出刃效果，提高了金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率。
　?。?）胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為層狀自銳式，對(duì)于堅(jiān)硬致密的地層具有很好的適應(yīng)性，在鉆進(jìn)過(guò)程中金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率和壽命都有很大的提高，但是這種鉆頭在制作過(guò)程中工藝復(fù)雜，制造成本高，大幅推廣還有待研究。