鉆進堅硬致密地層的金剛石鉆頭

     隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家建設對資源需求量的快速增加和資源供需矛盾的進一步擴大，地質深部找礦工作將是未來找礦的發(fā)展趨勢，但是隨著找礦深度增加，地質巖層也越來越復雜，特別是在鉆孔時遇到堅硬致密巖石地層，鉆進時效特別低，平均只有0.3-0.4m/h，這樣就明顯降低了鉆進速度，甚至還會出現(xiàn)跑孔的孔內事故，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問題，提高鉆進速度和鉆孔質量。堅硬致密性巖層具有以下幾個特點：

1,巖石硬度大，石英含量高。

2.巖石強度高，造巖礦物細，巖石硅化程度高；

3.巖石研磨性弱[1]。

　　由于巖石硬，鉆進時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，不能對胎體產(chǎn)生有效的磨損，金剛石很難出刃，造成金剛石鉆頭鉆進效率極低，甚至會出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，即金剛石鉆頭在鉆進時，鉆進效率極低或者出現(xiàn)不鉆進現(xiàn)象。解決這類巖石鉆進有利于提高鉆探效率，降低鉆探成本，因此我們針對鉆進堅硬致密性巖層的金剛石鉆頭提出了幾種改進的方法，以滿足地質勘探特別是深部勘探的需要。

　　金剛石鉆頭胎體設計
　　鉆進堅硬致密性巖層時，鉆進失效低，產(chǎn)生的巖粉細而且含量少，不利于胎體的磨損，金剛石難以出刃。因此在設計這類鉆頭時，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，一般設計為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的更新，金剛石鉆頭能夠以比較高的鉆進速度鉆進，但是在鉆進過程中，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法很大程度上解決鉆進致密巖石的問題。
　　采用輔料弱化胎體設計[2]，從而降低胎體耐磨性，輔料弱化的原理就是對胎體進行造孔處理，使金剛石鉆頭唇面在磨削過程中不斷地出現(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效率。通過不斷試驗與研究，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優(yōu)點：石墨硬度低，具有一定的脆性且不與胎體材料發(fā)生反應，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400°C）。鑒于石墨上述的優(yōu)點，我們試制了3個實驗鉆頭和一個空白對照鉆頭，在金剛石鉆頭胎體中分別添加2%，4%，6%（質量比）含量石墨，分別拿到某工地進行試驗，試驗地層為堅硬致密石英巖，研磨性差，可鉆級別達10-12級。試驗結果如表1。
　　從表1中可以看出，添加石墨含量≤6%，金剛石鉆頭鉆進速度均有提高，但是當含量達到6%時，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，當添加4%含量石墨時，金剛石鉆頭不但進尺速度提高了，壽命也有了大幅提高。通過上述實驗結果分析，在胎體中添加石墨弱化材料，有利于金剛石鉆頭在堅硬致密巖層中的鉆進，從而提高金剛石鉆頭在這類巖石鉆進中的效率。
　　優(yōu)選金剛石參數(shù)設計
　　(1)金剛石品級設計
　　對于鉆進硬而致密巖石地層，我們一般設計是在工作層中分別加入主，輔兩種磨料，由于堅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度，才能保證金剛石鉆頭順利破碎巖石，因此主磨料應采用高品質金剛石，為碎巖的主要磨料。而輔磨料主要起次碎巖作用，采用低品質金剛石，在鉆進過程中輔磨料不斷地被壓碎與脫落，脫落的輔磨料進入孔底，磨損金剛石鉆頭胎體，從而使主磨料不斷地出刃，實現(xiàn)鉆頭自銳，提高了地質鉆頭在堅硬致密地層適應性。
　　(2)金剛石濃度設計
　　在鉆進硬而致密巖層地層時，金剛石的濃度不能太高，一般設計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)金剛石粒度設計
　　金剛石粒度采用細粒度金剛石，一般選擇50/60與60/70兩種混合粒度，由于同級別的金剛石抗磨損能力差不多，細金剛石被磨損后，容易從胎體中剝離下來，從而使切削的金剛石不斷地自我更新。
　　胎體結構設計
　　(1)設計的基本方法
　　在金剛石巖芯鉆探施工中，對于硬而致密地層，其金剛石鉆頭使用一般自銳性差，壽命短，有時甚至金剛石鉆頭會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，造成無法鉆進。如何設計金剛石胎體塊結構，從而能夠使金剛石鉆頭在硬巖地層中鉆進即能有比較好的時效性，又有較長的壽命，這是整個地質勘探行業(yè)一直追求的目標，也是一個困擾地勘行業(yè)的難題。以往設計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，在鉆進初期使用效果好，時效高，但是一旦這種尖齒被磨平，就等同于平底鉆頭，其鉆進時效就會大幅度下降。針對這種情況，我們進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能夠一直保持高的時效性，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，溝槽形成層設計的厚度一般為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在于裝模設計，由于胎體塊是由成分不同的層狀刀頭塊組成，因此整個裝模工藝我們先采用冷壓成型工藝預制出刀頭塊，然后再進行分層裝模，裝模完后在中頻感應機上進行燒結，燒結溫度一般為950℃，壓力100KG/cm2，保溫時間5分鐘。
　　(3)野外試驗
　　試驗單位為江西某礦區(qū)，其地層可鉆級別為10-12級巖層，研磨性弱，普通鉆頭在該地層使用時，進尺慢且壽命短，鉆頭鉆進一段時間后就會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用層狀自銳式金剛石鉆頭后，其進尺速度有了較明顯提高，也不需要進行孔底投砂來磨鉆頭了，大大減輕了工人勞動強度，節(jié)省了鉆探時間，鉆頭壽命也得到了大幅提高。
　　　結論

　　（1）通過改變金剛石品質，濃度和粒度設計，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硬致密地層鉆進過程中表現(xiàn)更強適應性。

　?。?）采用石墨輔料弱化胎體設計，可以降低胎體耐磨性，使金剛石鉆頭唇面在磨削過程中不斷地出現(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效率。
　?。?）胎體結構設計為層狀自銳式，對于堅硬致密的地層具有很好的適應性，在鉆進過程中金剛石鉆頭鉆進效率和壽命都有很大的提高，但是這種鉆頭在制作過程中工藝復雜，制造成本高，大幅推廣還有待研究。