金剛石粒徑對孕鑲金剛石鉆頭鉆進花崗巖性能的影響

引言

　　“鉆頭不到，石油不冒”，眾所周知，鉆井是石油勘探開發的“龍頭”，此話形象生動地道出了“鉆頭”在鉆探開發中的重要地位[1]。隨著我國人造金剛石技術和粉末冶金技術的發展，于1963年成功在六面頂液壓機上合成金剛石，緊隨其后在1969年制造出孕鑲人造金剛石鉆頭，據統計，孕鑲金剛石地質鉆頭的年產量已超過10萬只，年鉆探量達數百萬米[2]。孕鑲金剛石鉆頭因其在地質鉆探、石材加工和建筑等領域的廣泛應用，而深受科研工作者們的關注。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進性能主要由金剛石參數、胎體耐磨能力、巖石性質及所選用的鉆進規程決定。為了提高孕鑲金剛石鉆頭的鉆進性能，國內外科研工作者深入研究了金剛石參數對其的影響。在金剛石的粒徑、品級和濃度三個參數中，粒徑又扮演著舉足輕重的角色[3-4]。評價分析鉆頭的鉆進性能時，需要綜合考慮多個因素，包括：機械鉆速、總進尺，金剛石的出刃數目及密度和金剛石磨損與脫落的情況等。

　　本文選用了金剛石粒徑為0.5mm、0.5mm和0.8mm混合、0.8mm和1.1mm混合的三個孕鑲金剛石鉆頭進行微鉆實驗。

　　1實驗部分

　　1.1實驗設備

　　LWZ-1型微鉆實驗臺、VISION1000數字顯微鏡工作站、WYY型壓入硬度儀、INSTRON-1346型電液壓伺服材料試驗機

　　2實驗數據與分析

　　模擬現場鉆探條件，以花崗巖為鉆進對象，分別對1#（金剛石粒徑0.5mm）、2#（金剛石粒徑0.5mm和0.8mm混合，各占50%）和3#（金剛石粒徑0.8mm和1.1mm混合，各占50%）鉆頭進行多回次鉆進，單回次鉆進約150mm，直至各鉆頭鉆進困難為止。

　　選取最佳的鉆進規程，通過微鉆平臺，對3個鉆頭進行性能評價。3#鉆頭表壓從60kgf/cm2至105kgf/cm2呈現小幅增大。在鉆進過程中1#、2#和3#鉆頭的最大鉆速分布為5.51m/h、7.61m/h和4.68m/h，最小鉆速分別為0.92m/h、0.33m/h和0.82m/h。從表5各鉆頭的鉆進結果可知，金剛石粒徑最小的1#鉆頭平均機械鉆速最大，達2.44m/h，2#和3#鉆頭次之，分別為2.1 m/h和2.13 m/h。且1#和2#鉆頭的總進尺遠大于金剛石0.8mm和1.1mm粒徑混合的3#鉆頭。表明小粒徑的孕鑲金剛石鉆頭鉆速快，小粒徑或與中等粒徑混合的孕鑲鉆頭進尺大，說明在孕鑲金剛石鉆頭鉆進上述花崗巖的過程中，金剛石粒徑小的孕鑲金剛石鉆頭表現出更好的鉆進性能。

　　在單回次鉆進過程中鉆速表現為波形變化的原因是多方面的，去除巖石和鉆進規程的變化，還有鉆頭的變化。金剛石鉆頭工作層上的金剛石在鉆進時是以換層的形式磨損的，金剛石每磨損一層，鉆頭鉆進性能就出現回程的變化，鉆頭鉆進的每個回次中金剛石出露率和鉆頭鉆速都是不斷變化的[4]，因此，實際研究中多采用平均鉆速來評價鉆頭的宏觀性能，而非單回次的鉆速。

　　2.2各鉆頭鉆進后胎體唇面分析

　　可以看出，0.5mm小粒徑金剛石的1#鉆頭胎體唇面，有較多的蝌蚪狀支撐體，金剛石分布均勻密集，顆粒小而多，出刃好，密度大，增加了金剛石壓入巖石的作用點，鉆進后金剛石脫落少，說明胎體對金剛石的包鑲能力好，提高了鉆頭的整體性能。

　　由圖7可知，金剛石粒徑采用0.5mm和0.8mm混合的2#鉆頭胎體唇面，金剛石分布較均勻密集，出刃較好，與1#鉆頭相比，顆粒較大較少，密度也相應降低，有小塊的無金剛石空白區，金剛石脫落數量大，且出現了少量的金剛石脫落后的連續區塊。金剛石的出刃密度和胎體對金剛石的包鑲能力都較1#鉆頭差，所以2#鉆頭的鉆進性能低于1#鉆頭。

　　由圖8可以看出，金剛石粒徑采用0.8mm和1.1mm混合的3#鉆頭胎體唇面，金剛石分布不均且稀少，出刃較差，密度低，明顯地出現了大片的無金剛石空白區和拉槽現象。胎體對金剛石的包鑲遠弱于1#和2#鉆頭，金剛石的脫落數量多，使得鉆頭過早的失效，較之1#和2#鉆頭，性能明顯降低。

　　從以上實驗的數據和分析可以看出：小粒徑或中小粒徑混合的孕鑲金剛石鉆頭在鉆進花崗巖的過程中表現出較好的優越性。

　　3金剛石粒徑對孕鑲金剛石鉆頭性能的影響

　　金剛石和胎體材料構成了孕鑲金剛石鉆頭的工作層，兩者共同影響鉆頭的整體性能，金剛石壓入切削和破碎巖石，胎體材料包鑲支撐金剛石。

　　3.1金剛石的出刃對鉆頭性能的影響

　　金剛石出刃前，巖石僅磨損胎體。金剛石出刃后，出刃大小在零和臨界值之間變化，達到臨界值后金剛石失效，表現為剝蝕、剪斷或脫落，然后繼續磨損胎體，新的金剛石出刃，失效，如此循環[5]。說明提高金剛石出刃至失效前的鉆進效率可提高鉆頭的鉆進性能。

　　在孕鑲金剛石鉆頭的井底破巖過程中，鉆頭唇面上瞬時出刃的金剛石數目是隨機的，金剛石對井底的實際覆蓋系數是其在胎體唇面濃度的函數。金剛石的濃度越大，其覆蓋系數越大，而覆蓋系數直接與破巖效率相關。通常情況下，等量的金剛石在孕鑲鉆頭胎體上，粒徑越小，其唇面分布濃度越大[6]，如1#鉆頭。

　　胎體唇面上金剛石的出刃數目與金剛石濃度正比，與金剛石的粒徑成反比。所以金剛石粒徑越小，等量的金剛石在胎體唇面的顆粒越多，出刃密度越大，這也與實驗相符。胎體唇面上出刃的金剛石，其出刃值在零與臨界值之間隨機分布，因此，出刃的金剛石越多，這種隨機分布的寬度越大，相當于延長了金剛石鉆頭的鉆進時間，有利于提高鉆頭的使用壽命。在本文實驗中，1#和2#鉆頭金剛石粒徑相對較小，鉆頭的使用壽命長。

　　考慮單顆金剛石的使用壽命，假定金剛石的出刃高度為其直徑的1/3時失效[7]，那么粗粒徑的金剛石失效后的體積明顯較小粒徑金剛石大，結果使得在金剛石濃度一定的情況下，未發揮鉆進作用的金剛石的量變大，表現為進尺小。實驗表明3#鉆頭的金剛石粒徑大，進尺小。

　　另外，在出刃的金剛石中，并非所有的金剛石處于工作狀態，參與工作的金剛石比例與鉆頭結構和金剛石參數有關，據文獻[8]報導這一比例在10%左右。如果按這一比例計算，1#、2#和3#鉆頭出刃并參與工作的金剛石數目分布為18顆、7顆和4顆，2#和3#鉆頭工作的金剛石數目明顯低于1#鉆頭，鉆速低。

　　3.2金剛石與胎體的磨損對鉆頭性能的影響

　　孕鑲金剛石鉆頭中金剛石與胎體的磨損主要有三種：研磨性磨損、粘附性磨損和沖蝕性磨損。其中，研磨性磨損是物理摩擦學研究的對象，充足的液量可以避免粘附性磨損，近期，科研工作者們開始對沖蝕性磨損的研究產生興趣[7]。從磨損機理的角度來說，金剛石的磨損還包括疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損[9,10]。K.Thuro[11]認為沖蝕性磨損與金剛石的濃度和粒徑有關，當金剛石濃度確定時，沖蝕性磨損與金剛石的粒徑成正比。金剛石濃度越低，沖蝕性磨損越大，此時與金剛石粒徑無關。本文實驗中3#鉆頭粒徑大，密度小，沖蝕性磨損大于1#和2#鉆頭，鉆頭性能下降。

　　從載荷的角度來說，出刃的金剛石首先與巖石接觸，金剛石在鉆頭鉆進過程中承受主要載荷。因此，胎體唇面上金剛石密度越大，越有利于減少載荷對耐磨性差的胎體的作用，保護胎體過早磨損，提高鉆頭的整體耐磨性，從而延長鉆頭的使用壽命。與此同時，粒徑越小，胎體唇面上的金剛石密度越大，分布越密集，分散至單顆金剛石承受的力也小[5]，避免了單顆金剛石壓力過大而發生脆性破碎。同時，金剛石的抗壓強度和沖擊韌性值越高，其工作時破碎斷裂的可能性越小，金剛石工具的磨削性能越好[12]。

　　在金剛石作水平運動承受彎曲載荷時，粗粒徑的金剛石承受較大的彎曲載荷，同時，粗粒徑金剛石切入巖石的深度比小粒徑鉆頭大，更易發生微破碎和脆性破裂。當選用的金剛石粒度過粗，金剛石鉆頭鉆進一段時間后，金剛石的尖部一旦磨平，使金剛石與巖石的接觸面積增大，降低了金剛石刻取巖石的單位面積壓力，減少了金剛石每次切人巖石的深度，從而降低鉆速[13]，本文實驗中，3#鉆頭金剛石粒徑大，鉆速低，進尺小，過早的出現鉆進困難的現象。

　　金剛石的磨損因破巖所致，主要經歷初期形態、局部微破碎狀態、大面積或整體破碎狀態、拋光狀態、脫落狀態等[14,15]，而胎體的磨損由胎體唇部間隙中未及時排出的巖粉引起[5]，如圖9所示[16]。小粒徑金剛石，在胎體唇部分布密度大，覆蓋唇面面積大，間隙少而小，相比粗粒徑金剛石，降低了巖粉對胎體的研磨，提高了胎體的壽命。實驗中，1#鉆頭和2#鉆頭粒徑較3#鉆頭小，純鉆時間長，進尺大。在粉末冶金中，胎體的硬度和耐磨性成正比[17]，故適當提高硬度也可增強胎體的磨損性。

　　巖屑的體積與參加切削的金剛石粒徑關系密切，通常情況下，金剛石的粒徑越大，破碎的巖屑體積也越大[5]，而體積大的巖屑又加重了對金剛石和胎體的研磨，降低了金剛石和胎體的進尺時間，3#鉆頭的金剛石粒徑大，純鉆時間短，縮短了鉆頭的使用壽命。

　　此外，在單粒金剛石的破巖機理中，A.A.格里菲斯指出：脆性玻璃破裂是由于應力集中在玻璃內部和玻璃表面微裂隙而引起的。因此在破巖過程中，這種微小裂隙不斷發展擴大，裂隙經歷了從微小裂隙變為小裂隙再變為大裂隙直至巖石斷裂的過程。而孕鑲金剛石鉆頭胎體唇面的金剛石壓入巖石的前提是，金剛石的粒徑小于或等于這種裂隙的大小。因此，粒徑小的金剛石，首先壓入巖石材料的缺陷處，形成微裂紋。并且，金剛石在唇面的分布密度越大，這種壓入的幾率增加，提高了破巖的效率，機械鉆速大，1#鉆頭粒徑最小，機械鉆速最大。

　　單一粒徑的金剛石孕鑲鉆頭適用于鉆進礦物粒徑均勻的巖石，反之亦然[18]。實驗所鉆進的花崗巖粒度分布寬度適中，單一粒徑的1#鉆頭鉆速和進尺均很好，混合粒徑的2#鉆頭進尺大，但鉆速低。

　　4結論

　　通過對浠水花崗巖進行微鉆實驗和鉆進情況的分析探討，可以得出以下結論：

　　（1）當胎體中金剛石濃度相同時，金剛石的出刃數量和密度與金剛石的粒徑成反比，本實驗中0.5mm的小粒徑金剛石出刃數量和密度較好；

　　（2）在本文鉆進浠水花崗巖的研究中，采用金剛石粒徑為0.5mm或0.5mm和0.8mm混合的金剛石鉆頭，鉆進時間長，進尺大；

　　（3）當鉆進本文花崗巖巖樣時，金剛石粒徑為0.5mm的孕鑲金剛石鉆頭平均機械鉆速最大；

　　（4）在本文研究中，金剛石粒徑為0.5mm比0.8mm和1.1mm混合的孕鑲金剛石鉆頭，鉆進浠水花崗巖時表現出更好的鉆進性能。

　　影響孕鑲金剛石鉆頭鉆進性能的因素十分復雜，本文的結論及分析僅建立在以花崗巖為