黎立朝，牛明遠(yuǎn)

新疆煤田地質(zhì)局一六一隊(duì)（830009）

高時(shí)效金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀

黎立朝，牛明遠(yuǎn)

新疆煤田地質(zhì)局一六一隊(duì)（830009）

在金剛石鉆頭應(yīng)用研究過程中，高效率與長(zhǎng)壽命經(jīng)常是互相矛盾的，為協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，研究者往往把如何提高鉆進(jìn)時(shí)效作為首要解決的問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了多方面的研究，如金剛石鉆頭人工出刃處理、優(yōu)選金剛石參數(shù)、改變胎體耐磨性，以及研制出各種異形唇面鉆頭和弱包鑲金剛石鉆頭。

金剛石；鉆頭；研究現(xiàn)狀

1 優(yōu)選金剛石參數(shù)

金剛石靜抗壓強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱強(qiáng)度）直接影響鉆頭的鉆進(jìn)效果，金剛石強(qiáng)度越高，能承受的鉆壓越大，鉆進(jìn)效率越高。但并不是說金剛石的強(qiáng)度越高越好,因?yàn)椴坏紤]金剛石的單價(jià)問題，還要考慮所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，因此必須綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

金剛石濃度在鉆頭的技術(shù)參數(shù)中是最敏感的一個(gè)，每一類巖層都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的最佳濃度值。改變金剛石濃度的方法較多,粒度相同時(shí)直接增加或減少胎體中的金剛石含量；也可以在相鄰兩個(gè)扇形塊采用不同粒度金剛石（金剛石含量相同），即改變了兩個(gè)扇形塊之間的金剛石面密度[1]。

2 改變胎體耐磨性

目前，電鍍金剛石鉆頭的胎體一般都采用鎳—鈷合金，其對(duì)金剛石的包鑲效果好,具有較高的強(qiáng)度和一定的耐磨性能，對(duì)大部分巖石有較好的適應(yīng)性，但對(duì)于堅(jiān)硬致密且研磨性極強(qiáng)的地層，胎體消耗很快。如果通過改變合金中鎳鈷的比例來提高合金硬度，那么胎體脆性也會(huì)跟著增加，雖然耐磨性隨著硬度的提高而增強(qiáng),但在摩擦磨損中其脆性破碎也會(huì)隨硬度的提高而增加，所以，鉆頭壽命并沒有明顯提高。

Huadong Ding等將3種具有不同耐磨性的扇形胎塊交錯(cuò)分布在鉆頭剛體上，制造出一種非均質(zhì)胎體金剛石鉆頭。該鉆頭具有適用性廣的特點(diǎn),但是當(dāng)其中一種胎塊的耐磨性和所鉆巖石的研磨性相適應(yīng)時(shí),其他兩種胎塊的磨損則表現(xiàn)出不正常，這勢(shì)必會(huì)影響到鉆進(jìn)效率。宋月清等結(jié)合切割弱研磨性石材的需求,提出了金剛石工具胎體材料性能“弱化”的概念，通過工藝控制法、添加劑法以及粗化晶粒法弱化胎體的耐磨性、粘滯性等性能，可以提高金剛石工具的切割速度及壽命。楊建新在生產(chǎn)實(shí)踐過程中總結(jié)出可選用軟胎體、低濃度的金剛石鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性巖石,鉆進(jìn)效果好。

3 異型唇面鉆頭

異型唇面鉆頭具有較高的鉆進(jìn)效率，究其原因:一方面減少了鉆頭底唇面上金剛石的鑲嵌面積,在所加鉆壓一定時(shí)，金剛石軸向荷載增加，有利其壓入切削巖石；另一方面，減少鉆頭底唇面積的同時(shí)增加了刻取巖石的自由面,由單純研磨（磨削）破碎巖石變?yōu)槟ハ骷訑D壓碎巖，有利于提高鉆進(jìn)效率。趙爾信提出了金剛石鉆頭唇面的設(shè)計(jì)原則并指出了各種異型唇面的特點(diǎn)。李大佛、劉廣志等鉆探工作者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐設(shè)計(jì)并制作了多種異型鉆頭。

3.1 高低鋸齒型電鍍鉆頭

該鉆頭特點(diǎn)是設(shè)計(jì)有高低兩排鋸齒,并且每個(gè)鋸齒有13°的斜角，高低鋸齒分別先后參加工作。從理論上分析，這種設(shè)計(jì)思想能達(dá)到提高鉆進(jìn)時(shí)效的目的,但實(shí)際上這種高低鋸齒金剛石鉆頭的使用效果有限,因?yàn)殚_始是高鋸齒破碎巖石，鉆進(jìn)時(shí)效能得到提高，隨著斜角的逐漸磨平，高鋸齒磨損低鋸齒參加工作，金剛石上產(chǎn)生破碎巖石的壓力隨著底唇面與巖石接觸面積增大而減少，鉆進(jìn)效率降低。

3.2 唇面交錯(cuò)型電鍍鉆頭

該鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鉆頭底唇面僅約35%的面積用于刻取巖石，與普通鉆頭相比，在鉆壓和轉(zhuǎn)速相同條件下，每一顆金剛石軸向荷載增加，有效提高切入巖石深度。胎體底唇面徑向上約26%的面積是空白部分,這部分巖石是依靠相鄰兩個(gè)扇形塊側(cè)面擠壓破碎的，擠碎的巖屑顆粒較大，有利于磨銳鉆頭使金剛石出刃。

3.3 尖齒鉆頭

尖齒鉆頭能夠減少鉆頭徑向擺動(dòng)穩(wěn)定鉆具，有效防止孔斜。劉廣志、徐曉軍等分別設(shè)計(jì)了交錯(cuò)型尖齒鉆頭、同心圓尖齒鉆頭。這類鉆頭在鉆進(jìn)初期能獲得較高鉆進(jìn)時(shí)效，但是鉆進(jìn)一段時(shí)間后，尖齒磨損，鉆進(jìn)時(shí)效便急劇下降，而且該類尖鉆頭制作過程中燒結(jié)模具加工困難。楊俊德、蔣青光等分別設(shè)計(jì)了一種新型自形成同心圓尖齒鉆頭。楊俊德等將高濃度、低濃度和不含金剛石三種工作層分別按順序放入胎塊模具中，冷壓成型，再將成型的胎塊放入鉆頭模具中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。該鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是金剛石在胎體中呈非均勻狀態(tài)分布。鉆頭在磨損前是圓弧或平底型，一旦開始鉆進(jìn)，不含金剛石層首先磨損，胎體形成兩槽三刃同心環(huán)齒，減少了底唇面接觸面積，提高了鉆進(jìn)時(shí)效。

4 弱包鑲金剛石鉆頭

張紹和等人[2]為解決鉆頭鉆進(jìn)過程中金剛石顆粒不能有效出刃和脫落的問題，利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制作出一種弱包鑲強(qiáng)耐磨性胎體鉆頭。其制作工藝如下:首先用機(jī)械的方法在金剛石表面包裹一層弱包鑲粉末，使其?；欢髮玫慕饎偸w粒與強(qiáng)耐磨胎體粉料混合均勻,再進(jìn)行裝模燒結(jié)。由于一層強(qiáng)度較低、粘結(jié)較差的弱包鑲層存在于胎體與金剛石之間，從而減弱了胎體對(duì)金剛石的包鑲能力，使得金剛石顆粒在胎體磨損不是很大的情況下,就會(huì)從胎體中自行脫落下來，實(shí)現(xiàn)了金剛石的換層，而脫落的金剛石顆粒在胎體和巖石之間充當(dāng)了硬質(zhì)磨料,加速了胎體的磨損和巖石的破碎。這種弱包鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密弱研磨性地層時(shí)較普通鉆頭取得了較好的鉆進(jìn)效果,平均時(shí)效為2.8 m/h。

楊凱華等提出利用電鍍法制作弱包鑲金剛石鉆頭，膠粘劑、覆膜粉料有待進(jìn)一步優(yōu)選。方小紅等借鑒熱壓法制作弱包鑲金剛石鉆頭的思路,利用電鍍法進(jìn)行了弱包鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)與研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:弱包鑲金剛石含量、磨料種類、磨料粒度對(duì)鉆進(jìn)時(shí)效的影響依次降低。張紹和等也利用電鍍的方法制造出弱包鑲金剛石鉆頭,通過計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該鉆頭較普通鉆頭在時(shí)效和壽命上都有很大提高。張麗設(shè)計(jì)出一種電鍍二合一型金剛石鉆頭,即由含優(yōu)質(zhì)金剛石的工作層和充填有弱包鑲金剛石或其它人造硬質(zhì)顆粒的視工作層兩部分組成。這為本文研究非均質(zhì)胎體結(jié)構(gòu)提供了思路,但是這種二合一型金剛石鉆頭磨耗大，效果不理想。

[1]湯鳳林,A.T.加里寧,楊學(xué)涵.巖心鉆探學(xué)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1997.

[2]張紹和,魯凡,王殿江,等.弱包鑲強(qiáng)耐磨性胎體鉆頭[J].探礦工程,1997(2):35～36.