程 敏

（鄂州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 鄂州 436000）

水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題

程 敏

（鄂州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 鄂州 436000）

目前，關(guān)于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭有一定的研究，但對于水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的研究很少。本文總結(jié)了一些水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)分析了目前水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭研究存在的問題，期望對今后水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用孕鑲金剛石鉆頭的研制提供一定的參考價值。

水平；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；金剛石鉆頭

1 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及鉆頭

1.1 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是以液力或氣力驅(qū)動靠近孔底的沖擊器，產(chǎn)生沖擊載荷，同時由地面機(jī)構(gòu)施加軸向壓力和回轉(zhuǎn)扭矩，以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的鉆進(jìn)方法。

1.2 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)分為液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和氣動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。一般沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭也分為液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭和風(fēng)動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭兩類。

1.2.1液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭

1）硬質(zhì)合金鉆頭。

硬質(zhì)合金鉆頭主要有普通八大角硬質(zhì)合金鉆頭、長片狀肋骨式硬質(zhì)合金鉆頭、異形硬質(zhì)合金鉆頭等。江蘇省地質(zhì)局第一地質(zhì)隊設(shè)計的Φ91長方片液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭，是在鉆頭體上對稱焊接4塊YG8C牌號K115型硬質(zhì)合金，出刃大，刃部長，通水截面大，平均機(jī)械轉(zhuǎn)速1.2m/h。

2）球齒鉆頭。

根據(jù)不同的巖石情況，球齒鉆頭可以選用不同的結(jié)構(gòu)。用碳化鎢硬質(zhì)合金制造球齒，分為半球形和彈道形。一般情況下，半球形的球齒用于堅硬研磨性巖石和堅硬破碎性的巖石破碎，有較好的保徑作用。彈道形的球齒則用于中硬均質(zhì)巖石，在軟或粘滯性巖石中鉆進(jìn)有較高的鉆速。有時還可以混合使用這兩種球齒，把半球形的球齒鑲于鉆頭唇面外面，而把彈道的形球齒鑲于唇面中間，這種鉆頭兼顧有以上兩種形狀球齒的優(yōu)點［1］。

和硬質(zhì)合金球齒釬頭相比，還有一種聚晶球齒釬頭。它的硬度要比硬質(zhì)合金球齒釬頭高出3～5倍，抗磨損能力多出100%，抗壓能力多出115%，特別適用于深孔鉆井，減少提鉆次數(shù)［2］。

3）金剛石鉆頭。

它是近十幾年來使用最多的一種鉆頭。吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的JCT型金剛石液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭，在四川、河南和廣東等礦區(qū)的8～10級地層鉆進(jìn)，平均機(jī)械轉(zhuǎn)速2.83m/h。

1.2.2 風(fēng)動沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭

空氣錘鉆頭，又叫沖擊鉆頭或平底鉆頭，是以沖擊為主、回轉(zhuǎn)為輔聯(lián)合作用來破巖。鉆頭唇面不僅要承受沖擊器的高頻沖擊載荷，而且還要承受巖石的剪切反力。

1970年國內(nèi)外開始大力開發(fā)金剛石增強(qiáng)齒技術(shù)［3］。目前已經(jīng)應(yīng)用到了空氣錘釬頭上。在釬頭體中加入一些碳化鎢，金剛石復(fù)合片加上表面，鉆頭齒的頂部加入一層金剛石聚晶，緊接著的是兩層金剛石或硬質(zhì)合金合成的過渡層，這樣就形成了金剛石增強(qiáng)齒平底釬頭，既能降低鉆具的要求，又能井眼更平滑，同時鉆井成本也降低了。

1.3 其他沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭

中國地質(zhì)大學(xué)楊展［4］采用碳化鎢、碳化鈦和YG8作為胎體硬質(zhì)相，不僅提高了胎體的耐磨性而且還提高了金剛石的出刃效果。通過多次的試驗與研究，取得了研究沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭胎體的基本而又有價值的成果。并在此基礎(chǔ)上研究與試制了鋼結(jié)硬質(zhì)合金胎體沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)金剛石鉆頭。通過福建某礦區(qū)的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗顯示平均鉆進(jìn)時效達(dá)到2.29m/h，平均使用壽命達(dá)到63.82m。鉆頭設(shè)計與試驗達(dá)到了預(yù)計的目的。

吉林大學(xué)王秋雯［5］等設(shè)計、制造了一種用CVD金剛石條作為硬支點材料的新型孕鑲金剛石鉆頭。設(shè)計了CVD金剛石條的尺寸、數(shù)量及在鉆頭胎體上的排列方式。根據(jù)被鉆巖樣的可鉆性及研磨性，設(shè)計了鉆頭胎體硬度、金剛石粒度、濃度及鉆頭結(jié)構(gòu)。采用中頻感應(yīng)熱壓法制造了Φ59mm硬支點孕鑲金剛石鉆頭，并進(jìn)行了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗。試驗結(jié)果表明：硬支點鉆頭的鉆進(jìn)效率、抗沖擊性能均優(yōu)于軟支點孕鑲金剛石鉆頭；與純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗相比，鉆頭的平均時效更高，達(dá)2.84m/h，且鉆進(jìn)性能更加穩(wěn)定。

除了以上鉆頭，在實際沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，現(xiàn)在使用最多的是和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)使用一樣的普通的人造孕鑲金剛石鉆頭。

2 水平鉆進(jìn)及鉆頭

水平鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史。水平鉆進(jìn)在煤礦井下鉆進(jìn)、金屬礦山坑道鉆探中、石油鉆井和非開挖鉆進(jìn)都有用到。

從1975年開始，西德在煤礦采區(qū)勘探時就進(jìn)行了長距水平鉆進(jìn)的研究工作。使用金剛石鉆頭，采用穩(wěn)定器，鉆進(jìn)效果明顯。

談耀麟指出，鉆進(jìn)水平孔段時采用鑲有保徑切削刃的聚晶金剛石鉆頭，具有很好的鉆進(jìn)效果，而且提高了機(jī)械鉆速，延長了使用壽命。

烏效鳴等提出水平鉆進(jìn)用硬質(zhì)合金鉆頭時的問題。在鉆進(jìn)過程中為了保直鉆進(jìn)，粗徑鉆具與孔壁之間的間隙應(yīng)盡量地小。鉆頭的外出刃就決定著這個間隙的大小。經(jīng)過過試驗研究，外出刃合理的量取應(yīng)是2～3mm［6］。

3 水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及鉆頭

水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)是在水平鉆進(jìn)硬巖的過程中發(fā)展起來的，是在鉆進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)械化程度越來越高的情況下得到發(fā)展的。氣動沖擊器設(shè)備及其工藝方法的創(chuàng)新發(fā)展，使其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，尤其在工程施工領(lǐng)域，已延伸到錨固工程，大直徑基巖嵌巖樁施工，以及鋪設(shè)水平地下管線施工，坑道圍護(hù)工程的管棚施工等［7］。

在水平鉆進(jìn)、定向井和非開挖領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的是空氣錘，這方面處于領(lǐng)先水平的是美國。目前世界上先進(jìn)的空氣錘和鉆頭可鉆直徑89～1100㎜，并擁有全系列覆蓋層鉆進(jìn)系統(tǒng)以及用于水平孔的環(huán)狀沖擊式鉆進(jìn)系統(tǒng)?？諝忮N在美國、日本、英國、加拿大等國人口密集處安裝水平天然氣管線時鉆水平孔排水孔進(jìn)行了大量的工程應(yīng)用均取得非常好的效果［8］。

江西良礦鉆探隊在某金礦井巷施工時，使用冶金地質(zhì)探礦技術(shù)研究所研制的適于水平孔的小口徑TK-35A沖擊器，用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法，選用硬胎體金剛石鉆頭成功地突破了硬巖打滑難關(guān)，平均時效良好。

4 存在問題

目前，水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭與垂直/常規(guī)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭類似，只不過要考慮水平鉆進(jìn)的特點，總結(jié)存在下列問題：

4.1 巖屑的排除

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑顆粒較粗，很容易將鉆頭的水口堵塞，使水流不暢通，產(chǎn)生背壓，不利于鉆進(jìn)。

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)水平孔段時，除了水平孔的特殊結(jié)構(gòu)外，由于沖擊載荷的作用，破碎的巖石更多，巖屑集結(jié)在水平孔段的低邊，會引起很大阻力，甚至可能造成卡鉆。因此，巖屑的排除更應(yīng)該考慮，采用金剛石鉆頭和平滑連接的鉆桿柱比采用大切削具鉆頭和接箍連接的鉆桿柱更有利于巖屑的清除［9］。

4.2 鉆具的重力

潛孔錘鉆進(jìn)水平孔，由于潛孔錘、鉆頭和鉆桿的重力作用，鉆孔易彎曲。影響孔斜的關(guān)鍵因素是鉆具的重力（潛孔錘和鉆頭），它使鉆孔在垂直平面內(nèi)下沉；而這一重力又是無法避免的。鉆頭、鉆具在重力作用下產(chǎn)生下沉，與孔壁下方接觸產(chǎn)生摩擦力，使鉆孔方位偏斜。偏斜又容易造成巖屑排除的問題。

4.3 鉆頭唇面形狀

鉆頭的底部形狀不僅與鉆孔的孔斜有關(guān)，還與凹心鉆頭在鉆進(jìn)時因前部中間有一凸起巖石，對鉆頭起到扶正作用，有利于防斜。

由于重力作用的影響，水平孔鉆進(jìn)使用人造孕鑲金剛石鉆頭時，外徑的磨損比直斜孔的磨損要大，而且?guī)r粉容易掉落堆積在鉆頭的下孔壁，再加上鉆頭拉送鉆具的過程，更增加了鉆頭胎體外徑的磨耗。在鉆具內(nèi)管、卡簧座和巖心的下垂作用，造成鉆頭內(nèi)徑損傷。由于上述的一些原因，會使胎體和鋼體的連接強(qiáng)度降低，造成胎體脫落或胎體部分脫落［9］。

4.4 沖擊功大小的影響

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，沖擊功的大小事決定破碎巖石效果的根本條件。然而沖擊功越大越會影響到金剛石鉆頭的性能。鍍膜的金剛石，由于晶粒缺陷得到被鍍金屬的補強(qiáng)，再加之金屬膜的作用，其脆性減小，抗沖擊韌性相對有所提高［10］。

4.5 節(jié)約鉆進(jìn)成本的考慮

在鉆遇硬巖、破碎或結(jié)核底層時，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)使用的硬質(zhì)合金和PDC鉆頭消耗量大，而沖擊回轉(zhuǎn)所用的釬頭則壽命較長，且單價較低。因此設(shè)計低成本的孕鑲金剛石鉆頭很有必要。

5 結(jié)語

有了目前水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭研究存在問題的分析，對今后水平?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用孕鑲金剛石鉆頭的研制能提供一定的參考價值。

［1］談耀麟.潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展水平［J］.探礦工程，1995.10：30.

［2］朱海燕，等.空氣錘釬頭現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（9）：17.

［3］耿瑞倫.國外空氣潛孔錘鉆頭設(shè)計與效果［J］.探礦工程譯叢，1998（3）：126.

［4］楊展.鋼結(jié)硬質(zhì)合金胎體沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)金剛石鉆頭研究.

［5］王雯秋.CVD金剛石強(qiáng)化孕鑲金剛石鉆頭的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2011.1：6.

［6］烏效鳴，等.水平鉆進(jìn)橫穿公路的定向技術(shù)研究［J］.探礦工程，2000.4：63.

［7］菅志軍，等.沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)新發(fā)展［J］.地質(zhì)與勘探，2003.5：79.

［8］唐俊，等.空氣錘發(fā)展和應(yīng)用研究［J］.石油礦場機(jī)械，2013.11：19.

［9］鄧夢春，樊臘生.潛孔錘鉆進(jìn)水平錨索孔的防斜技術(shù)［J］.探礦工程.1999（增刊）.99-5457：391

［10］楊凱華.新型金剛石工具研究［M］.地質(zhì)出版社，2000：37.

程敏（1979—），湖北鄂州人，鄂州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，講師，碩士，從事超硬材料及其工具的教學(xué)與研究工作。