深孔钻进金刚石钻头的研制

2013-12-04孙秀梅王建兴刘建福叶兰肃

钻探工程 2013年8期

孙秀梅，王建兴，刘建福，杜绪，叶兰肃，侯林

(河北省地矿局探矿技术研究院，河北三河065201)

随着国内外资源勘探不断向更深推进，对于深孔钻进钻头的要求越来越高，金刚石钻头作为主要碎岩工具，对于钻探效率影响最大，为此对深孔钻进钻头进行了研制和试用。

1 深孔钻进对金刚石钻头性能提出的新要求

深孔钻探所钻穿的地层种类多，地层复杂，涉及多个地质年代所形成的地层，无论从地层类型、岩性、结构形态、力学特性、复杂程度，还是地层压力、内部应力等都各不相同。目前深孔钻进普遍存在的问题有:(1)深部地层岩石结晶度高、硬度大，钻进难度都大幅提高，钻进效率低，胎体保径效果不理想，钻头寿命短;(2)冲洗液循环路线长，采用绳索取心钻进钻具与孔壁环状间隙小，泵压高。孔斜对深孔的影响更大，随着勘探向深部发展，对勘探精度要求不断提高，以往的1.5°～2°/100 m已不能满足要求，目前地质设计部门提出了0.5°/100 m的更高要求。针对上述深孔钻进要求，研究设计新型钻头，以提高钻头适应性和寿命，力图超越传统钻头。

2 主要地层类型及钻头设计研究方向

2.1 坚硬致密弱研磨性岩层

钻进坚硬致密弱研磨性地层有2个难点:(1)钻进时效低。这类岩石石英含量大，其岩石压入硬度一般可达5000 MPa以上，个别甚至高达7000 MPa;造岩矿物细，硅质胶结，颗粒之间结合力大，结构致密，整体强度高。造成钻进时效低。(2)钻头打滑。由于时效低，岩粉少而细，钻头胎体磨损甚微，新金刚石难以出刃，钻头唇面金刚石磨光，发生打滑现象。研究表明，随着孔深增加，岩石围压增加，孔隙度减小，强度逐渐增加，塑性增强，即岩石坚硬致密程度趋于增大。

针对此类地层，解决金刚石出刃和提高时效是深孔用钻头研究的关键。

2.2 中硬～硬的较完整地层

由于岩石不是很硬，钻压能够保证金刚石的比压，钻进以体积破碎为主，同时孔底完整，冲洗液较为畅通，排粉较容易，此类地层钻头设计的目标是提高钻速和寿命。

2.3 破碎和砂卵砾石地层

组成砂卵砾石地层的岩石，多是坚硬的岩浆岩和变质岩。破碎及砂卵砾石层的堆积有一定的自由度，外力作用下卵砾石非常容易转动，造成压力难以达到体积破碎，破碎效率低，孔底不完整，冲洗液上返力低，岩粉不能及时排出，造成大量粗颗粒岩粉及细砂粒在钻头端部重复破碎，内外径磨损量大，钻头消耗快。

此类地层提高钻头胎体耐磨性和增强保径能力是研究关键。

3 深孔钻进金刚石钻头的研制

根据前述深孔钻进对金刚石钻头的要求，本项目从结构改进、金刚石选择与匹配、原材料优选、配方创新、制造工艺优化及针对地层优化性能参数几个方面入手，研制深孔钻进用金刚石钻头。

3.1 钻头结构改进

3.1.1 提高工作层高度

将钻头工作层由6～8 mm提高到15 mm，以有效提高钻头寿命，并设计了架桥式钻头和底喷双层水口钻头(图1)，提高高胎体钻头胎块的抗弯能力。

图1 架桥式钻头和底喷双层水口钻头

3.1.2 加大钻头外径、加宽水口水槽宽度

将钻头外径增大了2～3 mm，赠大水槽宽度和深度，提高冲洗液冷却胎体和携带岩粉能力，以适应深孔绳索取心钻进中钻杆外径与孔壁环状间隙较小，尤其墩粗钻杆墩粗部分间隙更小的环境，减小冲洗液在孔底循环时压力损失和泵压急剧增高现象。

3.1.3 选用阶梯齿形唇面

(1)钻进时形成特殊的孔底形状，增加钻头导向性，防止钻头跑偏引起孔斜。另外这种唇面保持能力强，不易变成凸弧形失去导正防斜能力。

(2)增加破碎自由面，提高切削力和破岩效率。对于完整基岩，能形成孔底岩石尖形环，在钻杆柱旋转时存在一定程度的摆动，促使岩石尖断裂破碎，减小岩石破碎难度。

(3)增加坚硬致密岩层唇面和岩石接触面积，增加参与切削岩石的金刚石颗粒数量，增加唇面和岩石间岩粉量，加快钻头出刃速度;从微切削和磨粒磨损两方面加强破碎效果。

3.1.4 采用复合型保径

(1)保径材料:方形聚晶和大颗粒高强金刚石相结合，方形聚晶提高了聚晶在保径圆周面上的覆盖面积，增强聚晶耐磨性;大颗粒高强金刚石单晶在方形聚晶周围镶嵌，提高钻头胎体耐冲蚀性，增强保径能力。

(2)采用双层高低错落型布置方形聚晶来提高聚晶覆盖率，并防止烧制过程中聚晶移位。

(3)对于破碎和卵砾石的地层，增加内外径的方形聚晶和大颗粒高强金刚石单晶密度。

3.2 金刚石选择与匹配

高强人造金刚石及其粒度级配，是提高钻头寿命和破岩时效的前提，也是钻进坚硬地层的主要手段。

3.2.1 选用高质量金刚石磨料

金刚石品级越高，抗压强度、切削能力、耐磨性、冲击强度、热稳定性越好，晶形越完善。切削效率越高，使用寿命越长。因此提高金刚石单晶的品质是提高钻头性能的重要一环。

3.2.2 根据地层情况运用比压概念配合设计金刚石浓度和粒度

对于坚硬致密岩石，岩石具有极高的压入硬度，每颗参加切削破岩的金刚石都处于强力规程下，承受的钻压高、弯矩大，我们选用较低浓度、较细粒度，减少单位面积唇面上分布的金刚石颗粒数量，增加单粒金刚石上的钻压，即增加比压，同时金刚石出刃较小，易于保留适量岩粉并小颗粒金刚石易于及时脱落为磨粒，与岩粉共同发挥磨粒磨损作用，加大了胎体的冲蚀与磨蚀，提高破岩时效。

对于中硬～硬的地层，采用较高浓度方式配以较粗颗粒为主、较细颗粒为辅的混镶方式。用粗颗粒既能避免单位面积唇面上分布的金刚石颗粒数量过多现象，从而增加比压，又能充分利用粗颗粒金刚石出刃高、切削量大的特点，提高微切削破碎速度，在冲击载荷下更能提高体积破碎效果。而利用细颗粒填充粗颗粒金刚石间空白胎体，不让砂粒进入金刚石间隙冲蚀胎体，来增加胎体耐磨性，适应高时效下大量岩粉对胎体磨耗较严重的情况，从而兼顾寿命与时效同时提高。

对于破碎和卵砾石的地层，由于碎岩以磨削方式为主，同时岩粉不能及时排出，有重复破碎现象，钻头内外径磨损量大，钻头消耗快。我们采用较高浓度方式配以中等粒度为主、小粒度为辅的混镶方式，充分提高单位面积唇面上分布的金刚石颗粒数量，同时提高胎体硬度，提高胎体耐磨性和冲蚀性。

3.3 胎体材料选择与匹配

在传统胎体组分基础上，本项目通过增添新的元素并适当调节胎体配方组分，来降低胎体烧结温度，减少烧结温度对金刚石原有强度的影响，提高胎体对金刚石包镶力和胎体强度。

3.3.1 尽量采用预合金粉末

预合金粉末相对机械混合单粉有烧结温度低，可塑性、耐冲击性好，不易氧化，价格低等优点。国外生产的钻头等金刚石制品多采用标准的预合金粉末。本项目尽量采用预合金粉末作为胎体材料来降低烧结温度，提高胎体性能。

3.3.2 添加碳化物形成元素

添加碳化物形成元素是指在传统配方基础上，适量加入W、Fe、Cr、Ti等金属，使其在钻头烧结过程中与金刚石表面C原子悬挂键结合，形成碳化物层，使胎体和金刚石之间以弱化学键和化学键粘着，增强胎体对金刚石的包镶。实验表明，碳化物形成元素在Cu基合金中能降低Cu合金和金刚石的接触角，降低内界面张力，从而提高粘结力，加固包镶。

(1)增加能形成碳化物的骨架材料组分钨(W)。试验表明，W是强碳化物形成元素，自750℃开始在金刚石表面有WC、W3C3、W4Co2C生成。同时，W和Cu、Co、Ni、Fe等其它粘结金属都有较好的相容性，同时烧结时金刚石和W相互进行化学反应的热力学条件并不苛刻，常规粘结剂的烧结温度均能满足WC生成。W熔点高达3410±2℃，可以作为骨架材料。

(2)增加铁作为胎体的性能调节组分。铁既与金刚石形成渗碳体型碳化物，同时实验表明铁与金刚石的附着功比钴高，还能与其它元素合金化，强化胎体。

(3)提高钴(Co)含量。钴是优秀的粘结剂材料，既能降低钴与金刚石的内界面生长，又有较高的附着功，是铜的10余倍。同时钴与Cu、Mn、Ni、Fe、Zn、Sn、W等其它金属都有较好的相容性，能够满足钻头胎体的韧性。

(4)增加磷(P)元素。磷在714℃时与铜存在共晶反应。在铜合金中磷是最有效、成本最低的脱氧剂，微量磷的存在，可以提高熔体的流动性。磷还能够降低铁基合金的烧结温度，通过添加较高含量的磷可以减弱铁对金刚石的侵蚀作用。

(5)添加稀土元素。有关资料表明，在胎体中添加一定量的稀土元素，可以降低共晶合金的熔点，具有有效地脱氧、脱硫、脱氮作用，能抑制硫、氧、氮的偏析，净化金刚石与胎体界面，降低液态合金对金刚石的接触角，提高材质机械性能，改善金刚石钻头胎体的机械性能。

3.4 针对地层设计适用低温配方

根据上述思路，增减胎体组分，调整组分含量，针对坚硬致密地层、中硬～硬的地层、破碎和卵砾石的地层分别设计了多种低温烧结新配方，分别烧制空白钻头进行烧结试验，进行了硬度和抗弯性的测试;并在空白钻头上局部混合金刚石，试验胎体对金刚石的粘结性能。

烧制和室内试验测试结果表明:(1)新型低温配方烧结温度降低60～70℃，降低了金刚石和聚晶的热损伤;(2)提高了对金刚石的粘接力和包镶力，以及金刚石最大出刃高度，保证了金刚石失效前不脱落;(3)抗弯强度、冲击韧性及与钢体连接强度满足了钻进需要;(4)硬度、耐磨性、抗冲蚀性方面得到提高。

通过优选，确定3个配方用来进行野外试验。

3.5 优化烧结工艺

烧结是钻头制作的关键步骤，包括烧结温度、压力、保温时间、升温和冷却速度，本项目从以下方面优化烧结工艺。

3.5.1 全压增大

加大烧结压力，可以减少粉末颗粒间间隙，提高相互接触面积，提高热传导速度，加快相互扩散速度，提高致密化速度，减少烧结时间。通过加大加厚模具，提高模具强度，使总烧结压力达到20 MPa。

3.5.2 仍采用初压、中压、全压三步加压法

针对原烧结工艺，进行了加压点前移并采用局部连续加压方式。初压在温度升至600℃时加上，数值为全压力的20%～30%，避免初压过大，影响粉末脱气;温度升至塑化点后既开始将压力加至全压的70%，中压在达到塑化开始有体积收缩时加，避免压力滞后有胎体收缩的现象出现，从中压开始温度与压力同步上升;全压在达到最高温度时加，促使胎体致密化的进行。

3.5.3 采用温度与压力同步上升的二次保温工艺

针对中频感应加热集肤效应，外部温度上升快，内部升温慢，选择加中压时进行一次保温保压，在烧结早期温度较低时进行充分的热传递，使被烧结合金尽早内外温度一致，以缩短全温烧结时间;中压保温后采用温度与压力同步上升方式到达全压和全温，再进行一次保温保压烧结。这样能最大程度避免元素聚集和偏析;二次保温减少了金刚石高温期停留时间，提高了金刚石强度。

4 新型深孔钻进金刚石钻头的现场应用及效果

本项目研制的钻头于2012年10月中旬～11月下旬期间在河北省承德市隆化县韩麻营镇大汤头沟矿区ZK2302钻孔开展生产试验，完成试验进尺702.15 m，其中单只钻头最高进尺达313.3 m，时效比同孔其他钻头提高达5%～15%，取得了较好的试验效果。试验应用表明，所研制的钻头是比较成功的。

4.1 矿区概况

大汤头沟矿区隶属承德市隆化县韩麻营镇大汤头沟村，韩麻营镇马虎营村西南6 km，省道经过马虎营村，交通较为便利。矿区位于燕山山脉中段北部，地处承德市与隆化县分界处黑山主峰西侧，海拔750～800 m，地形陡峭，沟谷发育，地表植被覆盖面积达65%以上，覆土厚度不大。年平均气温8℃左右，最高达40℃，最低－29℃，温差变化较大。最大风速为25 m/s。年降雨量500 mm左右，多集中在7～9月份。霜冻期自12月下旬至翌年5月上旬，最大冻土深度1.40 m，最大积雪厚度270 mm。属于比较干燥寒冷的大陆性气候，生活环境、施工条件较差。

矿区位于黑山基性杂岩体西北部边缘，第四系覆盖层薄，但上部地层较为破碎，部分孔段漏失较重，主矿层分布在800～1400 m之间，埋藏较深。杂岩体由斜长岩和苏长岩组成，生成于元古代，两者成侵入关系。斜长岩占80%以上，结构致密坚硬，研磨性较弱，可钻性7级，部分8～9级;苏长岩硬度、研磨性中等，可钻性6级左右;铁矿石可钻性8级。

4.2 钻孔设计及实际钻探情况

地质设计钻孔为直孔，终孔直径＞75 mm，孔深范围在800 m左右，预计见矿深度700 m，钻孔穿过矿层底板30～50 m后方可终孔;提下钻时必须进行水文观测;孔斜≯2°/100 m;第四系覆盖层不要求取心，但基岩面以上5 m开始取心，岩心采取率≮65%，矿层顶底板5 m范围内及矿层岩心采取率≮80%。钻孔实际孔深1403.06 m，实际见矿深度1100 m，前后多次钻遇破碎带，漏失严重，进行多次堵漏工作，施工难度较大。

4.3 设备情况

XY－4B型钻机，AY15型钻塔，BW250型泥浆泵1台(4105柴油机动力)，氧气瓶式自制稳压罐及高压胶管等。

其它:20 kW发电机1台，搅拌机1台，绳索取心绞车1台。

冲洗液:水+水解聚丙烯酰胺。

4.4 生产试验情况及效果

表1 大汤头矿区钻头性能一览表

我院投入试验钻头4个，1个(6号)为底喷双层水口钻头，钻进1.3 m由于孔底岩粉较多发生堵塞憋水而停用。另外3个为架桥型钻头，其中7号钻头由于灌水泥扫孔时间较长，扫孔完毕钻头下入钻孔前工作层还有8 mm，即仅消耗50%，但孔内岩粉沉淀过多造成堵塞，钻头发生非正常损坏;7、8、9号3个钻头共进尺700.88 m，平均使用寿命233.62 m。某厂家钻头共投入6个，其中3号扫孔钻头非正常损坏，仅钻进28.9 m，1个钻进85.9 m尚能继续使用，另外4个正常用完，4个正常用完的钻头共钻进512.87 m，平均使用寿命128.22 m。对比之下我院钻头比同矿区某厂钻头寿命提高82%。另外，统计表明，某厂家钻头平均每百米提下大钻次数为3.42次，我院试验钻头平均每百米提下大钻次数为1.91次，比前者缩短40%以上。提下大钻增多主要原因是取心失败和丈量孔深造成，试验钻头寿命延长也是提下大钻次数减少的重要因素。

钻头试验情况见表2。