孕镶块式高胎体金刚石钻头的研制

王传留，李建军，孙荣军

1.中煤科工集团西安研究院，西安 7100772.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024

孕镶块式高胎体金刚石钻头的研制

王传留1，李建军2，孙荣军1

1.中煤科工集团西安研究院，西安 710077
2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024

为了提高金刚石钻头的时效和寿命，将钎焊法引入到高胎体金刚石钻头的设计和加工中。首先利用热压法加工耐磨性能好的金刚石孕镶块；然后加工自带两层水口和水槽的新型钻头钢体，且两水口之间预留焊接槽；最后采用钎焊法，将金刚石孕镶块焊接到钻头钢体上。野外试验表明，试制的2只Φ75/54.5mm高胎体金刚石钻头，与现场使用的孕镶金刚石钻头相比，钻进效率分别提高41.7%和8.3%，使用寿命分别提高50.4%和32.9%。采用二次钎焊法加工的金刚石钻头，兼顾了热压法的优点，解决了工作层高度过高导致钻头胎体折断、掉块的难题，明显提高了金刚石钻头的使用寿命。

高胎体金刚石钻头；金刚石孕镶块；钎焊法

0 前言

近年来，为了支撑迅速发展的国民经济，国家加大了能源及矿产资源勘探力度。随着钻孔越来越深，地层复杂性越来越大，勘探开发难度逐渐增加，资金和材料的消耗也越来越多，特别是在深孔钻进中更是如此。而作为碎岩先锋的钻头，其结构是否合理、与所钻地层性质是否相适应，直接影响着钻进速度、成孔质量以及勘探成本［1－3］。

目前针对硬地层钻进，普遍采用孕镶金刚石钻头，优点是结构简单、易于加工，其胎体硬度、金刚石浓度等参数可根据所钻岩层性质进行调整。目前加工孕镶金刚石钻头主要采用热压烧结法，受到温度场不均匀、压力传递衰减等工艺因素的限制，其工作层高度一般不超过10mm，大部分为5～7mm。因为工作层高度过高时，孕镶金刚石钻头胎体部分整体强度弱化，使用过程中，容易出现掉块、折断等不良现象。

为解决普通单阶孕镶金刚石钻头使用寿命短、钻进效率低的难题，我国研究者进行了大量的研究，也采用了不同的技术手段，比如研制新胎体配方、改进钻头烧结工艺、设计新的钻头结构、选用高质量的金刚石颗粒等，并取得了一定的成效［4－8］，但尚未取得较大的突破，无论是钻进效率还是钻头寿命，提高的幅度都比较有限。笔者在研究国内外新型金刚石钻头的基础上，提出采用特殊的钢体结构，结合热压工艺，采用二次钎焊法加工高胎体金刚石钻头，以期延长钻头使用寿命，提高钻进效率。

1 孕镶块式高胎体金刚石钻头的设计思路

二次钎焊法原理如图1所示。金刚石孕镶块采用技术成熟的热压烧结法加工，钻头钢体由机械加工完成，并且水口与水槽与钢体为一体，然后采用钎焊法将金刚石孕镶块与钻头钢体焊接到一起。根据金刚石孕镶块的高度，在钢体上可以加工2层、3层等多层水口。

钎焊工艺对高胎体金刚石钻头的加工至关重要，直接决定高胎体金刚石钻头的成败。二次钎焊的工艺流程为：将金刚石孕镶块和钻头钢体进行焊前处理；把厚度0.1～0.2mm的焊片剪成与金刚石孕镶块相同的形状，并与金刚石孕镶块一并放入钻头钢体的焊接槽中；装好焊接定位用的模具；采用火焰或者高频等焊接方法，焊接时轻触金刚石孕镶块，确保焊料充分充填焊缝；必要时，用同材质焊条进行补焊；然后放入保温箱，缓慢冷却至常温［9－11］。

图1 二次钎焊法加工高胎体金刚石钻头原理Fig.1 Schematic of manufacturing high matrix diamond bit by two times braze welding method

二次钎焊法加工的高胎体金刚石钻头的胎体力学性能可以从两方面考虑，即孕镶块力学性能和钎缝强度。孕镶块采用热压法烧结，因材料和工艺技术比较成熟，并镶嵌于钢体之内，所以不会出现掉块、折断等现象；钎焊强度可通过剪切实验进行验证，通过实验发现，孕镶块与钢体之间的钎焊强度主要受焊料和焊缝两方面的影响。钎缝剪切强度为

式中：τ为剪切强度，MP a；8．8 4为由试样剪切面积和单位换算决定的系数，1／mm2；为钎缝剪开时载荷的数值，k N，为5次试验结果的平均值。

通过对比分析，选择含银量为60%的银焊料，钎焊温度不高于720℃，焊缝宽度0.15～0.3mm时，钎缝剪切强度达到160MPa，能较好地满足设计要求［12］。

2 Φ75/54.5mm孕镶块式高胎体金刚石钻头设计

结合现场需要，对Φ75/54.5mm规格钻头进行设计，其结构如图2所示。

根据现场地层情况的前期调研，欲加工2只金刚石钻头进行现场试验。金刚石孕镶块胎体硬度分别为 HRC25～30和 HRC30～35；金刚石浓度为85%；将粒度46目和60目的金刚石按1∶1混合；同时在金刚石孕镶块中植入保径聚晶，每个孕镶块外保径聚晶3粒，内保径聚晶2粒。工作层高度15 mm，非工作层高度6mm，底唇面形状为圆弧形。

图2 Φ75/54.5mm高胎体金刚石钻头结构Fig.2 Structure ofΦ75/54.5mm high matrix diamond bit

根据钻头规格和金刚石孕镶块尺寸加工钻头钢体，其特点是：具有高度不同且相互错开的2层水口，且2层水口具有2mm的重叠；同时在钻头钢体上也加工出了内外水槽，外水槽高2mm，内水槽高3mm，并在2层水口之间加工焊接槽，用以焊接金刚石孕镶块；焊接槽两侧留有一定量的厚度，以补强金刚石孕镶块抗弯强度，防止出现掉块、折断等不良现象；焊接槽的尺寸由金刚石孕镶块尺寸确定。

3 Φ75/54.5mm孕镶块式高胎体金刚石钻头的加工

3.1 钢体加工

钻头钢体外形如图2所示，主要采用机械加工方式完成。其工艺流程如下：选择合适的管材，截成一定的长度；采用车床，加工钻头钢体部分外形尺寸和螺纹；采用铣床，先加工金刚石孕镶块焊接槽，然后加工2层水口，最后加工内外水槽。其中，利用铣床加工金刚石孕镶块焊接槽时，要注意焊接面的光洁度，焊接槽与金刚石孕镶块的形状要匹配，配合间隙应控制在0.3mm以内。

3.2 金刚石孕镶块加工

根据Φ75/54.5mm取心用金刚石钻头公差尺寸要求，确定金刚石孕镶块尺寸参数，然后设计和加工石墨模具；计算各种胎体金属粉末质量，加入硬质合金球进行混料；称取一定质量的混合粉末，与金刚石颗粒进行再次混合，形成工作层粉料；组装模具后，把含有金刚石的胎体粉料装入模具，进行初步压实，然后装入非工作层粉料，并放入保径用的金刚石聚晶；采用限位－热压法烧结，烧结温度980℃，保温时间根据每次烧结数量而定，烧结完成后，放入保温箱缓慢冷却；最后进行清理。金刚石孕镶块底唇面形状容易实现改变，本次加工采用的是圆弧形，还可以改成尖齿形、平底形等［13－16］。加工的金刚石孕镶块如图3所示。

图3 金刚石孕镶块Fig.3 Impregnated diamond block

3.3 焊接

将金刚石孕镶块和钻头钢体焊接表面进行处理，裁剪成厚度0.2mm的焊片，并与金刚石孕镶块一并放入焊接槽中；装好焊接定位用的模具，采用火焰加热，焊接温度700～720℃；焊接过程中，轻触金刚石孕镶块，确保焊料充分充填焊缝；爆料流失严重时，可用同材质焊条进行补充；然后放入保温箱，第2天取出进行后续清理。图4为加工的2只Φ75/54.5mm高胎体金刚石钻头。

4 Φ75/54.5mm孕镶块式高胎体金刚石钻头现场试验

4.1 试验现场情况

试验地点位于青海玉树曲麻莱县，钻孔目的是对通天河上某水坝选址进行前期勘探，试验地层以致密砂岩和板岩为主，含石英夹层，硬度7～9级，研磨性中等偏弱，而覆盖层主要有冲积物、冲洪积物、洪积物及坡积物，以砂卵石为主，厚度3～26m。

图4 Φ75/54.5mm高胎体金刚石钻头Fig.4 Φ75/54.5mm high matrix diamond bit

钻孔深度100m，钻孔结构比较简单，分成两级钻进，即钻穿覆盖层后，进行下套管作业，基岩层进行裸眼钻进。试验设备为XP-2型岩心钻机，冲洗液为清水。钻具组合较为简单，采用了常用的Φ73.0mm单动双管取心钻具，配套Φ50.0mm钻杆。

4.2 试验过程

试验时，采用的钻进工艺参数为：钻压8～12 kN；转速960r/min；泵量10～15L/min。2只Φ75/54.5mm高胎体金刚石钻头交替下入钻孔，进行取心钻进，图5为使用中的高胎体金刚石钻头。观察磨损后的钻头可知，钻头出刃良好，磨损正常，不存在掉块、折断等不良现象，只是钻头内外径比普通孕镶金刚石钻头磨损严重，但不影响使用。图6为现场使用的孕镶金刚石钻头，工作层只有7mm，寿命31.0m。

因钻头试验时，钻孔工作量即将完成，故2只钻头只在最后一个钻孔中进行了试验。据现场统计，2只钻头共钻进79.3m，其中：一只钻头钻进42.1 m，平均钻进效率1.7m/h；另一只钻头钻进37.2 m，平均钻进效率1.3m/h。根据现场统计以前使用的多只普通孕镶金刚石钻头，平均寿命28.0m，平均钻进效率1.2m/h。表1为钻头参数及使用情况对比表。其中：1号代表现场使用的孕镶金刚石钻头；2号和3号代表试制的孕镶块式高胎体金刚石钻头。

4.3 试验结果分析

根据表1的钻头参数和使用情况，可以得出以下结果：

图5 使用中的高胎体金刚石钻头Fig.5 High matrix dimaond bit using

图6 现场用普通钻头Fig.6 Normal diamond bit used

1）1号钻头为现场使用的孕镶金刚石钻头统计值，具有广泛的代表性，孕镶金刚石钻头工作层之所以没有磨完，主要是因为其磨损到一定程度时，水口越来越小，引起了憋泵等不良现象，致使钻头弃用。

2）2号高胎体金刚石钻头工作层磨损了7.3 mm，但其使用寿命比1号孕镶金刚石钻头寿命平均值提高了50.4%，充分体现了高胎体金刚石钻头的优势，并且钻进效率提高了41.7%，这主要是因为降低胎体硬度和金刚石浓度更适用钻进该地层。

3）3号高胎体金刚石钻头仅磨损了6.1mm，但其使用寿命比1号孕镶金刚石钻头寿命平均值提高了32.9%，但其钻进效率仅提高了8.3%，这主要与胎体硬度高有关，胎体硬度高，金刚石颗粒出露慢，钻进效率降低。

表1 钻头参数及使用情况Table 1 Parameters of bit and usage information

4）2号高胎体金刚石钻头工作层磨损量比3号大，主要是因为3号胎体硬度更高，胎体更耐磨，这同时也是3号高胎体金刚石钻头钻进效率远低于2号的原因。可见，根据地层性质，选择正确的钻头技术参数，对于兼顾钻头寿命和效率的提高具有十分重要的意义。

5 结论

1）基于自带多层水口和水槽的新型钢体，利用二次钎焊法加工取心用金刚石钻头，兼顾了热压法的优点，解决了因工作层高度过大而导致胎体折断、掉块的难题，可明显提高金刚石钻头的使用寿命，具有很高的实用价值。

2）焊接工艺对高胎体金刚石钻头的加工至关重要，推荐采用含银量为60%的银焊料，焊缝为0.15～0.30mm。

3）现场试验结果表明，试制的2只Φ75/54.5 mm高胎体金刚石钻头，工作层高度达到15mm，与现场使用的孕镶金刚石钻头相比，钻进效率分别提高41.7%和8.3%，使用寿命分别提高50.4%和32.9%。

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Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block

Wang Chuanliu1，Li Jianjun2，Sun Rongjun1

1.Xi’anResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Xi’an710077，China
2.HydrochinaBeijingEngineeringCorporation，Beijing100024，China

Brazing method was introduced into designing and manufacturing diamond drill bit with high matrix to improve its drilling efficiency and extend its life.Firstly，impregnated diamond blocks with good wear resistance were manufactured by hot pressing method.Then new steel body of drill bit including multilayer nozzles and water way was designed，and the welding grooves were formed between two nozzles.Lastly，the impregnated diamond blocks were welded in the drill bit steel body.The life of diamond drill bit manufactured by welding method was improved obviously.Field experimental results showed that the drilling efficiency of twoΦ75/54.5mm high matrix diamond bits was increased by 41.7%and 8.3%respectively，their lives were improved by 50.4%and 32.9%respectively compared with the conventional one.The two times braze welding method takes the advantage of hot pressing method，solves the breaking and blocking off problem of drilling bit，and improves its life greatly.

high matrix diamond bit；impregnated diamond block；welding method

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205

P634.4

A

王传留，李建军，孙荣军.孕镶块式高胎体金刚石钻头的研制.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1276-1281.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

Wang Chuanliu，Li Jianjun，Sun Rongjun.Development of High Matrix Drill Bit with Impregnated Diamond Block.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1276-1281.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404205.

2013-10-17

国家重大科技专项（2011ZX05041-001）；中煤科工集团西安研究院资助项目（2012XAYQN003）

王传留（1983—，男，助理研究员，博士，主要从事钻头新产品研发及钻探工艺研究工作，E-mail：chuanliu236＠163.com。