水平冲击回转钻进孕镶金刚石钻头的国内外研究现状及存在问题

2014-12-25程敏

山东工业技术 2014年11期

关键词：硬质合金胎体金刚石

程敏

（鄂州职业大学机械工程学院，湖北鄂州 436000）

水平冲击回转钻进孕镶金刚石钻头的国内外研究现状及存在问题

程敏

（鄂州职业大学机械工程学院，湖北鄂州 436000）

目前，关于冲击回转钻进用金刚石钻头有一定的研究，但对于水平冲击回转钻进用金刚石钻头的研究很少。本文总结了一些水平冲击回转钻进用金刚石钻头的研究现状，并详细分析了目前水平冲击回转钻进孕镶金刚石钻头研究存在的问题，期望对今后水平冲击回转钻进用孕镶金刚石钻头的研制提供一定的参考价值。

水平；冲击回转钻进；金刚石钻头

1 冲击回转钻进及钻头

1.1 冲击回转钻进

冲击回转钻进是以液力或气力驱动靠近孔底的冲击器，产生冲击载荷，同时由地面机构施加轴向压力和回转扭矩，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。

1.2 冲击回转钻进用钻头

冲击回转钻进分为液动冲击回转钻进和气动冲击回转钻进。一般冲击回转钻进钻头也分为液动冲击回转钻头和风动冲击回转钻头两类。

1.2.1液动冲击回转钻头

1）硬质合金钻头。

硬质合金钻头主要有普通八大角硬质合金钻头、长片状肋骨式硬质合金钻头、异形硬质合金钻头等。江苏省地质局第一地质队设计的Φ91长方片液动冲击回转钻头，是在钻头体上对称焊接4块YG8C牌号K115型硬质合金，出刃大，刃部长，通水截面大，平均机械转速1.2m/h。

2）球齿钻头。

根据不同的岩石情况，球齿钻头可以选用不同的结构。用碳化钨硬质合金制造球齿，分为半球形和弹道形。一般情况下，半球形的球齿用于坚硬研磨性岩石和坚硬破碎性的岩石破碎，有较好的保径作用。弹道形的球齿则用于中硬均质岩石，在软或粘滞性岩石中钻进有较高的钻速。有时还可以混合使用这两种球齿，把半球形的球齿镶于钻头唇面外面，而把弹道的形球齿镶于唇面中间，这种钻头兼顾有以上两种形状球齿的优点［1］。

和硬质合金球齿钎头相比，还有一种聚晶球齿钎头。它的硬度要比硬质合金球齿钎头高出3～5倍，抗磨损能力多出100%，抗压能力多出115%，特别适用于深孔钻井，减少提钻次数［2］。

3）金刚石钻头。

它是近十几年来使用最多的一种钻头。吉林省地质勘探技术研究所生产的JCT型金刚石液动冲击回转钻头，在四川、河南和广东等矿区的8～10级地层钻进，平均机械转速2.83m/h。

1.2.2 风动冲击回转钻头

空气锤钻头，又叫冲击钻头或平底钻头，是以冲击为主、回转为辅联合作用来破岩。钻头唇面不仅要承受冲击器的高频冲击载荷，而且还要承受岩石的剪切反力。

1970年国内外开始大力开发金刚石增强齿技术［3］。目前已经应用到了空气锤钎头上。在钎头体中加入一些碳化钨，金刚石复合片加上表面，钻头齿的顶部加入一层金刚石聚晶，紧接着的是两层金刚石或硬质合金合成的过渡层，这样就形成了金刚石增强齿平底钎头，既能降低钻具的要求，又能井眼更平滑，同时钻井成本也降低了。

1.3 其他冲击回转钻进钻头

中国地质大学杨展［4］采用碳化钨、碳化钛和YG8作为胎体硬质相，不仅提高了胎体的耐磨性而且还提高了金刚石的出刃效果。通过多次的试验与研究，取得了研究冲击回转钻进钻头胎体的基本而又有价值的成果。并在此基础上研究与试制了钢结硬质合金胎体冲击回转钻进金刚石钻头。通过福建某矿区的冲击回转钻进试验显示平均钻进时效达到2.29m/h，平均使用寿命达到63.82m。钻头设计与试验达到了预计的目的。

吉林大学王秋雯［5］等设计、制造了一种用CVD金刚石条作为硬支点材料的新型孕镶金刚石钻头。设计了CVD金刚石条的尺寸、数量及在钻头胎体上的排列方式。根据被钻岩样的可钻性及研磨性，设计了钻头胎体硬度、金刚石粒度、浓度及钻头结构。采用中频感应热压法制造了Φ59mm硬支点孕镶金刚石钻头，并进行了冲击回转钻进试验。试验结果表明：硬支点钻头的钻进效率、抗冲击性能均优于软支点孕镶金刚石钻头；与纯回转钻进试验相比，钻头的平均时效更高，达2.84m/h，且钻进性能更加稳定。

除了以上钻头，在实际冲击回转钻进过程中，现在使用最多的是和回转钻进使用一样的普通的人造孕镶金刚石钻头。

2 水平钻进及钻头

水平钻进技术的发展已经有几十年的历史。水平钻进在煤矿井下钻进、金属矿山坑道钻探中、石油钻井和非开挖钻进都有用到。

从1975年开始，西德在煤矿采区勘探时就进行了长距水平钻进的研究工作。使用金刚石钻头，采用稳定器，钻进效果明显。

谈耀麟指出，钻进水平孔段时采用镶有保径切削刃的聚晶金刚石钻头，具有很好的钻进效果，而且提高了机械钻速，延长了使用寿命。

乌效鸣等提出水平钻进用硬质合金钻头时的问题。在钻进过程中为了保直钻进，粗径钻具与孔壁之间的间隙应尽量地小。钻头的外出刃就决定着这个间隙的大小。经过过试验研究，外出刃合理的量取应是2～3mm［6］。

3 水平冲击回转钻进及钻头

水平冲击回转钻进技术是在水平钻进硬岩的过程中发展起来的，是在钻进技术迅速发展，机械化程度越来越高的情况下得到发展的。气动冲击器设备及其工艺方法的创新发展，使其应用领域更为广阔，尤其在工程施工领域，已延伸到锚固工程，大直径基岩嵌岩桩施工，以及铺设水平地下管线施工，坑道围护工程的管棚施工等［7］。

在水平钻进、定向井和非开挖领域应用比较广泛的是空气锤，这方面处于领先水平的是美国。目前世界上先进的空气锤和钻头可钻直径89～1100㎜，并拥有全系列覆盖层钻进系统以及用于水平孔的环状冲击式钻进系统。空气锤在美国、日本、英国、加拿大等国人口密集处安装水平天然气管线时钻水平孔排水孔进行了大量的工程应用均取得非常好的效果［8］。

江西良矿钻探队在某金矿井巷施工时，使用冶金地质探矿技术研究所研制的适于水平孔的小口径TK-35A冲击器，用冲击回转钻进的方法，选用硬胎体金刚石钻头成功地突破了硬岩打滑难关，平均时效良好。

4 存在问题

目前，水平冲击回转钻进用钻头与垂直/常规冲击回转钻进用钻头类似，只不过要考虑水平钻进的特点，总结存在下列问题：

4.1 岩屑的排除

冲击回转钻进产生的岩屑颗粒较粗，很容易将钻头的水口堵塞，使水流不畅通，产生背压，不利于钻进。

冲击回转钻进水平孔段时，除了水平孔的特殊结构外，由于冲击载荷的作用，破碎的岩石更多，岩屑集结在水平孔段的低边，会引起很大阻力，甚至可能造成卡钻。因此，岩屑的排除更应该考虑，采用金刚石钻头和平滑连接的钻杆柱比采用大切削具钻头和接箍连接的钻杆柱更有利于岩屑的清除［9］。

4.2 钻具的重力

潜孔锤钻进水平孔，由于潜孔锤、钻头和钻杆的重力作用，钻孔易弯曲。影响孔斜的关键因素是钻具的重力（潜孔锤和钻头），它使钻孔在垂直平面内下沉；而这一重力又是无法避免的。钻头、钻具在重力作用下产生下沉，与孔壁下方接触产生摩擦力，使钻孔方位偏斜。偏斜又容易造成岩屑排除的问题。

4.3 钻头唇面形状

钻头的底部形状不仅与钻孔的孔斜有关，还与凹心钻头在钻进时因前部中间有一凸起岩石，对钻头起到扶正作用，有利于防斜。

由于重力作用的影响，水平孔钻进使用人造孕镶金刚石钻头时，外径的磨损比直斜孔的磨损要大，而且岩粉容易掉落堆积在钻头的下孔壁，再加上钻头拉送钻具的过程，更增加了钻头胎体外径的磨耗。在钻具内管、卡簧座和岩心的下垂作用，造成钻头内径损伤。由于上述的一些原因，会使胎体和钢体的连接强度降低，造成胎体脱落或胎体部分脱落［9］。

4.4 冲击功大小的影响

冲击回转钻进中，冲击功的大小事决定破碎岩石效果的根本条件。然而冲击功越大越会影响到金刚石钻头的性能。镀膜的金刚石，由于晶粒缺陷得到被镀金属的补强，再加之金属膜的作用，其脆性减小，抗冲击韧性相对有所提高［10］。

4.5 节约钻进成本的考虑

在钻遇硬岩、破碎或结核底层时，回转钻进使用的硬质合金和PDC钻头消耗量大，而冲击回转所用的钎头则寿命较长，且单价较低。因此设计低成本的孕镶金刚石钻头很有必要。