如何提高钻进硬岩地层孕镶金刚石钻头的寿命

李东

（辽宁省有色地质局一0四队，辽宁营口 115007）

如何提高钻进硬岩地层孕镶金刚石钻头的寿命

李东

（辽宁省有色地质局一0四队，辽宁营口 115007）

为钻进硬岩地层中，使人造金刚石钻头有更高的时效和较长的寿命，改变以往的胎体粉料性能，使用更加先进的“预合金粉末”胎体料及采用合理的金刚石钻头结构设计、精准的制造工艺等方案来提高其寿命。

硬岩 提高钻头寿命的方案 采用预合金粉末 钻头结构设计 制造工艺

1 前言

在研磨性高的硬岩层中或者在坚硬弱研磨性的“打滑”地层中钻进时，要研制出高效长寿命的孕镶人造金刚石钻头，除了要求有高质量的人造金刚石外，对孕镶钻头胎体成分的全面细致的研究及对金刚石钻头结构的合理设计，是一项很重要的工作。孕镶人造金刚石钻头的胎体应能牢固的包镶住金刚石；胎体材料本身与金刚石的磨损速度要协调，以保证钻头有良好的“自锐性”，如果胎体磨损太快，则造成金刚石过早脱粒而失去工作能力，如果胎体磨损很慢，则金刚石出刃很小，造成钻头不进尺或打滑。因此必须紧密结合岩石的研磨性、金刚石的强度等，研制出相适应的胎体材料。

2 提高孕镶金刚石钻头寿命的几点方案

2.1 骨架材料

骨架材料是胎体中的硬质点，也是胎体中的辅助材料，胎体性能的好坏，与骨架材料的种类，性能及含量有直接关系，骨架材料应有高熔点、高硬度，容易被铁族金属和很多有色金属所润湿，经过烧结能形成性能优良的致密胎体，要满足这些要求，只有元素周期表中过度金属的碳化物，硼化物，氮化物和硅化物，其中以碳化物的应用最广，例如WC、W2C、TiC等，实践证明对金属湿润性好的WC和W2C为主要材料是恰当的。

2.2 粘结材料

（1）钻头的烧结温度，主要是粘结金属熔点的高低，为了避免高温对人造金刚石性能的损害，应该选择低熔点的金属（或合金）作粘结材料。（2）粘结材料的数量在烧结温度下使之能刚好润湿胎体中所有碳化物和金刚石，而在外压力作用下又不产生流失。（3）在烧结温度下粘结金属与骨架材料若产生反应，则只能对胎体机械性能有利，而不允许形成性能低劣的合金，同时也不侵蚀金刚石。（4）钻头烧结后的冷却过程或在以后保存过程中，淬火或时效作用下，只能对胎体机械性能有利，以保证钻头的质量。（5）在钻头正常的温度下（不包括烧结），粘结金属应保证薄的粘结物质层能承受胎体中硬质颗粒传给它的应力而不发生位移。（6）根据地层的不同要求，不同的钻进方法（如高频冲击回转钻进等），粘结金属与骨架材料，在品种和含量等方面应适当的配合，采用不同的配方。

热压烧结钻头的粘结材料，目前国内外是多采用单一金属元素粉末的混合物。常用的金属粉末为663-青铜，铜，镍，钴，锰，锡，铁等金属粉末。

我们通过长期的研究，采用了多种金属熔炼成低熔点合金后再喷制成的粉末，即所谓“预合金粉末”。采用预合金粉末作粘结剂，易于调整钻头胎体性能，使其与岩性相适应。同时由于预先熔炼成合金，然后才制成粉末的，所以每颗粒粉末中都包含了组成合金的各种金属元素，这就比机械混合多种单一金属元素粉末要均匀得多；通过制粉，粉末受到喷射冲击及淬火，其性能要比同种合金的铸造状态性能为高。在烧结成钻头胎体过程中，只要温度升到预合金粉末的液相线以上一点儿时，整个粘结成分的粉末就融化，此时钻头也就烧结好了。所以再也不会出现那种比重偏低、低熔点金属先熔与富集、易氧化及易发辉的金属在烧结过程中难以控制等影响胎体性能的问题了。

使用预合金粉作为钻头胎体料具有如下优点。（1）能根据岩石的研磨性不同采用不同的粘结剂，提高钻头使用的针对性；（2）采用预合金粉粘结剂所制成的钻头，提高钻头胎体的致密性和均匀性，从而提高了钻头胎体正常磨损期限；（3）采用预合金粉粘结剂所制成的钻头可以提高胎体包镶金刚石的能力，也是冲击回转钻进用金刚石钻头的较理想的材料；（4）预合金粉末不易氧化，保存方便，并能简化制造钻头的工艺，能取得较好的经济效益。

预合金粉的这些特点，会大大提高钻头的寿命和时效。为了调整钻头胎体的综合性能，使其硬度进一步提高和调整钻头胎体的磨损速率，更能适合硬、脆、碎的构造带岩性的要求，还可在Cu-Ni-Mn系合金中，加入少量的其他金属元素，如添加Cr，可使钻头胎体材料显得硬而韧。

2.3 金刚石钻头的结构设计

孕镶金刚石钻头的结构设计，应该根据所钻岩石的特点，尽量做到与岩石可钻性相适应，力求在钻进过程中钻头能够自磨出刃，争取使钻头的径向磨损和高度消耗协调一致。保证水路畅通以达到冷却钻头和携带岩粉的目的，要做到这点，除了要有相适应的胎体料和稳定的烧结工艺外，还要有合理的钻头结构设计，金刚石钻头的结构主要包括：金刚石的品级，胎体中含金刚石的浓度，金刚石的粒度，工作层胎体的高度，保径措施，唇面形状以及水口的数量大小等，这些因素直接影响钻头的使用效果。

（1）金刚石的品级，硬岩钻进的金刚石钻头，由于所钻进的对象是有很高硬度的岩石。所以胎体中金刚石必须有相当高的强度，在钻进过程中，钻头才能承受较高的轴向压力和扭矩，使处于工作状态的金刚石有效地破碎岩石，高强度的金刚石，晶型完整率高，抗磨能力好，从而在钻进过程中，可减少金刚石的脆性破坏，延长单粒金刚石破碎的时间，提高钻头的使用寿命。（2）胎体中含金刚石的浓度：合理的金刚石浓度应与所钻岩层相适应，一般来说，岩层愈硬脆，研磨性愈大则浓度要高些，相反坚硬研磨性弱的“打滑”层则浓度应低些，浓度范围一般为18-25%。（3）金刚石的粒度：金刚石的粒度直接影响金刚石钻头的自锐性，金刚石的粒度过粗，实质上就成了表镶钻头，则不能自锐，金刚石粒度小，单位体积内的金刚石粒度多，随着胎体的磨损，新旧金刚石替换快，有利于破碎岩石，目前广泛采用46-70目。（4）胎体工作层尺寸：胎体中含有金刚石的部分称为工作层。工作层的高度确定，高度值应该和钻头的径向磨耗速率相匹配，即当钻头径向磨耗达到报废程度时，工作层基本磨光，这样就能充分有效的利用金刚石，降低钻头成本，工作层的高度一般为6-9mm。（5）钻头唇面形状：平底型、圆弧型钻头制作简单，钻头适应性广，多被采用。为了研制“打滑”层的钻头，可改变唇面形状；采用锯齿形钻头钻进“打滑”地层能获得显著的效果。（6）水口，在保证扇形体的强度情况下，可适当增加水口的数量，扇形体的内弧边长不得小于12mm。水口深一般为7～10mm，即略高于工作层的高度，宽度为5-6mm。（7）保径措施；为了减轻胎体内外径在钻进时的磨损，提高钻头的使用寿命，采用各种行之有效的保径措施是很必要的，保径材料可采用天然金刚石，聚晶人造金刚石以及硬质合金等。

2.4 人造金刚石孕镶钻头的制造工艺

采用预合金粉粘结剂，可以改善胎体性能、有利于粉料的保存，3 结语

在烧结工艺方面的优点；混料简便，容易混合均匀、热压烧结过程中只要温度出现液相的温度，就可获得理想的胎体。钻头制造过程与普通热压烧结钻头基本相同、容易掌握。

采用预合金粉粘结剂来改善钻头的胎体性能，加之合理的设计金刚石钻头的结构，精准的制造工艺，使得我们的钻头在各勘探队试验后，不论在钻头的使用寿命上，还是在钻进效率上，效果都很好，市场上已经普遍使用。

［1］阮海龙，等.针对复杂地层金刚石钻头的改进与应用［J］.探矿工程，2010（1）：67-69.

［2］屠厚泽，等主编《钻探工程学》上册，中国地质大学出版社，1998（7）.

李东（1969—），男，辽宁阜新人，本科，注册安全工程师，钻探工程助理工程师，研究方向：钻探工艺。