空心阶梯J空型孕镶金刚石钻头的研制

【摘 要】本文主要从孕镶金刚石钻头的胎体唇面形状上来改变钻头的特性，加之选用先进的胎体配方、合理的设计钻头参数及采取精准的烧结工艺及机加工技术等，来满足金刚石钻头在钻进坚硬弱研磨性地层时的时效和寿命。空心阶梯J空型钻头的特点是随着钻头的不断进尺始终保持着它的唇面形状，因此就能够保证钻头始终有较高的钻进时效和较长的钻头寿命。

【关键词】空心阶梯J空型钻头 设计原则 空心阶梯J空型钻头特点

1 引言

目前在地质找矿市场不景气的大环境下，为了适应产品质量和价格的激烈竞争，为保证孕镶金刚石钻头在钻进坚硬弱研磨性地层中的钻头时效和钻头寿命，提高钻头在市场上的占有量，使得钻头的需求量处于稳步上升的趋势，我们由此研制了一种新型的孕镶金刚石钻头的唇面形状—空心阶梯J空型钻头，加之选用先进的胎体配方、设计合理的钻头参数及采取精准的烧结工艺等综合设计，经过多家用户的试验，该钻头对钻进坚硬弱研磨性地层有很好的钻进效果，达到了预期的目的。为我队的钻探机械业的发展奠定了一定的基础。

2 钻头在钻进坚硬弱研磨性地层时的设计原则

坚硬弱研磨性地层是指该地层岩石特别坚硬、结构致密、强度高，研磨性很弱，当钻头钻进这样的岩层时进尺效率就很慢，而且寿命也不长，为了保证钻头钻进这样的岩层既有一定的时效又有一定的寿命，需要遵循以下设计原则。

（1）选用高品级人造金刚石。高品级人造金刚石具有晶型好，单粒抗压强度高，热稳定性能好等特点。钻进坚硬岩石具有明显的优势，是低品级金刚石所无法比拟的。（2）选用中粗粒混目人造金刚石。中粗粒混目人造金刚石既能保证钻头的有效进尺，又能使钻头有一定的使用寿命。（3）选用较低的金刚石浓度。由于浓度低，金刚石颗粒相对减少的分布在钻头的唇面上，在施加同等钻压的情况下，每粒金刚石的钻压就会增加，有利于金刚石的出刃，更好的切入岩石，进而提高机械钻速。（4）选用较低硬度的胎体配方。低硬度的胎体便于金刚石的及时出露，使得金刚石更好的切入岩石，避免表层磨钝的金刚石不及时脱去而打滑。（5）人造金刚石表层真空镀覆处理。金刚石表层经过镀覆处理后，增加了金刚石颗粒与胎体结合剂的结合强度，同时金刚石的自身强度也会加强，因此使得金刚石的出刃高度增高，其结果使钻头的时效和寿命均有所提高。（6）选用与岩石接触面积较少的唇面形状。钻进坚硬弱研磨性地层时，应选用自由面较多的唇面形状，自由面越多，越有利于岩石破碎，有利于提高钻速。但同时又要考虑钻速的恒定，这就要求钻头唇面形状随着钻进时间的推移，唇面形状变化不大更好，空心阶梯J空型钻头的唇面形状就满足了这样的要求，钻头的唇面形状在钻进中保持时间最长，它可以贯穿于钻头的始终，因而钻速是恒定的。（7）在钻头胎体配方中加入微量的稀土金属及少量的高纯碳粉，目的是改善胎体的性能及在钻进时有利于工作层中的金刚石及时出露，克服以往在钻进过程中，当钻头不进尺时需投石英砂的现象。投石英砂虽然有利于钻头出刃，进尺快，但同时对钻头内径磨损也很严重，影响钻头的使用寿命。（8）钻头的水口数量选用要少。水口数量在满足排粉、冷却的条件下，尽量不易过多，因水口数量太多时会将孔内岩粉冲刷干净，不利于孔内适量的岩粉磨损钻头胎体，抑制了工作层中金刚石的出露，影响钻进效率。（9）钻头在下钻时进行预出刃处理。钻头加工完毕后，进行喷砂处理，使得表层金刚石出露，这样钻头下钻时即刻进行工作，提高钻进效率。

3 空心阶梯J空型钻头试验情况及效果

3.1 各矿区岩层情况简介

鞍山关宝山磁铁矿区：岩石为红褐色磁铁矿，坚硬致密，脆性较大，可钻性达9～10级。

北京金泰在河南洛宁矿区所钻岩层为：坚硬致密英安岩、斑状结构、紫灰红色，块状结构，斑晶主要为长石和石英，石英含量较高，岩石硬度较大，蚀变主要为硅化、钾化，局部可见石英细脉、黄铁矿化，晶形较好，研磨性较弱，可钻性9～10级浙江华东院在安徽绩溪水电工程所钻岩层为：坚硬致密花岗岩，岩石为混合花岗岩，主要矿物为石英、钾长石、黑云母。石英含量大于45%，中细粒花岗岩变晶结构，可钻性8～9级。辽宁海城析目矿区，所钻岩层为：以细粒似斑状花岗岩、中粗粒似斑状花岗岩、细粒花岗岩为主。其主要矿物成分有石英、正长石、斜长石、云母。石英含量为25～35%，中等研磨性，可钻性8～9级。

3.2 钻头试验情况及效果

在上述四个矿区先后投入了140个Y76.5S梯齿型、齿轮型、锯齿型钻头和52个Y76.5SJ空型钻头，为了具有良好的可比性，将Y76.5SJ空型钻头和Y76.5S梯齿型、齿轮型、锯齿型钻头所采取的制作工艺（如所用金刚石品级、粒度、浓度、胎体配方、水口数量、烧结工艺等）完全相同，只是钻头的唇面形状不同，来进行比较。52个Y76.5SJ空型钻头总进尺为1180米，钻头平均寿命为22.7米，钻头平均时效为1.93米/小时，平均每米钻头费用为16.74元/米。140个Y76.5S其它形状的钻头总进尺为2023米，钻头平均寿命为14.45米，钻头平均时效为1.55米/小时，平均每米钻头费用为22.14元/米。由此可见，不同唇面形状的钻头在其他设计参数、制造工艺、配方等完全相同的情况下，只因钻头唇面形状的变化而结果却有很大的区别，Y76.5SJ空型钻头平均寿命比Y76.5S其它形状的钻头提高了57.1%，平均时效提高了24.5%。平均每米钻头费用下降24.4%。

4 空心阶梯J空型钻头的特点

通过在上述4个矿区的钻进试验，J空型钻头显示了以下几个特点。

（1）寿命长。J空型钻头由于采取了特殊制造工艺，钻头唇面内外磨损均匀，内保径效果好。克服了碟形变相和内拉沟，使工作层得到充分利用，钻头寿命长。（2）钻速高。J空型钻头唇面形状增加了破碎岩石的自由面和钻进时的比压，环状沟槽内的岩石受挤压振动而破碎，既能产生大的体积破碎，又能减少破岩所消耗的功。另外由于金刚石在唇面上分布合理，受力均匀，能保持较锋利的出刃，因此钻速高。而且在岩石变化不大时，钻速又比较均匀。（3）排粉、冷却功能好。绳索取芯钻头壁厚，平底、圆弧等形状的钻头不利于排粉、散热和冷却，钻速高就产生微烧现象，甚至烧钻。J空型钻头的唇面形状，其圆环沟槽将唇面分成两个薄壁唇面，冲洗液能把热量和岩粉很快带走，另外由于金刚石出刃量大，增加了唇面与孔底、内径与岩心、外径与井壁的间隙，有利于通水排粉和冷却，减轻了金刚石和胎体的热磨损，克服了钻速高产生的微烧现象。（4）对岩层适应范围广。各矿区一般岩层变化很大，即使在一个钻孔岩层变化也是很频繁的，绳索取芯钻进，提钻间隔较长，不可能随着岩层变化随时更换所需要的钻头，这就要求绳索取芯钻头对岩层要有广泛的适应性。J空型钻头就有这个特点。它不但适应坚硬致密的弱研磨性地层，而且也适应硬、脆、碎等中等研磨性岩层。（5）有利于防止孔斜。J空型钻头的唇面形状，具有一定的导向性，增强了钻头在孔底工作的稳定性，有利于防止孔斜，在上述4个矿区钻进中，对于防止孔斜均取得了较好的效果。（6）节约了成本。因为J空型钻头，由于唇面形状的变化，自由面增多，中间的环形沟槽被石墨取代，将减少了粉料及金刚石的用量，因此钻头的成本在同条件下将会下降。

5 结语

经过上述试验，尽管各矿区不同，但所钻岩层均为坚硬致密、弱研磨性的地层。客户通过采用我们设计的空心阶梯J空型钻头，目前已经解决了钻进时效低、钻头寿命短的问题。随着空心阶梯J空型钻头的批量生产和广泛应用，将使绳索取芯钻进有着更加广泛的使用前景，给我队的钻探机械业带来了一定的经济效益。

作者简介：温姝静（1968—），女，辽宁建昌人，毕业于长春地质学院探矿工程专业，探矿工程高级工程师，研究方向：工程勘查。