适合新疆某矿区软岩地层的孕镶钻头设计与应用

2016-12-22韩菲赵俊彩李晓磊王磊宋秋锋朱彩华

地质装备 2016年6期

关键词：胎体软岩进尺

韩菲，赵俊彩，李晓磊，王磊，宋秋锋，朱彩华

(1.中国地质装备集团有限公司，北京 100102； 2.无锡钻探工具厂有限公司，江苏无锡 214174；3.河北建勘钻探设备有限公司，石家庄 051134)

适合新疆某矿区软岩地层的孕镶钻头设计与应用

韩菲1，赵俊彩2，李晓磊2，王磊1，宋秋锋3，朱彩华3

(1.中国地质装备集团有限公司，北京 100102； 2.无锡钻探工具厂有限公司，江苏无锡 214174；3.河北建勘钻探设备有限公司，石家庄 051134)

新疆某矿区绳索取心钻进过程中，遇到钻头打滑、钻进效率低下等问题，作者从胎体配方、烧结工艺入手，适当降低胎体的耐磨性，改善了钻头的钻进效率，在矿区取得了良好的钻进效果，平均钻进时效约3 m/h，平均使用寿命达120 m。

软岩；打滑；配方；耐磨性

0 概况

试钻的新疆某矿区岩层呈片状节理发育，倾角60°～80°，破碎地层为主，大部分岩石较软，研磨性极弱，易打滑，可用小刀类似削铅笔轻松切削岩屑，指甲可刻划出印。使用切削刃明显的硬质合金钻头钻进时效良好，但取心率不能满足钻进工艺要求；矿区钻进中也试用了胎体式复合片钻头，但是复合片的圆弧边缘与岩石形成契合的滑槽，在岩石中滑动、研磨回转，形成滑磨岩石，未对岩石形成切削，出现憋泵、糊钻、进尺慢，且复合片钻头遇到软硬互层时易崩齿；客户选择使用不同厂家孕镶钻头时也发现钻头存在一定回次钻进后进尺缓慢的现象，提钻后钻头胎体磨损轻微，金刚石难以出露，客户希望能够针对孕镶钻头进行改进性试验。

1 钻头设计实验

孕镶钻头的性能由胎体配方及金刚石浓度、粒度决定，合理调整金刚石及胎体配方以匹配岩石的物理机械性能，使金刚石能适时脱落及出刃，提升钻头的钻进效果。

1.1 主要原材料

目前孕镶钻头配方的骨架材料多以WC为主，采用其他难熔金属W、Mo代替WC等使用，可以提高韧性，适当降低钻头耐磨性。此次试验拟全部采用国内某公司生产的微米级别的W粉作为骨架材料，其他金属粉料如电解Cu粉、Mn粉、Ni粉、Co粉、Cr粉等采购自北京某公司，粒度均为300目以细。金刚石采用粒度为30/35～50/60目的国产高品级金刚石。

1.2 试验过程及配方选择

主要原材料W、Cu、Mn、Ni粉作为4个试验影响因素，按照质量比将其控制在：W：20%～55%，Cu：30%～60%，Mn：1%～8%，Ni：0.5%～10%，剩余量为其他粉料，用三维混料机按设计配方混料1 h，混料罐内球料比为1∶2，使用高品级SMD金刚石，相同金刚石浓度及粒度根据设计配方试制∅28 mm/∅17 mm钻头，对钻头胎体进行限位烧结，根据经验控制烧结温度在920～980 ℃之间，压强值设置为1176 N/cm2，将钻头胎体水口下方打磨后，使用HRA-150型洛氏硬度计进行硬度测试(采用直径1.58 mm淬硬的钢球作为压头，980 N加载)，打多个点，取硬度平均值。对成型钻头半成品钢体部分进行简单的机加工，在自制钻头试验台进行微钻试验，选出性能最佳的胎体配方及烧结工艺如表1。

表1 胎体配方及烧结工艺

1.3 试钻钻头结构设计

1.3.1 钻头唇面设计

针对矿区软岩打滑地层，减小钻头工作层唇面面积，使用齿轮形状钻头唇面，加大水口面积，适当降低钻头内外冲洗液压差，减低冲洗液流速，岩粉适当研磨钻头，使金刚石利于出刃。

1.3.2 金刚石参数

对于软岩岩层，采用品级高、粒度较粗的金刚石(30目～50目)，选用中等金刚石浓度(75%)，保持金刚石的正常出露，保证一定的钻进效率。

2 钻进试验及分析

2.1 试钻钻头

试用两只∅78 mm绳索钻头，配方分别为4#(试验配方)和7020(常规产品中耐磨性最低WC基配方)。

2.2 钻探设备及钻进参数

矿区采用XY-5型钻机，BW-250泥浆泵，试钻的地层覆盖层用∅130 mm硬质合金钻头开孔，后下∅127 mm孔口管，再用∅110 mm钻头施工，下∅108 mm套管后，使用∅78 mm绳索钻头取心钻进至终孔，施工要求孔深在400 m以上。

由于岩层基本破碎，完整地层少，钻头回转不平滑振动大，钻压过大，会造成孔斜严重超标，同时需要控制转速和泵量，所以钻进参数控制为：转速一般在357 r/min，最多偶尔提高至500 r/min，钻压为4～9 kN，泵量为40～60 L/min。

2.3 试钻结果

该队当时正在使用的河北某公司钻头硬度标注为HRC 8，在钻进的头三个回次进尺较快，能达到3 m/h，之后金刚石出刃减慢，时效大概为0.6～1 m/h，寿命不到100 m。我厂提供给该队的7020配方钻头在试用过程中，同样存在前期进尺较快，平均进尺速度较慢的情况，平均时效为1.43 m/h，客户放弃试用。而4#配方钻头在应对该地层时均能达到实际平均时效3 m/h，寿命120 m左右，钻头进尺快，时效稳定，获得客户认可。

试钻钻头使用记录见表2。

表2 试钻钻头使用记录

2.4 分析讨论

将W基配方(4#配方)与常规产品耐磨性最低的WC基7020配方(HRC 5)的钻头断面用扫描电镜进行形貌观察并对比，见图1和图2。

从图1可以看出WC基配方的金刚石边界清晰，金刚石表面完整、干净、光滑，无明显被侵蚀现象，金刚石脱落处的凹坑亦为干净致密的光滑表面，金刚石与胎体几乎没有化学冶金粘结，主要是机械镶嵌。

图1 WC基试样断面扫描电镜图

W基配方的金刚石有一定的刻蚀，金刚石边界呈圆滑的形态，棱角不明显，金刚石表面及脱落处的凹坑凹凸不平，有附着物，推断W与金刚石表面发生了一定的反应。这种反应有利于金刚石和胎体的粘结，对附着物进行EDS能谱分析，分析结果见表3及图3，说明金刚石及胎体附着物可能为WC，W可以与金刚石发生化学键结合，提高胎体对金刚石的包镶能力，发生反应的热力学条件并不苛刻，750 ℃ 以上就有碳化物生成[1]，850～950 ℃是最佳的WC形成温度范围。

图2 W基试样断面扫描电镜图

元素Wt%At%CK81739592CuL203045WM223017MnK151039CoK641153

图3 金刚石及胎体附着物EDS定性分析

分析4#配方，W作为骨架粉含量过高，烧得的样品难以致密化，烧结温度偏高，对金刚石伤害过大；W含量过低，配方耐磨性会过低，也会造成钻头的寿命缩短。

根据Cu-Ni二元相图，在钻头烧结的温度区间内Ni和Cu可以形成置换型无限固溶体，Ni粉的加入，强化Cu基粘结相，减少铜基合金流失，促进W基骨架材料的活化烧结，提高胎体的强度和塑性，提升胎体对金刚石的包镶能力，能更好地吸收金刚石在工作中受到的冲击力，使金刚石的出刃更高，更适合弱研磨性的岩层，有利于高效钻进。Mn也能大

量固溶于Cu，查找Cu-Ni-Mn三元相图，Mn可以和Cu、Ni形成三相共熔合金，显著降低粘结成分的熔点，较低的烧结温度有利于保留金刚石性能，同时Mn在烧结合金化时可以作为脱氧剂，减少合金中残余碳的不良影响，减少杂质含量，但是Mn的加入量要适当，Mn脱氧形成的化合物作为夹杂物对胎体有一定的副作用[2]。

电解铜粉由于其易变形性在钻头中使用较少，但在本次实验中树枝状结构的细粒度的电解铜粉配合相应的其他单金属粉末，在烧结过程中合金化后，胎体的均匀性及整体的机械性能良好，在软地层使用效果不亚于我们的663铜合金等配方，但在组装过程中存在一些问题，由于铜粉松装密度小，造成原底模组装腔体高度不够的情况，进行了模具、组装工具的重新修改加工，导致模具成本升高。