新型金刚石扩孔器的研究

孙 鑫，王 迪，周东富， 冯晓明

1.吉林省地质勘探技术研究所，吉林 长春 130103；2.吉林省地勘局物业管理中心，吉林 长春 130061

0 引言

钻探施工中，金刚石钻头配合扩孔器使用已经是整个钻探工艺中最普遍的钻进方法。由于这种方法钻进效率高，钻孔质量好，施工劳动强度较低，钻探成本也较低，因此得到越来越广泛的应用。但是随着钻探要求的发展，由浅入深现在是钻探施工的常规现象，普遍的都在500～800 m或者更深1 000～2 000 m，尤其在2 000 m以上的超深孔钻进中对钻头和扩孔器的性能，都有很高的要求。钻孔直径随孔深增加由于钻头外径磨损逐渐减小，扩孔器磨损也相当严重。因为扩孔器上的保径材料聚晶只是一种耐磨材料，没有主动克取岩石的能力，只能被动磨损，钻头寿命越长缩径现象越明显，而且一般情况下只有钻头完全消耗没才提钻，新钻头下孔必须扫孔，会造成钻头的非正常磨损，也容易发生卡钻等事故。这是由于金刚石钻头外径逐渐磨损而扩孔器却只能被动消耗，且扩孔器靠近金刚石钻头的胎体部分会先被消耗，被动消耗的结果就是扩孔器的胎体部分会被消耗成为一个锥形体。当这种椎体达到一定角度时，会产生一种平衡状态，即整个胎体的工作量基本相同。根据这种现象，本研究将扩孔器的上端与钻头连接的部分的胎体，直接设计成带有角度的锥形体。在锥形体的表面上均布天然金刚石和大颗粒人造金刚石，这样就可以利用天然金刚石和大颗粒人造金刚石修磨扩孔器大于钻头0.3～0.5 mm那部分孔径岩石。因为天然金刚石和大颗粒人造金刚石克取岩石效果肯定优于聚晶，这样既可以修磨钻孔直径，又可以延长扩孔器的使用寿命。既减少钻孔缩径的风险又可以减轻对钻具的磨损。

1 扩孔器在钻探施工中的作用

扩孔器在钻探施工中的作用是：

(1)修正孔壁，让钻孔直径符合设计要求。

(2)保护钻具，防止缩径磨损钻具以及避免新钻头刚下孔需要扫空的情况。

(3)保持孔内钻具在高速条件下的工作稳定性。

国内现阶段使用的常规扩孔器，大部分采用聚晶保径。因为聚晶本身是用金刚石微粉和融合剂在高温、高压条件下烧结而成的金刚石聚合物，虽然具有较高的耐磨性和热稳定性，但是由于金刚石微粉的粒度很小，克取岩石的能力有限，只能被动消耗，不能主动地克取岩石。常规扩孔器的直径比金刚石钻头直径大0.3～0.5 mm[1]，在钻进过程中，这0.3～0.5 mm需要扩孔器上的聚晶修磨。随着金刚石钻头外径磨损，孔径也同步的逐渐减小，这时扩孔器修磨孔壁的负担越来越重。这种现象，在硬岩中尤为明显，导致扩孔器的胎体部分前端会先消耗，长时间消耗过后，扩孔器的胎体部分会成为一个带有一定角度的锥形体，最后钻孔直径逐渐减小。在更换新钻头时，必须扫孔，一旦扫孔，势必会影响新下孔的钻头的外径和寿命，这就影响钻进的效率和容易发生孔内事故。

2 新型扩孔器的试验阶段

2.1 扩孔器胎体材料

扩孔器胎体采用80～200目的铸造碳化钨和250目以细的碳化钨作为骨架材料，用300目锰粉、300目镍粉和2.2 μm超细铁粉作为调节胎体性能和强度、韧性的材料，用牌号BZN15-20的锌白铜作为黏结金属。

2.2 胎体材料的制备

2.2.1 配料

用天平称量胎体配方中各粉末材料的配比重量。称量一种粉末后放入有标记的容器内，称重完毕后认真检查核对各种粉末材料是否有遗漏和称重是否准确，然后认真填写配料登记卡。

2.2.2 混料

将称量完毕的粉末材料放入球磨混料机料筒内混料。球磨混料筒用不锈钢制作，混料介质为硬质合金球，球和料的体积不超过混料筒容积的1/2。球料比为2∶1，球磨机的转速为40～50 r/min，混料时间一般为24 h。球磨混料的作用是使胎体各组分在合金球临界转速作用下研磨、撞击，使各组分均匀分布，又可以细化粉末颗粒，提高粉末的成型性能[2]。

2.2.3 存放

经过球磨混合后的胎体粉末要装入容器内密封，贴上胎体配方编号和制备时间，放到 DZF-6090真空干燥箱内备用。

2.2.4 试验结果

通过试验(见表1)，获得4号胎体配方符合设计要求，使扩孔器的胎体硬度达到HRC45～50度，具有较高的硬度和耐磨性，同时对天然金刚石有更好的包镶能力和浸润效果。

表1 扩孔器胎体配方试验

2.3 金刚石及聚晶的选择

2.3.1 天然金刚石的选择

我国地质系统对天然金刚石的分级标准见表2。

表2 天然金刚石的分级标准表

天然金刚石粒度通常用粒/克拉(st/car)表示，天然金刚石粒度分级见表3。

表3 天然金刚石粒度分级表

金刚石被加热到某温度所发生的状态及其力学性能变化取决于金刚石的品质及加热时间和周围介质[3]。表4是金刚石在不同介质条件下受热时所发生的状态。

表4 金刚石在不同介质条件下受热时所发生的变化

从表4中可以看出去，金刚石在1 500 ℃时开始石墨化，到2 100 ℃时一颗0.1 ct的八面体金刚石不到3 min全部转化为石墨。因此，对金刚石的热稳定性进行测定是具有实际意义的[4]。

本研究天然大颗粒金刚石采用晶型完整且棱角分明，保证每粒单晶至少有1～2个良好的棱角，金刚石尺寸一般在1.5～2 mm之间的粗粒度金刚石，将这种天然金刚石均布在扩孔器上端斜面上，并让单晶的出刃棱角向外(图1)。

图1 天然金刚石Fig.1 Natural diamond

2.3.2 人造金刚石的选择

人造金刚石选择河南黄河旋风的HSD90大颗粒金刚石，粒径在0.25～0.4 mm之间的优质单晶，均布在下端聚晶周围。

2.3.3 人造聚晶的选择

人造聚晶采用郑州三和的2×2×4型方聚晶，在每一个胎块中放置15粒，采用3行×5粒均布放置。

2.4 扩孔器烧结方式

采用电阻炉无压浸渍烧结方式，保温温度1 155 ℃[5]，采用无压浸渍法，石墨模具，因石墨模具在烧结过程中产生二氧化碳保护气体，可以防止粉料和金刚石氧化。保温30 min，烧结完毕后从电阻炉中取出，放置在室内。让其自动冷却至室温，然后按照标准进行机械加工。

加工的普通绳索75扩孔器的基本参数见表5，成品扩孔器见图2。

图2 成品扩孔器Fig.2 Finished reamer

表5 绳索75扩孔器的基本参数

新型扩孔器结构特点与普通扩孔器相比，增加了胎体上端的斜面，斜面角度α见表6，采用倾斜2°的效果最好。在原有放置聚晶的位置，改用天然金刚石。下端没有斜度的位置采用大颗粒金刚石和聚晶混镶。这种改变的优势在于斜面表镶的部分天然金刚石可以辅助钻头克取岩石，在没有斜面的胎体部分，增加大颗粒金刚石再次修磨孔壁，比单聚晶修磨的效果更佳明显。带有2°斜面的扩孔器胎体示意图见图3。

表6 斜面的角度试验

图3 带有2°斜面的扩孔器胎体Fig.3 Reamer matrix with 2°inclined plane

3 试验与应用

将带有2°斜面的天然金刚石扩孔器，在肇东黑绥地1号井油页岩项目点的勘察施工过程中使用，创造了我局单只钻头进尺740 m记录。四川四零三地质队2019年在川藏铁路折多山项目点、雅安项目点和会理县拉拉大型铜矿项目中进行试用，钻孔深度均在千米左右，与传统扩孔器相比，钻进效率提高15%～20%。新使用的钻头也不用扫孔，可以直接下到孔底。基本符合设计之初的想法。

4 结论

将扩孔器的胎体部分做成在具有一定角度的导正工作面上均匀分布天然金刚石和大颗粒人造金刚石来克取岩石、修磨孔壁，使扩孔器在钻探施工过程中不仅起到扩孔的作用，而且还起到辅助钻进的效果，提高了生产效率，降低钻探成本，加快勘查速度，减少了能源消耗，社会效益显著。