坚硬致密地层自锐锯齿金刚石钻头的研制及应用_骆建诗.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：中国核工业地质局项目（）作者简介：骆建诗（），男，工程师，主要从事钻探技术研究和管理工作。：坚硬致密地层自锐锯齿金刚石钻头的研制及应用骆建诗，凌振武，吴闻涛，樊小鹏，吴佳林（核工业二七研究所，江西 南昌）摘 要：相山铀矿田鹏姑山地区岩层胶结致密，可钻性级别高，为坚硬致密难钻进地层。为研发适用于该矿区地层的高效长寿命金刚石钻头，将钻头唇面结构设计成软硬夹层式的分层复合型结构。由 基预合金粉末 作为低硬度辅助工作层的胎体配方，在 预合金粉中添加质量分数为 的碳化钨（）作为高硬度主工作层的胎体配方。室内试验显示 胎体出刃能力良好，该设计能够实现胎体自磨出刃效果。野外钻进试验表明，所研发的自锐锯齿钻头对鹏姑山地区岩层有良好的适应性和广谱性，在钻进过程中能够保持唇面尖齿状态。试验钻头在可钻性级别 级碎斑熔岩中钻进时效能达到 、寿命达 ，在可钻性级别 级流纹英安岩中时效达 、寿命 以上。相比常规同心圆锯齿钻头，试验钻头平均寿命提高近一倍。关键词：鹏姑山矿区；坚硬致密地层；分层复合型结构；预合金粉末胎体中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）骆建诗，凌振武，吴闻涛，等，坚硬致密地层自锐锯齿金刚石钻头的研制及应用 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：江西省相山铀矿田是我国第一大、世界第三大的火山岩型铀矿田（曾文乐等，）。它作为我国铀资源大基地、国家铀矿整装勘查区，其铀矿找矿突破备受关注。近年来，该矿田地质勘查取得了令人瞩目的成绩，一批新矿床与矿产地被发现，老矿床规模亦不断扩大（胡志华等，；邵飞等，；郭福生等，；张万良等，）。鹏姑山地区位于相山矿田石洞断裂带南北向的延展端和书塘断裂带的交会处，铀成矿地质条件优越，铀资源潜力大，但是目前鹏姑山地区地质勘查程度较低（许健俊等，；陆凡，），亟需加大勘查力度。鹏姑山地区的地层相对完整，但多为坚硬致密的碎斑熔岩，岩石可钻性级别较高（李生海等，）。现有常规同心圆齿型钻头在碎斑熔岩中钻进会很快被磨平，导致自锐性不够，无法正常出刃碎岩（左艳霞等，）。为了提高钻进效率，钻进中采用大钻压、高转速的钻进参数，并配合投磨料的形式辅助钻头出刃。但是这种方式改变了孕镶金刚石钻头的正常磨损机制，对钻头寿命造成很大影响（蔡家品等，；刘海声等，），因此在该地区采用强钻进参数并投磨料辅助出刃后，钻头寿命极低，局部地区钻头平均寿命不足 。以 孔为例，该孔从 年 月 日开孔，月 日终孔，共 天，其总台月时间为 ，纯钻进时间为 ，纯钻进时间利用率只有 ，小时效率为 。综合来看，此次钻探有设备维修停待时间多、钻进效率低、辅助时间长等不足。钻孔钻头使用情况如图 所示，该孔使用 金刚石钻头 个（不含无进尺和特殊情况的钻头），钻头平均寿命为 。特别在 段（对应 钻头），钻头寿命平均在 以下。钻头寿命低，提下钻辅助时间长，导致整个钻进效率低。为了提高金刚石钻头钻进坚硬致密且打滑地层时的使用寿命和切削效率，前人的研究主要集中在钻头结构、胎体配方、金刚石参数设计以及制备工艺等方面。在钻头结构方面，将底唇面设计成异形结构，以减少钻头底唇面与岩石的接触面积，比如同心圆齿交错式唇面钻头（蒋青光等，）、弱包镶金刚石钻头（张绍和等，）、非光滑表面仿图 钻孔钻头使用情况 生耦合钻头（孙友宏等，）、复合孕镶体金刚石钻头（，）等；提高工作层高度以增加钻头寿命，比如可再生水口的高胎体钻头（王传留等，）、双层水口超高胎体金刚石钻头（方俊等，）。在胎体配方方面，包括添加自锐材料（蔡家品等，）、氧化铝空心球（叶宏煜等，）、颗粒（王佳亮等，）、预合金粉末（，；沈立娜等，）等。在金刚石参数设计方面，包括金刚石的强、弱混镶设计（罗爱云等，）、金刚石表面金属化处理（窦志强等，；，）、金刚石表面坑化处理（，；徐良等，）、金刚石的有序排列（章文姣等，；张丁元等，）等。在制备工艺方面，包括冷压 热压法、钎焊 热压法（汤凤林等，）、二次镶焊法（蔡家品等，）、电火花烧结技术（，）、激光熔覆技术（，）、微波烧结技术（，）等。表 岩石物理机械特性和分级表 岩石名称主要矿物成分研磨性胶结程度透水性可钻性级别碎斑熔岩石英、长石强胶结致密中等 熔结凝灰岩石英晶屑、黏土质火山玻璃碎屑强熔岩胶结，岩石致密坚硬弱 流纹英安岩透长石、斜长石、石英中等胶结致密弱 砂岩夹凝灰质砂岩及晶屑、玻屑凝灰岩中等胶结差中等 针对鹏姑山地区坚硬致密碎斑熔岩地层钻进效率低、钻头寿命短的问题，笔者定向研发了适用于该矿区地层的新型自锐锯齿金刚石钻头，胎体配方由预合金粉末 和 组成，同时将唇面尖齿结构设计成软硬夹层式的分层复合型结构，以实现钻头在整个钻进过程中一直保持尖齿状态，提高钻头的切削效率。矿区概况鹏姑山矿区大面积出露鹅湖岭组和打鼓顶组的沉积岩及火山岩系，沉积岩系为鹅湖岭组砂岩、凝灰岩和打鼓顶组的紫红色粉砂岩、砂砾岩，火山岩系为鹅湖岭组的碎斑熔岩、打鼓顶组的流纹英安岩。局部发育有第四系河床相的泥、砂、砾石冲积、堆积坡积物。矿区中部出露石榴子石石英片岩，主要为石榴子石黑云母石英片岩，夹石英碳酸盐片岩、石英角闪石片岩；深部有黑云母石英片岩、绢云母石英片岩，局部夹有钙质石英片岩、钙质石英岩。断裂主要为北东向和北西向，裂隙十分发育，铀矿化主要产于这些裂隙带中。砂砾岩胶结程度差，容易失水，下层岩石坚硬，构造带破碎掉块、漏水严重。矿产地质钻探岩石类别硬，可钻性级别 级（表），碎斑熔岩、流纹英安岩结构致密会使钻头打滑、钻进效率低（马智跃等，）。该地区的破碎构造带中，岩芯破碎，普遍存在绿泥石化和钠长石化，局部可见断层泥。施工中孔内易发生掉块造成卡钻、缩径等情况。该片区的代表性岩石为碎斑熔岩和流纹英安岩，碎斑熔岩可钻性为 级，流纹英安岩可钻性为 级。综上所述，该片区的岩层胶结致密，可钻性级别高，为坚硬致密难钻进地层。新型自锐锯齿金刚石钻头的研制 自锐锯齿结构设计为实现钻头在整个工作期间保持自锐锯齿，工作层沿径向采取分层复合结构，如图 所示。钻头工作层为一种软硬夹层式的分层复合型结构，由高硬度主工作层和低硬度辅助工作层交错组合而成；高硬度主工作层占钻头工作层的 ，低硬度辅助工作层（隔层）占钻头工作层的 。钻头工作层中的辅助工作层由于其硬度与耐东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 分层复合型结构钻头设计示意图 磨性较低，在钻进的过程中会比高硬度主工作层先磨损，在钻头的底唇面上磨出一道道环形凹槽，而在孔底的岩石面上则留下一道道对应的环形岩脊，与钻头的环形槽一一对应。环形岩脊中的裂隙发育、裂纹交错，岩脊的强度很低，在金刚石钻头复合振动和冲洗液的冲蚀作用下容易被破碎掉。岩脊破碎后，在孔底会形成浅槽破碎穴，这对于高硬度工作层破碎岩石创造了有利的自由面条件，如图 所示。同时，从岩脊上破碎下来的岩粉颗粒较粗，有利于钻头工作层胎体的磨损和金刚石自锐出刃，提高钻进速度。分层复合型结构金刚石钻头的设计基础是岩石的物理力学性质，其中岩石的硬度、研磨性和塑脆性对金刚石钻头的设计至关重要。不同硬度与塑脆性的岩石，其破碎方式是不相同的。从试验和实践中发现，硬而脆性的岩石，在钻压的作用下以剪切的方式破碎，破碎穴较大，形成的岩脊中裂隙较发育；而中硬岩石的塑性明显增加，在钻压的作用下增加了切削破碎岩石的方式，形成的破碎穴较小，岩脊中的裂隙欠发育。由此可知，对于硬而脆性的岩石，由于硬度高且研磨性较强，分层结构的层数应该更多，辅助工作层厚度的规格应该更小，一般取值不大于 ；而对于具有塑性的硬岩，辅助工作层厚度一般取值 左右，这样有利于提高钻头的钻进速度和耐磨性能。钻进鹏姑山矿区可钻性 级的坚硬致密岩层时，按照 规格的绳索取芯钻头单元层进行设计。钻头扇形块的径向厚度为 图 岩脊形成及其效应 。经过大量试验研究，钻头唇面结构设计为四环三槽结构，即四层高硬度工作层和三层软胎体辅助工作层比较合适。由于该地区岩石为具有塑性的硬岩，辅助工作层厚度设计为 。预合金胎体配方设计目前 基预合金粉被广泛应用在金刚石钻头胎体配方设计中。选择采用 系列的 预合金粉（，湖南冶金材料研究院有限公司）作为低硬度辅助工作层的胎体配方，在 预合金粉中添加适量的碳化钨（）粉，作为高硬度主工作层的胎体配方。将 纯预合金粉和分别添加质量分数为、的胎体粉末在 下烧结制备成 的试样，然后测试相应的抗弯强度、洛氏硬度、摩擦磨损性能和出刃高度。试验所用金刚石粒度范围为 ，体积分数为。观察 纯预合金粉胎体的金刚石出刃情况，可以发现金刚石磨粒尾部出现明显的蝌蚪状支撑（图）。在对磨过程中，金刚石的最大出刃高度为，平均出刃高度为，超过了金刚石粒径的。这说明 预合金粉胎体对金刚石的把持能力较强，金刚石的出刃能力良好。不同 质量分数下胎体的抗弯强度和洛氏硬度见图。从图 可知：胎体硬度随着 含量第 期骆建诗等：坚硬致密地层自锐锯齿金刚石钻头的研制及应用图 胎体对磨 后金刚石形貌图 的增多而增大，并在 含量为 时胎体洛氏硬度达到最大值（）；在 含量为 以下时，胎体抗弯强度随着 含量的增多而增大，在 含量为 时，胎体抗弯强度开始减小至 。在 基胎体中不发生化学反应，充当硬质点，起到类似弥散强化的作用，使得胎体硬度和强度增大。因此，在 预合金粉中添加适量的 粉，可以作为钻头胎体中的高硬度主工作层。图 不同 质量分数下胎体的抗弯强度和硬度 采用 预合金粉充当软层，充当硬层，硬层层厚为 ，软层层厚也为 。将试样与 砂轮对磨，其磨损形貌如图 所示。从图 可以看出试样磨损后出现了波浪状齿形，这是软、硬层差异磨损的效果。试验结果表明，所采用的胎体配方能够实现自磨出刃。图 软硬夹层试样磨损形貌 钻头现场应用 野外钻进试验根据上述设计，采用冷压成型 热压烧结工艺技术进行钻头的烧结制备，研制了一批 新型自锐锯齿钻头，如图 所示。该钻头采用分层复合设计、四环三槽结构，在钻进过程中，软工作夹层能提前磨损，即在整个钻进过程中均能保持四环三槽结构的锯齿状唇面。在硬岩钻进中能有效降低碎岩比功，保持较好的机械钻速。图 新型自锐锯齿钻头 为了研究钻头在该区的广谱性，降低钻孔岩性和钻进参数所导致的差异性，笔者开展了大批量的对比试验。选取有代表性地层的 钻孔（号机）和 钻孔（号机）进行钻进情况分析。东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 钻孔数据见表。在全孔段，只常规钻头所钻进地层岩性为碎斑熔岩，共进尺 ，平均寿命为 ；只试验钻头所钻地层岩性既有碎斑熔岩，也有流纹英安岩，共进尺 ，平均寿命为 。按照岩性分段分析，该钻孔从 后地层岩性由碎斑熔岩变为流纹英安岩，试验钻头钻进了 碎斑熔岩、流纹英安岩。若全程为碎斑熔岩，根据钻头的磨损状况判断，估计 寿命应超过 。根据计算，、三只试验钻头在碎斑熔岩中的总寿命为 ，平均寿命为 ，相较于常规钻头在碎斑熔岩中的寿命（），试验钻头在碎斑熔岩中的寿命提升了。、试验钻头在流纹英安岩中的平均寿命超过 ，特别是 钻头寿命达到 。表 钻孔钻进记录 序号钻头类型孔段 岩性进尺 钻进时长 机械钻速（）常规 碎斑熔岩试验 碎斑熔岩常规 碎斑熔岩常规 碎斑熔岩常规 碎斑熔岩试验 碎斑熔岩常规 碎斑熔岩常规 碎斑熔岩试验 碎斑熔岩 流纹英安岩试验 流纹英安岩试验 流纹英安岩 钻孔数据见表。、试验钻头钻进地层岩性为碎斑熔岩，总寿命为 ，平均寿命为 。试验钻头钻进了 碎斑熔岩、流纹英安岩；其余 只试验钻头钻进地层岩性为流纹英安岩，总寿命为 ，平均寿命为 ；、和 常规钻头钻进地层岩性主要为流纹英安岩，总进尺为 ，平均寿命为 。通过对比可知，试验钻头在流纹英安岩中寿命比常规钻头提升了 。根据 钻孔和 钻孔的钻进数据可知，所研制的试验钻头无论是在碎斑熔岩还是在流纹英安岩中，相较于常规钻头均有更好的适应性；在坚硬碎斑熔岩中平均寿命超过 ，在流纹英安岩中平均寿命在 以上，钻进寿命比常规钻头几乎提高了 倍。纵观整个钻孔段钻头平均时效数据，其时效基本达到 ，该数据体现了新型试验钻头设计上的优势，即采用锋利的锯齿唇面提高碎