（地质工程专业论文）适合金川矿区的特种孕镶金刚石钻头研制.pdf

摘要 金川矿区工程地质条件复杂，围岩破碎，地应力大，钻孔多布置 于软弱地层，在钻孔施工中，钻头寿命、效率低，甚至出现“打滑“现 象，孔内事故频繁，机台钻进效率及岩矿芯采取率较低，有的钻孔甚 至报废，严重制约了矿山勘探工程的进度和质量，直接影响了钻探效 率、钻探效益。为此本课题采用现场调研、室内试验相结合的方式获 取数据、资料，在此基础上进行钻头设计理论研究，进行岩石测试， 胎体试制及测试，钻头试制及微钻试验等，并通过现场试验反馈信息 调整方案，最后对所研制钻头进行综合评价，主要取得如下成果： 1 矿区主要岩层为混合岩和超基性岩，岩石软硬互层频繁，混合 岩中石英、长石含量较高，研磨性较强，适宜于用耐磨性较强的金刚 石钻头钻进，而对于超基性岩石英、长石的含量较低，岩石的研磨性 较弱，适宜于耐磨性较弱的金刚石钻头钻进，加上混合岩中有少量硬 度特高、研磨性特强的打滑地层，因此金川的地层宜采用三种不同性 能的金刚石钻头，并且要钻头具有一定的广普性。 2 初步得出矿区岩石破碎前的应力状态、破碎过程；利用摩擦学 中的公式求出钻头一岩石相互作用付三个阶段的分析表达式，得出正 常钻进的边界条件。 3 分析了金刚石钻头的唇面状态，包括金刚石出刃状况、参与切 削岩石的金刚石数目、金刚石切入岩石深度、金刚石受力、钻头唇钻 头唇面压力分布，在此基础上研究了基于金刚石钻头的唇面状态分析 的金刚石钻头定量设计理论，理论具有一定的指导意义。 4 设计了金刚石表面覆层工艺、胎体分层工艺及两种技术集成的 工艺，通过室内试验优选出适合金川矿区高效率孕镶金刚石钻头的普 适性体配方：w c 4 5 左右、c o l o 左右、n i 8 左右、c u s n ，。3 0 左右、 m n 7 左右。 5 设计制造了三个系列八个品种金刚石钻头，现场应用证明，无 论寿命和时效，都优于其他同类钻头，最好的钻头寿命达3 8 4 o m 、 时效达2 5 m h 。 关键词可钻性分级，定量设计理论，胎体配方，新技术，钻头性能 a bs t r a c t t 1 1 ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sv e r yc o m p l e x ，w i t hc r a c k e d w a l lr o c k 、b i gc r u s t a ls t r e s sa n ds o f ts t r a t u mi nj i nc h u a nm i n e w h i c h b r i n go nl o wb i tl i f ea n de f f i c i e n c y 、b i ts l i d i n g 、t h ef r e q u e n ta c c i d e n t s ， e s p e c i a l l y l o wo r et a k e nc o r er a t ea n d d r i l l i n gs c r a p p e di n t h e c o n s t r u c t i o no fd r i l l i n g ，w h i c hs e r i o u s l yh a m p e rt h ep r o g r e s so ft h em i n e e x p l o r a t i o ne n g i n e e r i n ga n da f f e c tt h ed r i l l i n ge f f i c i e n c ya n db e n e f i t t h e r e f o r et h i st o p i cs t u d yt h eb i tq u a n t i t a t i v ed e s i g nt h e o r y , t e s tt h er o c k ， t r i a l - p r o d u c ea n dt e s tt h eb i tm a t r i x ，t r i a l - p r o d u c ea n dt e s t et h eb i t , a d j u s t t h ep r o g r a m m et h r o u g hf i e l dt e s tf e e d b a c ki n f o r m a t i o n ，a n dm a k e c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tm e t h o df o rt h eb i tb a s i n go nt h ef i e l d i n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s t i n g 1 h em a i nr e s u l t so b m i n e da r ea s 。 一一一。，1 m f o l l o w s ： 1 t h e r ea r em o s t l ym i x e dr o c ka n du l t r a b a s i cr o c ki nj i nc h u a nm i n e t h es o f ta n dh a r dr o c ki s f r e q u e n t l yi n t e r b e d d e d t h em i x e dr o c ki s a p p r o p r i a t et od r i l lw i t ht h ew e a r - r e s i s t a n td i a m o n dd r i l l i n gb i t sb e c a u s e o fc o n t a i n i n gm u c hr o c kq u a r t za n df e l d s p a r , a n dt h eu l t r a b a s i cr o c ki s c o n t r a r y a d d i n gas m a l la m o u n to fu l t r a h i g hh a r dm i x e dr o c k ，w em u s t d e s i g nt h r e e d i f f e r e n tp r o p e r t i e so fd i a m o n dd r i l lb i t s a i m i n ga tt h e s t r a t u m s ，a n dt h eb i t sm u s tc o p ew i t ht h r e ed i f f e r e n tr o c k s 2 ，n l i s p a p e rs t u d yt h es t r e s ss t a t eb e f o r eb r e a k i n gr o c ka n dt h e b r o k e np r o c e s s ，a n df i n do u tt h ee x p r e s s i o nt ob i t r o c ki n t e r a c t i o nu s i n g t h et r i b o l o g y , a n da r r i v ea tt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n st ot h en o r m a l d r i l l i n g 3 t h i sp a p e r 咖d yt h es t a t eo ft h el i po ft h ed i a m o n db i tw h i c h c o n t a i nt h ed i a m o n dp r o t r u s i o n 、t h ec u t t i n gd e p t ho ft h ed i a m o n da n d l i p p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h el i po ft h ed i a m o n db i t ，a n dt h e ns t u d yt h e q u a n t i t a t i v et h e o r yf o rd e s i g n i n gd i a m o n db i tb a s i n go na n a l y z i n gt h e s t a t eo ft h el i po ft h ed i a m o n db i t 4 t h i sp a p e rs t u d yt h ec l a d d i n g t e c h n i q u ef o rt h ed i a m o n da n d l a m i n a t i n gt e c h n i q u ef o rt h em a t r i x ，t w ot i e r e dt e c h n i c a li n t e g r a t i o na l s o 弧i sp a p e rc h o o s et h ee x c e l l e n tm a t r i xc o m p o s i t i o nt h eh i g he f f i c i e n c y i m p r e g n a t e dd i a m o n db i t s ，w h i c hc o n t a i n ：4 5 p e r c e n to ft u n g s t e n i i c a r b i d e 、10p e r c e n to fc o b a l t 、8p e r c e n to f n i c k e l 、7p e r c e n t 斫m a n g a n e s e a n d1 0p e r c e n to f c u s n l 0 ， 5 t h i sp a p e rd e s i g na n dm a n u f a c t u r et h e t h r e es e l - l e so te 1 班 v a r i e t i e sd i a m o n db i t i tc a nb ef o u n dt h ed i a m o n d b i t sa r es u p e n o rt o o t h e rs i m i l a rb i t sr e g a r d l e s so f l i f ea n da g i n g ，t h eb e s tb i tr e a c h t h el i f eo f 3 8 4 0m a n dt h ea 西n go f 2 5m h k e yw o r d s r o c kd r i l l a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，q u a n t i t a t i v ed e s i g n t h e o r y , m a t r i xc o m p o s i t i o n ，n e wt e c h n o l o g i e s ，b i tp e r f o r m a n c e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：巡熟 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：亟导师签智塑鲰期：丛旺月日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文选题 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 金川集团有限公司( 简称金川公司) 是采、选、冶、化配套的大型有色冶金、 化工联合企业，镍和铂族金属产量占中国的9 0 以上，是中国最大的镍钴生产基 地，被誉为中国的“镍都 。由于矿区矿产资源多属贫矿、共生矿、伴生矿、难 选矿，在现有技术经济条件下，可供开发利用的资源保证程度呈下降趋势。随着 中国经济的发展，我国对矿产品及相关的能源与原材料加工制品需求剧增，能源、 资源短缺问题正日益受到全社会的重视。金川矿区矿产资源储量的有限性，决定 了金川公司发展必须走资源勘探的可持续发展道路，进行深一轮找矿、深部找矿 寻找更多的替代资源。 金川公司于2 0 0 3 年组建了地质勘探队，2 0 0 5 年其规模就发展到了钻机1 0 余 台，钻探工作量2 0 0 0 0 米，由于矿区工程地质条件复杂，围岩破碎，地应力大， 钻孔多布置于软弱地层，在钻孔施工中，钻孔塌孔、缩径严重，导致孔内事故频 繁，机台钻进效率及岩矿芯采取率较低，有的钻孔甚至导致报废，严重制约了矿 山勘探工程的进度和质量，直接影响了钻探效率、钻探效益，不利于金川公司可 持续发展战略的实现。为提高钻探效率、效益，金川公司委托中南大学针对金川 矿区不良岩层综合改进钻探工艺研究，确立了“钻进工艺技术改进研究 、“钻 孔冲洗液与护壁堵漏研究 、“适合矿区的金刚石钻头研究与开发以及“钻探 工程综合管理及技术培训等四个专题。在此背景下，选取“适合矿区的金刚石 钻头研究与开发专题作为硕士论文撰写的依据。 针对上述情况，适合矿区的金刚石钻头研究与开发必须解决如下问题： 1 矿区坚硬地层打滑问题。 2 矿区地层复杂，软硬互层频繁要求钻头具有广谱性。 3 矿区地层破碎要求提高寿命以适应绳索取芯钻进方法的高效率。 4 在矿区钻进参数范围内设计高效率钻头。 5 要研制与上述状况相适合的钻头，要求创新设计理论、技术和工艺。 1 1 2 金川矿区地质情况 1 矿区地层 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 金川硫化铜镍矿区东西长6 5 k m ，宽不足l k m ，按勘探先后可分为一、二、三、 四矿区。金川硫化铜矿床赋存于华北地台阿拉善地块西南缘龙首山隆起的铁质超 镁铁侵入岩中，龙首山隆起所在的阿拉善地块位于塔里木地区与华北地区相接的 部位，南邻早古生代北祁连褶皱带，北依晚古生代准噶尔褶皱带。金川矿床所处 的龙首山区，其沉积建造自下而上可分为：下元古代前长城纪变质碳酸盐一火山 岩建造；中晚元古代富镁质碳酸盐一火山碎屑岩建造；晚古生磨拉石一浅海相碳酸 盐建造；中新生代陆相碎屑岩建造。龙首山区岩浆活动以花岗岩类最为发育，分 布面积大，多呈岩基出现，主要形成于早古生代中、晚期和晚古生代早、中期， 岩石类型主要为二长花岗岩和闪长花岗岩，其次是钾长花岗岩，少数为斜长花岗 岩、石英闪长岩、石英二长岩等。矿区地层由前震旦系和第四系组成，主要岩石 由条带状混合岩、白色大理岩、二云母片麻岩、大理岩、夹石英云母片岩、片麻 岩、含石墨片岩、混合岩化含榴二云片麻岩、蛇纹石化大理岩夹均质混合岩黑云 母石英片麻岩、均质混合岩夹角砾状混合岩等组成。 2 矿区构造 矿区构造以断裂作用为主，规模较大的断裂构造有：北东一南西向的f 8 断层、 f 3 6 断层和北西一南东向的f 3 断层。其次在含矿超基性岩体和围岩中，还发育了一 些小型的断裂错动和节理裂隙。f 8 断层属平推逆断层，分布于矿区南东侧，呈北 东一南西向延伸约5 3 k m ，倾向南东，倾角约8 0 - - 8 5 。，断层破碎带宽度1 5 - - - ，3 2 m ， 由于f 8 断层的错动，使一矿区含矿超基性岩体西段向南西位移约8 0 0 m ，形成现在 的三矿区。 另在一矿区西端露天矿实际揭露，自断层线向两侧岩石的破碎程度在平面上 形成了明显的三带：遇水松软呈泥状、角砾状断层泥带，宽度2 - - - - 4 m ；遇 水松软呈角砾状夹块石断层角砾破碎带，宽度1 6 m ：沿节理滑动面呈泥状断层 挤压破碎带，宽度7 4 m 。同时，由c k 4 7 ：j ：l , 岩芯破碎说明，这一断层破碎带的影响 范围是6 行的顶板部分及5 行以东的全部。 1 2 金刚石钻头设计制造研究进展 自2 0 世纪6 0 年代开始研究钻头以来，我国已形成一套较完整的设计理论与 制造工艺，随着时间的推移和研究的深入，在磨料的处理、胎体结合剂以及相应 的工艺方法、钻头结构和烧结方法等方面做了大量的研究工作，取得了可喜的进 展，这对缩小与先进国家之间的差距起了积极的作用。 1 胎体粉末预合金化研究 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 金刚石钻头一般采用金属单元素粉末与金刚石颗粒预混成型烧结的方法制 造，由于烧结温度低，金属粉末之间不可能合金化，烧结后机械性能差，包镶金 刚石的能力弱。 采用胎体粉末预合金化，能有效改善金刚石钻头的烧结工艺和机械性能。胎 体粉末预合金化就是按设计配置成的金属粉末预先进行混合并熔炼成合金，然后 用雾化等方法制成合金粉末，最后再与金刚石混合烧结成制品。通过采用混合 冶炼，胎体金属混合得更均匀，从而不易发生金相偏析，合金化后的粉末也不易 被氧化。采用预合金粉末制造的金刚石工具，胎体的致密性和均匀性得到提高， 从而改善了金刚石工具胎体的磨损状态。预合金粉熔点较组成元素的熔点低，因 此采用预合金粉可以降低锯片的烧结温度，减少金刚石的高温损伤。1 目前， 用于生产铁基粉末的合金化方法主要有：粘结化处理预混合法( 简称预混合法) 、 部分预合金化法、预合金化法。聆1 预合金粉具有许多优点，国外金刚石工具生产 厂家目前大多采用预合金粉烧制金刚石工具，其合金粉产品已形成系列化。砸1 我 国上海材料所、北京人工晶体所、长沙冶金材料所与中南工大粉冶所都在这方面 开展了工作。 2 超细粉末的应用研究 粉末愈细，其表面能愈高，越易烧结，有助于降低烧结温度。随着制粉设备、 技术的发展，制粉技术参数的合理控制，加工生产超细粉末成本的降低，在金刚 石钻头制造中应用超细粉末已成为现实，在国外先进国家的金刚石钻头制造中， 超细粉末的应用已较普遍。我国的钻头制造中，一般使用2 0 0 - - - 3 0 0 目的粉末， 而随着我国制粉技术的进步，钻头制造者对超细粉末的重视，所用超细粉末的比 例会逐年增加，对钻头性能的提高起到了积极的作用。h 吲 3 金刚石表面金属化技术的研究 在常温常压下，金刚石有很好的化学惰性，在高温条件下，f e ，c o ，n i 可 强烈溶解金刚石并生成不稳定的碳化物( 如f e 3 c ，n i c 等) ，而c u ，s n ，z n ，p b 等不与金刚石反应，因此上述常用作金刚石工具结合剂的金属难以与金刚石形成 良好的化学结合。难熔金属t i 、z r 、v 、n b 、t a 、c r 、m o 、w 及非金属s i 、b 等 能与金刚石形成稳定的碳化物，被称为强碳化物形成元素，国内外学者从研究含 强碳化物形成元素的低熔点合金对金刚石的浸润性入手，进行了大量的研究工 作，进而发展了各种含强碳化物形成元素的镀层技术，并且由单一镀层发展到多 层镀层。 金刚石表面金属化方法到目前为止，主要有以下几种：化学镀加电镀、真空 蒸镀、等离子溅射、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、机械包覆或包覆 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 后立即烧结、接触烧结等等。其中，应用较多的是化学镀加电镀、真空蒸镀、机 械包覆和接触烧结。 国内外对于金刚石表面金属化的研究比较深入，并获得了不少的成果。d e b e e r s 公司早在7 0 年代就推出了镀t i 产品，t i 约占金刚石总重量的o 6 ，在外 层外面镀了一层镍，以防止钛与空气反应及增强与结合剂之间的匹配能力。钛镀 层的使用效果不仅与结合剂类型及烧结工艺有关，而且与被加工材料的性能及机 器状况有关。使用d eb e e r s 公司的镀钛金刚石在实验条件下寿命约提高1 2 。r i o 但著名金刚石工具厂家n o r t o nc o m p a n y ( 诺顿公司) 的研究指出，镀钛产品在改 善结合强度方面并不十分有效，使用镀钛金刚石制造的锯片，其寿命和效率没有 表现出明显的提高。镀钛产品首先碰到的一个问题是抗氧化性能差，钛和t i c 在 很多工具制造条件下可能被氧化；镀t i 产品遇到的另一个问题镀层的厚度，t i 和t i c 镀层的厚度不到1pm ，这么薄的镀层不能防止在制造钻头过程中镀层被 基体材料从金刚石表面融蚀和剥离1 。g e c o 在9 0 年代推出了第二代镀t i 和 镀c r 产品即m b s 一9 6 0 t i 和m b s - 9 6 0 c r 。该公司在其商业广告中明确指出：t i 镀 层适用于含f e 、钢和青铜的钴基结合剂：c r 镀层产品适用于c o 基或有低含量 f e 或青铜的w c 基结合剂。镀层金刚石平均寿命提高3 5 。n 幻 4 造粒技术研究 众所周知，金刚石制品制作方法有，金刚石与粉末按一定比例混合后装模， 经压制烧结成型，然后再焊接到钢体上或直接热压烧结成型，无论是何种方法， 都存在金刚石与粉末混合这一过程。由于金刚石与粉末在密度上的差别，必然导 致在装模过程中产生分选，即使加入润湿剂，也有人为的因素存在。因此金刚石 在胎体中是否均匀分布，直接关系到金刚石钻头的质量：同时粉末流动性的好坏， 也影响到石墨模具的使用次数及装料所用时间的长短。基于这些原因，在钻头生 产中使用造粒技术，能有效地克服上述的不足，提高钻头生产的自动化程度，这 是使用超细粉末，实现产品规模化、自动化，稳定钻头质量的可靠保证。这种方 法在国内还未使用，只在国外技术先进的工具厂家开始应用。【1 3 。1 们 5 钻进坚硬致密弱研磨性岩层技术研究 坚硬致密弱研磨性岩层，又称“打滑地层”，在这类岩层进行金刚石钻进时 经常出现金刚石钻头打滑现象，致使钻进效率低，或根本不进尺。对于该问题许 多学者进行了多方面研究，如提高金刚石强度、粒度、降低金刚石浓度；改变胎 体耐磨性；优化钻头底唇面形状与结构，增加钻头水口数目等进行了多次实验及 生产实践，产生了很多克服钻头打滑的方法，例如金刚石人工出刃方法；后来又 借鉴国外的思路使用软胎体钻头；另外还制造各种异形唇面钻头，如高低刃及同 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 心圆尖齿唇面钻头等；近来采用了金刚石弱包镶技术，使金刚石与钻头胎体之间 形成弱结合，有效地克服了钻进坚硬致密弱研磨性岩层打滑现象。侧 6 异形钻头设计的研究 为了改善金刚石钻头的性能，特别是提高金刚石钻头的效率，经常采用异型 金刚石工具【2 心3 1 。一般采用平底型或圆弧型唇面，但有时为了改善金刚石钻头的 性能，主要是为了提高效率，而将钻头唇部做成异型，嘲1 金刚石钻头主要唇部形 状如表卜1 。 7 新型烧结技术的研究 金刚石钻头常用的烧结方法按照烧结原理的不同有：钻头的低电压大电流电 阻内热烧结法，中频感应烧结法等。随着其它领域科学技术的发展，一些新的烧 结技术及设备也被应用到金刚石钻头制造过程中来，并获得了很好的效果，如真 空烧结技术、电火花烧结技术等。 金刚石钻头在有氧环境中烧结时，金刚石更易石墨化，胎体元素易氧化而降 低它们之间的合金化程度。采用还原性气体保护进行烧结，气体消耗量大，大大 增加了生产成本。采用真空烧结技术，不但操作简单，而且能有效地解决有氧烧 结时所带来的问题。有学者研究发现，在真空状态下与在保护气氛下烧结的钻头 相比，胎体冲击韧性提高2 0 ，抗弯强度提高2 3 ，硬度提高1 l 。【2 5 】 日本于1 9 6 5 年成功开发电火花烧结工艺，并且开始用于工业化生产，1 9 6 6 年美国制造出第一台电火花烧结机。我国北京钢铁研究总院于1 9 7 7 年成功制成 我国第一台电火花烧结机。电火花烧结技术引进到金刚石制品的生产，为制造高 性能金刚石制品提供了良好的途径。金刚石制品胎体粉末往往表面被氧化膜包 覆，烧结时氧化膜难以去除，降低了粉末的活性程度，使胎体“合金化程度降 低，大大降低了金刚石锯齿的机械强度，从而影响锯片的工作性能。采用电火花 烧结技术，通电后的某一时刻，由于阴极飞出的电子和阳极产生的正离子产生高 速冲击，使粉末表面的氧化膜和吸附的气体层破碎去除，同时产生冲击热和冲击 压力。这时粉末离子内部处于晶格缺欠较多的状态，加速了内扩散的进行。由于 粉末放电后处于净化了的还原气氛，再加上电场的影响，使扩散系数几乎是普通 烧结时的1 0 0 2 0 0 倍。啪1 电火花烧结技术在金刚石锯片制造中的应用国内研究 较少，但是，人们已经逐步认识到它的良好的应用前景，有学者研究发现，采用 电火花烧结，由于烧结时间短，与普通烧结法相比，对金刚石的包镶强度大大提 高了，钻头胎体耐磨性可提高1 5 。四1 1 3 本文主要内容及意义 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 矿区工程地质条件复杂，围岩破碎，地应力大，钻孔多布置于软弱地层；矿 区地层复杂，软硬互层频繁使钻头适应性降低，部分混合岩坚硬致密导致钻头经 常打滑，存在强研磨性地层致使钻头寿命极低；矿区地层破碎，因护壁要求冲洗 液固相含量高，使得钻机钻速上不去，否则钻杆内结泥皮导致打捞器下不到位。 在这样的条件下，公司地质勘探队台月效率仅为1 5 0 米左右。在钻探生产过程中， 钻进破碎岩石是生产的主要工序，研究岩石的性质、破碎机理以及可钻性分级， 在此基础上设计制造适合金川矿区的金刚石钻头尤为重要，是提高金川公司钻探 效率、效益的根本保证。本文的主要内容如下： 1 金川矿区岩石性能测试及可钻性分级 对各地层岩石岩矿分析、岩石失水及力学性能( 强度、硬度、弹性、脆性、 塑性和研磨性) 测试；分析了现行的可钻性分级法，并在此基础上采用岩石a 、 b 值可钻性分级法对矿区岩石进行可钻性分级。金川矿区主要岩层为混合岩和超 基性岩，岩石软硬互层频繁，混合岩中石英、长石含量较高，研磨性较强，适宜 于用耐磨性较强的金刚石钻头钻进，而对于超基性岩则石英、长石的含量较低， 岩石的研磨性较弱，适宜于耐磨性较弱的金刚石钻头钻进，加上混合岩中有少量 硬度特高、研磨性特强的打滑地层，因此金川的地层宜采用三种不同性能的金刚 石钻头，并且要有一定的广普性。 2 破岩机理及定量设计理论研究。 利用岩石破碎理论对矿区岩石破碎前的应力状态、破碎过程进行分析；应用 摩擦学理论，金刚石一岩石摩擦付的概念，利用摩擦学中的公式求出钻头一岩石 相互作用付三个阶段的分析表达式，得出正常钻进的边界条件。 提出基于金刚石钻头的唇面状态分析的定量设计理论，金刚石钻头的唇面状 态分析包括金刚石出刃状况、参与切削岩石的金刚石数目、金刚石切入岩石深度、 金刚石受力、钻头唇面压力分布及其与金刚石浓度、粒度的关系等，引入松动、 空间和工作间隙等因素完善金刚石钻头唇面状态分析以及钻头定量设计理论。 3 胎体配方设计 通过室内实验对骨架材料w c 的颗粒大小和含量进行优化设计；依据高效率 和长寿命要求，分析钻头胎体高温下的硬度和抗弯强度指标，优选适合金川矿区 普适性钻头配方。 4 制造新技术和钻头的烧结 设计金刚表面覆层技术，用金刚石造球机将金刚石表面覆上一层包镶强或包 镶弱的材料，从而改善( 弱化或增强) 金刚石的包镶性能。弱包镶是指金刚石颗 粒在钻头胎体合金内包镶的牢固程度较弱，相对地说，在钻进打滑地层过程中， 金刚石颗粒较易从胎体中脱落，因而金刚石钻头的胎体磨损较快，金刚石的出刃 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 与自锐能力较强；对于普通地层，则覆上一层包镶强的材料，增加钻头的效率和 寿命。设计了胎体分层技术，将钻头的钻齿设计成分层式，即沿钻头径向做成耐 磨性相间( 夹层型设计) 的钻齿，使钻头的钻进唇面在与岩石磨削时，形成“凹 凸 状的“同心圆齿”结构，变破碎方式为“体积破碎”，大大提高钻进效率。 重点考虑烧结过程中温度对金刚石强度影响，从而对制定钻头的烧结参数。 5 制造三个系列八个品种金刚石钻头，在收集现场实验数据的基础上，采用 每米钻进成本法对所研制钻头进行综合评价。 8 中南大学硕士学位论文 第二章矿区岩石性质及可钻性分级 第二章矿区岩石性质及可钻性分级 钻探的工作对象主要是岩石。在钻探生产过程中，钻进破碎岩石是生产的主 要工序，研究岩石的性质以及可钻性分级，是设计制造适合金川矿区金刚石钻头 的依据，对金川矿区金刚石钻头的使用有重要的指导意义。岩石性质决定于其物 质成分、结构构造、成岩后的变化和外力场的作用，从钻探角度来看，岩石性质 包括岩石的物理性质和岩石的力学性质。 2 1 岩石矿物 岩石是由一种或多种矿物在一定地质环境中形成的自然集合体，按岩石的 成因，可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。金川矿区主要岩石有：二辉橄榄 岩、混合岩、花岗斑岩、大理岩、辉绿岩和绿泥石。从表2 1 可看出金川地层主 要为混合岩和超基性岩组成，混合岩中石英、长石含量较高，研磨性较强，而对 于超基性岩则石英、长石的含量较低，岩石的研磨性较弱。 表2 - 1 金川四矿区岩石矿物测试结果 9 中南大学硕士学位论文第二章矿区岩石性质及可钻性分级 2 2 岩石力学性能 岩石的物理性质取决于它的物理成分，岩石的力学性质是物理性质的延伸， 它在外载作用下才表现出来，通常表现为岩石抵抗变形和破坏的能力，如强度、 硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性等，但在选择金刚石钻头性能指标时主要是考 虑岩石的强度、硬度、研磨性等。 1 岩石的物理性质 金川矿区岩石的物理性质测试结果见表2 - 2 。岩石的物理性质是岩石矿物组 成、结构构造的综合反映，因此它也是影响岩石力学性质的主要因素之一。 表2 - 2 金川矿区岩石物理性质 2 岩石的强度 岩石的强度就是岩石抵抗机械破坏的能力，依其外载作用性质不同，可以分 为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度。岩石强度的大小取决于岩石的内 聚力和岩石颗粒间的内摩擦力，坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内 聚力和内摩擦力，松散性岩的强度主要取决于内摩察力，岩石的内聚力表现为矿 物晶体或其碎屑问的相互作用力，或者是矿物颗粒与胶结物之间的连结力。因此 岩石的内聚力可以分为颗粒内部的晶体或其碎屑间的连结力及颗粒之间的连结 1 0 中南大学硕士学位论文第二章矿区岩石性质及可钻性分级 力，颗粒与胶结物之间的连续力和胶结物内部的连结力，通常颗粒内部的连结力 大于颗粒间的、胶结物之间的连结力。岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始接触状 态即将破坏而产生位移时的摩擦阻力。影响强度的因素，基本上可分为自然因素 ( 如岩石的矿物成份、比重、结构及构造等) 和工艺因素( 如加载速度、形变方 式) 等。岩石的强度愈高，金刚石钻头就越难破碎岩石，工作效率也就越低，所 需要的金刚石质量也就越好。金川矿区岩石的各种强度指标测试结果见下表2 - 3 。 表2 - 3 金川四矿区岩石力学性质 3 岩石的硬度 岩石的硬度与其它固体一样，通常被认为是某一种物体对另一种物体压入的 反抗特性，衡量的单位是m p a 。硬度与抗压强度有联系，但又有很大差别，硬度 只是固体表面的局部对另一物体压入或刺入时的阻力，而抗压强度是固体整体破 坏时的阻力，根据理论分析，岩石的压入强度( p k ) 与单轴抗压强度( o 。) 之间 关系如下： 气= ( 1 + 2 万h ( 2 - 1 ) 实验证明，硬度与抗压强度之比在5 - - - , 2 0 之间，造成二者间差别的原因是： 测量压入硬度实际上是使岩样产生局部压碎，而这种局部压碎是在近乎多向受压 的复杂应力状态下进行的，对于金刚石工具破碎岩石来说，应区分开组成岩石的 矿物颗粒的硬度和岩石的组合硬度，前者主要对金刚石工具工作面胎体材料磨损 有影响，而后者对金刚石破碎岩石的速度起重大影响，岩石的组合硬度高，则金 刚石更不易破碎岩石。金川矿区内各种岩石的硬度测试结果见表2 2 ，从表中得 出区内岩石级别为6 - 9 级，最硬的是混合岩和花岗岩达9 级。 中南大学硕士学位论文第二章矿区岩石性质及可钻性分级 4 岩石的研磨性 岩石对钻头的磨损能力称为岩石的研磨性，岩石对钻头的磨损是由于钻头与 岩石间产生了相对移动，在它们的接触面上的摩擦力是引起钻头被磨损的重要因 素。 依摩擦理论，当两物体之接触面相对移动时，两物体的表面产生的磨损，它 决定于两物体间的摩擦力和移动的距离，脆性物体的磨损与摩擦力成正比。 a = 丛p f s ( 2 2 ) 式中：a 产生磨损的摩擦功，n m ： 卜接触面正压力，p a c m - 2 ： f - 接触面积，c m ； s 两物体相对移动的距离，m ； i i 动摩擦系数。 岩石对钻头的磨损程度在很大程度上取决于岩石的结构特征。石英含量高， 则岩石的研磨性强，另外，造岩矿物的粒度表现为岩石表面的粗糙度，它使岩石 与工具之间的实际接触为点接触，形成了每个颗粒点的局部的载荷集中，强化了 对工具的磨损，粗砂岩对金刚石工具的磨损比细砂岩大就是这个原因。其次砂岩 的研磨性随其胶结物强度降低而增加，这是因为胶结物强度降低，则岩石的表面 更易更新，从而对工具的磨损能力增加。矿区内部分岩石的研磨性指标见表2 4 。 表2 - 4 矿区内部分岩石研磨性指标表 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章矿区岩石性质及可钻性分级 2 3 岩石可钻性分级 2 3 1 现行岩石可钻性分级方法 岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力，是决定钻进 效率的基本因素。它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石 自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程 中显示出来的综合性指标。岩石可钻性分级是钻探工程施工技术设计的最重要理 论依据之一，尤其在选择、设计、制造钻头时，更是离不开岩石可钻性。随着孕 镶金刚石钻头钻进的日益普及，孕镶金刚石钻头使用效果的好坏与岩石性质有密 切的关系，同一钻头在不同的地层中使用，效果有相当大的差异，需要一种简单而 准确的方法来测定孕镶金刚石钻头钻进条件下岩石的可钻性级别。现行的可钻性 分级法有压入硬度法、点载法、凿碎比功法、纵波速度法、综合法、微钻法和切 槽法等，但是均存在如下不足之处。噙1 1 压入硬度法 压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指 标。压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大 大小小不规则的矿物颗粒组成的，矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在 很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大 的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确 定。 2 点载法 点载法是由点载仪测得的，用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标，点 载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。点载法不能从 可钻性上把岩石分开，这是因为岩石在三向应力状态下产生张性破坏，而各种岩 石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。这样点载法的测定 结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。 3 凿碎比功法 凿碎比功法是将小型凿碎器测得的岩石凿碎比功作为岩石可钻性分级的指 标。比较凿碎比功的大小很难确定出各岩石的可钻性级别，这是因为凿碎比功是 针对凿岩破碎的，它的破碎岩石的方式反应了凿岩机的破碎岩石方式，不能用于 回转钻进的岩石分级。 4 纵波速度法 纵波速度岩石分级法是利用弹性波( 纵波) 在弹性媒质中传播速度的差异， 来对岩石可钻性进行分级的。纵波速度对岩石可钻性的反映是极不准确的，这是 1 3 中南大学硕士学位论文第二章矿区岩石性质及可钻性分级 因为岩石本身根本不能算是一种完全弹性媒质，弹性波是在岩石矿物颗粒、胶结 物、空隙以及结构界面( 节理面、裂隙等) 上传播的，岩石矿物成分、颗粒大小、 胶结状况、孔隙度、松散程度等因素将会引起声速值的差异，这就是某些节理不 高的软岩比硬岩的声速值高的原因所在。由此可见，纵波速度作为岩石结构、构 造特性的量度似乎更合适些，而用纵波速度来反映岩石的可钻性是极不准确的。 5 综合法 既然岩石的各项物理力学性质分级法都从不同的程度上反映了岩石可钻性， 就很容易使人们想到利用综合法来判断岩石的可钻性级别，把以上各种方法所测 出的结果按一定的方式综合起来，给出一个可钻性等级。但实践证明它还是难以 满足钻探生产的需要，综合法所测得的岩石级别与现场实际钻进效率存在较大的 差异，所以综合法虽然看似有一定道理，但是其分级准确度仍然很低。 6 切槽法 切槽法的测试岩样取自现场钻孔的岩芯，按适合于钻进硬岩的钻头配方，制 成孕镶金刚石试棒，用一定的载荷压在回转的岩芯侧面上，边转边刻出一道环形 沟槽，用清水冲洗切槽时产生的岩屑，一次切槽回转4 0 0r r a i n ，切后用切槽直径 的变化来表示岩石的坚固程度，用试棒的失重表示岩石的研磨性，以岩芯失径和