一种卵石层钻进用金刚石钻头的研制与试验.doc

一种卵石层钻进用金刚石钻头的研制与试验 罗文来 何锋 李运海 张延军 莫睿桂林矿产地质研究院特邦新材料有限公司， 桂林， 541004摘 要：文章通过分析金刚石钻头钻进卵石层的特点及钻头破坏形式，采用三明治钻齿提高胎体内外层耐磨性、加入辅助磨料、球磨工艺提高胎体本身的耐磨性、钻头钢体表面硬化提高钢体寿命等相关技术，使金刚石钻头能正常消耗完工作层，从而使金刚石钻头的寿命和时效有较大幅度的提高，试验钻头与工地上正在使用的烧结金刚石钻头相比较，最高寿命提高1.5倍，最低寿命提高1.14倍，钻进时效平均提高33%，钻进寿命平均提高1.5倍。关键词：卵石层，三明治钻齿，辅助磨料，球磨工艺，钢体硬化DEVELOPMENT AND TEST OF N EW DIAMOND DRILL BIT FOR COBBLE STONELUO Wen-lai，HE Feng，LI Yun-hai，MO Rui，Zhang Yan-jun (Tebon New Material CoLtd，of Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources ,guilin guangxi ,541004) Abstract：The relevant technologies such as sandwich segment，auxiliary abrasive， and steel hardening of the bit were used to make full use of the whole working layer of diamond drill bit resulted in great improvement of the life of the diamond bit and its efficiency based on the analysis on the characteristics of drill bit drilling through cobble stone and the damaging form of the bit，the testing bit compared with the bit being put into use on the construction site, maximal increased life 1.5 times , minimum increased life 1.14 times, its efficiency improves 33% averagely , drilling life improves 1.5 times averagely Keywords：cobble stone； sandwich segment of bit ；auxiliary abrasive；ball-milling process；steel hardening1. 前言在我国西南、东南的河流和海边，水电坝址勘察、楼房地基勘察等等的建设工作中，需要在卵石层中打钻的工作量在不断增加，而且不同地区的卵石层差别也很大。目前国内大多还在采用常规的地质勘探用金刚石钻头钻进卵石层，其钻进时效和寿命均不够理想。因此，研制适合各类卵石层的地质勘探用金刚石钻头成为了国内外众多钻头生产厂家与用户的新课题。2. 钻进卵石层的特点及钻头破坏形式2.1 钻进卵石层的特点卵石指的是风化岩石经水流长期搬运而成的粒径为60200mm的无棱角的天然粒料，由于其原始岩石的不同，卵石的成分也各不相同，但经过长期的河水的冲刷和水的搬运作用及相互磨圆后，卵石的硬度都比较高。因此，钻进卵石层时，岩粉中往往含有大量的硬质点，对钻头胎体和钢体均存在冲蚀破坏作用；此外卵石层一般也松散，钻进中漏水严重，金刚石会在缺水状态下工作而容易微烧碳化，影响到钻进效率和寿命，松散的卵石不易取芯和孔壁坍塌，造成重复破碎，也会减少钻头的有效寿命。照片1、钢体磨损严重2.2 钻头的破坏形式在现场施工中，观察到我们的常规钻头主要破坏形式有如下两种： 钻头内外径磨损过快，胎体的工作层在高度方向上还可以工作，但内外环状间隙过小，钻进时洗液太少而不能工作。 钻头钢体磨损过快，特别在钻头胎体钢体结合处附近，产生拉脖子现象，有些已把钢体磨穿，但胎体的工作层还可以工作，工人因钻头容易掉胎环而不再继续使用。（见照片1） 钻头工作时震动大，不稳定，胎体容易掉快。3. 提高钻头钻进效率和寿命的方法根据金刚石钻头钻进卵石层的特点及钻头破坏形式，有针对性地改进钻头胎体的切削材料以达到提高钻头钻进效率和寿命的目的。3.1提高钻头钻进的效率3.1.1采用热稳定性高的金刚石在选择金刚石时，其TI值和TTI值越接近，其在缺水状态工作中的性能越稳定，钻速变化越小，平均钻速越高。3.1.2采用自锐性高的金刚石卵石一般都比较硬，金刚石容易磨钝，选取自锐性的金刚石，有利于提高钻头的钻进效率。 3.2 提高钻头的寿命从施工现场观察到的钻头冲蚀形式看，钻头胎体在高度方向均不能有效地工作完，因此其寿命较短，如能保证钻头胎体中工作层在高度方向能正常的消耗完，则钻头的寿命会大幅度地提高。3.2.1 三明治刀头形式的钻齿从钻头的主要破坏形式看，首先要解决钻头钻进卵石层时内外径磨损过快的问题。采用常规的地质钻头胎体补强方式有一定的作用，但不是很明显，而应该大幅度提高钻头胎体的内外径层相对于中层的耐磨性，即钻头胎体内外径层的胎体或切削元的含量要与中层有区别，如三明治刀头形式的钻齿。3.2.2.采用耐磨性高的胎体3.2.2.1 加入辅助磨料辅助磨料在金刚石钻头中起辅助切削破碎岩石作用，其一般颗粒度在80100目以细。起主要切削破碎岩石作用是主粒度金刚石，同时辅磨料也有一定的辅助切削破碎岩石作用，辅磨料主要负责对主粒度金刚石切削破碎下来的粗岩粉进行二次切削破碎，从而使它们变成更细的岩粉，可以通过冷却液及时、迅速地从钻头端部排出，避免了在钻头使用时所出现的由于大量中粗颗粒岩粉在钻头唇部重复磨损胎体，导致钻头胎体急剧磨损，失去对金刚石的包镶能力，使钻头出现短寿命或效率较低的现象。金刚石钻头的设计中，主粒度的金刚石浓度一般设计为40 90，辅助磨料金刚石的浓度一般为在5 20之间。主磨料的金刚石颗粒度一般在30357080目之间，辅助磨料金刚石的颗粒度一般为80100目以细。主辅粒度金刚石的总浓度加在一起远远大于普通钻头的浓度，从而大大增强了钻头的耐磨能力。3.2.2.2采用球磨工艺混料方式的不同，胎体烧结后的性能也有很大区别，我们对同一胎体进行过不同混料工艺的简单对比，如下表1所示。表1、不同混料工艺效果对照表混料设备容积比球料比混料时间试样块相对密度试样块平均硬度HRB试样块平均磨耗比三维6L混料机60%1：1.58小时98.5%94.120.041锥形球磨机60%1：1.58小时98.2592.131.374备注：磨耗比=砂轮损耗量：胎体损耗量，是在相同的试验条件下，称量试样块与砂轮对磨后各自的损耗重量。从表1可看出，两种混料机混出的粉料其胎体的硬度相接近，但是其磨耗比却相差甚大，球蘑机是三维机33.5倍。产生这种差别的大致原因为，锥形球磨机中的钢球对粉料有冲击与研磨作用，改变了粉料的表面形貌，在球磨过程中粉末系统的活性达到足够高时，球与粉末颗粒相互碰撞的瞬间产生了大量的新鲜表面，也造成的界面温升可能诱发了化学反应。此外，粉末经球磨到一定程度后，粉末颗粒变得非常细小，并随着表面积的增大而增大了颗粒之间在界面直接发生反应的几率，也可能产生界面反应。球磨中粉料由于塑性变形，内部缺陷（空位、位错等）增加导致晶粒进一步细化，此时会在不同金属间发生了固态反应扩散。室温球磨时，虽然粉末本身的温升不高，但由于产生了大量的缺陷（空位） ，从而增强了元素的扩散能力，使本来在高温下才能发生的过程在室温下也有可能实现。随着不断的碰撞产生大量的新鲜结合表面后，使得反应不断的进行，最终可能形成了金属化合物，从而最终改变的胎体材料的机械性能，即耐磨性得到了提高。而三维混料机更多是机械拌合均匀作用，球磨作用很小。3.2.3 钢体表面保护钻头钢体被岩粉硬质点冲蚀严重，许多钻头钢体有过度磨损甚至磨穿现象。因此，我们还应减小减慢这种冲蚀破坏的现象，如采用提高钻头内外径环状过水面积或提高钻头钢体的耐磨性等措施。但若采用提高钻头内外径环状过水面积，则钻头胎体的壁厚要增加，钻进时钻压要增加，此时又因小钻机的钻压不足会影响到钻进速度。所以，最理想的方式是提高钻头钢体表面的耐磨性，如钢体材料采用合金钢，或钢体表面进行硬化处理，或钢体采用带保护棱的钢体（如在钢体表面进行堆焊、涂覆、电镀几道棱状硬物质），钢体表面的使耐磨性大幅度提高，又保留足够的排粉空间，使原来的胎体可以正常消耗完，甚至还可以加高工作层胎体的高度，因而大大延长了钻头的使用寿命；减少了起下钻具的距离，大大提高了深孔钻探的效率，大幅度缩减钻探工期，减少了钻探成本。因合金钢与金属粉料的粘接效果不如45#钢，而且材料成本又高。在本次研制中，我们在钻头的钢体表面，每个钻齿的对应下方轴向，用WC焊条或热喷涂、或电镀的方式， 焊WC棱堆焊或喷涂或电镀成约40MM长15MM宽2MM高的保护棱。保护棱也可为各种硬质材料制成，如采用硬质合金碎粒堆焊、含金刚石的金属胎块等。钢体部分的凸起保护棱硬度可达HRC55以上，耐磨性则加25倍，而现有产品的钢体多为45#钢，其硬度和耐磨性都差很多。如照片2、照片3所示。 照片2，表面喷涂 照片3，表面4. 钻头的制作和试验结果4.1 钻头的制作4.1.1 钻头制作的基本原则为了确保钻进卵石层时钻速持续稳定，我们在切削元中加入辅助磨料，选择主金刚石时用TI值和TTI值差别比较小的。为了实现钻头齿的三明治方式，钻头在装料时使用了专用器具，首先将钻头齿的空间分成内中外三层，再分别装料，以确保达到设计目的2。胎体中加入辅助磨料和采用球磨混料工艺来提高胎体的耐磨性。从生产制作工艺方便出发，我们采用钢体表面用WC焊条硬化处理的方式。如照片2所示。4.1.1.2 钻头制作的方案与选择根据我们的常规钻头使用情况和上面的钻头制作基本原则，本次制作的重点放在选择确定合适的辅助磨料加入量和三明治的浓度差上，其他与常规钻头相同。我们制作36.5/21.5的钻头在室内先做模拟钻近试验，在此基础上再确定制作现场实际使用的样品。我们选用3因素3水平的正交表L9（34）做试验对比，试验方案如下表2所示。表2、试验方案列号辅助磨料加入量三明治的浓度差34 试验号15%10%0025%18%0035%26%00410%18%00510%26%00610%10%00715%26%00815%10%00915%18%00作出的9种钻头在相同的卵石层和钻进工艺下钻进，其结果如下面表3所示。表3、各种钻头的室内使用结果表钻头号123456789效率-/Min4.24.64.44.44.54.33.94.03.8寿命-M/4.24.34.55.05.35.265.855.5从上表3和下图1-4可以看出，辅助磨料的加入量对钻头寿命影响比较明显，随加入量的增加而增加，对效率的影响在5%、10%时几乎无影响，在15%时效率略有下降；三明治的浓度差对寿命的影响当辅助磨料的加入量相同时以26%时效果最好，对效率的影响则不明显。综合以上结果和工地对寿命要求第一位，我们选择7#试验钻头作为本次制作的方案。 图-1，辅助磨料加入量与寿命关系 图-2，辅助磨料加入量与效率关系 图-3，三明治浓度差与寿命关系 图-4，三明治浓度差与效率关系4.2 钻头试验结果 在广西荔浦某河滩工地施工现场，有将近3家单位约12台钻机，有50米、100米等钻机，平均每孔钻进卵石层深约6米。大多数钻孔为110口径和91口径，其初期使用的电镀钻头平均寿命约5米，平均时效1.8米，烧结钻头平均寿命约8米，平均时效1.5米。我们试做了12个金刚石钻头在三家单位进行使用，钻头均能正常使用至工作层消耗完（见照片4）。钻头有效寿命在1525米间，平均寿命20米，平均时效2米。其对比结果如以下表4所示和图5的柱状图所示，其提高的效果还是比较明显。照片4、能正常消耗完工作层表4 试验钻头与工地常规烧结钻头的性能对比钻头类钻头数量最高寿命最低寿命平均寿命平均时效工地用烧结钻头8个10米7米8米1.5米试验钻头12个25米15米20米2.0米比较结果+150%+114%+150%+33%图5，试验钻头与工地烧结钻头性能对比图5. 结论通过观察金刚石钻头钻进卵石层的现场特点、钻头主要破坏形式，采用加入辅助磨料，三明治钻齿及钻头钢体进行表面硬化处理，试验钻头与工地上正在使用的烧结金刚石钻头相比较，最高寿命提高1.5倍，最低寿命提高1.14倍，钻进时效平均提高33%，钻进寿命平均 寿命也提高1.5倍，说明该试验钻头在卵石层钻进中取得了较好的效果，为以后钻进各类卵石层的钻头设计提