工勘打滑金刚石烧结钻头的开发

罗文来，刘盛斌，吕中胜，唐智勇，覃怀鹏

(桂林特邦新材料有限公司 ，广西 桂林 541004 )

工勘打滑金刚石烧结钻头的开发

罗文来，刘盛斌，吕中胜，唐智勇，覃怀鹏

(桂林特邦新材料有限公司 ，广西 桂林 541004 )

在工程勘探施工中，钻头钻进坚硬岩石时效率低下，以往的地勘打滑钻头在工勘钻机振动强烈的条件下又容易断齿。文章分析了工程勘探与地质勘探的设备、工艺等施工特点，针对存在的问题，采用增加钢体与胎体接触面积的方法提高连接强度，采用较少孔底接触面积和添加脆性物质的方法提高钻进速度，开发的钻头在初步试用中满足了客户的施工要求且钻头无断齿现象。

金刚石烧结钻头；工程勘探；打滑岩层；钢体结构；脆性物质

1 产品开发背景

1.1 市场存在的问题和要求

金刚石钻头钻进岩石是在一定的回转速度和轴向压力的条件下，通过金刚石颗粒切削或磨削岩石使之变成小颗粒岩粉，在流体的作用下带走生成的岩粉，金刚石又不断接触新鲜的岩石，流体不断带走旧的岩粉，在这样的循环中形成了钻孔。打滑层的岩石硬度大密度高研磨性低，要能在此类岩层中连续钻进，既要求钻头表面的金刚石有足够的压力和转速破碎岩石，又要求在金刚石刃角磨平失效后能及时从胎体中脱落并出露新的金刚石，因此对胎体的强度、研磨性均要求较低。

工程勘探中会遇到打滑岩层，其钻进速度很低，有时十几小时只能钻进0.5米，采用反复投放磨料的方法可加快进尺，但钻头寿命又急剧降低。

地勘打滑钻头的强度低，在工程勘探的钻进中因钻具、钻机振动大，很容易断齿；用强度高的胎体制作钻头，金刚石又难于及时出露，中途需要开刃，不能正常连续工作。

此外，工勘施工人员的整体素质相对偏低，操作不规范，经常敲击钻具取岩心，也会敲断钻齿。因此，市场需要适合工程勘探条件的打滑钻头。

1.2 两种勘探施工方式的对比

如表1所示，工程勘探与地质勘探的特点不相同。

表1 两种勘探的对比

2 开发思路与过程

产品开发的要务是解决钻头断齿(图1)和提高在打滑岩层的钻进速度问题。

2.1 开发思路

(1)增加钢体与胎体接触面积及结构改善受力状态，提高钻齿与钢基体的连接强度，防止钻头断齿。

(2)设计合适的钻头唇面结构，使钻头与孔底的接触面积只相当于同规格常规钻头接触面积的75%～82%，提高孔底压强来提高钻速。

(3)在钻齿胎体中添加硅藻土、氮化钛等脆性物质来降低胎体的耐磨性，使金刚石更利于新陈代谢，以提高钻进速度。

2.2 开发过程

3 试验与研究

3.1 增加接触面积和改善结构提高连接强度的研究

从图2可见，断面2的钢体结构，其与胎体的接触面积要比断面1和断面3的均大，在同等外力下其抵抗能力也比断面1和断面3的大，连接强度相同时其连接力最大。

结构1结构2结构3断面周长(mm)16．626．620断面接触面积比(%)100160120实测断裂力(kN)8．112．39．5实测断裂力之比(%)100151．8117．3

图3 3种钢体结构的效果对比Fig.3 Effect comparison of 3 types of steel structure

由表2可见，改变钻头钢体的断面形式，在连接强度相同的条件下，在CMT4304材料试验机测试断裂力 ，得知采用断面2结构形式其连接力可提高50%以上。试验生产的工勘打滑钻头的3种规格共11个样品在现场测试中均未出现钻头齿断裂的现象，与其对比的其他打滑钻头则出现过断齿。

3.2 提高钻进速度的研究

3.2.1 减少孔底接触面积提高钻进速度

工勘钻头的钻进效率与金刚石参数、胎体参数及孔底接触面积有关，而工程勘探的钻机小，能力不足，因此同规格的相同金刚石参数、胎体参数的钻头，改善孔底接触面积可显著提高压入力。

图4 111/91钻头的常规底面结构Fig.4 Conventional underside structure of the 111/91 drill bit

图5 111/91打滑钻头的底面结构 Fig.5 Conventional underside structure of the 111/91 drill bit for slip layer表3 两种孔底接触面积对比表Table 3 Comparison of two types of downhole contact area

面积比压力比钻速比图4100%100%100%图580．5%124．2%115．7%

从图4的111/91钻头常规底面结构及图5改变后的钻头底面结构对比，改变后的孔底接触面积只有常规的80.5%，但是同一个钻头齿与钢体的接触面积几乎相同，这样可以保证在单个钻齿受到相同外力时的连接力足够。在同等转速和钻压条件下钻进岩石，后一种钻头的底面单位压强可提高24.2%，则其钻进速度理论上可提高24.2%；在其他条件相同时，图4图5底面结构钻头在现场施工的效率分别为0.7米/时及0.81米/时，钻进效率提高15.7%。因此优选确定效果好的图5作为钻头底面结构。

3.2.2 胎体添加脆性物质提高钻进速度

3.2.2.1 对脆性物质的基本要求

(1)满足使用性能要求，即添加后胎体的强度、耐磨性及包镶金刚石的能力等满足要求；

(2)满足生产工艺要求，即添加物与胎体成分在混料过程中能均匀一致保持稳定性，且在保存过程中无特别要求，其物化性质在存储中不影响制作质量；

(3)满足采购渠道要求，即添加物在采购过程中不需要增加额外成本，也不会耽误生产进度的要求，最好是市场上批量供应的，不需要专门订做；

(4)满足成本要求，即在胎体中添加脆性物质后，其成本在可控范围内，产品的性价比在市场销售中有一定的优势。

3.2.2.2 胎体添加脆性物质的种类和比例选定

根据上面选取脆性物质的要求，在市场上采购回3种脆性物质A、B、C，在现有的胎体配方中选择强度比原来的打滑层胎体略高的F15#胎体，在其中加入脆性物质对比其基本性能的变化，主要测试抗弯强度、磨耗比等胎体性能，优选合适的物质和比例，然后制作样品到现场做对比测试，最后确定工勘打滑钻头的胎体。我们选用单因素3水平的对比试验，试验方案如表4所示，做出9种胎块进行测试，每种做空白块和含5%的70/80金刚石的胎块测试磨耗比。试验块规格:(30×12×6)mm，6块/模，烧结工艺如表5所示，测试结果如表6所示。

表4 试验方案

表5 烧结工艺表

表6 测试结果

磨耗比测试条件：设备型号DHM-3，线速度25m/s，时间200s，测试后砂轮加热到120℃，一小时烘干后称重量；磨耗比指在相同条件下砂轮与胎体样块对磨，砂轮的重量损失与胎体样块的重量损失的比值，该比值越小说明胎体样块越不耐磨且金刚石的出刃程度越快越锋利，比值越大说明胎体样块越耐磨而金刚石的出刃程度越慢。

根据我们以往的打滑钻头胎体性能使用经验：强度低于800MPa易断齿，磨耗比大于1.4时钻进打滑层效率低。我们选择A2、C2这两种抗弯强度、磨耗比均合适的胎体作为室内样品试验的胎体，A3、C3的胎体锋利度虽然更好，但其抗弯强度太小，在使用中有掉齿的风险，故而不用。

3.2.2.3 室内样品钻进试验

图6 室内测试钻头与岩心 Fig.6 Laboratory test drill bit and core

制作Φ75/Φ60.8-10水口的钻头样品做室内测试，测试其钻进速度，金刚石与常规打滑钻头的参数相同，测试条件为：钻机型号为液压钻床Z3040×16，转速分别为160r/min、320r/min、630r/min(按接近现场XY-1钻机的三档142r/min、285r/min、570r/min用Φ91/71钻头相近的线速度原则选取)，压力按钻床的自动钻进给定的压力，岩石为中粒度浅红色花岗岩，岩板厚度62mm。测试的平均结果如表7所示。

表7 两种样品钻头的测试平均结果表

由表7可见，A2的胎体钻进速度与常规打滑钻头的速度接近。因此决定采用A2的胎体及上面分析的钢体结构2、钻头底面结构如图5，制作Φ91/Φ71、Φ111/Φ91、Φ131/Φ111的钻头到现场做对比试验。

3.2.2.4 脆性物质提高钻进速度的机理探讨

(1)脆性物质本身存在微小裂纹，在冲击、振动作用下会加速破碎，从而弱化了胎体，有利于金刚石的出刃与代谢，因此提高了钻进速度。

(2)脆性物质破碎脱落后，在胎体中形成洞穴，增加了容屑空间，利于提高金刚石连续破碎岩石时排除岩屑的能力并减少重复破碎的几率，进而减少单位体积破碎功，因此提高了钻进速度；此外，在胎体中形成的洞穴也利于赋存冷却液，当钻头在连续工作状态时，冷却液在洞穴中处于密闭-开放的循环状态，冷却液瞬间的压力释放能快速带走金刚石与岩石摩擦产生的热量，降低了金刚石的温度，从而降低了金刚石刃角的磨损速度，保持了其长时间的工作能力，进而提高了钻进速度。

4 现场使用的初步结果

4.1 在阳朔的地基勘探应用

桂林核工310队在阳朔某小区做地基勘探，遇到硅质化严重的灰岩，XY-1钻机，钻头规格Φ91/Φ71， 用转速285r/min，HRC7型测试数量3个。

表8 阳朔测试结果表

4.2 在大圩的水井钻探应用

桂林某客户在大圩镇打水井，遇到比较硬的卵石，有时还松动，用XY-2钻机，钻头规格Φ131/Φ113，使用转速248r/min，HRC7型测试数量3个。

4.3 在防城港码头勘探的应用

XY-2钻机，钻头规格Φ111/Φ91，转速310r/min，钻进硬岩， HRC7型测试数量8个。

表9 大圩测试结果表

表10 防城港测试结果表

4 结 论

(1)增加钢体与胎体的连接面积及改善其结构，可提高钢体与胎体的连接力，室内测试可提高效率51%，现场测试没出现断钻头齿的现象。

(2)在胎体中添加脆性物质和改变钻头底面接触面积可提高钻进速度，测试样品在工勘打滑岩层中的钻进速度在每小时0.83～1.5米，最高寿命34米，满足了客户的施工要求。

[1] 广西壮族自治区桂林图书馆文献信息检索查新中心2014年6月3日出具的报告(编号2014-125).

The Development of Sintered Diamond Drill Bit for Slip Layer in Engineering Survey

LUO Wen-lai, LIU Sheng-bin, LV Zhong-sheng, TANG Zhi-yong, QIN Huai-peng

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd,Guilin,Guangxi541004,China)

In engineering survey, the drilling efficiency of the drill bit is low when drilling into hard rock, and the geological prospecting drill bit is easy to be broken under strong vibration. The construction characteristics of equipment and technology of engineering survey and geological prospecting have been analyzed in this article. In order to solve the existing problems, the contact area of the steel structure and the matrix has been increased to promote its connection strength, and the technique of less downhole contact area and addition of brittle material has improved the drilling rate. The developed drill bit has met the construction requirements of the clients during the preliminary trial without tooth broken phenomenon.

sintered diamond drill bit; engineering survey; slip layer; steel structure; brittle material

2016-09-10

罗文来(1968-)男，长期从事金刚石制品的开发工作。E-mail:1435977253@qq.com。

罗文来，刘盛斌，吕中胜，等.工勘打滑金刚石烧结钻头的开发[J].超硬材料工程，2017，29(2)：7-11.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0007-05