摘要：金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性岩层钻进时,经常出现钻头抛光和打滑现象,钻头时 效、使用寿命都非常低。这类岩层虽然在一般矿区所占比例不大,但由于钻头打滑现象的 发生,即使只有几米或十几米这种岩层也要耗费大量时间和钻头,导致整个钻孔施工周期 延长,勘探成本增高,经济效益明显下降。解决在这类岩层中钻进效率低的问题,是钻探 行业长期存在的一大技术难题。 针对这一问题,并结合前人的研究成果,本文分析了导致金刚石钻头钻进打滑的原因, 设计了三种用于钻进打滑岩层的金刚石钻头。选用电镀法制造成型。
本文主要内容分四部分: 第一部分概述了金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩层的研究现状,介绍了电镀法制 造金刚石钻头的优点和 Ni 基复合镀层的研究情况,提出了该类岩层电镀金刚石钻头的三种 设计方法。
第二部分通过金刚石钻头钻进打滑的原因分析,针对坚硬致密弱研磨性岩层的钻头设 计方案。为实现金刚石的正常出刃,独创性地设计了三种用于防打滑的电镀金刚石钻头。 1.电镀弱包镶金刚石钻头。通过对比分析,选用了硬质磨料微粉绿碳化硅和白刚玉作 为弱包镶覆膜微粉;通过实验筛选,选择了环氧树脂类胶粘剂 504 胶作为覆膜胶粘剂,并 用非活性稀释剂丙酮来稀释,并通过实验确定最佳丙酮/胶粘剂配比为:5～6.5ml/g;选用 滚动式造球机进行覆膜;分析了单个金刚石颗粒在转筒内受力情况,确定了覆膜的最佳工艺 参数,包括最佳转速范围、最佳胶粘剂喷洒位置、最佳原料供给位置等;给出了金刚石覆 膜的基本工艺过程;用事后计算法确定裹覆后小球中实际金刚石的含量;最后采用正交设 计法安排实验。
2. 混合磨料电镀金刚石钻头。即将金刚石-硬质磨料以一定比例混合加入钻头胎体中 与合金一起沉积包裹。按照适宜电镀的要求,选择机械性能良好的硬质磨料绿碳化硅(SiC) 和白刚玉(α-Al2O3),对使用的两种磨料进行表面预处理;设计了两种混合电镀方案, 第一种以正交设计法安排试验,将金刚石和混合磨料均匀加入胎体中进行沉积包裹,第二 种方式为将磨料分为主磨料金刚石和辅助磨料金刚石+硬质磨料混合物,分别间隔均匀地 分布于不同的扇形胎体块中。后一种方法只以白刚玉在混合磨料中所占质量百分含量为 20%、30%、40%作了初步试验。
3. 二合一型电镀金刚石钻头。通过减少钻头胎体唇面面积,来提高唇面单颗粒金刚石 上的压力,增强对岩石的体积破碎效果。设计了两种钻头唇面结构,用常规电镀方法成型, 预留的孔待电镀完成后,选择 SiC 、Al2O3 以及金刚石等磨料通过有机物胶结方式注入孔内,待胶固化达到完全强度后,即可以使用;另一个方法是孔内不填充任何磨料。
第三部分为电镀金刚石钻头的成型工艺及室内钻进试验。即按照第二部分设计的几种 钻头,选择合适的胎体硬度,确定满足条件的镀液成分与工艺参数,制造了Ф36 的普通单 管钻头;然后选取了有代表性的三种岩样以及人造锆刚玉,对岩石进行成分分析、摆球硬 度、压入硬度及单轴抗压强度测试,对测试结果进行岩石可钻性分级,最后分别对这四种 岩样进行室内钻进试验。结果表明:采用弱包镶方法成型的钻头,对提高钻头时效的效果 最明显,由正交设计指标计算和极差分析知,对时效影响的显著性从主到次的顺序依次为: 弱包镶磨料含量,磨料种类,磨料粒度,选择覆膜微粉为 Al2O3,含有弱包镶成分 30%以上 的弱包镶金刚石对时效影响越大。其次为混合电镀法,由极差结果可知,对时效影响大小 顺序为:混合磨料粒度,混合磨料浓度,混合磨料种类。其最优方案为:磨料浓度为 20% 的 50/60 目的 Al2O3。二合一型钻头设计时要保证钻头胎体知金刚石浓度不能太低,太低仍 然会出现打滑。比较钻头磨耗发现,三种钻头的磨耗都比普通金刚石钻头稍高,其中二合 一型最高,而混合电镀法在三种钻头中磨耗最低。
第四部分分析了几种钻头防打滑机理。认为:弱包镶金刚石钻头防滑作用有,孔穴效 应对提高钻头比压作用、辅助碎岩作用、增大了钻头同岩石的摩擦系数、孔穴对胎体和金 刚石的冷却作用、孔穴储存岩粉和脱落的金刚石等摩擦微粒,对胎体的磨损作用,因而对 金刚石钻头的出刃有利等作用。混合磨料电镀金刚石钻头的防滑作用有,磨料碎裂和脱落 形成辅助碎岩作用、磨料锋利的形状加强了对岩石的切削作用。对非均质磨料胎体钻头, 胎体不同部分耐磨性的差别,使得耐磨性较强的胎体扇形块上的金刚石的实际压力增大, 从而加速岩石的破碎和金刚石出刃。二合一型钻头防打滑作用也也是通过减少钻头底唇面 面积、提高钻头比压来实现金刚石正常出刃。
本文最后总结了主要研究内容和研究成果,并提出了今后需要进一步研究的有关问题。
