高时效金刚石钻头的研究现状

黎立朝，牛明远

新疆煤田地质局一六一队（830009）

高时效金刚石钻头的研究现状

黎立朝，牛明远

新疆煤田地质局一六一队（830009）

在金刚石钻头应用研究过程中，高效率与长寿命经常是互相矛盾的，为协调两者的关系，研究者往往把如何提高钻进时效作为首要解决的问题。国内外学者对此进行了多方面的研究，如金刚石钻头人工出刃处理、优选金刚石参数、改变胎体耐磨性，以及研制出各种异形唇面钻头和弱包镶金刚石钻头。

金刚石；钻头；研究现状

1 优选金刚石参数

金刚石静抗压强度（简称强度）直接影响钻头的钻进效果，金刚石强度越高，能承受的钻压越大，钻进效率越高。但并不是说金刚石的强度越高越好,因为不但要考虑金刚石的单价问题，还要考虑所钻岩石的物理力学性质，因此必须综合考虑技术经济效益。

金刚石浓度在钻头的技术参数中是最敏感的一个，每一类岩层都有一个相对应的最佳浓度值。改变金刚石浓度的方法较多,粒度相同时直接增加或减少胎体中的金刚石含量；也可以在相邻两个扇形块采用不同粒度金刚石（金刚石含量相同），即改变了两个扇形块之间的金刚石面密度[1]。

2 改变胎体耐磨性

目前，电镀金刚石钻头的胎体一般都采用镍—钴合金，其对金刚石的包镶效果好,具有较高的强度和一定的耐磨性能，对大部分岩石有较好的适应性，但对于坚硬致密且研磨性极强的地层，胎体消耗很快。如果通过改变合金中镍钴的比例来提高合金硬度，那么胎体脆性也会跟着增加，虽然耐磨性随着硬度的提高而增强,但在摩擦磨损中其脆性破碎也会随硬度的提高而增加，所以，钻头寿命并没有明显提高。

Huadong Ding等将3种具有不同耐磨性的扇形胎块交错分布在钻头刚体上，制造出一种非均质胎体金刚石钻头。该钻头具有适用性广的特点,但是当其中一种胎块的耐磨性和所钻岩石的研磨性相适应时,其他两种胎块的磨损则表现出不正常，这势必会影响到钻进效率。宋月清等结合切割弱研磨性石材的需求,提出了金刚石工具胎体材料性能“弱化”的概念，通过工艺控制法、添加剂法以及粗化晶粒法弱化胎体的耐磨性、粘滞性等性能，可以提高金刚石工具的切割速度及寿命。杨建新在生产实践过程中总结出可选用软胎体、低浓度的金刚石钻头钻进坚硬致密弱研磨性岩石,钻进效果好。

3 异型唇面钻头

异型唇面钻头具有较高的钻进效率，究其原因:一方面减少了钻头底唇面上金刚石的镶嵌面积,在所加钻压一定时，金刚石轴向荷载增加，有利其压入切削岩石；另一方面，减少钻头底唇面积的同时增加了刻取岩石的自由面,由单纯研磨（磨削）破碎岩石变为磨削加挤压碎岩，有利于提高钻进效率。赵尔信提出了金刚石钻头唇面的设计原则并指出了各种异型唇面的特点。李大佛、刘广志等钻探工作者结合生产实践设计并制作了多种异型钻头。

3.1 高低锯齿型电镀钻头

该钻头特点是设计有高低两排锯齿,并且每个锯齿有13°的斜角，高低锯齿分别先后参加工作。从理论上分析，这种设计思想能达到提高钻进时效的目的,但实际上这种高低锯齿金刚石钻头的使用效果有限,因为开始是高锯齿破碎岩石，钻进时效能得到提高，随着斜角的逐渐磨平，高锯齿磨损低锯齿参加工作，金刚石上产生破碎岩石的压力随着底唇面与岩石接触面积增大而减少，钻进效率降低。

3.2 唇面交错型电镀钻头

该钻头结构特点是钻头底唇面仅约35%的面积用于刻取岩石，与普通钻头相比，在钻压和转速相同条件下，每一颗金刚石轴向荷载增加，有效提高切入岩石深度。胎体底唇面径向上约26%的面积是空白部分,这部分岩石是依靠相邻两个扇形块侧面挤压破碎的，挤碎的岩屑颗粒较大，有利于磨锐钻头使金刚石出刃。

3.3 尖齿钻头

尖齿钻头能够减少钻头径向摆动稳定钻具，有效防止孔斜。刘广志、徐晓军等分别设计了交错型尖齿钻头、同心圆尖齿钻头。这类钻头在钻进初期能获得较高钻进时效，但是钻进一段时间后，尖齿磨损，钻进时效便急剧下降，而且该类尖钻头制作过程中烧结模具加工困难。杨俊德、蒋青光等分别设计了一种新型自形成同心圆尖齿钻头。杨俊德等将高浓度、低浓度和不含金刚石三种工作层分别按顺序放入胎块模具中，冷压成型，再将成型的胎块放入钻头模具中进行热压烧结。该钻头结构特点是金刚石在胎体中呈非均匀状态分布。钻头在磨损前是圆弧或平底型，一旦开始钻进，不含金刚石层首先磨损，胎体形成两槽三刃同心环齿，减少了底唇面接触面积，提高了钻进时效。

4 弱包镶金刚石钻头

张绍和等人[2]为解决钻头钻进过程中金刚石颗粒不能有效出刃和脱落的问题，利用热压烧结技术制作出一种弱包镶强耐磨性胎体钻头。其制作工艺如下:首先用机械的方法在金刚石表面包裹一层弱包镶粉末，使其粒化；而后将包裹好的金刚石颗粒与强耐磨胎体粉料混合均匀,再进行装模烧结。由于一层强度较低、粘结较差的弱包镶层存在于胎体与金刚石之间，从而减弱了胎体对金刚石的包镶能力，使得金刚石颗粒在胎体磨损不是很大的情况下,就会从胎体中自行脱落下来，实现了金刚石的换层，而脱落的金刚石颗粒在胎体和岩石之间充当了硬质磨料,加速了胎体的磨损和岩石的破碎。这种弱包镶金刚石钻头在钻进坚硬致密弱研磨性地层时较普通钻头取得了较好的钻进效果,平均时效为2.8 m/h。

杨凯华等提出利用电镀法制作弱包镶金刚石钻头，胶粘剂、覆膜粉料有待进一步优选。方小红等借鉴热压法制作弱包镶金刚石钻头的思路,利用电镀法进行了弱包镶金刚石钻头的试验与研究。试验结果表明:弱包镶金刚石含量、磨料种类、磨料粒度对钻进时效的影响依次降低。张绍和等也利用电镀的方法制造出弱包镶金刚石钻头,通过计算和现场试验表明该钻头较普通钻头在时效和寿命上都有很大提高。张丽设计出一种电镀二合一型金刚石钻头,即由含优质金刚石的工作层和充填有弱包镶金刚石或其它人造硬质颗粒的视工作层两部分组成。这为本文研究非均质胎体结构提供了思路,但是这种二合一型金刚石钻头磨耗大，效果不理想。

[1]汤凤林,A.T.加里宁,杨学涵.岩心钻探学[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.

[2]张绍和,鲁凡,王殿江,等.弱包镶强耐磨性胎体钻头[J].探矿工程,1997(2):35～36.