青海野马泉矿区钻头胎体配方设计研究

汪洪民，潘秉锁，刘海声，高元宏，刘 鹏

(1. 青海省第二地质勘查院，青海 西宁 810000； 2. 青海省岩心钻探工程技术研究中心，青海 西宁 810000； 3. 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 前 言

野马泉矿区属海西地区重点勘查矿区，位于青藏高原北缘中段的祁漫塔格[1]，大地构造按位置在东昆仑北西向构造带与阿尔金北东向构造带交接部位的东昆仑多岛弧盆造山系西段[2]，本区构造运动复杂而强烈，导致破碎、裂隙地层所占比例较高[3-4]。近年来伴随着国家向深部找矿勘探的号召，钻孔工作量较大，但是深孔钻遇复杂地层的问题逐年增加[5]。在野马泉矿区的钻探施工中，钻头寿命普遍不高，常常出现因钻头不适用而导致工作量报废，提高钻头寿命对钻进效率至关重要，钻头胎体配方是改善钻头寿命的重要环节之一。胎体的硬度、耐磨性和抗冲击性能是比较恰当地评价钻头与所钻岩石的适应程度的三大性能指标[6-7]。同时，复杂地质条件下钻井深部井段常出现胎体脱落和断刀翼的问题，研究高性能、高强度的胎体配方十分重要。

为了提高钻探效率获得高质量找矿成果，针对野马泉研究区施钻地层岩性特征，结合材料自身特性，进行钻头胎体配方研制，并进行力学性能测试试验，开展矿区的深孔钻进的钻头胎体综合研究。该项研究有助于节约钻进时间、减少孔内事故、节约劳动力成本和提高找矿效益等，具有重要地质和经济意义。

1 胎体配方

青海野马泉矿区钻头胎体配方设计以碳化钨粉和铁粉作为骨架材料，起到提高硬度和耐磨性的作用，因而含量不宜过低，设计范围为碳化钨20%～45%，铁粉5%～30%；铜锡合金粉在胎体中起粘接成分的作用，熔点较低，属于软金属，含量过多则胎体硬度偏低，且耐磨性差，因此设计范围为29%～33%。同时，加入适量提高粘结金属流动性与胎体强度的镍和钴等铁族元素，镍和钴能显著提高胎体的耐磨性和韧性，常用于锯片行业[8-9]，但因近年来金属粉末价格持续走高，为控制钻头成本，使其设计总含量为14%～18%。在胎体成分中添加一定的锰含量，可在热压烧结时起到明显的脱氢还原反应，且与铜、铁元素具有较好的相容性，在烧结后可提高胎体的部分力学性能，但锰含量过高则胎体粉料的压缩性变差，脆性过大，故设计其含量为3%。针对野马泉矿区，设计了6种胎体配方(见表1)，生产后并试钻后将进行优选。

2 胎体试样制备

本试验中采用的模具材料为具有较高强度的石墨材料。热压金刚石钻头铁基胎体的试验流程如图1所示。热压钻头的烧结通常包括预压、升温、加压、保温、保压、降温出炉等几个参数和阶段。其中最重要的是烧结压力与烧结温度的确定。

表1 青海野马泉矿区钻头胎体配方 %

图1 热压金刚石钻头铁基胎体的试验流程

2.1 烧结压力的确定

胎体的致密性与耐磨性主要控制因素为压力，在外界压力作用下，石墨模具中金属粉末产生位移变形，胎体的致密性和耐磨性得到强化，在热压烧结工作中，加压是分阶段进行的，一般分为预压和终压两个阶段。预压对于电阻炉烧结钻头十分重要，因为预压决定着升温速度，直接影响烧结质量。预压主要是起整平和导正作用，预压一般取全压力的1/4～1/3。终压的确定主要考虑胎体配方、烧结温度和保温时间等因素，以保证胎体能达到或基本接近理论密度为标准。实际上要达到理论密度是比较难的，一般在98%～99%之间，就可以很好的满足地质钻探要求，终压一般在10～16 MPa之间选择。根据野马泉矿区的高效长寿命孕镶金刚石钻头的性能要求，本次试验的终压为13 MPa，整模(10个胎块)烧结情况下，烧结压力为16.6 kN，在温度升至烧结温度时压力也同步达到终压值。

2.2 烧结温度的确定

烧结温度对金刚石钻头胎体的密度产生加速致密化作用，烧结温度过高或过低，都会直接影响胎体的密度。烧结温度的选择一般由胎体金属粉末的主要成分来确定。烧结温度主要取决于组元的共晶温度，即出现液相的温度，富磷铁基胎体烧结温度由铜锡合金的熔点初步确定，根据实际经验情况，本次试验最终采用980℃进行保温保压烧结，升温时间为4 min。降温出炉温度根据粘接金属的液相线确定，采用电阻炉烧结时，由于升温缓慢，炉内保温条件较好。本次试验中采用铜锡合金作为粘结金属，采用800℃出炉，出炉后置于空气中自然冷却，试验的保温时间设定为2 min。

3 胎体力学性能测试

3.1 抗弯强度测试

抗弯强度测试可反映胎体的相对韧性。测试仪器为WE-30型液压万能材料试验机，设计加压速度在100 kN/s，最小读数为0.2 kN，读数误差为0.1 kN。抗弯强度大小与胎体配方的关系如图2a所示。当碳化钨含量低于40%时，胎体抗弯强度随着碳化钨含量的增加而增大，但其含量继续增加时，抗弯强度有降低的趋势。究其原因，可能是因为1～3号配方中镍钴含量较高，而镍和钴本身具有有良好的延展性，可提高胎体的抗弯强度；此外，碳化钨和镍、钴、铁等金属具有良好的相溶性，因而可以使胎体抗弯强度在一定范围内随碳化钨含量的增加而提高。但是，当碳化钨含量过高时，胎体容易产生脆性裂变从而导致抗弯强度降低(见图2a)。

3.2 硬度测试

胎块硬度测试采用HR150A型洛氏硬度计进行测量，胎块硬度试样标准值为HRB94.4，校正值为HRB96.6和HRB98.4，仪器的校正差为HRB3.1。测试前用砂纸人工磨光胎块的正压制面，在胎块正压制面测量，取平均值作为该配方下胎块的硬度，结果表明胎体硬度随碳化钨含量的增加而显著增加(见图2b)。

3.3 耐磨性测试

胎块的耐磨性试验在MPX2000型盘销式摩擦磨损试验机上进行，野马泉矿区中有可钻性级为10的岩石，坚硬而且耐磨，对钻头的损耗较大，所以我们在试验中采取白刚玉砂轮为磨料。根据野马泉矿区大压力高线速的施工特点，对不同配方下胎块的耐磨性进行磨损测试。

耐磨性测试结果如图2c所示，可以发现，胎体磨损量随碳化钨含量的增加而显著降低，也即胎体耐磨性随碳化钨含量的增加而加强。当碳化钨含量为20%～35%而铁含量为30%～15%时，胎体磨损量显著，分析其原因认为可能是铁含量偏高，容易导致胎体产生一定硬脆性，因此使得胎体耐磨性较低。

图2 青海野马泉矿区钻头胎体力学性能测试

4 结 论

项目通过测试抗弯强度与胎体配方的关系、胎体硬度与胎体配方的关系、胎体耐磨性与胎体配方的关系设计了6种胎体配方，钻头胎体配方涉及的主要材料有WC、Cu-Sn、Fe、Ni、Co、Mn等，部分为钐、钕混合稀土材料及过渡金属(如钴、铁等)组成的合金。对稀土材料在钻头材料中的研究应用促进了我国地质岩心钻头的技术进步。用粉末冶金方法压型烧结钻头，保证了胎体把持金刚石的能力。钻头胎体配方应用的材料均易购，生产工艺相对简单，与普通工艺技术接近，开发条件良好。野马泉整装勘查矿区及周边矿区的岩性条件多有相似之处，可为借鉴利用，本项目成果可通过社会开放服务形式易于为社会提供利用。