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1、2009年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)377孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究刘晓阳(核工业二四三大队,内蒙古赤峰024006)摘要:采用普通硬质合金钻头、PDC钻头或普通孕镶金刚石钻头钻进卵砾石层,钻头磨损特别快,使用寿命短,时效低,钻探成本高。本文介绍的孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点,胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。钻头胎体中孕镶的针状合金除了增韧外,还起硬支点的作用。该钻头与普通硬质合金钻头、PDC钻头、普通孕镶金刚石钻头相比,具有较好的钻进性能,使用寿命长,在卵砾石层钻进能保持较高的机械钻速和回次进尺长度。关键词:
2、孕镶金刚石-针状合金;复合;取心钻头;应用研究+中图分类号:P634141文献标识码:A文章编号:1672-7428(2009)S1-0377-05自20世纪八十年代末开始,我国的铀矿勘查当大的冲击荷载,钻头寿命极短。另外,由于钻孔工作主要集中在北方的几大沉积盆地中寻找地浸砂孔壁极不规则,钻头在扫孔过程中(有时钻头尚岩型铀矿床,如吐哈盆地、伊犁盆地、二连盆地、未到达孔底),合金钻头的内外出刃全部崩掉。如鄂尔多斯盆地、松辽盆地等。近年来,核工业系统果采用密集式合金钻头,上述情况有所改善,但从在这些盆地投入的钻探工作量逐年增加,到“十钻头的磨损情况看,仍然是以硬性的崩刃与折断破五”末,年投入
3、钻探工作量近20万米。地浸砂岩坏为主,很少有完全正常磨损而失去工作能力的钻[1]铀矿钻探的钻孔孔深一般不超过500m,钻遇的地头。所以,对于这种地层,钻粒钻进和硬质合层以砂岩、泥岩、砂砾岩、砾岩、卵砾石为主。卵金钻进都不适合。砾石层钻进难度最大,一直是钻探施工生产中的难PDC(PolycrystallineDiamondCompacts)是由题,钻进该层时,生产效率低、钻进成本高、孔内一薄层金刚石(约015～1mm厚)和较厚的硬质事故多。据了解,前苏联地浸砂岩铀矿钻探也一直[2]合金衬底复合而成。PDC钻头的切削具是将复存在这一难题,至今未能很好地解决。合片钎焊到硬质合金支撑体后再镶焊到
4、钻头体上,或直接将复合片钎焊到预先加工了支撑体的钻头体1卵砾石岩层钻进钻头的失效特点上。这种结构决定了其抗冲击性能差,常规PDC在钻探生产过程中,经常要在砂卵砾石层中钻钻头不适用于钻进软硬互层频繁、砾径不均的卵进,组成砂卵砾石层的岩石,大多数是坚硬的岩浆砾层。岩和变质岩。砂卵砾层的堆积有一定的自由度,在单晶孕镶金刚石钻头在钻进完整硬岩和具有研外力作用下,砂卵砾石非常容易转动。在这种情况磨性岩石时,由于其具有自锐性,有很多优点。但下,如果采用钻粒钻进,当砂卵砾石层粒径小于钻从破碎岩石的机理看,因为金刚石粒度细小,对岩孔孔径时,钻粒大部分会沿着砂卵砾石的间隙漏石的单次破碎效率低,必须依靠高的
5、线速度才能获[3]走,造成井底无钻粒的状态,钻进效率很低,单位得一定的钻进效率。钻探生产实践表明,金刚进尺消耗钻粒很大。如果采用硬质合金钻进,主要石钻头在钻进砂卵砾石层时比钻进一般普通岩层时困难是钻头所受的回转阻力极不平衡,合金承受相的工作环境要恶劣得多,这是因为钻进砂卵石层会收稿日期:2009-08-30基金项目:核工业地质局钻探生产中科研“孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头研究”部分内容。作者简介:刘晓阳(1967-),男,高级工程师(研究员级),地质工程专业,博士,主要从事岩心钻探技术和勘探超硬材料的研究工作。378探矿工程(岩土钻掘工程)2009年增刊产生大量的粗粒砂卵石岩粉,而
6、这些粗颗粒砂卵砾点,胎体具有较高的耐磨性。复合于胎体中的针状石岩粉以及该地层本身含有的石英粒等极其坚硬,合金除了起增韧作用外,还起硬支点的作用,在钻它们又不能及时、迅速地通过钻头端部由钻井液排进中保持胎体与岩石的接触面不变,使胎体正常磨出,于是大量粗颗粒砂卵砾石岩粉及细粒在钻头端损,始终维持高效克取岩石的能力。与普通合金钻部重复破碎,导致钻头胎体急剧磨损。卵砾石层一头、PDC钻头、孕镶金刚石钻头相比,具有较好般为松散胶结,钻进时有一定自由度的卵砾石会产的钻进性能,寿命是其它钻头的若干倍。在卵砾石生不规则的相对运动,这种运动会对胎体产生巨大层钻进时能保持较高的机械钻速和回次进尺长度,的撞击
7、破坏,导致扇形块断裂、崩落。根据钻进砂为卵砾石层钻进工作量较大的地浸砂岩型铀矿勘卵砾石层使用后的孕镶金刚石钻头观察分析,发现探、煤田地质勘探、工程地质勘探等提供了有利的其失效形式主要有两种:(1)钻头胎体唇部及内碎岩工具。外径超常磨损;(2)钻头胎体崩裂、脱落。3钻头结构设计2解决方案钻头外径Φ105mm,内径Φ74mm。钻头总长根据上述分析,卵砾石地层钻进时,不利于带度130mm,胎体工作层高度10mm,水口宽度刃角类切削具钻头和
