坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化

王佳亮;张绍和

【摘 要】On account of the phenomenon thatthe drilling footage is low when diamond bit is used to drill hard compact abrasive rocks, SiC particles are added into matrix as abrasion-weakening particles. By using lab drilling and orthogonal test, the performance of bit was optimized in the aspects of diamond size, concentration of abra-sion-weakening particles, hardness of matrix. The influence of drilling technological parameters on drilling effi-ciency was discussed. Theresults showed that adding abrasion-weakening particles with proper texture into bit matrix can enhance drilling efficiency and avoid bit slipping; the optimal designing scheme of the test was hardness HRC 25, diamond particle size 40/50 mesh, diamond concentration 55%, abrasion-weakening particle concentra-tion 30%; at the same spindle speed, axial compressive force should not exceed 3.5 MPa. Under the same axial compressive force, the apropriate spindle speed isd is 750 to 850 r/min.%基于金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进时易出现进尺效率低的现象，将 SiC 磨粒作为胎体耐磨损性弱化颗粒添加至胎体中，采用室内钻进及正交试验设计法从金刚石粒度、金刚石浓度、胎体耐磨损性弱化颗粒浓度、胎体硬度4方面对钻头性能进行优化，并探讨了钻进工艺参数对钻进效率的影响。结果表明：将适当材质的胎体耐磨损性弱化颗粒添加至钻头胎体中，能够有效提高钻头的钻进效率，避免钻头打滑的现象；胎体硬度HRC 25，金刚石粒度40/50目、金刚石体积分数55%，胎体弱化颗粒体积

分数30%是本次试验最优的设计方案；在相同主轴转速条件下，轴向压力不宜超过3.5 MPa，在相同轴向压力的条件下，其主轴转速以750~850 r/min为宜。 【期刊名称】《煤田地质与勘探》 【年(卷),期】2016(044)006 【总页数】5页(P159-163)

【关键词】正交试验法;孕镶金刚石钻头;碎岩机理;胎体弱化颗粒;打滑地层 【作 者】王佳亮;张绍和

【作者单位】湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与技术湖南省工程实验室，湖南湘潭 411201;中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083 【正文语种】中 文 【中图分类】TG115

孕镶金刚石钻头在地质勘探、海洋勘探及工程勘察等领域应用广泛。在大规模的矿产勘探中，遇坚硬致密弱研磨性岩层的情况非常普遍[1-3]。由于该岩层抗压强度高、岩石致密、岩粉对胎体研磨性弱，金刚石钻头在该地层钻进时，新颗粒金刚石不易出刃，钻头易出现打滑不进尺等现象[4-5]。国内外科研人员针对这一现象展开了以下研究，并取得了一定的成效。段隆臣等[6]研究了MoS2的电镀工艺对低温低压MoS2-Ni 基金刚石钻头胎体摩擦性能的影响，结果表明MoS2是一种较理想的胎体润滑材料。谭松诚等[7]设计了一种复合孕镶体金刚石钻头。其将切削齿含金刚石的部分单独烧结成正方体或圆柱型，再装配于石墨模具中，该方案能有效减小钻头的唇面比压，在打滑地层钻进时能够提高钻头的碎岩效率。庞丰等[8]研究了低温低压下石墨对金刚石钻头胎体摩擦性能的影响，结果表明向胎体中添加

石墨能够减小胎体的摩擦因数，降低摩擦热。孙友宏等[9]及其团队对仿生钻头展开了研究。其应用仿生学原理，使金刚石钻头底唇面始终具有非光滑表面形态，增大了钻头底唇面的摩擦力，提高了底唇面的比压，有利于提高碎岩效率。向胎体材料中加入磷铁粉代替部分纯铁粉，可降低烧结温度，增加胎体硬脆性[10]。金鑫等[11]对WC-Fe基钻头的胎体性能进行优化，将传统的热压WC基钻头胎体中的一部分WC用 Fe替代，建立了硬度和耐磨性的回归方程，确定出了最优的胎体配方。王佳亮等[12-13]将硬质磨粒作为胎体耐磨损性弱化元素添加至钻头胎体中，能够降低胎体的耐磨损性能，提高钻头在打滑地层的钻进效率。

为了进一步实现金刚石钻头在打滑地层的高效钻进，本文采用热压烧结法，制备WC基孕镶金刚石钻头。设计正交试验，探讨金刚石磨粒的粒度、浓度，胎体耐磨损性弱化颗粒的浓度以及胎体的硬度对钻头钻进性能的影响，并对碎岩机理进行了分析。

在胎体中添加适当浓度的硬质磨粒作为胎体耐磨损性弱化颗粒，能够有效提高岩粉对胎体的研磨能力，促进金刚石颗粒出刃。通过前期的试验经验得出425~500 μm的SiC颗粒，是一种较好的胎体耐磨损性弱化颗粒材料。其硬度高于刚玉类磨料，达到莫氏硬度9.2级，脆性较大、韧性低于棕刚玉颗粒、导热性及自锐性优于普通的工业磨料。

弱化颗粒随机的分布于钻头的胎体中，与金刚石磨粒发生一定程度的互粘。如图1所示。

由于耐磨性弱化颗粒具有一定的强度且与胎体的粘结力较弱，在钻进的过程中易于从胎体表面脱落，有利于钻头底唇面粗糙度的提高。此外，残留孔底的耐磨性弱化颗粒与岩粉共同研磨胎体，增加了岩粉的研磨能力，促进了金刚石的新陈代谢速度，达到提升钻头钻进效率的目的。 2.1 试验条件

试验在由工程水钻机改装的室内试验台上进行，钻机转速750 r/min，压力750 N，钻头尺寸为36/24 mm。所钻对象为36目电熔锆刚玉砖，尺寸为160 mm×40 mm× 80 mm，抗压强度为320 MPa，能够较好地模拟坚硬致密弱研磨性岩层的岩性特点。正式钻进试验前对钻头进行统一的开刃处理。试验过程如图2所示。

2.2 正交试验设计

利用正交试验法能够在进行较少的试验次数的前提下达到较理想的试验结果[14]。因此本次试验采用正交试验法来对含耐磨损性弱化颗粒的金刚石钻头的设计参数进行优化。采用L9(34)正交表来设计试验，试验因素水平表如表1所示。金刚石磨粒的粒度是影响钻头钻进效率的重要因素。在钻进深度一定的前提下，金刚石粒度与材料的去除率呈正比，即金刚石粒度越粗则钻头的钻进效率越高；但其粒度也不能过粗。因为若粒度过粗，相同钻压条件下单颗粒金刚石所承受的载荷增大，容易导致金刚石的非正常磨损。在粒度因素的选择中，本次试验选择的金刚石粒度分别为：40/50、50/60、60/70目。金刚石浓度是另一个影响钻进效率的重要因素。若金刚石浓度过低，则胎体表面出露的金刚石颗粒较少，钻头唇面实际切削刃减少，钻进效率下降；若金刚石浓度过高，则易使胎体表面单颗粒金刚石承受的载荷过小，同样不利于钻进效率的提升。基于此，本试验的金刚石体积分数(砂轮400%制)分别为：65%、75%、55%。胎体耐磨损性弱化颗粒的浓度直接影响了钻头钻进效率和使用寿命，弱化颗粒浓度过低则胎体力学性能改变不明显；弱化颗粒浓度过高则金刚石与胎体弱化颗粒互粘现象过多，则导致金刚石提前脱落造成钻头寿命下降。本次试验选择的弱化颗粒体积分数别为：10%、20%、30%。胎体硬度同样是影响钻头钻进性能的重要因素。硬度过高虽然有利于提高胎体对金刚石的把持力，增加单颗粒金刚石的利用率，但是不利于金刚石的自锐易出现磨平的现象；硬度过低则严重影响了钻头的使用寿命。本次试验设计的胎体硬度为HRC15、HRC20、

HRC25。

2.3 正交试验结果及分析

正交试验的结果如表2所示，其中t1、t2、t3、t4、T分别表示4次钻孔的单孔钻进时间及4次钻孔的平均时间。对表2的试验数据进行极差分析，计算结果见表3，其中Ti(i=l，2，3)为各因素的1、2、3水平试验结果之和的平均值，R为极差。

从极差分析表中可以看出，金刚石粒度对钻进效率影响最显著，其次依次为金刚石浓度，胎体弱化颗粒浓度和胎体硬度。钻头参数对钻进效率影响的显著性顺序为：A>B>C>D。当金刚石的粒度取第一水平(40/50目)，金刚石体积分数取第三水平(55%)，胎体弱化颗粒体积分数取第三水平(30%)，胎体硬度取第二水平(HRC25)时效率最高。结合影响因素的主次顺序，因素最优水平组合为A1B3C3D2，即：金刚石粒度40/50目，金刚石体积分数55%，胎体弱化颗粒体积分数30%，胎体硬度HRC25。该最优组合采用的是低浓度、粗颗粒金刚石设计方案，胎体弱化颗粒采用的是高浓度设计方案。

图3为各因素对钻进效率的影响趋势图，从图中可以看出：a. 金刚石粒度与钻进效率成正比。金刚石粒度越大，相同浓度下，单位面积内金刚石颗粒数越少，单颗粒金刚石承受的荷载增大，有利于金刚石刻入岩石，提高碎岩效率。b. 金刚石的浓度与钻进效率在一定范围内同样呈正比例关系。在正常切削浓度范围内，浓度越高，出刃的金刚石颗粒越多，越有利于增加碎岩体积[15]。本论文也进行了高浓度金刚石设计方案的钻进试验，其钻进效率要低于金刚石体积分数为55%，弱化颗粒体积分数为30%的钻头，一方面是因为过高的浓度减小了胎体对金刚石的把持力，容易导致金刚石提前脱落，另一方面，浓度过高，在相同的钻压条件下，单颗粒金刚石承受的荷载小，容易造成金刚石磨钝失效的现象。c. 钻头的钻进效率随胎体弱化颗粒浓度的增加而提高，但是过高的弱化颗粒浓度易导致钻头钻进寿命的

下降。 2.4 优化方案验证

根据最优水平组合A1B3C3D2制作金刚石钻头，并在相同的试验条件下对36号电熔锆刚玉砖进行钻进试验。其稳定钻削10个孔的(孔深80 mm)，平均钻削时间为165 s，同表2中钻进效率最高的1组试验数据进行对比，可以证明

A1B3C3D2的优化参数组合钻进效率最高。继续钻进进行使用钻头的寿命测试，其钻进的总长度可达2 240 mm(22个孔)。 2.5 钻进工艺参数对效率的影响 a. 轴向力的影响

图4a为主轴转速在750 r/min时，不同轴向压力下的钻孔时间。如图3所示，随着轴向力的增加，单孔钻进时间减少，钻进效率有所提升。在较高轴向力的作用下，单颗金刚石刻入岩石的深度增加，在主轴转速不变的条件下，单颗金刚石对岩石的切削体积增加，使得岩石表面去除率增加，提高了钻进效率。当轴向力增大至3.5 MPa时，钻进效率有所下降且钻机主轴出现了一次异常停转的现象。这是因为36号电熔锆刚玉材质坚硬致密，允许的进尺量较小，过大的轴向力增大了单颗粒金刚石承受的剪切力，与进尺方向垂直的切向磨削力增大[16]。当切向力足够大时，由于钻机受到最大功率的限制，主轴扭矩不足产生短暂的异常停转现象，严重影响了试验的顺利进行；此外，钻压过大易导致单颗粒金刚石非正常磨损，降低了单颗粒金刚石的利用率，造成钻进效率下降。此外，若轴向力过大易导致排屑困难，冲洗液难以进入切削区，导致钻头唇面堵塞和烧伤，影响钻进效率。因此，在试验条件下，轴向压力不宜超过3.5 MPa。 b. 主轴转速的影响

图4b为轴向压力3.0 MPa时，不同主轴转速下的钻孔时间，从图中可以看出：主轴转速的提高，能够在一定范围内提高钻进效率；而另一方面，当主轴转速达到

950 r/min时，钻进效率呈下降趋势。这是因为随着主轴转速的提高，金刚石切削刃承受的切向力增加，促进了金刚石的提前脱落及破碎，金刚石新陈代谢速度提高。若主轴转速过高，则在轴向力恒定的情况下，金刚石的切向速度与单位时间内的切削深度呈反比，此外，切削速度的增加加快了金刚石的非正常磨损，两者的综合作用易导致金刚石的磨平磨钝，影响钻进效率。在试验条件下，主轴转速以750~850 r/min为宜。

a.在胎体中添加硬质磨粒形式的胎体耐磨损性弱化元素，能够降低胎体耐磨损性性能，提高胎体中金刚石的自锐能力，提高钻进效率。

b.综合考虑金刚石粒度、浓度，胎体弱化颗粒浓度及胎体硬度设计正交试验对钻头性能进行优化。其最优方案为：胎体硬度HRC25，金刚石粒度40/50目、金刚石体积分数55%，胎体弱化颗粒体积分数30%。

c.在相同主轴转速条件下，随着轴向力的增加，单孔钻进时间减少，钻进效率提高，但是其轴向压力不宜超过3.5 MPa。在相同轴向压力的条件下，主轴转速的提高，能够在一定范围内提高钻进效率，其主轴转速以750~850 r/min为宜。

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