人造金刚石覆膜处理提高孕镶钻头寿命的探讨

近年来，我们在围绕提高人造金刚石孕镶钻头使用寿命和钻进时效的研究试验工作中，针对人造孕镶钻头在钻进过程中唇面金刚石脱落的现象，摸索对人造金刚石电化学覆镀金属膜工艺（简称覆膜），并用覆膜金刚石制作不同胎体性能的热压孕镶钻头，开展了生产试验对比。试验资料表明：在金刚石品级相同的条件下，金刚石经过覆膜处理后，对孕镶的使用寿命和钻进时效均有较大的影响，它是提高人造孕镶钻头制造质量的有效途径之一。     

怎样合理选择金刚石钻头

以往评定金刚石钻头使用好坏的依据是钻速、钻头进尺和单位进尺金刚石消耗量（克拉/米）三个指标，今后应明确将金刚石钻头每米成本列入合理选择钻头的主要指标。推广金刚石钻头钻进以来，由于技术水平和管理水平的不断提高，钻速、台月效率、台年进尺不断增长，钻头进尺（天然孕镶钻头和人造孕镶钻头）逐年提高，初步摸索出了孕镶钻头的钻进规律，即在岩层（7、8、9级岩石）条件基本相同情况下，天然孕镶钻头比人造孕镶钻头单位小时进尺略高一些，而钻头进尺和钻头价格则高很多。     

金刚石岩心钻探压力的探讨

从孕镶钻头金刚石出刃与分布、岩石抗压强度和压入硬度及碎岩机理等方面对孕镶金刚石钻头给进压力的确定方法进行了分析探讨，提出综合碎岩机理、确定钻进压力的计算方法和公式。     

论金刚石孕镶钻头与岩层的适应性

在具体讨论孕镶钻头与岩层的适应性之前，首先强调孕镶钻头的设计对岩层特性的依赖关系，即钻头的设计首先要着重于岩层的研磨性、单轴抗压强度或硬度特性。岩层的研磨性是设计胎体耐磨性的主要依据，是使孕镶钻头金刚石出刃的基本条件；岩层的单     

液动冲击器在水电钻探中的应用

在水电勘探中，如遇坚硬打滑地层，孕镶金刚石钻头出刃慢，钻进时效低。针对这一问题，引用高频低冲击功液动冲击器，通过其产生的高频振荡来改善孕镶金刚石钻头的碎岩效果，提高坚硬打滑地层的钻进时效，降低生产成本。     

人造电镀金刚石钻头使用情况

我队皇城山矿区ZK202、ZK31两孔都曾出现过数层坚硬岩石，即硅化非常高的硅英岩、钾化花岗岩等，可钻性10～11级，研磨性很小。使用天然孕镶和人造孕镶钻头，平均时效只有0.4米左右，“打滑”现象比较严重。虽然采取加大压力，增加冲洗液中的岩粉含量，迫使金刚石出露，但效果都不理想，反而加剧了钻头高度的磨损。后来，我们选用了武汉地院人造电镀金刚石钻头，在岩石相同，操作规程基本一致的条件下（压力稍小，500～700kg），明显地提高了钻进效率，防止了“打滑”现象，平均时效提高到1.01米。人造电镀钻头、天然孕镶钻头和人造孕镶钻头在硬岩中钻进的各项指标对比见附表。     

英国矿山勘探用金刚石钻头简介

英国在矿山勘探中采用的金刚石钻头有表镶式天然金刚石钻头、孕镶式天然金刚石钻头和孕镶式人造金刚石钻头。表镶钻头用的天然金刚石，按范摩普（L.M.VANMOPPES）公司分为八类（见表1）。     

高浓度孕镶金刚石钻头的工作效能

苏联超硬材料研究所进行的研究表明，在孕镶钻头胎体内合成金刚石的浓度对钻头的耐磨性能有很大的影响。合成金刚石浓度达70％的孕镶钻头保证不了有效的钻进。钻头工作过程中观察到金刚石颗粒裂碎和完全损坏以及胎体沿高度强烈不均匀的磨损。钻头金刚石浓度由70增至125％时，可有效地破碎岩石。在这个范围内随着浓度的增大而减少了金刚石的单位载荷，增加了金刚石颗粒的寿命，并观察到钻头的耐磨性能与浓度的关系几乎是直线的。     

热压铁基孕镶金刚石钻头的试验研究

针对在坚硬致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短的技术难题,分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键,硬而带脆性的胎体性能有利于金刚石出刃,从而能提高钻进速度。因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究,试制出了热压铁基孕镶金刚石钻头,取得了突破性的进展。在坚硬致密岩层中钻进,钻进时效由0.5 m左右提高到1.17 m,钻头寿命由10 m左右提高到21.31 m,解决了在坚硬致密岩层中钻进难的问题。试验研究结果说明,铁基合金是一种新型的金刚石钻头胎体材料,热压铁基孕镶人造金刚石钻头是一种新类型的金刚石钻头。     

热-机碎岩孕镶金刚石钻头的设计及试验研究

为提高钻进效率,合理利用钻进过程中产生的热量,本文采用摩擦热能辅助机械能碎岩(简称:热-机碎岩)的方法,将氮化硅作为摩擦元件引入孕镶金刚石钻头中,以提高钻头工作层的钻进性能。本文通过对钻头水口、摩擦元件的尺寸计算,钻头胎体、结构的设计,制造了一种新型热-机碎岩孕镶金刚石钻头(简称:热-机碎岩钻头),并与常规六水口钻头和三水口钻头开展了室内钻进试验对比。结果表明,与六水口钻头和三水口钻头相比,热-机碎岩钻头加入摩擦元件后能够因摩擦生热而使岩石产生弱化作用,钻头钻速提高,在相同钻井液流量下最高可比六水口钻头的机械钻速高33.3%。热-机碎岩钻头胎体的磨损程度比三水口钻头小,热-机碎岩钻头可用于强研磨性地层的钻进。     

热-机碎岩孕镶金刚石钻头的设计及试验研究

为提高钻进效率,合理利用钻进过程中产生的热量,本文采用摩擦热能辅助机械能碎岩(简称:热-机碎岩)的方法,将氮化硅作为摩擦元件引入孕镶金刚石钻头中,以提高钻头工作层的钻进性能。本文通过对钻头水口、摩擦元件的尺寸计算,钻头胎体、结构的设计,制造了一种新型热-机碎岩孕镶金刚石钻头(简称:热-机碎岩钻头),并与常规六水口钻头和三水口钻头开展了室内钻进试验对比。结果表明,与六水口钻头和三水口钻头相比,热-机碎岩钻头加入摩擦元件后能够因摩擦生热而使岩石产生弱化作用,钻头钻速提高,在相同钻井液流量下最高可比六水口钻头的机械钻速高33.3%。热-机碎岩钻头胎体的磨损程度比三水口钻头小,热-机碎岩钻头可用于强研磨性地层的钻进。     

孕镶金刚石钻头高转速钻进磨损失效与规程参数研究现状

孕镶金刚石钻头高速回转钻进是深地硬岩取心钻进的主要方法之一,虽然其广泛应用于各个领域,但仍存在钻进性能不稳定、钻头磨损异常等问题,原因在于对钻头-岩石界面规律及动态磨损过程的认知仍然不够清晰。本文综述了目前对孕镶金刚石钻头碎岩力学响应模型的研究现状,总结了钻头磨损机制在不同钻进规程参数下与碎岩方式和钻进速度间的关系,孕镶金刚石钻头磨损失效机制可以概括为钻头-岩石界面二体磨损和三体磨损的循环过程。介绍了国内外学者对超过常规转速区间下临界钻进规程的研究,新规程的探索对孕镶金刚石钻头高速钻进的发展具有重要意义。     

热压高磷铁基胎体性能及其金刚石钻头研究

针对在硬而致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短以及传统金刚石钻头胎体材料价格高等众多难题,采用混料回归试验设计方法,进行了替代碳化钨基金刚石钻头胎体材料的新型铁基胎体配方的试验研究;分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键.因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究与优化组合,研究出热压高磷铁基孕镶金刚石钻头的胎体材料,并试制出金刚石钻头.在室内对可钻性Ⅸ级岩石进行钻进的试验表明:钻进时效平均达到1.91 m,钻头平均工作寿命达到60.26 m.试验结果表明,高磷铁基胎体是一种性能良好的金刚石钻头胎体材料,且该类型胎体的热压金刚石钻头是一种成本明显降低、具有广谱性能的金刚石钻头.     

自动化表镶人造金刚石钻头

本方法与表镶人造金刚石钻头有关，尤其是用20目以下的人造金刚石镶嵌钻头有关。一般金刚石钻头根据金刚石镶嵌形式大体分为表镶钻头和孕镶钻头。     

超高速下单粒金刚石与岩石相互作用响应的研究

随着钻进深度的加深,破碎硬岩地层愈发困难,提高转速成为硬岩地层快速有效破碎的可行方法之一。孕镶金刚石钻头在硬岩层中具有较好的应用效果,常规转速下孕镶钻头与岩石之间相互作用机理较为完善,超高转速下也有相应的应用和研究基础,但碎岩机理尚未完全清晰。为探究常规速度至超高速下单粒金刚石对岩石的切削力和硬岩的破碎变化情况,以孕镶钻头和岩石相互作用界面响应模型为基础,利用ABAQUS软件建立单粒金刚石切削岩石的二维模型,并提出一种近似分析方法,并进一步推导单粒金刚石受力表达式。结果表明：（1）单粒金刚石对岩石的切削作用主要集中在切削具与岩石接触界面的中上部,高速下比常规切削速度下单粒金刚石受切削力减小,且主要作用部位受到切削速度改变的影响。（2）金刚石颗粒作用岩石中存在塑性破坏和脆性破坏且两种破坏模式交替产生,超高速下岩石产生脆性破坏的比例相比于常规切削速度有所增加,且超高速下切削力波动范围更小,岩石破碎所需的能量更少。（3）提出一种孕镶金刚石钻头碎岩响应近似分析方法,将产生碎岩作用的金刚石颗粒等价为具有“刀尖”和“前、后刀面”的切削具进行分析,推导得到单粒金刚石受力表达式,其受力与切削速度、切削深度等因素有关。研究结果可以为提高转速切削硬岩地层的进一步研究及应用提供依据和参考。     

金刚石浓度与金刚石尾部支撑体的关系及其对金刚石工作寿命的影响

金刚石浓度是孕镶钻头的重要参数，它影响着钻头唇面切削刃数量的多少，且在一定条件下也影响着每粒金刚石承载的大小、吃入岩石的深度以及碎岩特征，总的影响着钻头的钻进效果。目前钻头中金刚石成本约占钻头成本的75％，故合理选择金刚石浓度，对于提高钻头的使用效果、降低钻探成本是很有必要的。     

水平钻孔中使用人造金刚石孕镶钻头钻进的效果

我们曾在某矿区的坑内和地表，使用人造金刚石孕镶钻头（以下简称人孕金刚石钻头），在7～10级的硅化白云岩、复杂角砾岩、板岩和辉长岩类岩层中进行水平孔孔内钻进试验，完成八百多米工作量，最深钻孔达213米，平均时效1.64米/小时，台月效率达470米，取得了较好的钻进效果，比同地区、同岩层的直斜孔人造孕镶金刚石钻进效率都高。这次实践、为今后在水平孔中推广使用人造孕镶金刚石钻头开辟了途径，同时也对钻进工艺有了新的看法和认识，现将在施工中所取得的效果和需要注意的几个问题做一介绍和讨论。     

天然金刚石孕镶钻头生产试验情况

我队一分队和“三八”分队对无锡钻探工具厂研制的φ56毫米天然金刚石孕镶钻头，进行了生产性试验，共试验了14个，共进尺805.67米。平均钻头进尺58.26米（个别钻头仍在继续使用），平均时效1.54米/小时，其中69—9号钻头进尺达到149.64米。试验情况表明，无锡厂试制的钻头，无论其胎体包镶强度、粉末金属料的配比、钻头几何形状、水口     

孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究

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.     

对冲击回转钻进金刚石钻头适应性的探讨

目前，冲击回转钻进的钻头仍由回转钻进的孕镶金刚石钻头代替，取得了较好的效果。为了进一步发挥金刚石冲击回转钻进的优势，使金刚石钻头适应冲击回转钻进碎岩的特点，取得更好的技术经济效益。加强对钻头的研究试验，是十分必要的。我们在试验、推广金刚石冲击回转钻进中的体会和认识如下：