梁子衡

[摘? ? 要]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在地質(zhì)鉆探期間使用的金剛石鉆頭在工藝水平上獲得了明顯的提升，但我國(guó)在聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭上，較歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差異，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的研制和應(yīng)用工作受到很大程度的限制?；诖耍疚氖紫汝U述了聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，再提出了其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后就聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的應(yīng)用展開(kāi)了相關(guān)分析。

[關(guān)鍵詞]聚晶金剛石;鉆頭;應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–02

Research on the Application of Polycrystalline Diamond Composite Chip Bit

Liang Zi-heng

[Abstract]With the continuous progress of science and technology， the diamond bit used during geological drilling has been obviously improved in the technological level. However， compared with some developed countries in Europe and America， there are still some differences in the development and application of polycrystalline diamond composite bit. Based on this， this paper first describes the structure and performance characteristics of polycrystalline diamond composite bit， then puts forward the design of its structure. Finally， the application of polycrystalline diamond composite bit is analyzed.

[Keywords]polycrystalline diamond; drill bit; application

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）隨著勘探工業(yè)的發(fā)展在技術(shù)水平上也取得了較快的發(fā)展，由于鉆井?dāng)?shù)量處于逐年遞增的局面，在難度系數(shù)上也不斷增加，尤其是在深部地層的鉆進(jìn)過(guò)程中成本過(guò)高、周期較長(zhǎng)等問(wèn)題日益凸顯，因此世界各國(guó)對(duì)于PDC鉆頭技術(shù)的研發(fā)十分重視，各類新產(chǎn)品也相繼推出。聚晶金剛石作為一種新型復(fù)合材料，由聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金層在1300 ～1500 ℃下壓制而成的，厚度一般在0.3mm以上，基層是鎢鈷類硬質(zhì)合金材料。聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的制造工藝較為復(fù)雜，包含復(fù)合片的選擇、復(fù)合片焊接、機(jī)械加工、檢驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，需要視具體的工況而定。由于針對(duì)硬質(zhì)合金層聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭具有優(yōu)異的性能，因此近幾年在煤田鉆探、油田開(kāi)采領(lǐng)域有著長(zhǎng)足的發(fā)展。

1 聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)分析

1.1 聚晶金剛石復(fù)合片

金剛石復(fù)合片呈圓形狀，厚度在4～5mm，直徑在φ8～13mm，金剛石聚晶層厚1mm左右。聚晶金剛石在使用過(guò)程中為了能夠更為便捷，也可以切割為各種形狀，其中聚晶層為主要工作層，是120～130目人造金剛石添加少量粘結(jié)劑在高溫的條件下聚合而成。除此之外，聚晶層不會(huì)因?yàn)榍邢髟鬟f的“誘導(dǎo)振動(dòng)”而導(dǎo)致單個(gè)晶粒出現(xiàn)碎裂的情況，主要是由于層內(nèi)每個(gè)晶粒解理面取向相對(duì)鄰近晶粒而言是無(wú)規(guī)則的。硬質(zhì)合金層還具有良好的抗沖擊性能，但在高溫的環(huán)境下耐磨性能會(huì)出現(xiàn)明顯的降低，因此在相應(yīng)的鉆頭制造上存在一定困難。

1.2 復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

如圖1所示為復(fù)合片鉆頭實(shí)物圖，圖2是一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭。

由于使用復(fù)合片作為切削刃底出刃量很大，在復(fù)合片鉆頭的外徑和內(nèi)徑上設(shè)有棱槽并以聚晶保徑。相比較普通金剛石鉆頭，復(fù)合片鉆頭因?yàn)樵趦?nèi)外水槽設(shè)計(jì)上會(huì)更大，因此在過(guò)水面積上也會(huì)更大，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于能夠更快的冷卻以及更好的排粉。為了能夠保證復(fù)合片鉆頭在工作過(guò)程中具備更好的穩(wěn)定性，復(fù)合片的鑲焊數(shù)量一般維持在5～7片。從上述介紹可以看出，復(fù)合片鉆頭與表鑲鉆頭和硬質(zhì)合金鉆頭都有著一定的相似之處。

1.3 聚晶金剛石鉆頭性能特點(diǎn)

聚晶金剛石鉆頭的性能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。①鉆頭壽命長(zhǎng)。聚晶金剛石鉆頭的切削刃用的是聚晶金剛石，由于耐磨性能良好，因此在使用過(guò)程中只要進(jìn)行良好的維護(hù)在磨耗比上可達(dá)5萬(wàn)以上，在工作的過(guò)程中即使遇到較硬的地層，也不需要提鉆換鉆頭。②防斜功能。聚晶金剛石磚頭切削刃非常鋒利，當(dāng)需要獲取更高的鉆頭速度時(shí)較為輕松，鉆壓小，因此具備一定的防斜功能。③鉆進(jìn)效率高。鉆頭在破碎巖石的過(guò)程中是以剪切的形式進(jìn)行，因此在最開(kāi)始工作的階段也不需要很快的速度，以更均勻的鉆進(jìn)速度能夠保證效率。④取心率高。聚晶金剛石鉆頭的鉆速和鉆壓較小，由此巖石遭到破壞的程度較低，取心率高。

2 聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合片鉆頭分類

按照不同的方式復(fù)合片鉆頭可以進(jìn)行不同的分類。以鑲嵌結(jié)構(gòu)來(lái)分有全出刃和半出刃2種，以鉆進(jìn)用途來(lái)分有不取心和取心2種。不同類型的復(fù)合片鉆頭在不同的場(chǎng)景適用，例如全出刃型鉆頭適用于地層較為松軟的情況，在工作的過(guò)程中速度相對(duì)會(huì)更快，半出刃鉆頭在硬質(zhì)地層中更為適用，此類型鉆頭掉片情況發(fā)生的概率非常小，但鉆速不快。

2.2 復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)的研制

從目前的研制工藝上來(lái)看，無(wú)縫鋼管是復(fù)合片鉆頭的主要制作材料，具體的技術(shù)要求需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景來(lái)制定，在尺寸、同心度、垂直度等參數(shù)上需要符合具體的要求，才能夠更好的保證鉆進(jìn)效果。在聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的排布上，一般采用單環(huán)排列法或多環(huán)排列法，前者在鉆頭體的壁厚比復(fù)合片直徑大時(shí)優(yōu)勢(shì)性較大，后者在金剛石鉆頭的寬度超過(guò)了單一復(fù)合片的直徑時(shí)優(yōu)勢(shì)性較大。

2.3 復(fù)合片鉆頭鑲焊的角度

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭在破碎巖石的過(guò)程中的以剪切的形式進(jìn)行，因此在實(shí)際操作過(guò)程中還需要選擇合適的角度，一般情況下需要將切削角控制在-90°以內(nèi)，而后再根據(jù)被切削巖石的硬度選擇具體大小的切削角。鉆頭的徑向平面與復(fù)合片表面所形成的夾角稱之為徑向角，在對(duì)復(fù)合片鉆頭徑向鑲焊的過(guò)程中，需要科學(xué)的利用徑向角，避免巖粉對(duì)鉆頭運(yùn)作的過(guò)程中出現(xiàn)鉆頭被糊的狀況。

2.4 復(fù)合片鉆頭的排水和保徑

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的排水和保徑上也需要科學(xué)的設(shè)計(jì)。聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭外徑表面需鑲嵌一定的金剛石聚晶，因此選擇合適的技術(shù)和生產(chǎn)工藝十分關(guān)鍵，且在這個(gè)過(guò)程中也需要有效利用徑向角的作用，以使得在保徑效果上達(dá)到工作所需的要求。對(duì)于鉆頭而言還需要達(dá)到?jīng)_洗冷卻復(fù)合片和沖洗巖石碎屑的效果，對(duì)于聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭本身就具備這種功效，主要是由于復(fù)合片鉆頭的結(jié)構(gòu)所致，有設(shè)計(jì)合理的水口和水槽。

2.5 不取心全面復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)

由于聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的特點(diǎn)所致，因此在煤礦、煤田勘探領(lǐng)域得到了較為廣泛的運(yùn)用，其中全面不取心復(fù)合片鉆頭一般都是凹心鉆頭，在鉆頭體的加工上最終效果會(huì)達(dá)到三翼。再對(duì)鉆頭體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)觀察可以發(fā)現(xiàn)，三翼的鉆頭體中兩翼為水口并呈現(xiàn)出錐形狀，水口直接與鉆頭的尾部相連由此能夠更好的增加水流空間，在聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭工作的過(guò)程中能夠大大提升沖擊巖粉的效果。

3 聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的應(yīng)用

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭由于結(jié)構(gòu)、性能上的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，就聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的生產(chǎn)加工工藝和用于礦山開(kāi)采的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭應(yīng)用展開(kāi)相關(guān)分析。

3.1 聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的生產(chǎn)加工工藝

這里提到的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭生產(chǎn)加工工藝主要針對(duì)礦山開(kāi)采，第一步需要對(duì)鉆頭鋼體進(jìn)行加工，并在其焊接表面上預(yù)留出允許加工的余量以此使得相應(yīng)的尺寸和精度達(dá)到工作要求。第二步為了能夠保證復(fù)合片工作層受到一定的保護(hù)，需要采用一定的工藝措施，主要是運(yùn)用電鍍法，讓聚晶金剛石表面鍍上一層鉬，在實(shí)際工作的過(guò)程中再對(duì)溫度進(jìn)行相應(yīng)的控制，一般在750 ℃以內(nèi)，不能過(guò)高避免鉆頭出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象，也不能過(guò)低導(dǎo)致鉆頭的焊接強(qiáng)度不足;為了能夠進(jìn)一步保證焊接強(qiáng)度，還需要在焊接前期工作中對(duì)鉆頭表面進(jìn)行清理以保證其表面的干凈程度。

3.2 用于礦山開(kāi)采的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭應(yīng)用

由于聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)和性能上的特點(diǎn)，因此在運(yùn)用的過(guò)程中主要針對(duì)六級(jí)以下的巖層，且更適合于小型鉆孔，當(dāng)在一些硬度較高、研磨較強(qiáng)的巖層環(huán)境中則不適用。復(fù)合片鉆頭在實(shí)際應(yīng)用中有幾個(gè)點(diǎn)需要注意，①施工過(guò)程中需要有效參照鉆進(jìn)規(guī)程表進(jìn)行;②在下鉆至鉆孔底部的情況下操作流程應(yīng)是先輕按再進(jìn)行緩慢的旋轉(zhuǎn)，前面按照此流程進(jìn)行至鉆進(jìn)距離達(dá)到20 ～30 cm之間則可以按照正常的速度進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鉆探過(guò)程中聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭是一項(xiàng)高效率的工具，本文對(duì)聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)展開(kāi)分析后，闡述了其結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)及應(yīng)用注意事項(xiàng)，完善聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭在現(xiàn)代鉆探工作中的科學(xué)方法。目前我國(guó)在聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭研制上也攻克的不少技術(shù)難點(diǎn)，與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在此方面的水平和工藝已然十分接近，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也取得了非常良好的效果。

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