?金剛石鉆頭水口對進尺效率的影響

鉆具水口對進尺效率的影響

鉆具在高速鉆進的時候產(chǎn)生了大量的熱量和巖屑，為了保證沖洗液/泥漿液的正常循環(huán)，鉆頭胎體端面部分必須設(shè)計水口和內(nèi)外水槽。水口的形狀和數(shù)量對鉆頭的進尺效率都有一定的影響。

1，鉆具水口的形狀對進尺效率影響

目前常用的地質(zhì)取芯鉆頭的水口形狀有四種，分別是直水口、正螺旋水口、反螺旋水口及底噴水口。螺旋形的水口設(shè)計是為了解決在沖洗液或者是泥漿液的濃度很高的情況下循環(huán)不暢的問題，正、反循環(huán)水口分別對應(yīng)正、反循環(huán)鉆具的鉆進，高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生巨大的漩渦能加快液體流速進而達到進尺目的；底噴水口常用在繩索取芯鉆頭上，目的是防止水口堵塞造成燒鉆，然而實際效果并不是很明顯，對鉆頭的進尺效率反而有的影響，因此應(yīng)用范圍不廣；使用最多的是直水口，不僅僅是這樣的設(shè)計有助于鉆頭的加工，在實際鉆進過程中更容易使巖屑排出，加快了液體循環(huán)的速度，保護鉆頭胎體的同時加快了進尺效率，目前金鉆鉆頭均采用這樣水口的設(shè)計。

幾種常見的鉆具水口

2，鉆具水口數(shù)量對進尺效率的影響

鉆頭水口的寬度有4 mm、6mm、8mm、10mm、12mm和14mm幾種規(guī)格。越寬的水口，其能夠配置更大泵量和泵壓的水泵或者是泥漿泵，鉆進效率會越高。同理的，水口數(shù)量越多單位時間內(nèi)通過的水流量就越大，進尺效率也應(yīng)該越大。但是，過多的水口會占據(jù)過多的胎體面積，使得切削巖石的金剛石的基體面減少，對鉆進是不利的，同時鉆頭胎體牙齒承載面積變小，容易造成鉆頭掉胎的問題。因此，金鉆的110mm金剛石鉆頭用了12個水口，既滿足沖洗液的正常循環(huán)，同時合理的金剛石胎體切削面積保證了每顆單晶有足夠的軸壓進行鉆進。

目前很多廠家生產(chǎn)超小齒的鉆頭，旨在減少鉆頭胎體和巖層的接觸面積而達到加快進尺的目的，其實鉆頭進尺效率不光光是簡單的水口因素決定的，過多的水口反而會使得金剛石難以得到足夠的壓力進尺巖石的吃入，鉆進堅硬巖層光靠增加水口數(shù)量是達不到目的的，應(yīng)該使用胎體度數(shù)為6-8度的鉆具，這類鉆頭有合理的水口形狀和數(shù)量，重要的是它是極堅硬巖層的克星。

取芯式硬質(zhì)合金鉆頭

取芯式鉆具

鉆具在地質(zhì)勘探活動中常常是用來開孔鉆進泥土層，由于鑲焊的硬質(zhì)合金不含金剛石，因此在鉆進巖層時容易崩斷，并不能取得進尺。因此在鉆進常規(guī)的巖層或者是含有巖石的泥土層時應(yīng)該選擇使用鉆具或者是金剛石復(fù)合片鉆頭。但是因為其生產(chǎn)成本低廉并且鉆進泥土層效率高，因此在市場上的應(yīng)用還是很廣泛的。按照其鉆進類型可以分為取芯硬質(zhì)合金鉆頭和鉆具。本文介紹常見的鉆具類型和選擇。

鉆具分為磨銳式和自磨式。磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭上的合金切削具磨鈍后可用砂輪修磨銳利的鉆頭。切削具一般是單斜面銳角，鉆進中，隨切削具磨損，機械鉆速逐漸下降。一般適用于研磨性小的軟及中硬巖石；自磨式硬質(zhì)合金鉆頭采用小斷面切削刃，磨損后，接觸面積不變，無變鈍的弱點，機械鉆速基本平穩(wěn)。

一，常見的鉆具類型：

（1）螺旋肋骨鉆頭

外焊三塊呈45°螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。正斜鑲，利于切軟巖。通水截面積大，循環(huán)阻力小，使孔底比較干凈，避免重復(fù)破碎，提高鉆進效率。適用于鉆進Ⅱ~Ⅳ級（部分Ⅴ級）松軟巖層、粘土層、風(fēng)化砂巖及鋁土頁巖等。

螺旋肋骨鉆頭

（2）薄片硬合金鉆頭

切削具鋒利，鉆具批發(fā)，采用掏槽刃容易切入巖石；出刃較大，保證較大間隙沖洗巖粉；主要用于鉆進粘結(jié)性較小的軟巖。

（3）“品”字形硬合金鉆頭

三顆合金呈“品”字形焊成一組。中間的出刃較大——掏槽，兩邊的出刃較小——擴槽，主要用于Ⅳ~Ⅵ級和軟硬互層的巖石，切削具可以直鑲也可以正斜鑲。

品字形硬合金鉆頭

（4）針狀自磨式鉆頭

把預(yù)制好的胎塊焊在鉆頭體上，胎塊內(nèi)包裹針狀硬質(zhì)合金，支撐體胎體硬度要合適，保證超前磨耗，以利于針狀硬質(zhì)合金自磨出刃，鉆頭可用于鉆進5~7級中等研磨性的巖石。

針狀自磨式鉆頭

二，鉆具的選擇

鉆具選用表

在目前的鉆探市場上，應(yīng)用最廣泛的還是普通的改良后的鉆具，將粗顆粒的合金鑲焊在鉆頭的剛體上，可以在保證快速進尺的同時能夠減少鉆探成本。

提高熱壓燒結(jié)鉆具品質(zhì)的生產(chǎn)方法

熱壓燒結(jié)鉆具問世要早于電鍍金剛石鉆頭，早期在電鍍技術(shù)還不成熟的期間，由于其能夠高效的切削巖層完成鉆探任務(wù)唄廣泛應(yīng)用。在上世紀90年代之后電鍍鉆頭的出現(xiàn)徹底改變了鉆探從業(yè)者對于鉆頭產(chǎn)品的認識，并且隨著電鍍技術(shù)的不斷改進完善，現(xiàn)在的鉆具不僅在進尺效率方面要遠遠高于熱壓燒結(jié)型鉆頭，并且耐磨性能與之媲美，但是在價格方面鉆具優(yōu)勢明顯，因此鉆具已經(jīng)在逐步取代熱壓燒結(jié)鉆頭。

鉆具

但是在某些特殊鉆探作業(yè)中，熱壓鉆頭還是有存在價值的。比如鉆進鋼筋混凝土類的地層，熱壓燒結(jié)鉆頭有一定的優(yōu)勢。為了能夠使得熱壓鉆頭的耐磨性能以及穩(wěn)定性更加完善，應(yīng)該采取改變生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的方法來提高熱壓燒結(jié)金剛石鉆頭的品質(zhì)。

1，鉆具生產(chǎn)工藝的改善

目前國內(nèi)主要采取以下兩種工藝生產(chǎn)熱壓鉆頭：

工藝流程一：各種金屬粉末（不還原）→混料→冷壓成型→還原爐還原→呼吸式（充氮/真空）熱壓燒結(jié)機燒結(jié)

工藝流程二：各種金屬粉末（不還原）→混料→造?！€原爐還原→裝模→呼吸式（充氮/真空）熱壓燒結(jié)機燒結(jié)

以上工藝的優(yōu)點只是把粉末的前還原改為了后還原，但是性質(zhì)發(fā)生了變化。在還原爐中，我們建議還原溫度在600 ℃到650 ℃，屬于高溫還原。冷壓成型的胚體，或者造粒的粉末在還原爐中，經(jīng)歷了300~400 ℃脫膠，400~500 ℃還原，鉆具采購，此時雞蛋殼已經(jīng)沒了，蛋殼已經(jīng)變成了納米級的單質(zhì)金屬顆粒，此時我們繼續(xù)提高溫度到650 ℃，賦予這些單質(zhì)金屬更高的活性，在原子層面上，金屬元素的電子開始逃逸，與其他單質(zhì)金屬開始形成合金，從而得到一個穩(wěn)定致密的合金保護層。

經(jīng)過上述還原爐處理的胚體強度已經(jīng)有所增加，抗氧化能力大大提高，在生產(chǎn)流轉(zhuǎn)中雖有時間先后的差異，但二次氧化對這些胚體是微乎其微的，可以忽略不計。

2，鉆具生產(chǎn)設(shè)備的改善

在熱壓燒結(jié)機中對刀頭進行燒結(jié)的時候，由于冷壓胚體密度較松，鉆具價格，通常含有50%左右的空氣， 在模具升溫過程中，特別在300~500 ℃時，空氣中的氧和胚體中的金屬粉末發(fā)生著劇烈的氧化反應(yīng)，非常容易對最終制品造成傷害，且難以避免。

為了減少這部分空氣數(shù)量，我們通常使用真空熱壓機。傳統(tǒng)的真空熱壓機真空度不高，僅為10 000 Pa左右（常壓為100 000 Pa），此時真空熱壓機內(nèi)的氧含量為2000/100 000，在高溫下微量的氧（1 /100 000）就會對制品造成氧化傷害。顯然傳統(tǒng)的真空熱壓機不能解決這個高溫氧化的問題。但是進一步提高真空度，呂梁鉆具，也是不可取的。在過高的真空下，低熔點的金屬會揮發(fā)，造成制品組份的偏析。為了解決真空度既不能太高，氧含量又要很低這么一個環(huán)境要求，可以采用真空熱壓燒結(jié)機。

真空熱壓燒結(jié)機

在該機的真空箱內(nèi)，采用了反復(fù)的抽真空充氮氣（99.995%的氮氣）的方式，通過多次稀釋和排出，使得制品粉末中間的空氣全部被高純度的氮氣所置換。此時可以使得氧含量達到1/100 000以下，以確保制品在燒結(jié)過程中幾乎不被氧化。燒結(jié)出來的制品色澤光亮，金屬化程度高，韌性接近純金屬。實際制備120 mm×60 mm×3 mm一個，為了檢驗其燒結(jié)品質(zhì)，我們將其放在臺虎鉗上，用錘子打擊折彎到90°，用放大鏡檢驗，彎曲處沒有任何裂紋；進一步再折彎，錘擊使之達到180°（對折），再用放大鏡檢驗對折處，仍舊沒有發(fā)現(xiàn)疑似裂紋，直觀地證明了該燒結(jié)制品已經(jīng)接近純金屬。

在改進生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備后，鉆具在鉆進復(fù)雜地層時不會出現(xiàn)掉齒和剛體破裂的情況，并且在鉆進鋼筋時切削速度驚人。由于熱壓鉆頭的生產(chǎn)效率比較低，人工和材料成本比較高，因此售價比較高，我們研究生產(chǎn)的2528度/研50金剛石鉆頭能夠完全取代該類鉆頭，需要的朋友可以咨詢我們。

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