金刚石钻进技术经济探索

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本文作者：倪林祥

一、影响金刚石钻头充分发挥技术经济指标的因紊

1.钻头微烧引起拉槽,金刚石孕镶钻头在钻压的作用下,以一定的线速度运动,‘可以简单地把钻头和岩石视为一摩擦系统,金刚石钻头胎体的温升就是由于钻头端面在岩石表面作相对位移时,由摩擦功而引起的。因此,温升的速度、高低与压力、线速度成正比,和冷却条件(包括钻头水马力,水口数和胎体壁厚)成反比。孕镶金刚石钻头出现拉槽,即形成“0”形圈(图3)的原因是,当冲洗液流经钻头内径,通过水口和金刚石出刃与岩石间的微隙通道,由于传导和对流作用,将热量带走,在胎体壁内外径向产生温度梯度(见图2)。如图2所示的相对高温区的瞬时温升达到金刚石石墨化的温度时,便出现微烧现象。其表现是钻头端面发黑,或者粘着一层薄薄的岩粉。由现场观察发现,微烧现象多半出自地层软硬变化,钻压忽大忽小,时效忽快忽慢,或者在硬岩层中强力钻进,一般在进尺平稳时很少发生。如果微烧现象不能及时发现,并采取相应的技术措施,恶性循环的结果,必然导致“o”形圈的形成。但是,金刚石层消耗到一定程度后,出现“0”形圈则不在此列。2.钻头异常磨损(1)目前各厂出产的钻头,内外径公称尺寸不一,其变化范围在协38.5一协39.5之间,造成互换性差,尤其在硬岩层中钻进,若有残留岩心,用小内径钻头套扫;抑或在硬碎岩层中钻进,岩心碎块脱落,磨损内径边缘,形成内台阶(图5)。(2)双管接头的补强合金镶嵌不牢,落入孔底,抑或孔口管与裸孔连接处出现台阶,或孔壁“探头石”未及时清理,每当下钻时,碰撞胎体,造成崩落,磨损钻头外径边缘,形成外台阶(图6)。偶尔亦出现拉槽现象(图3)。(3)金刚石出露状态不好,有残留岩心,钻具振动,造成钻头内外径边缘磨损(图7)与岩石接触面积增加。况,或钻杆连接处漏水,送入孔底冲洗液量不足,抑或短时间停泵,造成轻烧或严重烧钻事故。4.钻头与岩心管丝扣加工精度不高,受扭力作用后,拧得太死,采用管钳卸扣,或者把钢体夹扁,抑或将胎体夹裂。5.钻机按装不牢,钻具震动历害,或者在硬岩层中钻进,仍采用大泵量,产生脉动现象,破坏了钻头在孔底的正常工作条件。6.制造方面的原因。在操作过程中经常出现的有以下几方面:(1)在压制成形的过程中,粉末中压力分布是不均匀的。由于颗粒间彼此摩擦,相互楔住,以及一些使颗粒移动困难的因素,而使压力在模具侧壁方向的传递,比在压制方向的传递要小得多,粉末与模壁间存在摩擦,会使胎体在高度上出现显著的压力降。沿中轴线产生压力梯度,在低压烧结条件下较为明显。由于压力分布不均匀,压制密度亦不同,层间的硬度HRc则有差异。在实际操作中可以看到,前几个回次高度磨耗较少,尔后消耗很快,也是其中因素之一(图s)。(2)胎体未烧透,工艺不稳定,没有形成粉末冶金要求的假合金,或钢体清洗不净,造成胎体脱落或掉块。(3)保径天然金刚石或聚晶深入到孕镶层中(图ga、b)形成硬支点,或者内外径补强金刚石未紧贴周边(图10),造成钻头过早缩径或扩径。(4)表镶钻头的金刚石包镶不牢,严重脱粒,或孕镶钻头金刚石浓度不匀,密集部分出现脱粒或剥离现象。7.表镶钻头使用不合理,中一粗粒(2o一40粒/克拉)金刚石钻头一般只宜于在中硬以下的完整岩层中钻进,当时效降低,金刚石磨纯,基本不进尺,就应停用回收(占成本费50%)再用。但由于片面追求钻头进尺,在金刚石失去切削能力的情况下,仍采用强力钻进,致使金刚石压碎,降低其利用率。上面列举的影响金刚石钻头技术经济指标的因素,是现场最常出现的,有的往往被人们所忽视。归纳起来可分为三方面:第一是地层因素,第二是操作因素(其中也包括管理因素);第三是制造因素。除地层因素之外,只要采取相应的技术措施,便可得瓢改善。下面就四个地质队所用的孕镶钻头分别按非正常磨损(其中包括拉槽、异常磨损、烧钻等)和正常磨损统计如下,进行分析,便可看出问题的严重性。表内列举的52个钻头,总进尺2936.22米。平均钻头进尺56.34米。其中正常磨损的钻头27个,占51.92%,进尺2330米,占79.3%,平均钻头进尺82.59米,非正常磨损钻头25个,占48.08%,进尺606.22米,占20.7%,平均钻头进尺24.08米。正常磨损的钻头进尺是非正常磨损的3.73倍。表中所列数据是由7一9级的片麻岩类和花岗岩类得到的。如果将非正常磨损的钻头平均进尺由24.08米提高到平均进尺56.34米,每米纯钻头成本(按240元/个计算)由10元/米左右降到4,5元/米左右,经济效果将很显著。由此可见,减少钻头非正常磨损,是当前提高金刚石钻进技术经济指标的关键。

二、提高金刚石钻进技术经济指标的途径

提高金刚石钻进技术经济指标涉及的范围很广,本文仅着重分析与钻头有关的问题。1.根据本矿区的岩性合理选择钻头,目前有的地质队采用数理统计的办法,以所钻的岩层为基础,按钻头技术参数(如金刚石品级、粒度、浓度、胎体硬度等),分别统计钻头进尺、时效、回次长度等,进行认真分析研究,然后确定钻头选型,并根据各类岩层的分布情况,有计划地定购钻头,设专人管理、发放,不是泛泛地而是有针对性地制订切实可靠的技术措施。遇到难于钻进的岩层,请研究部门或制造厂协助解决。2.适当控制时效,这里所指的只限于在7一9级的中硬、中等研磨性的岩层中钻进,其时效一般都比较高。如果仍盲目追求机械效率,必然要加大压力,提高转速,势必造成岩粉过多,堵塞出露良好的金刚石出刃的通道,产生微烧,结果是“欲速则不达”,钻头寿命大大缩短了。至于时效应控制在什么范围内,应以钻头进尺长、不轻烧、而又具有相当的时效为限度,例如7一8级的片麻岩,一般控制在2.5一2.0米/时。因此,每次起下钻仔细观察钻头磨损情况,测量钻头高耗,这是非常重要的,只有这样才能制订合理的时效和高耗的控制范围。统计一些长寿命的钻头发现一个很有趣的现象,高耗的增量与进尺增量之比的正切,在同类岩层中,近似于常数。如钻头技术参数为:金刚石品级一JR3,粒度60一80目,浓度100%,HRc42,钻进参数为:压力600一500公斤,转速600一700转/分,泵量50一3-升/分。在7一8级的石榴子透辉岩和花岗岩中钻进,进尺219.79米,回次进尺5.11米,时效3.13米,当钻到160米处,时效高达5.2米,逐步轻烧,影响钻头进尺。此外,还要强调一点,钻头经济效果的好坏,不只取决于钻头,而是以每米消耗的综合成本来衡量的。在某些特殊需要的情况下,例如在漏失地层,润滑剂耗量大,或孔斜严重的孔段,钻杆磨损大,需要采用快速通过,在不引起微烧的前提下,而对总成本降低有利,那末提高钻进效率,纵然钻头寿命有所缩短还是合算的。3.目前我国各厂家生产的钻头,在7一9级中等研磨性岩层中钻进,取得了回次和钻头进尺都比较高的效果,适于绳索取心钻进,应逐步推广这一新技术。据北京101队在片麻岩中采用绳索取心钻进表明,平均钻头进尺为61.00米,每米成本为29.46元,普通双管平均钻头进尺为23.70米,每米成本为43.76兀。4.为改善钻头在孔底的工作状态,即提高钻头在孔底的稳定性,在岩心管的异径接头处和钻杆的适当部位装上稳定器。5.功56孕镶钻头的水口应不少于8个,亦可在胎体内外径(如表镶钻头)加铣棱槽,其壁厚可缩小1毫米左右,这种结构的钻头较之于常规结构的钻头拉槽现象要少得多。6.国内所采用的天然金刚石孕镶料,多以不成晶形的低品级刚果型金刚石或回收后的金刚石碰碎而成,其中一部分呈片状,它们在孕镶层中切削能力较差,如果经过予处理,严格分选,效果要好得多。郑州厂的天然孕镶钻头能取得较好的效果与此有关。此外对人造金刚石进行严格分选,物尽其用.确保钻头质量是非常必要的。7.有的地质队根据不同岩层,定出钻头进尺,实行超产奖励的经济管理办法,提商了钻头寿命,降低了成本。这也说明,只要改进管理,金刚石钻头仍有潜力可挖。8.目前各地质队都保存有大量用过的金刚石钻头,其中大部分可回收表、孕镶料或补强料。只要经过回收处理,便可变座为用。

三、结束语

1.为了提高金刚石钻进技术经济指标,加强钻探工人的培训是非常必要的。只有当钻探工人了解小口径金刚石钻进的基本知识,熟悉各种类型钻头的用途,还能根据岩层性质选择钻头和钻进参数,以及钻头的磨损情况调整压力、转速和泵量,控制最优时效,减少非正常磨损,发挥钻头潜力,方可收到提高劳动生产率,降低成本之效。2.提高人造金刚石的品级,包括强度、粒度和完整晶形所占的比例。这是当前提高孕镶钻头质量的关键所在。此外,加速用于切削具的复合材料的研究,取代合金,用于7级以下的岩层中钻进,这是非常有意义的。3.当前各厂提供选择的钻头品种仍感不足,建议各厂选择几个矿区的岩石,测其物理力学性质,结合可钻性,研究相应的钻头技术参数,逐渐形成具有各自特色的品种系列,以满足生产发展的需要。