安徽地矿局313队探矿工程技术研究所依托承担的“高效长寿命金刚石钻头研制”项目,结合深部钻探对金刚石钻头的特殊要求,研制了下述三种新型钻头。
(一)热压直角梯形齿孕镶金刚石钻头
1.钻头结构设计
这类钻头的切削单元是直角梯形齿。与等腰梯形相比,直角梯形齿的横截面积小,在相同钻压下可增大钻进比压。直角梯形齿可分解为长方体和三角体两部分。长方体是破碎岩石主体,而三角体支撑着长方体并参与破碎岩石,提高了切削齿的抗弯强度。直角梯形钻头如图6-24所示。该型钻头已获国家实用新型专利(专利号ZL.4)。
图6-24 直角梯形齿钻头外形
(1)直角梯形齿受力分析
设直角梯形齿的直角边高为H,梯形顶部宽为L,梯形斜角为α,受垂直钻压P和回转力W的作用(图6-25)。为了方便计算分析,忽略直角梯形齿钻头在孔底的振动、弯曲等交变应力作用。
图6-25 直角梯形齿受力分析示意图
直角梯形ABCD如图6-26所示,假设B端面承受均布的轴向压力,其合力P作用在对称位置。钻进中,该钻齿可视为左端齿根部固定,右端自由的一根悬臂梁。在回转力矩和钻压同时作用下,悬臂梁承受轴向压缩和弯曲。按材料力学分析,梁组合变形时危险横截面在固定端A截面。
图6-26 平面直角梯形齿受力分析
一般钻齿的α角较大,故该变截面梁左端横截面上的弯曲变形中性轴可近似认为在该截面上下对称位置,即y=h1/2;A横截面上的内力有:
轴力(压缩)N=P;剪力(弯曲)Q=F;
弯矩(弯曲)M=P・e-F・(l-x)x=0=P・e-F・l
若忽略剪力Q对材料强度的影响,则该截面上各点的正应力为:
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式中:A=b・h1=b・(h+l/tanα);
e=h1/2-h/2=(h1-h)/2=(h+l/tanα-h)/2=l/2tanα;
Iz=b
/12;
h2=l/tanα;
h1=h+h2=h+l/tanα。
图6-27 钻齿A端横截面
假设A端横截面为矩形(图6-27),则A横截面上各点的正应力为:
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A横截面上最大拉应力位于上边缘线各点,最大压应力位于下边缘线各点,两者绝对值相等。则:
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将h1代入化简后得:
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利用推导出的式(6-5),再结合钻头的规格、结构、胎体力学性能和所钻岩石的物理力学性能,就可以设计直角梯形齿钻头的齿形规格。
(2)直角梯形齿结构设计分析
考虑到钻头胎体的抗压强度一般都很高,远远超过钻压引起的轴向应力,即梯形切削齿的抗压强度能满足钻进要求,所以,对梯形切削齿的轴向压力不作过多分析。设直角梯形齿的尺寸如下:梯形顶宽h,梯形齿厚度b,梯形底角α,直角梯形高l。以规格Φ77/48mm的热压金刚石钻头为例,b=(77-48)/2=14.5mm。而l由工作层高和过水间隙确定,若工作层高10mm,过水间隙取3mm,则l为13mm。剩下的变量就只有α角和梯形顶宽h。式(6-3)可写成:
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将上面数据代入式(6-6),得:
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梯形顶宽h决定了钻头与岩石的初始接触面积,对可钻性Ⅶ～Ⅸ级岩石,选择h值在8～12mm之间。以岩石可钻性Ⅷ级h=10mm为例,式(6-7)可写成:
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梯形底角α可根据岩石力学性质和钻头规格在55°～70°之间选择。在h值一定的条件下,α越小,直角梯形齿的抗弯能力越大,但受到钻头水口的限制。因此,设计直角梯形齿钻头时,只要知道F力和α角的大小就可以得出梯形齿的应力σ,只要梯形齿的实际抗弯强度大于σ,这个梯形齿就是安全的。其中,F力主要取决于岩石抗剪强度和齿与孔底的摩擦力。一般采用试算法决定α角。
例如,对于钻进Ⅷ级花岗岩的Φ77/48mm钻头取α=60°进行试算,已知岩石抗剪强度约为315MPa,得出梯形齿承受的应力约为553MPa,显然低于钻头胎体要求的最低抗弯强度(700MPa)。因此,这个设计是安全的。
2.钻头金刚石参数设计
1)直角梯形齿由长方体M和三角体N两部分组成(图6-28),它们的胎体成分及性能相同,而M部分的金刚石浓度较高,N部分较低。钻进初期,只有BDFG平面与岩石接触,面积小,比压大,钻进硬而致密的岩石效率高。随着钻头磨损,接触面积逐渐增大,钻速将有所下降。但由于N部分的耐磨性较低,钻速降幅不很大(在15%～18%范围内)。此时,N部分的作用是支撑破岩主体M部分,增大其抗弯强度和抗冲击韧性,并起辅助碎岩作用。因此,该类钻头的设计主要在于根据岩石性质确定M与N两部分的比例及其性能。
图6-28 金刚石分布示意图
2)对硬、中等至较强研磨性岩石,可设计使长方体M与三角体N的胎体性能相同。而对硬至坚硬、弱研磨性岩石应选长方体M的胎体较硬、金刚石浓度较高;三角体N部分的胎体较软、金刚石浓度较低。
3)通过改变长方体M、三角体N的比例及α角的大小,可以调节钻头的性能和钻进效果。长方体M越小,α角越大,钻进速度将越高,反之亦然。
4)该类钻头可供调节的结构参数有:长方体M、三角体N、α角、金刚石和胎体性能参数。一般钻头水口取6～8mm;α角取75°～65°;M∶N=3∶2或5∶3。金刚石粒度、品级和浓度的基本规律与普通钻头相同。对硬至坚硬、弱研磨性岩石,长方体M的金刚石品级SMD35,浓度60%～65%,粒度:40/50目占50%～60%,50/60目占40%～50%。而三角体N的金刚石品级SMD30～SMD35,浓度45%～50%;粒度:50/60目占45%～50%,40/50目占50%～55%。对硬、中等至较强研磨性岩石,两部分的性能相同,金刚石品级SMD30～SMD35,浓度75%～85%,粒度:30/35目占20%～25%,40/50目占50%～60%,50/60目占20%～25%。
5)该型钻头的钻进规程参数应依据岩石硬度与研磨性来确定。对中硬、完整度较差的岩层,钻压与转速宜偏低,以防切削齿切入岩石过深而憋钻。而对硬而致密岩层可采用较高的钻压和转速,以获得高钻速。
(二)热压孕镶碎聚晶金刚石钻头
碎聚晶材料是聚晶体合成过程中产生的次品,但因其高硬度与高磨耗比性能不变而同样具有利用价值。大多数碎聚晶粒为径高比接近1的圆柱体,可以用来制造孕镶钻头。对于中硬至硬、中等研磨性岩石具有好的适应性。
1.碎聚晶粒破碎岩石原理
与普通孕镶粗颗粒金刚石钻头相似,碎聚晶粒在孕镶钻头胎体中成无序排列。接近圆柱体的碎聚晶粒在热压胎体中可能有三种随机分布的基本形态:直立、横卧和与孔底成一定角度(图6-29),其破碎岩石的机理与效果也有所差异。
1)直立状碎聚晶粒。直立状碎聚晶粒破碎岩石的原理与完整聚晶体基本相同,在钻压P作用下切入岩石一定深度,并在水平力Q作用下剪切破碎岩石[图6-29(a)]。钻压越大,切入越深,产生的剪切体越大,破碎效果越好。
图6-29 碎聚晶在胎体中不同形态与破碎岩石的情形
2)成一定角度的碎聚晶粒。钻进初期,成一定角度的碎聚晶粒与岩石接触面积最小[图6-29(b)],具有一定的尖棱角,容易切入岩石,钻进效率高。随着碎聚晶粒的锐角逐渐变钝,钻速逐步下降,但总的钻进效率还是较高的。
3)横卧状态碎聚晶粒。横卧状态碎聚晶粒破碎岩石的原理与直立状碎聚晶粒不同,钻进初期横卧碎聚晶粒与岩石的接触面积比直立状小得多[图6-29(c)],钻进效率高。随着钻进时间的推移,碎聚晶粒与岩石的接触面积逐渐变大钻速有所下降,但总的钻进效率仍较高。横卧状碎聚晶粒不易崩刃,钻进比较平稳。当碎聚晶粒磨损过半后,与孔底接触面积逐步减小,又将出现钻速提高的阶段。
以上三种随机分布的碎聚晶粒的破岩机理和效果各有所长,可以实现优势互补,可以在可钻性Ⅷ级以下(含部分Ⅷ级)较完整岩石(如大理岩、灰岩、玄武岩、砂岩等)中保持较稳定、较高的钻进速度。它比碎合金粒钻头适应的岩层更广,只要胎体性能设计合理,还可用于钻进硬、脆、碎的较强研磨性岩层。
2.碎聚晶孕镶钻头的胎体性能设计
碎聚晶的粒度比金刚石单晶粗,而比碎合金粒细。因此,胎体性能应介于普通金刚石钻头和碎合金粒钻头之间,具备中等硬度、中等耐磨性。硬度设计为HRC25～HRC30;而耐磨性可设计为(0.55～0.6)×10-5,采用MPX-2000型摩擦磨损试验机测试时,其耐磨性可设计为420mg～450mg。
由于碎聚晶粒的抗压强度高,磨耗比为2万～8万,甚至更高,从理论上讲它可以钻进任何岩石,但由于其颗粒较粗,切入岩石阻力大,破碎硬岩的时间效应明显,所以钻进的岩石级别受到一定限制,适于钻进Ⅷ级以下、中等至较强研磨性、完整至较完整的岩层。
3.碎聚晶参数设计
由金刚石破碎岩石原理可知,粗粒金刚石多用于钻进较软的和低研磨性岩石。碎聚晶钻头中一般选取直径Φ1.5～Φ2.5mm,高2～2.5mm,即径高比接近1的碎聚晶。这种粒度接近于表镶钻头中天然金刚石的粒度,由于其硬度与磨耗比远不如天然金刚石,所以只能制造孕镶钻头。对可钻性Ⅵ级及其以下的岩石体积浓度取20%,而对Ⅵ～Ⅷ级岩石取25%。考虑到随机混料时难以保证粗粒碎聚晶在钻头胎体中均匀分布,必须采用如图6-30所示的制粒机,边旋转边喷撒金属粉料和黏结剂,使碎聚晶颗粒裹上一层厚厚的金属膜,以达到胎体中颗粒均匀分布之目的。
图6-30 制粒机
4.碎聚晶钻头结构设计
在生产实践中,人们都希望新钻头下孔后便能有效钻进,而传统的孕镶碎聚晶钻头必须要有个初磨过程才能进入正常钻进。为改变这种状况,可把碎聚晶钻头设计成表镶与孕镶结合的结构,即第一层为有序排列的表镶形式,而后续工作层为无序排列的孕镶形式。按照这个思路,石墨模具也设计成普通模具和第一层表镶模具(如图6-31所示)两部分。取心式碎聚晶金刚石钻头的结构如图6-32所示。
图6-31 取心式碎聚晶钻头
用第一层模具
图6-32 取心式碎聚晶钻头结构示意图
1―钻头钢体;2―钻头胎体材料;3―孕镶碎聚晶;4―表镶碎聚晶;5―单晶金刚石;6―钻头保径材料;7―钻头水口
在热压碎聚晶钻头结构中,除了碎聚晶主磨料外,还孕镶有品级SMD30、粒度30/40目、浓度20%～25%的单晶金刚石。这部分金刚石不仅参与破碎岩石,更重要的是可以保持工作层平衡磨损,提高钻头的使用效果。孕镶碎聚晶钻头已获得国家实用新型专利,专利号:ZL.X。
(三)添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头
氧化铝空心球是粉末冶金材料中的一种造孔剂,硬度不高,脆性大,基本不与胎体其他材料发生反应,把它随胎体材料与金刚石一起混合均匀后装入模具中热压烧结(图6-33),可起到提高胎体材料孔隙度,弱化耐磨性的作用。
图6-33 氧化铝空心球的作用机理示意图
1―金刚石;2―氧化铝空心球
由于氧化铝空心球的抗压强度远低于金刚石,在热压过程中部分被压碎的空心球将形成薄弱点阵,随着胎体磨损这些薄弱点阵很容易脱落,并在底唇面留下许多空穴,使之变得粗糙,摩擦系数提高,胎体磨损加快,金刚石出刃效果更好。加之与孔底接触面减少,有利于提高在硬而致密岩石中的钻进效率。添加氧化铝空心球的热压金刚石钻头已获国家实用新型专利,专利号ZL.X。
1.氧化铝空心球的参数设计
(1)氧化铝空心球的粒度
市场上不同粒度的氧化铝空心球如图6-34、图6-35所示。空心球的粒度对弱化胎体耐磨性和强度具有明显影响。浓度一定时,空心球粒度小,比表面积大,意味着分散性好,在胎体唇面形成的空穴小且多,弱化胎体耐磨性的效果将提高。但如果粒度太小形成的孔隙过小,对胎体的弱化效果并不明显。而粒度过大,分散性变差,同样不利于弱化胎体。因而空心球的粒径应选择0.2～1.0mm,相当于70目～20目的金刚石粒径。岩石越硬、越致密,空心球的粒度应越粗,使磨损后的底唇面越粗糙,胎体耐磨性下降越多,有利于工作金刚石出刃,提高钻进速度。
图6-34 粗粒氧化铝空心球
图6-35 混合粒度氧化铝空心球
(2)氧化铝空心球的浓度
空心球在胎体中的浓度高则胎体的弱化程度也高,但浓度过高会降低胎体的强度,影响金刚石钻头的正常使用。而空心球的浓度过低则对弱化胎体耐磨性作用不大。一般认为其体积浓度12%～18%比较合理。岩石越硬、越致密,胎体中空心球的含量应越高,使胎体耐磨性下降得明显,金刚石的出刃效果更好。
(3)氧化铝空心球参数的试验研究
取氧化铝空心球粒度0.3mm、0.6mm、0.9mm三种规格,浓度10%、20%、30%三种水平进行试验设计。胎体配方:FeCuNi占40%,FeCu30占40%,CuSn10占20%。按试验设计分别烧结出胎块并测试耐磨性,其对胎体弱化的效果见表6-5。根据表中数据绘制的柱状图见图6-36。
表6-5 钻头胎体耐磨性弱化试验设计表
图6-36 氧化铝空心球粒度及含量与耐磨性的关系
粒径:A―0.3mm;B―0.6mm;C―0.9mm
由图6-36可以看出,随着氧化铝空心球的浓度增加,胎体的磨损量增大,耐磨性呈下降趋势。而不论含量如何变化,只要空心球的粒度增加,胎体的耐磨性呈增加趋势。可见,氧化铝空心球的浓度对胎体弱化具有显著影响,而空心球的粒度同样是影响胎体性能的重要因素。
2.钻头金刚石参数的设计
含氧化铝空心球热压金刚石钻头主要为坚硬致密的“打滑”岩石设计。必须明确,在坚硬致密岩石中尽管采用高转速,也不可能取得较高的钻速,只有实现微压入以微体积破碎方式破碎岩石,才能取得好的破碎效果。
(1)金刚石粒度设计
在硬而致密岩石中粗粒金刚石钻头极难自锐,钻进效率反而很低。因而必须选择较细粒的金刚石,但如果太细,金刚石与胎体接触面积甚小,很快随胎体磨损而掉粒。因而多选择50/60目与60/70目的金刚石。
(2)金刚石浓度设计
一般认为钻进坚硬致密岩石的钻头应采用低的金刚石浓度,但究竟浓度多低合适还需要研究。虽然在相同钻压条件下,低浓度的每颗金刚石上压力增大,更容易切入岩石。但浓度过低钻进效率和钻头寿命也会随之下降。所以,金刚石的浓度应存在一个优化值。设计浓度时,还必须考虑添加材料的造孔作用,由于造孔后胎体的孔隙度增加,应适当降低金刚石的浓度,以保证其包镶强度不受影响。另外,金刚石的浓度与粒度有相互依存关系。金刚石的粒度越细,其浓度也应适当降低。
(3)金刚石品级设计
坚硬致密岩石的抗压入硬度很高,所以必须使用高品级的金刚石,单颗金刚石的抗压碎强度不能低于300N,金刚石的TTi值能达到85%。
综上所述,金刚石参数设计如下:粒度采用50/60目～60/70目,其中50/60目占40%,60/70目占60%;浓度为60%～70%;金刚石品级不低于SMD35。