金剛石鉆頭失效原因及改進

　　目前金剛石繩索取心鉆進工藝以其鉆進效率高、勞動強度低、鉆孔穩定性好等優點，被鉆探行業所普遍采用。同時這種鉆探工藝對金剛石鉆頭也提出了更高的要求，需要更高的鉆進效率以及更長的使用壽命。在江西省武寧縣石門寺鎢礦勘察復雜地層條件下鉆進，常規金剛石鉆頭由于孔底情況復雜，經常發生超前磨損或非正常磨損而失效，從而導致鉆進效率低、壽命低的情況，難以達到鉆探工藝的要求。
　　1、金剛石鉆頭失效分析
　　1.1 內外保徑早期磨損
　　 (1)巖層研磨性強；
　　 (2)由于巖心破碎，鉆進過程中巖心不能順利進入內管，或發生巖心堵塞現象,造成巖心在鉆頭內徑處消耗，從而導致鉆頭內保徑超前磨損失效。
　　1.2 水口沖蝕嚴重
　　 (1)巖層研磨性強，沖洗液含砂量高；
　　 (2)鉆頭胎體偏軟。
　　1.3 胎體掉塊
　　 (1)下鉆時遇探頭石或脫落巖心，因掃孔而磕裂；
　　 (2)鉆進過程中遇硬、脆、碎地層，鉆具振動幅度大，導致鉆頭胎體產生裂紋，進而發展成掉塊。
　　1.4 鋼體磨損嚴重
　　 (1)孔壁穩定性差、易坍塌、掉塊，導致鋼體外部磨損；
　　 (2)巖心破碎不能順利進入內管，在卡簧座與鉆頭鋼體間相磨，導致鋼體內部磨損。
　　1.5 鉆頭不進尺
　　 (1)鉆頭胎體硬度太高，遇硬夾層拋光打滑；
　　 (2)胎體太軟，工作層過度消耗。
　　2、金剛石鉆頭的設計及制造
　　2.1 胎體性能及制造工藝的設計
　　 金剛石鉆頭胎體的性能指標主要有硬度、耐磨性、抗沖蝕性、抗彎強度、抗沖擊韌性以及對金剛石的包鑲能力等。針對復雜地層，胎體硬度應選擇在偏中等的HRC32~ HRC38之間，以確保在軟層或硬層均能獲得良好的鉆進效率和使用壽命。胎體的其他性能指標需比常規金剛石鉆頭提高20% 以上，以確保鉆頭能夠承受井底復雜情況的考驗，為此采取以下方法。
　　 (1)使用納米級的超細胎體粉末材料。使用該材料與傳統材料制作的胎體相比較,能在胎體硬度相對較低的情況下獲得更高的耐磨性與抗沖擊韌性。這樣更有利于鉆頭在工作過程中保持很好的金剛石出刃而胎體損耗較慢，使鉆頭鉆進效率與使用壽命大大提高。
　　 (2)使用氫還原脫氧處理胎體粉末材料。該工藝使金屬粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的再結晶，使粉末顆粒相互結合提高粘結強度，使胎體獲得更高金剛石包鑲能力、力學強度以及與鋼體的粘結牢度。
　　 (3)采用低溫熱壓燒結工藝。金剛石在溫度超過800℃時就會發生石墨化轉變而產生熱損傷使強度下降。該工藝的制造溫度不超過720℃，能最大程度地減少金剛石因高溫而產生的熱損傷，保護金剛石的碎巖能力。
　　2.2 金剛石濃度、粒度的選擇
　　 金剛石濃度、粒度的選擇對鉆頭壽命以及鉆進效率具有重要的影響作用。
　　 濃度偏高，鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大，單粒金剛石所承受的壓力較小，相應壓入巖石的深度減小。當金剛石上的壓強小于巖石的抗壓強度時，金剛石就不能壓入巖石，表現為鉆頭打滑不進尺。相反，濃度偏低一是不能布滿唇面的環狀面積，出現大面積的金剛石空白區，二是造成單粒金剛石上的壓強太大，在新的金剛石未出露之前，已出露的金剛石就過早地磨損或崩刃、脫粒，導致鉆進狀況惡化，甚至停鉆。
　　 金剛石鉆頭的粒度設計與巖層的完整度、硬度、鉆進參數、金剛石的其他參數(濃度)有關。具體設計金剛石粒度可按預期鉆速v進行考慮。
　　
　　 式中: v――預期機械鉆速，cm /min;――每粒金剛石的質量,―― 鉆頭上施加的壓力，kg; n――鉆頭轉速，r /min; M――金剛石的濃度，% ;――工作金剛石與巖石接觸面上的單位壓力，kg /cm2;――每粒工作金剛石與巖石接觸的面積cm2;――鉆頭端面有效系數。
　　 在復雜地層條件下，巖心鉆探的預期鉆速選擇在時效1.5 ~ 2.5m，以確保鉆孔的穩定性和安全性。可采用不同粒度的金剛石混鑲，濃度選擇在70%~80%。由于其金剛石粒度大小不一，在鉆進過程中造成眾多的出刃高度不等的金剛石，在切削巖石時形成眾多的微切削溝槽，其深度參差不齊，形成若干自由面，從而提高鉆頭的破巖效率。
　　2.3 鉆頭結構的設計
　　 在復雜地層條件下，鉆頭的唇部造型應采用尖槽同心圓結構。該造型增加了鉆頭底面的自由切削面，增強鉆頭對巖石的研磨能力，而且尖齒的側面還能對巖石產生擠壓破碎作用，具有更好的破巖效率。同時該造型能使鉆頭在工作過程中獲得更好的穩定性，以防止出現孔斜等情況發生。
　　 為減輕胎體的沖蝕磨損狀況，在難以降低鉆井液含砂量時，適當增加水口寬度或增加底噴水眼，通過增加鉆頭的過水面積以減弱鉆井液的沖蝕性。
　　2.4 保徑的加強
　　 在復雜地層條件下，金剛石鉆頭的保徑能力是鉆頭使用壽命的關鍵。尤其是內保徑，通常發生提前磨損，導致巖心變粗不能順利進入內管而產生堵心。目前人造孕鑲金剛石鉆頭通常采用圓柱狀聚晶保徑。聚晶的特點為耐磨性強，但克取巖石的能力弱。
　　 在強研磨性地層中，常規的保徑方式由于圓柱狀聚晶工作面小而很快磨損導致鉆頭失效。為此，保徑層采用方聚晶，通過增加聚晶的工作體積來加強保徑能力，能起到非常好的效果。為避免因聚晶過多參與碎巖過程而導致鉆速降低,在聚晶的排列上采用三角形排布，靠近鋼體端排布多，向工作層端遞減。
　　4、結論
　　 (1)采用納米級超細金剛石胎體粉末材料，并用氫還原脫氧工藝對粉末材料進行處理后進行燒結，提高了胎體的耐磨性、抗沖擊韌性、抗沖蝕性以及對金剛石的包鑲能力等性能指標。
　　 (2)使用低溫熱壓燒結工藝，減少了金剛石因高溫而產生的熱損傷，保護了金剛石的碎巖能力。
　　 (3)選用合適的鉆頭底唇面造型，提高了鉆頭的碎巖能力及鉆進過程的穩定性。
　　 (4)采用方聚晶保徑，并改進保徑層的結構，大大加強了鉆頭的保徑能力。
　　 (5)選用混鑲粒度的金剛石及合適的金剛石濃度，提高了鉆頭對復雜地層的適應性。