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本文作者：倪林祥

一、影響金剛石鉆頭充分發揮技術經濟指標的因紊

1.鉆頭微燒引起拉槽,金剛石孕鑲鉆頭在鉆壓的作用下,以一定的線速度運動,‘可以簡單地把鉆頭和巖石視為一摩擦系統,金剛石鉆頭胎體的溫升就是由于鉆頭端面在巖石表面作相對位移時,由摩擦功而引起的。因此,溫升的速度、高低與壓力、線速度成正比,和冷卻條件(包括鉆頭水馬力,水口數和胎體壁厚)成反比。孕鑲金剛石鉆頭出現拉槽,即形成“0”形圈(圖3)的原因是,當沖洗液流經鉆頭內徑,通過水口和金剛石出刃與巖石間的微隙通道,由于傳導和對流作用,將熱量帶走,在胎體壁內外徑向產生溫度梯度(見圖2)。如圖2所示的相對高溫區的瞬時溫升達到金剛石石墨化的溫度時,便出現微燒現象。其表現是鉆頭端面發黑,或者粘著一層薄薄的巖粉。由現場觀察發現,微燒現象多半出自地層軟硬變化,鉆壓忽大忽小,時效忽快忽慢,或者在硬巖層中強力鉆進,一般在進尺平穩時很少發生。如果微燒現象不能及時發現,并采取相應的技術措施,惡性循環的結果,必然導致“o”形圈的形成。但是,金剛石層消耗到一定程度后,出現“0”形圈則不在此列。2.鉆頭異常磨損(1)目前各廠出產的鉆頭,內外徑公稱尺寸不一,其變化范圍在協38.5一協39.5之間,造成互換性差,尤其在硬巖層中鉆進,若有殘留巖心,用小內徑鉆頭套掃;抑或在硬碎巖層中鉆進,巖心碎塊脫落,磨損內徑邊緣,形成內臺階(圖5)。(2)雙管接頭的補強合金鑲嵌不牢,落入孔底,抑或孔口管與裸孔連接處出現臺階,或孔壁“探頭石”未及時清理,每當下鉆時,碰撞胎體,造成崩落,磨損鉆頭外徑邊緣,形成外臺階(圖6)。偶爾亦出現拉槽現象(圖3)。(3)金剛石出露狀態不好,有殘留巖心,鉆具振動,造成鉆頭內外徑邊緣磨損(圖7)與巖石接觸面積增加。況,或鉆桿連接處漏水,送入孔底沖洗液量不足,抑或短時間停泵,造成輕燒或嚴重燒鉆事故。4.鉆頭與巖心管絲扣加工精度不高,受扭力作用后,擰得太死,采用管鉗卸扣,或者把鋼體夾扁,抑或將胎體夾裂。5.鉆機按裝不牢,鉆具震動歷害,或者在硬巖層中鉆進,仍采用大泵量,產生脈動現象,破壞了鉆頭在孔底的正常工作條件。6.制造方面的原因。在操作過程中經常出現的有以下幾方面:(1)在壓制成形的過程中,粉末中壓力分布是不均勻的。由于顆粒間彼此摩擦,相互楔住,以及一些使顆粒移動困難的因素,而使壓力在模具側壁方向的傳遞,比在壓制方向的傳遞要小得多,粉末與模壁間存在摩擦,會使胎體在高度上出現顯著的壓力降。沿中軸線產生壓力梯度,在低壓燒結條件下較為明顯。由于壓力分布不均勻,壓制密度亦不同,層間的硬度HRc則有差異。在實際操作中可以看到,前幾個回次高度磨耗較少,爾后消耗很快,也是其中因素之一(圖s)。(2)胎體未燒透,工藝不穩定,沒有形成粉末冶金要求的假合金,或鋼體清洗不凈,造成胎體脫落或掉塊。(3)保徑天然金剛石或聚晶深入到孕鑲層中(圖ga、b)形成硬支點,或者內外徑補強金剛石未緊貼周邊(圖10),造成鉆頭過早縮徑或擴徑。(4)表鑲鉆頭的金剛石包鑲不牢,嚴重脫粒,或孕鑲鉆頭金剛石濃度不勻,密集部分出現脫粒或剝離現象。7.表鑲鉆頭使用不合理,中一粗粒(2o一40粒/克拉)金剛石鉆頭一般只宜于在中硬以下的完整巖層中鉆進,當時效降低,金剛石磨純,基本不進尺,就應停用回收(占成本費50%)再用。但由于片面追求鉆頭進尺,在金剛石失去切削能力的情況下,仍采用強力鉆進,致使金剛石壓碎,降低其利用率。上面列舉的影響金剛石鉆頭技術經濟指標的因素,是現場最常出現的,有的往往被人們所忽視。歸納起來可分為三方面:第一是地層因素,第二是操作因素(其中也包括管理因素);第三是制造因素。除地層因素之外,只要采取相應的技術措施,便可得瓢改善。下面就四個地質隊所用的孕鑲鉆頭分別按非正常磨損(其中包括拉槽、異常磨損、燒鉆等)和正常磨損統計如下,進行分析,便可看出問題的嚴重性。表內列舉的52個鉆頭,總進尺2936.22米。平均鉆頭進尺56.34米。其中正常磨損的鉆頭27個,占51.92%,進尺2330米,占79.3%,平均鉆頭進尺82.59米,非正常磨損鉆頭25個,占48.08%,進尺606.22米,占20.7%,平均鉆頭進尺24.08米。正常磨損的鉆頭進尺是非正常磨損的3.73倍。表中所列數據是由7一9級的片麻巖類和花崗巖類得到的。如果將非正常磨損的鉆頭平均進尺由24.08米提高到平均進尺56.34米,每米純鉆頭成本(按240元/個計算)由10元/米左右降到4,5元/米左右,經濟效果將很顯著。由此可見,減少鉆頭非正常磨損,是當前提高金剛石鉆進技術經濟指標的關鍵。

二、提高金剛石鉆進技術經濟指標的途徑

提高金剛石鉆進技術經濟指標涉及的范圍很廣,本文僅著重分析與鉆頭有關的問題。1.根據本礦區的巖性合理選擇鉆頭,目前有的地質隊采用數理統計的辦法,以所鉆的巖層為基礎,按鉆頭技術參數(如金剛石品級、粒度、濃度、胎體硬度等),分別統計鉆頭進尺、時效、回次長度等,進行認真分析研究,然后確定鉆頭選型,并根據各類巖層的分布情況,有計劃地定購鉆頭,設專人管理、發放,不是泛泛地而是有針對性地制訂切實可靠的技術措施。遇到難于鉆進的巖層,請研究部門或制造廠協助解決。2.適當控制時效,這里所指的只限于在7一9級的中硬、中等研磨性的巖層中鉆進,其時效一般都比較高。如果仍盲目追求機械效率,必然要加大壓力,提高轉速,勢必造成巖粉過多,堵塞出露良好的金剛石出刃的通道,產生微燒,結果是“欲速則不達”,鉆頭壽命大大縮短了。至于時效應控制在什么范圍內,應以鉆頭進尺長、不輕燒、而又具有相當的時效為限度,例如7一8級的片麻巖,一般控制在2.5一2.0米/時。因此,每次起下鉆仔細觀察鉆頭磨損情況,測量鉆頭高耗,這是非常重要的,只有這樣才能制訂合理的時效和高耗的控制范圍。統計一些長壽命的鉆頭發現一個很有趣的現象,高耗的增量與進尺增量之比的正切,在同類巖層中,近似于常數。如鉆頭技術參數為:金剛石品級一JR3,粒度60一80目,濃度100%,HRc42,鉆進參數為:壓力600一500公斤,轉速600一700轉/分,泵量50一3-升/分。在7一8級的石榴子透輝巖和花崗巖中鉆進,進尺219.79米,回次進尺5.11米,時效3.13米,當鉆到160米處,時效高達5.2米,逐步輕燒,影響鉆頭進尺。此外,還要強調一點,鉆頭經濟效果的好壞,不只取決于鉆頭,而是以每米消耗的綜合成本來衡量的。在某些特殊需要的情況下,例如在漏失地層,潤滑劑耗量大,或孔斜嚴重的孔段,鉆桿磨損大,需要采用快速通過,在不引起微燒的前提下,而對總成本降低有利,那末提高鉆進效率,縱然鉆頭壽命有所縮短還是合算的。3.目前我國各廠家生產的鉆頭,在7一9級中等研磨性巖層中鉆進,取得了回次和鉆頭進尺都比較高的效果,適于繩索取心鉆進,應逐步推廣這一新技術。據北京101隊在片麻巖中采用繩索取心鉆進表明,平均鉆頭進尺為61.00米,每米成本為29.46元,普通雙管平均鉆頭進尺為23.70米,每米成本為43.76兀。4.為改善鉆頭在孔底的工作狀態,即提高鉆頭在孔底的穩定性,在巖心管的異徑接頭處和鉆桿的適當部位裝上穩定器。5.功56孕鑲鉆頭的水口應不少于8個,亦可在胎體內外徑(如表鑲鉆頭)加銑棱槽,其壁厚可縮小1毫米左右,這種結構的鉆頭較之于常規結構的鉆頭拉槽現象要少得多。6.國內所采用的天然金剛石孕鑲料,多以不成晶形的低品級剛果型金剛石或回收后的金剛石碰碎而成,其中一部分呈片狀,它們在孕鑲層中切削能力較差,如果經過予處理,嚴格分選,效果要好得多。鄭州廠的天然孕鑲鉆頭能取得較好的效果與此有關。此外對人造金剛石進行嚴格分選,物盡其用.確保鉆頭質量是非常必要的。7.有的地質隊根據不同巖層,定出鉆頭進尺,實行超產獎勵的經濟管理辦法,提商了鉆頭壽命,降低了成本。這也說明,只要改進管理,金剛石鉆頭仍有潛力可挖。8.目前各地質隊都保存有大量用過的金剛石鉆頭,其中大部分可回收表、孕鑲料或補強料。只要經過回收處理,便可變座為用。

三、結束語

1.為了提高金剛石鉆進技術經濟指標,加強鉆探工人的培訓是非常必要的。只有當鉆探工人了解小口徑金剛石鉆進的基本知識,熟悉各種類型鉆頭的用途,還能根據巖層性質選擇鉆頭和鉆進參數,以及鉆頭的磨損情況調整壓力、轉速和泵量,控制最優時效,減少非正常磨損,發揮鉆頭潛力,方可收到提高勞動生產率,降低成本之效。2.提高人造金剛石的品級,包括強度、粒度和完整晶形所占的比例。這是當前提高孕鑲鉆頭質量的關鍵所在。此外,加速用于切削具的復合材料的研究,取代合金,用于7級以下的巖層中鉆進,這是非常有意義的。3.當前各廠提供選擇的鉆頭品種仍感不足,建議各廠選擇幾個礦區的巖石,測其物理力學性質,結合可鉆性,研究相應的鉆頭技術參數,逐漸形成具有各自特色的品種系列,以滿足生產發展的需要。