金剛石鉆進技術(shù)經(jīng)濟探索

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本文作者：倪林祥

一、影響金剛石鉆頭充分發(fā)揮技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)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(tǒng),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(shù)和胎體壁厚)成反比。孕鑲金剛石鉆頭出現(xiàn)拉槽,即形成“0”形圈(圖3)的原因是,當(dāng)沖洗液流經(jīng)鉆頭內(nèi)徑,通過水口和金剛石出刃與巖石間的微隙通道,由于傳導(dǎo)和對流作用,將熱量帶走,在胎體壁內(nèi)外徑向產(chǎn)生溫度梯度(見圖2)。如圖2所示的相對高溫區(qū)的瞬時溫升達(dá)到金剛石石墨化的溫度時,便出現(xiàn)微燒現(xiàn)象。其表現(xiàn)是鉆頭端面發(fā)黑,或者粘著一層薄薄的巖粉。由現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),微燒現(xiàn)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(wěn)時很少發(fā)生。如果微燒現(xiàn)象不能及時發(fā)現(xiàn),并采取相應(yīng)的技術(shù)措施,惡性循環(huán)的結(jié)果,必然導(dǎo)致“o”形圈的形成。但是,金剛石層消耗到一定程度后,出現(xiàn)“0”形圈則不在此列。2.鉆頭異常磨損(1)目前各廠出產(chǎn)的鉆頭,內(nèi)外徑公稱尺寸不一,其變化范圍在協(xié)38.5一協(xié)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(nèi)徑鉆頭套掃;抑或在硬碎巖層中鉆進,巖心碎塊脫落,磨損內(nèi)徑邊緣,形成內(nèi)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(xiàn)臺階,或孔壁“探頭石”未及時清理,每當(dāng)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(xiàn)拉槽現(xiàn)象(圖3)。(3)金剛石出露狀態(tài)不好,有殘留巖心,鉆具振動,造成鉆頭內(nèi)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(yán)重?zé)@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?qū)⑻ンw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(chǎn)生脈動現(xiàn)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(jīng)常出現(xiàn)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(cè)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(xiàn)顯著的壓力降。沿中軸線產(chǎn)生壓力梯度,在低壓燒結(jié)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(wěn)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(nèi)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(yán)重脫粒,或孕鑲鉆頭金剛石濃度不勻,密集部分出現(xiàn)脫?；騽冸x現(xiàn)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(dāng)時效降低,金剛石磨純,基本不進尺,就應(yīng)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的因素,是現(xiàn)場最常出現(xiàn)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(yīng)的技術(shù)措施,便可得瓢改善。下面就四個地質(zhì)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(tǒng)計如下,進行分析,便可看出問題的嚴(yán)重性。表內(nèi)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(shù)據(jù)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(jīng)濟效果將很顯著。由此可見,減少鉆頭非正常磨損,是當(dāng)前提高金剛石鉆進技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的關(guān)鍵。

二、提高金剛石鉆進技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的途徑

提高金剛石鉆進技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)涉及的范圍很廣,本文僅著重分析與鉆頭有關(guān)的問題。1.根據(jù)本礦區(qū)的巖性合理選擇鉆頭,目前有的地質(zhì)隊采用數(shù)理統(tǒng)計的辦法,以所鉆的巖層為基礎(chǔ),按鉆頭技術(shù)參數(shù)(如金剛石品級、粒度、濃度、胎體硬度等),分別統(tǒng)計鉆頭進尺、時效、回次長度等,進行認(rèn)真分析研究,然后確定鉆頭選型,并根據(jù)各類巖層的分布情況,有計劃地定購鉆頭,設(shè)專人管理、發(fā)放,不是泛泛地而是有針對性地制訂切實可靠的技術(shù)措施。遇到難于鉆進的巖層,請研究部門或制造廠協(xié)助解決。2.適當(dāng)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(zhuǎn)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(chǎn)生微燒,結(jié)果是“欲速則不達(dá)”,鉆頭壽命大大縮短了。至于時效應(yīng)控制在什么范圍內(nèi),應(yīng)以鉆頭進尺長、不輕燒、而又具有相當(dāng)?shù)臅r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(xì)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(tǒng)計一些長壽命的鉆頭發(fā)現(xiàn)一個很有趣的現(xiàn)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(shù)。如鉆頭技術(shù)參數(shù)為:金剛石品級一JR3,粒度60一80目,濃度100%,HRc42,鉆進參數(shù)為:壓力600一500公斤,轉(zhuǎn)速600一700轉(zhuǎn)/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(dāng)鉆到160米處,時效高達(dá)5.2米,逐步輕燒,影響鉆頭進尺。此外,還要強調(diào)一點,鉆頭經(jīng)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(yán)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(chǎn)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(yīng)逐步推廣這一新技術(shù)。據(jù)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(tài),即提高鉆頭在孔底的穩(wěn)定性,在巖心管的異徑接頭處和鉆桿的適當(dāng)部位裝上穩(wěn)定器。5.功56孕鑲鉆頭的水口應(yīng)不少于8個,亦可在胎體內(nèi)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(jié)構(gòu)的鉆頭較之于常規(guī)結(jié)構(gòu)的鉆頭拉槽現(xiàn)象要少得多。6.國內(nèi)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(jīng)過予處理,嚴(yán)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(guān)。此外對人造金剛石進行嚴(yán)格分選,物盡其用.確保鉆頭質(zhì)量是非常必要的。7.有的地質(zhì)隊根據(jù)不同巖層,定出鉆頭進尺,實行超產(chǎn)獎勵的經(jīng)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(zhì)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(jīng)過回收處理,便可變座為用。

三、結(jié)束語

1.為了提高金剛石鉆進技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),加強鉆探工人的培訓(xùn)是非常必要的。只有當(dāng)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(jù)巖層性質(zhì)選擇鉆頭和鉆進參數(shù),以及鉆頭的磨損情況調(diào)整壓力、轉(zhuǎn)速和泵量,控制最優(yōu)時效,減少非正常磨損,發(fā)揮鉆頭潛力,方可收到提高勞動生產(chǎn)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(dāng)前提高孕鑲鉆頭質(zhì)量的關(guān)鍵所在。此外,加速用于切削具的復(fù)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(dāng)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(qū)的巖石,測其物理力學(xué)性質(zhì),結(jié)合可鉆性,研究相應(yīng)的鉆頭技術(shù)參數(shù),逐漸形成具有各自特色的品種系列,以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。