煤矿复杂硬地层用胎体式PDC钻头的研制

龙源期刊网钻头的研制作者：史阿朋王志红来源：《山东工业技术》2015年第02期摘要：由于煤炭钻探和开采难度不断地增加，从而对破岩工具提出了更高的要求。胎体式PDC钻头因其优异的综合性能，得到了越来越广泛地应用。本文针对重庆松藻煤矿复杂硬地层的特点，研制了一种新型的Ф65mm胎体式PDC钻头，并进行了现场试验，试验结果表明：研制的PDC钻头耐磨性好，抗冲击能力强，能够有效地钻进复杂硬地层，其寿命大约是同类型钻头的1.5倍；同时在低钻压下可取得高进尺和高钻速，钻进时效可达25.2m/h，极大地提高了钻进效率，节约了钻进成本。关键字：胎体式PDC钻头；综合性能；复杂硬地层；钻进0前言PDC钻头，即聚晶金刚石复合片钻头，是将聚晶金刚石复合片镶焊在钻头体上而制成的一种新型切削型钻头，由于其高效优异的切削性能，广泛地应用于煤田，地质，石油等领域[1]。按钻头体冠部材料分为胎体式和钢体式两种，相应地钻头也分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头[2]。目前在我国煤炭行业，钢体式PDC钻头使用范围最为广泛，但是随着我国深部探矿工作的不断推进，钻孔钻进过程中遇到的地层条件越来越复杂，岩性种类也越来越多，钢体式PDC钻头的寿命和时效已无法满足钻进要求。相对于钢体式，胎体式PDC钻头具有耐磨性好、焊接强度高、抗冲击能力强等特点，对复杂硬地层适应性强，能够取得很好的钻进效果。为此，本文开展了煤矿用胎体式PDC钻头的研究，这对于解决我国煤矿井下复杂硬地层钻进困难、时效低等问题具有重要的指导意义。1PDC钻头设计目前煤矿井下PDC钻头结构形式繁多，并对使用地质条件非常敏感，因此需要针对具体使用条件进行钻头设计。PDC钻头设计主要包括钻头冠部设计、工作角设计等。1.1钻头冠部设计PDC钻头冠部设计是PDC钻头总体设计的一个重要组成部分。冠部形状决定PDC钻头的布齿面，因此也影响着PDC钻头对特定地层的工作特性。不同的冠部形状具有不同的工作特性，对于地层的适应性也不同[3]。为了保证PDC钻头的钻进效率，合理地选择钻头冠部形状会增加钻头的稳定性，同时也有利于孔底的清洗和减少切削齿的磨损。目前煤矿常用PDC钻头冠部形状主要有刮刀型、内凹型、平底型等[4]。对于松软地层，主要以刮刀型PDC钻头为主，该钻头钻进速度快，排屑效果好；对于软-中硬度地层，主要以内凹型PDC钻头为主，该龙源期刊网钻头稳定性好，地层钻进适应性强；对于硬及复杂地层，主要以平底型PDC钻头为主，该钻头由于单位切削齿承受的钻进压力小，不易造成切削齿崩刃等非正常磨损，使用寿命长。1.2钻头布齿设计PDC钻头布齿设计主要包括切削齿数量和布齿方式，是PDC钻头设计的核心内容，对PDC钻头的钻进效率、稳定性和工作寿命都有着十分重要的影响。PDC钻头的布齿设计对其钻进速度和钻头寿命具有相反的影响效果。为了获得较高的钻头寿命，必然要增大切削齿密度，但钻进速度随之降低。反之，降低布齿密度可提高钻进速度，但会对钻头寿命造成一定的负面影响。在实际工况条件下，适当地牺牲钻头寿命以提高钻进速度，并不一定影响钻头进尺和钻进成本，因此PDC钻头的布齿采用以提高钻进速度为主，以提高钻寿命为辅的设计原则，应在保证可以获得较高钻进速度的前提下尽可能提高钻头的工作寿命，以充分发挥剪切破岩效率高的优势[5]。根据煤矿常用钻孔尺寸，研制的钻头规格为Ф65mm，钻头PDC复合片数量为5片，外环采用3个PDC复合片均布，内环采用2个PDC复合片，保证全断面破岩。所有PDC复合片高度保持一致，以提高钻头的抗冲击和抗剪切能力。水口位于钻头中心位置，便于更好地排除岩屑和冷却PDC复合片。设计的钻头如图3所示。1.3钻头工作角设计PDC钻头工作角主要包括切削角α和径向角β，该结构参数对钻头的性能和钻进效果具有重要的影响。切削角α是切削具表面与钻头轴向间的夹角如图2，它是PDC复合片钻头切削岩石最重要的设计参数，其数值减小时，切削作用加强，即在同样的钻压下切削角小的切削深度大，可以钻出较大的岩屑，故在相同的条件下可获得较高的钻速，但较小的切削角在钻进硬地层时因切削具受到较大的轴向力而易损坏。相反，较大的切削角α虽然切削出较小的岩屑，但是在硬地层中寿命将会更长。从理论设计和实践经验，对于较硬岩层，切削角为10°～20°为最佳。径向角β是切削具表面和钻头径向平面之间的夹角，如图3所示。具有径向角的复合片可将岩屑引导到外环空间，同时保证切削具有较强的研磨性。在钻头的切削作用下，有些岩屑的移动具有切向和径向两种运动，不易被岩粉粘附，而且径向角越大岩屑粘附切削具的可能性越小[6]。一般是以利于切削岩石和排除岩粉两方面因素进行经验设计，通常选取径向角为5°～10°。2PDC钻头试制2.1PDC复合片选择龙源期刊网钻头钻进过程中，切削齿PDC复合片通过剪切方式直接破碎岩石，同时承受着各种不同的载荷。在大多数情况下，PDC钻头损坏失效的主要原因是由于PDC复合片切削齿的严重磨损造成，尤其是非正常磨损，如崩刃、聚晶金刚石层脱落等。因此PDC复合片的性能在很大程度上决定了整个PDC钻头的使用性能。PDC复合片具有不同的类型，需根据所钻岩石地层特点进行正确地选择。目前常用的有Ф10.0mm，Ф13.3mm，Ф16.0mm等规格。在同一钻压下，对于软-中硬地层，阻力较小，采用大直径的PDC复合片可获得较高的钻进效率；对于硬地层，直径越大越难切入，因此宜采用直径较小的PDC复合片，但其抗冲击性能低于大直径的复合片。由于复杂硬地层存在非均质的特点，在钻进过程中，PDC复合片易受到冲击载荷的破坏，故选用具有高硬度、高耐磨性、高抗冲击韧性及高热稳定性的Ф13.3mm加强型PDC复合片，使用该复合片保证了PDC钻头优异的综合性能，不仅可以提高钻头的钻进效率，同时延长其使用寿命。2.2钎料钎剂选择PDC钻头与钻头体的焊接为异种金属间的焊接，且PDC钻头体与PDC复合片的收缩率也不一样，故需采用钎焊来完成钻头体与刀片间的焊接。影响PDC复合片钻头焊接强度的因素不仅有焊接工艺，还有焊接所使用的钎料、温度等。PDC复合片钻头焊接使用钎料主要分为铜基钎料和银基钎料。铜基钎料焊接强度相对于银基钎料来说，焊接强度较高，而且价格也较低，但铜基钎料焊接温度较高，容易对PDC复合片的人造聚晶金刚石层造成热损伤（复合片所能承受的最高温度为700℃）。为保证PDC复合片的性能不被加热温度过高而损坏，要求复合片与钻头体间采用银基钎料进行焊接，它完全可以满足PDC复合片低温钎焊的要求，同时也能满足PDC复合片与钻头体间的焊接强度。一般选用银焊条L312，同时选用相应的钎剂，其作用是清除钎料和母材表面的氧化物，保护焊件和液态钎料在焊接过程中免于氧化，改善液态钎料对焊件的浸润性。2.3钻头体试制胎体式PDC钻头钻头体整个试制工艺过程主要包括软模成型和无压浸渍两个部分[7]。软模成型是一种新型的模具制造工艺，主要采用软质材料（如硅橡胶、环氧树脂等）制造模具。其具有良好的复制性和脱模性，因此在制作形状复杂、精度要求较高的产品方面具有独特的优势。同时可以降低了生产成本，简化了模具制造工序，缩短工期，大大提高生产效率。无压浸渍是粉末冶金液相烧结方法之一，主要通过熔化粘结金属对具有湿润性的骨架粉末（铸造碳化钨）的浸渍并使其制品能达到设定的尺寸和性能。其工艺简单，可以制造出结构复杂、大尺寸制品。龙源期刊网钻头试制过程如下：首先采用三维实体设计方法对钻头体结构和布齿进行优化设计，加工出基础模具，然后采用硫化工艺制备出橡胶模，再次以橡胶模为基础浇注成陶瓷模，即钻头烧结模具，最后将合理的钻头体配方加入其中进行无压浸渍烧结成型。2.4PDC复合片焊接在完成钻头体的试制后，下一步的工作就是将PDC复合片焊接到钻头体上，目前制作PDC钻头焊接方法有真空扩散钎焊、高频感应钎焊、火焰钎焊等。（1）真空扩散钎焊。真空扩散焊对连接组件的形状、尺寸有很大限制，一般要求PDC复合片和钻头体的凹槽正面接触以实现轴向对接，整个焊接工艺过程复杂，焊接时间较长，成本较高，一次性投资也很大。尽管真空扩散钎焊能达到很高的焊接质量，但对真空度和温度要求较高，工艺复杂，操作难度较大[8]。（2）高频感应钎焊。PDC复合片钎焊时，钎焊时间对PDC复合片的性能影响很大，钎焊时间越长，对PDC复合片的性能损害越大，如耐磨性等。感应钎焊的优点是加热速度快，通常可在极短的时间内完成加热过程，并能保证零件的尺寸精度，从而可减轻金属烧损和氧化程度，焊后清理简单，能得到清洁的焊接焊缝，不会引起整个基体较大的变形，对冷作硬化的基体软化现象也大大减轻，对操作者的要求相对低，而且工作环境条件相对较好。由于高频感应具有加热速度快；材料内部发热，热效率高；加热时间短，金属表面不易氧化；热变形较小；加热均匀且有选择性；产品质量好；几乎无环境污染；易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广。而且钎焊工艺操作简便，生产效率高，运营成本低，并能保证钎焊质量。与激光钎焊、真空扩散焊、真空钎焊等钎焊方法比较，高频感应钎焊最大优势在于其设备投资少、钎焊工艺易于掌握。缺点在于高频感应加热的温度难于控制，不宜使用于结构复杂的产品。（3）火焰钎焊。火焰钎焊其应用十分广泛，主要优点有以下几点：a）设备简单，价格低廉，操作方便灵活，可以获得较高的钎焊质量；b）可钎焊形状不规则的产品，而且钎焊焊缝平整光滑，外形美观；c）可随时观察到钎焊过程中的不良状态并及时控制，避免产生过多的不良品，从而保证了钎料填充的均匀性和稳定性；d）钎焊火力的大小及钎焊时间均可自由设定[9]。基于PDC复合片和钎料的特性及，在火焰加热过程中，一般选用氧-乙炔的中焰或外焰加热，这样不仅可以防止过热对PDC复合片的损伤和钎料过分氧化，同时可以避免钎缝区金属晶粒长大，影响焊缝强度性能。采用火焰钎焊时，首先加热钻头体，以致钎料开始熔化，然后将火焰移到复合片上加热到钎焊温度。与其他钎焊方法相比，火焰钎焊操作比较灵活，一般适用于结构形状复杂的产品，通常适合应用于大批量的生产中。龙源期刊网钻头的结构特点，采用火焰钎焊进行单齿局部焊接，该方法使用方便，可以保证获得较高的钎焊质量。其工艺流程：a）焊接前首先对钻头体焊接面进行喷砂，以除油、除锈和除氧化物，然后利用酒精进行表面清洗，同时对PDC复合进行打磨清洗增加表面粗糙度；b）将PDC复合片与钎料安放在预留凹槽中，利用火焰喷枪进行加热。加热时，温度必须控制在700℃以内，以保证PDC复合片的质量；c）焊后将PDC钻头放入珍珠岩中进行保温冷却处理，减小焊接内应力，提高焊接质量。待冷却后对钻头进行喷砂打磨处理，以除去表面焊疤，试制钻头如图4所示。3PDC钻头试验为了检验钻头的性能，将试制的3只PDC钻头在重庆松藻煤电公司松藻煤矿进行试验，地点位于二区+100茅口巷（N5#-N6#石门），该地层较为复杂，主要以石灰岩和铝土泥岩为主，其中富含黄铁矿结核，岩石坚固性系数f=8～12，属于硬地层。试验用钻机为中煤科工集团重庆研究院改装型ZY-1250，配备Ф50×800mm光钻杆。在施工钻孔过程中，钻机的推进压力和旋转压力分别为5MPa和6.5MPa。截止到钻头失效，每个钻头均完成3个孔的钻进，取得较好的试验效果，解决了松藻煤矿钻孔施工困难、钻进速度慢、效率不高等问题，其试验情况详见表1。（1）该研制的PDC钻头结构设计合理，在钻进复杂硬岩中时，能够有效地切削岩层并防止和降低冲击载荷对复合片的破坏，具有较好的稳定性。（2）该钻头钻进时效高，在复杂硬地层条件下，钻进时速可达25.2m/h，并且能够在低钻压下取得高进尺和高钻速，极大地提高钻进效率，降低钻进成本。（3）该钻头具有高耐磨性，较强的抗冲击韧性，没有出现崩刃