金刚石钻头胎体材料设计新思路

　　金刚石钻头胎体的作用是包镶金刚石并与钻头钢体牢固连接,它是保证钻头质量的关键.对孕镶钻头而言,在金刚石钻进过程中,胎体在孔底岩粉及钻进冲洗液的作用下,以一定的速度磨耗,使金刚石不断出露,以克取岩石.胎体材料需与所钻岩石相适应,以获取较佳的钻进效果.在钻头胎体材料设计时,需确知岩石的可钻性,以此作为材料的设计依据.

　　众所周知,不同岩石的可钻性差别较大,即使是同种岩石,若产地不同,其可钻性也不尽相同,甚至差别较大.目前钻头胎体材料多是针对特定产地的岩石设计的,故其适应性较窄.

　　本文结合金刚石钻头生产的特点,遵从钻头胎体与所钻岩相适应的原则,首次提出非均质钻头胎体块的概念,给出新的胎体材料设计思路.依此,可适当扩大钻头对所钻岩层的适用范围,并在钻进过程中自我调节金刚石的出刃状态.

　　1　现行胎体材料设计程序

　　胎体材料是由碳化钨等骨架材料及铜、镍、钴等粘结金属组成的多相合金和假合金.胎体的耐磨性主要由骨架材料的性质、含量及烧结工艺所决定.胎体中粘结金属的作用是将骨架粘结成整体,并在此基础上与骨架材料一起包镶金刚石与钻头钢体连接.

　　现行胎体耐磨性的标定仍是依据文献[1]所确定的方法,此方法作为地矿部的《金刚石钻头胎体耐磨性测试的研究和耐磨性分级的初步方案》而在地矿系统试用,其基本内容为:利用MM-200磨损试验机模拟钻进过程中岩石对胎体的磨损作用,以测定精度指数n为权的加权平均值,用MGP来表征胎体的耐磨性[1,2].MGP值越小,胎体耐磨性就越高.试验结果在钻探实践中得到验证.表1列举6种具有代表性胎体配方的MGP值.

　　胎体与所钻岩石的适应与否可用图1说明[1].图1a为胎体磨损速度适当,金刚石正常出刃,钻头可获高效率钻进,钻头使用寿命长.图1b表示胎体磨损快,所带来结果是钻头过早地失去工作能力,金刚石尚可克取岩石时便已脱落,不仅没有充分发挥金刚石的工作能力,而且过早脱落的金刚又与岩粉一起磨耗胎体,造成恶性循环,严重降低了钻头的寿命.图1c表示胎体磨损慢,金刚石不能出刃,发挥不了对岩石的切削作用,其结果是钻进时效低,钻头有形成“喇叭口”的趋势.极端情况是钻头“打滑”而不进尺.

　　由上分析可知,设计钻头胎体材料时,首先需确定所钻岩石的可钻性,然后依照胎体材料与所钻岩石相适应的原则确定胎体的MGP值,通过选择骨架材料材质及其与粘结金属的比例关系及相应的制造工艺,使胎体的MGP值满足要求.这也是现行胎体材料的设计程序.它要求准确地确定与所钻岩相适应的MGP值,但由于测量误差的存在,难以在实际中准确地确定岩石所需的MGP值.而从钻头工作原理分析,当胎体的MGP值偏离岩石所需的MGP值时,便会出现图1中c和b的情况.换言之,实际情况中,图1中c与b的情况总是存在的,存在的程度只是严重与否.