钻硬密岩石中氧化铝空心球的作用范文

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摘要:基于岩石破碎原理分析研究用于钻进坚硬致密岩石的钻头及其性能，设计预合金粉胎体性能以及热压工艺参数。在此基础上，提出使用氧化铝空心球弱化钻头胎体，并对添加粒度尺寸0．3mm、0．6mm、0．9mm和体积分数12％、15％和18％的氧化铝空心球制备的胎体进行耐磨性能试验。结果表明：胎体耐磨性分别降低了9％～31％；当氧化铝空心球粒度尺寸为0．3mm，体积分数为18％时，胎体的耐磨性降幅达到最大的31．25％。

关键词:氧化铝空心球；耐磨性弱化；预合金粉

坚硬致密岩石是一种十分难以钻进的岩石，俗称“打滑”岩石，石英岩就是其典型代表［1］。钻进这种岩石的效率极低，而钻头仅轻微磨损，致使金刚石难以从胎体中出刃，钻头与岩石间出现打滑现象。出现这种现象的主要原因是钻头性能与所钻的岩石不符［2–3］。通过实验可知，弱化钻头胎体耐磨性是提高有效钻进坚硬致密岩石的可行方法之一［4–5］。弱化胎体耐磨性可以采用氧化铝空心球、微型玻璃空心球与碳素复合材料等［6–8］，其中氧化铝空心球的成本较低、资源来源较广以及造孔率较高，因此选用氧化铝空心球进行试验研究。

1钻头设计思路

在钻进坚硬致密岩石时，必须采用合理的钻头结构和合适的添加剂使得胎体的耐磨性能下降或弱化，使钻头的性能与钻进的岩石相适应，达到提高钻进效果的目的。金刚石钻头的性能中，影响钻进效果的指标主要是胎体的硬度和耐磨性。研究成果表明：一定范围内，钻头的钻进速度会随胎体的耐磨性降低而提高。为了提高钻头的钻进速度，必须降低胎体的耐磨性能，即俗称“弱化”胎体性能。在金刚石钻头钻进过程中，需要胎体不断超前磨损，金刚石才能不断出刃与更新，从而保持较快而恒定的钻进速度。钻头胎体性能的研究是在保证胎体强度的条件下，降低胎体的耐磨性能。添加辅助材料是指添加具有一定强度、脆性和低耐磨性的材料，以提高胎体的造孔性能，弱化胎体的耐磨性，从而研究出一种用于坚硬致密弱研磨性岩石的新型钻头。实验采用氧化铝空心球作为辅助材料，氧化铝空心球实物图见图1、图2所示。

2钻头胎体的试验研究

含氧化铝空心球金刚石钻头的试验研究是在针对性的岩层和相应性能的金刚石钻头的基础上进行的，氧化铝空心球不可以用于任意性能的金刚石钻头研制中。因此，含氧化铝空心球钻头的试验研究包括热压金刚石钻头的胎体性能、金刚石浓度、氧化铝空心球的粒度与含量等几个主要参数。

2．1钻头胎体性能设计思路2．1．1胎体成分的影响对于钻进坚硬致密岩石的钻头而言，钻头胎体的性能是非常重要的条件。鉴于普通金刚石钻头的胎体性能受限，单纯依靠降低普通金刚石钻头胎体硬度的方法来降低胎体的耐磨性能，很难研制出能够有效钻进坚硬致密岩石的钻头。因此，本研究以岩石破碎原理为基础，以提高钻头的钻进效率为目标，研究出一种胎体硬度较低、耐磨性被弱化的钻头。然后尝试在这种钻头胎体中添加造孔辅助材料，看其能否有效降低钻头胎体的耐磨性能，使之与所钻进的坚硬致密岩石相匹配，从而取得更好的钻进效果。钻头的胎体应具备低硬度和低韧性。依据近几年的研究可知，用于钻进坚硬致密钻头，其胎体硬度一般在HRC13～HRC15范围内，钻头的耐磨性为260～320mg。参照此标准设计钻头胎体。2．1．2热压参数的影响热压过程中的温度、压力与保温时间等工艺参数会影响和改变钻头胎体的硬度与耐磨性等性能。一般地，随热压压力增大，胎体的硬度与耐磨性增大，当压力增大到一定值后再继续增大压力时，胎体的硬度与耐磨性增大的幅度都很小；随着热压温度提高，胎体的硬度与耐磨性也会增加，但当热压温度升高到一定值后，由于胎体中黏结金属的流失，胎体的性能将变差；随着保温时间延长，胎体的硬度与耐磨性也会增大，而保温时间延长到一定时间后，胎体的性能变化很小，甚至引起黏结金属流失加剧，使得胎体性能变差。因此，对于一定的胎体成分，可以通过调整工艺参数来调整胎体的性能。对于钻进坚硬致密岩石的钻头，其热压工艺参数一般都取相应数值范围的下限，即热压温度较低、压力较小、保温时间较短。

2．2钻头胎体性能研究本实验中，胎体材料选用湖南富栊新材料有限公司生产的FAM–103和FAM–2032种预合金粉。该钻头的胎体性能设计研究采用混料回归试验设计方法，依据单金属粉胎体成分与性能的规律，对于硬度为HRC13～HRC15的胎体，各组分的质量分数如表1所示。按照混料回归试验设计方法，找出有试验条件的组合，只有5个组合符合试验条件，将其列入表2中。本次热压烧结试验参数设计为：温度940℃，压力15MPa，保温时间3．0min。胎体样品经整平、磨光，在HR–100A型布洛维硬度计上测试其硬度，在MPX–2000型摩擦磨损试验机上测试耐磨性能，所测结果如表2所示。由表2可知：与硬度HRC15比较接近的胎体配方组合有试验2和试验3，2个组合对应的性能也很接近，选择3号配方进行添加氧化铝空心球的试验。

3添加剂设计

试验重点研究氧化铝空心球的应用效果，包括氧化铝空心球的粒度、浓度等。

3．1氧化铝空心球的粒度依据市场已有的氧化铝空心球的粒度，有0．1～1．0mm，1．0～3．0mm以及3．0mm以粗等不同的粒度范围，粒度的粗细对于胎体的耐磨性和强度会产生明显影响。在一定浓度的情况下，氧化铝空心球的粒度小，比表面积大，意味着分散性好，在钻头胎体的底唇面上所形成的空穴小且多，胎体耐磨性的弱化效果比较好；但是，当粒度太小（如0．1mm）时，所形成的孔隙过小，对钻头胎体的弱化反而不利。而当氧化铝空心球含量一定时，其粒度越大，分散性越差，对于弱化钻头胎体的耐磨性同样是不利的，金刚石的自锐效果改善不明显；试验中，氧化铝空心球的粒度尺寸选择不超过1．0mm。试验选择与金刚石磨料粒度相近的0．3mm、0．6mm、0．9mm3种氧化铝空心球粒度尺寸。每颗氧化铝空心球在胎体中所占的体积比例较小，分散性较好，对于金刚石的包镶强度影响较小，又能使钻头胎体的耐磨性能下降，有利于金刚石自锐出刃。

3．2氧化铝空心球的体积分数氧化铝空心球在胎体中的体积分数的选择同样很重要，体积分数高时，钻头胎体的弱化相应提高，但当提高到一定程度时，会明显降低胎体的强度，影响金刚石钻头的正常使用。而当氧化铝空心球的体积分数低到一定程度时，对于胎体耐磨性的弱化作用很小。因而其体积分数必须依据岩石的硬度与致密程度加以试验设计与选择，一般认为其体积分数在12％～18％之间比较合理，实验选择12％、15％与18％3种体积分数进行研究。

3．3氧化铝空心球参数试验研究在3号配方的基础上加入氧化铝空心球并进行热压试验，对所得样品进行性能检测，检测结果如表3所示。热压工艺参数与热压纯胎体的相同。由表3可知：氧化铝空心球的体积分数相同时，粒度粗的胎体耐磨性弱化程度低；而粒度相同时，氧化铝空心球体积分数高的胎体耐磨性弱化程度高。氧化铝空心球加入配比为因素5时，胎体耐磨性的弱化率达到18．75％。采用该配比试制钻头并进行生产性试验，发现钻头的使用寿命提高了12％，时效提高了23％，弱化效果明显。钻头钻进57m后的磨损情况如图3所示。

4结论

弱化胎体耐磨性的有效方法之一是向胎体中添加氧化铝空心球材料，氧化铝空心球能够在胎体中造成空穴，弱化胎体的耐磨性，提高胎体表面的摩擦系数，从而提高金刚石在胎体中的出刃效果。氧化铝空心球的粒度尺寸与体积分数范围较广，在粒度尺寸0．3～0．9mm和体积分数12％～18％的条件下均可以取得好的弱化效果，胎体的弱化率可以达到9％～31％；当氧化铝空心球粒度尺寸为0．3mm，体积分数为18％时，胎体的弱化率达到最大的31．25％。未来可继续开展碳素复合材料和微型玻璃空心球等材料的试验研究，并扩大氧化铝空心球的粒度与浓度的试验研究，从而进一步提高钻头钻进坚硬致密岩石的效果。

作者：叶宏煜 杨展 谭松成 谢涛 张建伟 单位：武汉万邦激光金刚石工具股份有限公司