浅析针状硬质合金钻头

浅析针状硬质合金钻头

张绍成岳金石

一、概述

针状硬质合金钻进是改革开放以来我国钻探工程发展起来的一项新技术。在

级中硬岩层中使用这种技术，比普通硬质合金和钢粒钻进具有效率高、质量好、

成本低、钢材消耗少等优越性。针状硬质合金钻进与金刚石钻进配套实施分层钻进，对于大力推广小口径金刚石钻进具有重要的意义。

二、针状硬质合金钻进的优点

多年来的生产实践证明，采用针状硬质合金钻进，具有很多优点。

1、钻进效率高

针状硬质合金钻头有自磨出刃的特点，克取岩石的自由面多，有利于破碎岩石。

在6~7级岩层中钻进，比普通硬质合金钻进提高效率1倍左右。

2、钻孔质量好

孔径规则均匀，钻孔弯曲度小。6~7级石灰岩岩心采取率可达80%~90%。

3、钻头寿命长

Φ56mm针状合金钻头在7级石灰岩地层钻进，平均钻头寿命9.92m，比普通硬质

合金钻头寿命高3~5倍，最高钻头寿命达23.98。

4、钢材消耗少

针状合金钻进，每米进尺钻头与磨料成本比普通硬质合金钻进减少60%。

5、钻头材料来源可重复使用

钻头制造成本低，一个钻头可重复使用2~3次。

6、操作方便

劳动强度小，孔内清洁，安全性比较好。

7、能与金刚石钻头配合，实施分层钻进

在某些6~7级与部分8级岩层使用针状合金钻进，能取得较好的效果，扩大了

硬质合金钻进的应用范围。

三、针状硬质合金钻头的特点

针状硬质合金钻头是把烧结好的针状合金块镶焊到空白钻

头上。它由针状合金、胎体和钻头体三部分组成，基本结

构如图1-1-1所示。

1针状合金部分

针状合金部分即硬质点，它包镶在胎体内，是钻头的刃

部，是克取岩石的主要工具。

2胎体

胎体是包镶针状合金的一种假合金，也称胎体。胎体是

用粉末冶金法制成的。制造胎体、保证胎体质量是制造

钻头的关键。

3钻头体

钻头体是钻头的钢体部分。胎体镶焊在钻头体上。针状

合金钻头与普通合金钻头相比，有三个显著特点。

（1）多刃：针状合金作为硬质点，均匀分布在胎体内

和钻头唇部，比普通合金钻头刃尖多。钻进时，岩石有较

多的自由面，有利于钻头克取岩石。岩石易形成体积破碎，

因而机械钻速较高，能钻进普通合金钻进难以钻进的较硬1-1-1

岩层。

（2）自磨出刃：钻进中，胎体随着针状合金的不断磨耗而相应磨耗，从而形成自磨出刃。钻头唇部面积始终保持不变，直到针状合金磨完为止。与普通合金钻头相比，钻头刃

部不存在磨钝问题，因而钻速稳定，钻头寿命长。

（3）合金不易崩落：胎体将针状合金牢固包镶。钻进中合金始终保持微露，所以不易崩落，能保证钻头有效克取岩石。

四、针状合金钻头的制造

1.针状合金块的加工

针状合金使用的牌号有YG8、YG6、YG4C、YA6等。抗弯强

度大于1.4GPa ，硬度HRA 大88于。针状合金直径1.8~2.2mm ，针状合金长度10~

16mm。钻头的外径与内径采用长度12~16mm的合金，有利于保径。胎体唇面中间采用长度10~12mm的合金。胎体材料用铁粉、铜粉与硬脂酸锌等粉末原料均匀混合而成。铁粉在胎体中起骨架作用，铜粉为粘结金属，烧结时将铁粉颗粒粘连在一起，并能很好地焊接针状合金。硬脂酸锌是润滑剂，能提高胎体成型性能。胎体配方：铁粉70%~80% 、铜粉

30%~20%，硬脂酸锌加入混合总量的0.5%~1% 。

2.钻头的组装

按照不同直径将胎体与钻头体进行组装和镶焊。根据配套钻具的需要可采用表6-4-7

所示的钻头直径系列的具体尺寸。

钻头组装时，应注意下面几个问题：

（1）钻头体上镶嵌胎块的槽，可在铣床或刨床上加工，其宽度应与胎体宽度相吻

合，不必留任何间隙。

（2）应该将厚度相同的胎块镶嵌在同一钻头上。保证各胎块内外径一致，防止内

外径磨损过快，影响钻头使用寿命。为此，应采用心子定位法。

（3）认真测量钻头外径，其误差应控制在0.3mm以内。

（4）镶焊温度应控制在930~1100℃。喷枪火焰不得直接对住胎体，以免破坏胎

体性能。

五、影响钻头性能的因素

1、胎体性能

胎体性能是衡量钻头性能的重要指标。胎体应具有一定强度、耐磨性和抗冲击韧性，能与针状合金牢固粘结。对所钻地层应有一定的适应性，如钻进研磨性强的岩石，应提高胎体硬度和耐磨性；反之，钻进研磨性弱的岩层，应采用软胎体。影响胎体性能的因素很多，如组成胎体的铁、铜合金的成分比例、烧结温度、压制压力等。

2、钻头唇面

钻头唇面形状与大小，对钻进效率有一定影响。平唇面下钻时容易碰坏，钻进时阻力大，宜采用圆面形唇面，有利于破岩、排粉和冷却。在唇面中央应适当增加合金根数；放置内外侧

合金时，将其离开唇面1mm左右，有利于自磨成圆面形。钻头的唇面积一般为钻头环形面积的30%~60%。对于完整致密的中硬岩层，可采用30%~40%的唇面积；对研磨性较大的岩层，为提高钻头寿命，应采用40%~60%的唇面积。

3、针状合金在钻头上的分布与数量

针状合金排列的基本要求如图1-1-2 所示。应使

每一个胎块上的合金能将孔底封闭，防止钻头唇面

出现拉槽现象。钻头唇面上每一刻划圈的胎块总数

（直径59~110mm钻头）一般为4~8块。为了有效

地克取岩石，钻头唇面上应有一定数量的合金，1-1-2

合金的切削面积一般为钻头唇面积的12%~22%。研磨强的岩层，采用18%~22%上限。研磨性弱的岩层，采用12%~15%下限。

4、钻头内外径补强

为保证钻孔直径均匀和防止钻头内外径磨损过快而报废，可在钻头内外胎体之

间均匀地加焊3~4颗5mm x 5mm x 10mm硬质合金块补强。也可在加工胎块时，在

内外侧面均匀铺放铸造碳化钨颗粒（粒度0.8~1.5mm ），耐磨性好，可修整孔壁，有利

于保持孔径均匀一致和提高钻进效率。

六、钻进技术参数

1、钻压

针状合金钻进，需要较大的钻压。钻头中针状合金的截面积，比同口径普通合金钻头的面积要小，部分钻压要用于胎体的磨损。因此，它比普通合金钻头钻压要大20%左右。作用在针状合金钻头上的压力，一般为（1.5~2）kN/块。四块针状合金钻压为（6~8）kN，六块针状合金钻压为（9~12）kN。钻进致密硬岩钻压要大，钻进较软、破碎岩层钻压要小。

2、转速

针状合金钻进是依靠微露出胎体的针状合金出刃的磨削作用而破碎岩石。在一定限度内，转速增加能提高钻进效率。采用250~300r/min的转速，钻进效率比较理想，钻头磨耗也不大。能否采用更高转速，尚需进一步试验。

3、冲洗液量

针状合金钻进，岩粉颗粒细小。其冲洗液量一般比普通合金和钢粒钻进要小。但针状合金机械钻速较高。为了排除孔底岩粉，充分冷却钻头，应适当增加冲洗液量，一般可采用80~130L/min的冲洗液量。

七、针状合金钻进操作技术

（1）针状合金钻头、扩孔器应按内外径大小顺序编号轮换排队使用，外径是先大后小，内径是先小后大。相邻两回次内外径不能相差过大。对镶焊质量要认真检查，对内外径相差过大、底刃不一致、胎体有裂痕、镶焊不牢的钻头不得下入孔内。

（2）新钻头下孔初期，胎块尚未磨出针状合金，钻进效率较低。为提高钻进效率，应适当加快转速或采用较大钻压钻进。机上钻杆应保持垂直，以满足快转速钻进的需要。

（3）钻进压力要均匀，不要轻易活动钻具。如发现岩心堵塞，可适当晃动钻具，或加大压力，采用快转速。如果处理无效，应立即提钻，防止发生烧钻事故。

（4）如孔底有残留岩心，下钻时钻头离孔底.05~1m时，应轻压慢转扫孔到底。经过几分钟磨合后，才转入正常钻进。不能将钻头一放到底，防止打掉合金胎体。

（5）深孔钻进倒杆时应用升降机吊住钻具，防止钻头负荷过重被压裂损坏。开车时也不要把重负荷压在钻头上，并使离合器缓慢结合。

（6）钻进时，应精心操作，密切观注钻速变化、机械运转等情况，发现不进尺应立即采取措施。在松软破碎地层钻进，应轻压慢转，缩短回次进尺，保证取心质量。