本發(fā)明與地質(zhì)勘探領(lǐng)域內(nèi)壽命長、時效高的人造金鋼石鉆頭有關(guān)，尤其適用于典型的堅硬致密“打滑”地層。

常規(guī)鉆頭在“打滑地層”使用，很難鉆進(jìn)，時效極低而且壽命短。不同性能的鉆頭在同樣地層鉆進(jìn)其打滑程度並不一樣，說明打滑與鉆頭性能有關(guān)，常規(guī)鉆頭在堅硬、致密、研磨性弱的地層鉆進(jìn)之所以打滑，主要原因是金鋼石與胎體消耗不匹配。突出表現(xiàn)是鉆頭底唇金鋼石不能自動出刃或出刃高度不夠。因此，要克服鉆頭打滑。一方面必須改變鉆頭性能，使胎體易于消耗而促使金鋼石出刃;既降低鉆頭胎體耐磨性同時，環(huán)狀孔底的巖石性能也是可以改變的。因為巖石的基本性質(zhì)是單向應(yīng)力最小，二向應(yīng)力次之，三向應(yīng)力最大。而且?guī)r石的抗拉強(qiáng)度大大地小于巖石的抗壓強(qiáng)度。利用這些性質(zhì)改變鉆頭結(jié)構(gòu)。能夠達(dá)到改變破碎巖石的性質(zhì)，即部分轉(zhuǎn)化或降低巖石的力學(xué)性能。使之易于破碎巖石。改進(jìn)就從這二方面著手。在“打滑”地層鉆進(jìn)，主要矛盾首先是時效，因此新型、改進(jìn)的鉆頭要具有較高的時效，同時也應(yīng)當(dāng)指出在這種“打滑”地層中不可望有較高的機(jī)械鉆速，而且時效與壽命或其乘積在一定條件下是一個常數(shù)。這就決定了鉆頭性能的各參數(shù)間須有一個合理的搭配。達(dá)到即能有效地克服鉆頭打滑又能使鉆頭具有一定的壽命，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，首先是降低鉆頭胎體耐磨性，亦即提高其磨損率或磨料的磨損率。因此在相同條件下要促使鉆頭底唇金鋼石出露。就得沒法降低包鑲金鋼石的胎體硬度，也就是提高其磨損速率。

在鎳鈷溶液配方中，通過控制鈷離子和鎳離子的濃度比值，可以控制電鍍層或胎體合金的成分比值。試驗表明合金成分比值改變，其胎體硬度性能也相應(yīng)改變。這樣，根據(jù)電鍍工藝的不同，便可獲得堅硬致密“打滑”地層中所需的鉆頭胎體性能。

電鍍過程中，若不隨時添加鈷鹽，補(bǔ)充鈷離子，硫酸鈷將隨電鍍時間的增長而降低其濃度，因為鈷離子在陰極還原沉積后，得不到補(bǔ)充。而硫酸鎳的含量基本上不受電鍍時間的影響。

根據(jù)上述的規(guī)律所研制的鉆頭胎體通過化學(xué)分析得出下圖的規(guī)律。

Ⅰ為硫酸鎳濃度變化曲線

Ⅱ為硫酸鈷濃度變化曲線

從上圖測知硫酸鈷的含量基本上勻速遞減，遞減速率均為1.5克/72小時，硫酸鎳的含量基本不變。

若改變?nèi)芤撼煞直?，如降低硫酸鈷濃度，所測定的硫酸鎳或硫酸鈷的變化曲線。其變化趨勢與上圖相仿所不同的只是硫酸鈷的遞減速率降低約0.4克/72小時下圖為硫酸鈷、硫酸鎳溶液所沉積胎體金屬成分連續(xù)變化時的硬度變化曲線。

Ⅰ為鈷含量較高時的硬度變化曲線

Ⅱ為鈷含量較低時的硬度變化曲線

從上述圖表說明改變?nèi)芤撼煞挚梢垣@得性能不同的胎體金屬，胎體硬度HRC45和HRC35兩種電鍍鉆頭分別適用于堅硬、研磨性強(qiáng)和研磨性中等的巖石而HRC25的電鍍?nèi)嗽旖痄撌需傘@頭適用于堅硬、致密、研磨性弱的“打滑”地層。

根據(jù)所需的胎體性能要求及上述試驗測定的變化規(guī)律便可確定溶液配方、電鍍規(guī)范及工藝規(guī)程如下：

對用于研磨性弱的巖石胎體的電鍍?nèi)芤撼煞旨芭浔龋?/p>

硫酸鎳（NiSO4·7H2O）100～200克/升

硫酸鈷（CoSO4·7H2O）10～20克/升

硼酸（H3BO3）10～30克/升

氯化鈉（NaCl）15～25克/升

其余為水

對用于研磨中等的巖石，胎體的電鍍?nèi)芤撼煞旨芭浔?/p>

硫酸鎳（NiSO4·7H2O）150～300克/升

硫酸鈷（CoSO4·H2O）20～40克/升

硼酸（H3BO3）10～30克/升

氯化鈉（NaCl）15～25克/升

其余為水

對用于研磨性強(qiáng)的巖石胎體的電鍍?nèi)芤撼煞旨芭浔?/p>

硫酸鎳（NiSO4·7H2O）150～300克/升

酸硫錳（MnSO4·7H2O）10～20克/升

硼酸（H3BO3）10～30克/升

氯化鈉（NaCl）15～25克/升

其余為水

電鍍規(guī)范

上述三種溶液成分均采用統(tǒng)一的電鍍規(guī)范

電流密度0.8～1.6安培/公分2

酸度3.5～4.1

溫度30～40℃

其次是改變鉆頭底唇形狀，對于各種打滑地層，軟胎體鉆頭并不都能行之有效或者說采用耐磨性低的軟胎體鉆頭不是適應(yīng)“打滑”層鉆進(jìn)的唯一途徑。

鉆頭胎體的磨損主要靠巖粉的沖蝕與研磨。而在某些打滑地層鉆進(jìn)，巖粉很細(xì)很少，甚至根本不產(chǎn)生巖粉。因此即使軟胎體也難磨損而使金鋼石出露。為此在這種地層鉆進(jìn)，須設(shè)法增加作用在金鋼石上的比壓，同時還須設(shè)法提高鉆頭回轉(zhuǎn)時的摩擦阻力，也就是提高巖石與鉆頭之間的磨擦系數(shù)。

在鉆進(jìn)過程中增加底唇金鋼石的比壓或單位壓力，單靠增加鉆機(jī)給進(jìn)的軸向載荷並不是合理的辦法，因為這不僅受到了鉆具管材強(qiáng)度、機(jī)械性能和功率大小的限制，而不能過大地增加軸向載荷來滿足壓入堅硬巖石的壓力需要，同時，根據(jù)摩擦學(xué)原理知道，鉆頭上金鋼石的比壓（或壓力）并不與軸載成正比。另外，由于提高了金鋼石與巖石接觸面上的比壓，對于提高其摩擦系數(shù)是有利的。雖然摩擦系數(shù)與表觀接觸面積無關(guān)因而與軸向載荷無關(guān)。這是指單位壓力很小時，摩擦系數(shù)保持常數(shù)，但是當(dāng)單位壓力增加到一定值以后，其摩擦系數(shù)將與摩擦付兩偶件的接觸狀態(tài)有關(guān)。

因為，單位壓力增加到一定值以后，兩偶件接觸表面的氧化膜破壞，冷卻潤滑劑也會擠掉，巖石與金鋼石間的分子吸附作用增強(qiáng)。此時摩擦系數(shù)會隨著壓力的增加而有所增加。同時由于壓力增加，接觸溫度會升高，金鋼石與巖石接觸處的強(qiáng)度會有所降低，亦即其物理力學(xué)性質(zhì)會有所改變，因而摩擦系數(shù)也隨之增大。

根據(jù)以上原理，有三種不同底唇形狀適用于打滑地層鉆進(jìn)的人造金鋼石孕鑲鉆頭實例。

另一個新的突破是采用低溫電鍍方法制造金鋼石-硬質(zhì)合金片復(fù)合片，以及用電鍍方法把復(fù)合片鑲焊在鉆頭的本體上。

這種新方法的主要優(yōu)點

1.金鋼石層與硬合金屬粘結(jié)牢固，金鋼石不受熱損傷，有耐磨損，耐沖擊且韌性高。

2.采用低溫電鍍復(fù)合片工藝，設(shè)備簡單，成本低只有國外復(fù)合片單價的幾十分之三的成本。而且成形方便可生產(chǎn)半園形、方形、橢園形等。

3.低溫電鍍復(fù)合片石油鉆頭（或地質(zhì)鉆頭等）國內(nèi)外目前均采用銀焊等焊結(jié)工藝來鑲嵌固定復(fù)合片，它的缺點是溫度高，容易使復(fù)合片的金鋼石層與硬合金金屬層產(chǎn)生裂紋，因為它們的熱膨脹系數(shù)不同，高溫下的熱應(yīng)力使它產(chǎn)生微裂紋。因而在使用中容易使金鋼石層與硬合金的電鍍層開裂。

我們采用低溫電鍍工藝鑲焊復(fù)合片鉆頭完全克服了高溫的不良影響。而且鑲焊牢固，不僅保證了金鋼石層不開裂，而且保證復(fù)合片不脫落使其充分發(fā)揮作用。

圖1是高低鋸齒型鉆頭正面剖視圖

圖2是圖1的側(cè)視圖

圖3是單邊凸起型鉆頭正面剖視圖

圖4是圖3的側(cè)視圖

圖5是A-A和B-B剖面的局部剖視圖

圖6是凹凸型鉆頭正面剖視圖

圖7是圖6的側(cè)視圖

圖2中的1為高低鋸齒型鉆頭第一排垂直園周方向的高鋸齒。2為第二排垂直園周方向的低鋸齒。它是由若干個高低鋸齒相間組成且數(shù)目相等，在園周上均勻分布。低鋸齒2離孔底還有4～5毫米高。略小于孕鑲層厚度，只有高齒的金鋼石層磨耗將盡時，低齒才能逐漸參加工作。以提高鉆頭壽命。這種高低齒底唇結(jié)構(gòu)，大大地減少了與巖石的接觸面積。圖1中的3是鋸齒唇面傾角約10°～15°所以其面積是逐步增大，最大時也只有常規(guī)鉆頭底唇園環(huán)面積的38～42%。由于只是若干個高齒尖端接觸巖石，則破碎巖石的壓力更大，因此提高了摩擦系數(shù)和摩擦力，有利于巖石體積粉碎，產(chǎn)生較大顆粒巖粉，研磨胎體能力增強(qiáng)，促使金鋼石出露，提高機(jī)械鉆速。圖3中的4為單邊凸起型鉆頭的內(nèi)凹塊（見A-A剖面）5為它的外凸塊（見B-B剖面），它是由若干個垂直于園周方向的內(nèi)外凸塊相間組成且數(shù)目相等在園周上均勻分布。圖5中的6為內(nèi)凸塊孕鑲的金鋼石層，7為外凸塊孕鑲的金鋼石層，所以該鉆頭底唇面約有30～40%面積孕鑲有金鋼石層用它來破碎巖石與普通鉆頭相比就大大地提高了金鋼石破碎巖石的壓力，有利于提高切入深度。

鉆頭底唇約有25～30%的面積是始終不接觸孔底巖石的空白部分，這部分巖石是靠相鄰內(nèi)、外兩邊凸塊側(cè)面的振動擠壓作用來破碎的，這些被擠碎的巖屑較粗，有利于研磨胎體促使金鋼石出露，同時該鉆頭底唇水路面積實際上為65%大大改善了冷卻條件，充分地保護(hù)了金鋼石免受高溫?fù)p傷，有利于提高鉆頭壽命。

特別指出該鉆頭由于底唇內(nèi)、外凸塊是相隔交錯變化，使孔底環(huán)狀巖石的臺階自由面也內(nèi)外相應(yīng)變更，造成孔底巖石始終不平整，與鉆頭唇面接觸始終不吻合。這對于鉆進(jìn)堅硬地層克服鉆頭打滑是很有利的。

圖6中的8為凹凸型鉆頭的正常凸塊，9為凹凸型鉆頭的凹凸型凸塊，它有若干個垂直園周方向的正常凸塊和凸凹型凸塊相間組成且數(shù)目相等，並在園周上均勻分布。

凹凸型鉆頭和單邊凸起型鉆頭碎巖過程基本相似，所不同的是凹凸型鉆頭能在孔底留下兩處金鋼石破碎不到的空白部分，因而有兩處靠鉆頭振動擠壓作用產(chǎn)生巖屑，同時在孔底能形成兩個臺階，多個自由面，有利于破碎巖石，克服鉆頭打滑。