摘要
针对水平定向钻进坚硬地层效率低的问题，通过利用FeCoCu预合金胎体的硬脆性以及硬质颗粒碳化硅弱化胎体的特点，提高钻头的自锐性。采用分层结构设计，将高、低耐磨性胎体层沿钻头径向方向交替排布，其中高、低耐磨性胎体层厚度分别为2.5~3.5 mm和1.0~1.5 mm，可实现高、低耐磨性胎体层同步磨损，提高钻进效率。将FeCoCu预合金胎体和分层式胎体结构相结合，研制的孕镶金刚石钻头成功应用于水平定向钻进勘察工程坚硬钾长花岗岩地层，平均机械钻速0.8~1.5 m/h，钻头使用寿命为30~40 m。与普通同心圆尖齿钻头相比，机械钻速提高约1倍，寿命提高30%以上。
随着我国经济的发展，西部地区铁路建设规模逐年加大，高海拔、高烈度地震区的大埋深超长铁路隧道越来越多。例如，川藏铁路雅安至林芝段，分布有72座隧道，其中最长隧道超40 km，埋深超过1000 m的隧道段长610 k
川藏铁路沿线有着显著的地形高差、活动的板块构造、频发的山地灾害和敏感的生态环
针对水平定向钻进坚硬地层效率低的问题，通过现场岩心的收集与分析，以提高孕镶金刚石钻头本身破碎岩石的能力作为突破点，提高钻头胎体配方与地层的适应性，同时配合合理的钻头结构，从多方面解决钻头与坚硬地层的适应性问题，提高钻头的自锐性与锋利性，为同类工程提供参考。
（1）水平钻进工艺特点。水平定向钻进勘察技术是将传统的取心技术与水平定向技术结合，适用于常规垂直钻孔方法难以实施的深埋长隧道、地下空间等线性勘察工程，可揭露钻探范围内岩性特征、不良地质和水文地质等情况。与垂直孔相比，水平定向钻进存在孔底加压难、孔壁摩阻大等问
（2）坚硬地层特征。对岩心的薄片分析和压入硬度试验发现，常见的坚硬地层具有岩石硬度高、造岩矿物颗粒细、结构致密等特点。在钻进过程中产生的岩粉颗粒细，对钻头胎体的磨损轻微，失效的金刚石难以脱落，降低了金刚石颗粒的有效出刃，钻进过程中无法产生有效的岩石破碎，导致钻头进尺缓慢或不进尺。
（3）钻头与地层的适配性。坚硬“打滑”地层用孕镶金刚石钻头的研发一直是重要的研究方
影响孕镶金刚石钻头性能的因素主要有3个方面：胎体性能、金刚石参数和钻头结构。胎体合金过高的硬度与耐磨性导致胎体难以磨损，金刚石难以出露；与地层不相匹配的金刚石参数影响金刚石的有效出刃，包括金刚石出刃高度、失效形式等；常规的钻头结构，钻头唇面与孔底接触面积大、孔底全面积破碎方式等进一步降低钻进性能，导致钻头在坚硬、致密地层中出现不进尺、打滑等现象。因此，结合钻头胎体配方、分层结构等参数，对金刚石钻头进行了设计与试验。
在孕镶金刚石钻头中，常采用碳化钨基作为骨架材料，添加663青铜粉末作为粘结材料，通过Ni、Co、Mn、Fe等金属元素调节钻头的性能。由于碳化钨的耐磨性高，这种设计体系更适用于中—强研磨性的地层。当钻进坚硬、“打滑”地层时，单纯依靠降低碳化钨骨架材料，增加低硬度、低耐磨性的青铜粉等粘接材料的含量，实现胎体硬度和耐磨性的降低，对坚硬弱研磨性地层的适应性并不理想。随着青铜粉的增加，胎体的脆硬性降低，易导致胎体合金的变形，反而不利于钻进性能的提高。
在金刚石工具行业，对铁基预合金粉末进行了大量的研究与应
铁基预合金粉主要作为代钴合金，包括FeCoCu、FeNiCo等合金粉末，具有单质Co类似的性能，并大幅降低Co的使用量，提高胎体对金刚石的包镶能力，广泛应用于地质金刚石钻头的研制
因此，为了代替传统的钴基配方，以FeCoCu预合金粉末（如
图1 FeCoCu预合金粉末与胎体组织照片
Fig.1 Photos of FeCoCu pre‑alloyed powder and matrix
同时，通过添加2%硬质颗粒碳化硅（如
在常规的钻头结构设计中，钻头唇面主要采用同心圆尖齿型，新钻头接触孔底的面积小，有利于快速出刃。但随着尖齿的磨完，与平底钻头无异，对钻进效率无实质性提升。在坚硬地层钻进中，使用较多的是齿轮钻头和梯形齿钻头，其实质减少了钻头唇面接触孔底的面积，提高作用于单粒金刚石上的外压力，进而达到提高钻进效率的目的。但钻头胎体近于均质状态，对坚硬地层的钻进效率提高不大。
近年来，国内对分层式钻头研究较多，采用插入铜片、不锈钢片和钢模压片等制作工艺，实现钻头胎体的分层目的。在分层胎体中，设计为含金刚石的高耐磨性胎体层和不含金刚石（或少量金刚石）的低耐磨性胎体层在钻头径向方向相互交错（见
图2 胎体分层结构示意
Fig.2 Hierarchical structure diagram
在钻进过程中，孔底地层形成与同心圆尖齿结构相吻合的同心圆岩脊，利用破碎穴的效应和钻具的径向和轴向振动，以机械方式破碎岩脊。这种机械方式破碎的岩石颗粒较大，对钻头胎体具有反向磨蚀能力，进一步促进金刚石的出刃，有利于提高钻进效率。
在分层钻头制造工艺中，采用冷压机通过钢模，分别压制出高耐磨胎体薄层和低耐磨胎体薄层，在石墨模具中交错组装，粘结保径聚晶，装入粘接粉末和钢体，采用自动中频烧结机烧结，烧结温度为950 ℃，烧结压力15 MPa，保温时间4 min，研制的分层结构钻头如
图3 分层式结构钻头（PQ）
Fig.3 Layered bit（PQ）
四川省天全县境内某隧道水平泄水孔和引大济岷工程水平定向孔，钻遇的地层均为花岗岩（如
图4 水平孔花岗岩岩心
Fig.4 Horizontal borehole core of granite formation
如
| 钻孔名称 | 钻进地层 | 钻头规格 | 钻头结构 | 胎体硬度/HRC | 总进尺/m | 机械钻速/（m· | 钻头使用寿命/m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水平泄水孔 | 钾长花岗岩 | PQ | 分层钻头 | 0~5 | 260 | 0.8~1.3 | 30.2 |
| PQ | 同心圆尖齿 | 5~10 | 132 | 0.2~0.5 | 18.4* | ||
| 引大济岷工程水平孔 | 钾长花岗岩 | PQ | 分层钻头 | 0~5 | 88 | 1.0~1.2 | 35.0 |
| PQ | 同心圆尖齿 | 5~10 | 57 | 0.5~0.8 | 26.6* | ||
| HQ | 分层钻头 | 0~5 | 302 | 1.2~1.5 | 40.0 |
*：同心圆尖齿钻头进尺0.2~1 m之后，均出现钻头不进尺现象，需要提钻打磨钻头唇面。
通过FeCoCu预合金粉末与663Cu含量的调节，随着胎体中铜合金总量的增多，胎体金属中的孔隙率减少，胎体合金化程度提高，可实现胎体硬度和耐磨性大幅降低，提高与坚硬地层的适应性。
同时，FeCoCu预合金粉末中铜元素的添加，可减少低熔点铜锡合金的使用量，避免低熔点金属过多导致的胎体变形、金刚石难出刃等缺陷。如
图5 钻头唇面
Fig.5 Lip of bit
胎体组织中的硬质颗粒在钻进坚硬地层中也发挥着十分重要的作用。硬质颗粒与胎体结合力差，在钻进过程中不但易脱落，而且与硬质颗粒接触的失效金刚石在胎体中的包镶能力也大幅减弱，易于脱落，促进金刚石的新陈代谢，更有利于钻进。在磨损后的试验钻头唇面，出现一定量的金刚石脱落坑（见
在分层钻头的设计中，关键点在于高耐磨性胎体层和低耐磨性胎体层结构参数的合理设置，其决定了钻头的钻进效率和使用寿命。因此，为了同时兼顾钻头实现正常钻进，并具有较高的使用寿命，应根据地层特征适当调整分层结构参数。
在前期试验中（如
| 钻头编号 | 高耐磨性胎体 | 低耐磨性胎体 | 钻头寿命/m | 平均机械钻速/ （m· | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 厚度/mm | 层数/层 | 厚度/mm | 层数/层 | |||
| 1 | 2.5 | 4 | 2.7 | 3 | 8.8 | 1.6 |
| 2 | 3.4 | 4 | 1.5 | 3 | 30 | 0.9 |
图6 不同磨损状态的钻头
Fig.6 Bits in different wear states
根据出现的异常磨损情况，2号钻头的高、低耐磨性胎体层厚度分别调整为3.4 mm和1.5 mm，高、低耐磨性胎体层厚度比值2，即适当降低低耐磨性胎体层的厚度，增加高耐磨性胎体层厚度，可实现环形沟槽底唇面的形成，从而保证正常钻进情况下，使钻头的有效寿命也大幅提高。
根据前期试验结果，在后期钻头的设计中，低耐磨性胎体层厚度为1.0~1.5 mm，高耐磨性胎体层厚度为2.5~3.5 mm，以减少形成的岩脊厚度，降低岩脊强度和破碎后的岩石颗粒尺寸，减少岩粉对钻头胎体的过度磨损。同时，在钻进过程中出现环形沟槽，产生的岩脊在钻具振动等作用下破碎，不会快速磨损低耐磨性胎体层，实现高耐磨性胎体层和低耐磨性胎体层同步磨损，保证了胎体的整体强度，未出现崩齿现象，保持持续正常钻进。实现了钻头在具有较高钻进时效的同时，并具有较长钻进寿命的目标，减少了因钻头寿命过短而频繁提下大钻的次数。
（1）采用FeCoCu预合金胎体添加碳化硅硬质颗粒，与分层式胎体结构相结合，改善了钻头的自锐性，成功应用于水平定向钻进坚硬地层，平均机械钻速0.8~1.5 m/h，钻头使用寿命为30~40 m。与普通同心圆尖齿钻头相比，机械钻速提高约1倍，寿命提高30%以上。
（2）通过调节高、低耐磨性胎体层厚度等结构参数，可优化分层结构金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。建议低耐磨性胎体层厚度为1.0~1.5 mm，高耐磨性胎体层厚度为2.5~3.5 mm，可实现胎体层同步磨损。
（3）分层结构钻头在水平定向钻进坚硬地层中具有明显优势，但推广应用还需要进一步深入研究，包括各层胎体金刚石浓度、粒度参数以及各层胎体耐磨性对钻进效率和钻头使用寿命的影响等。
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