小秦岭金矿位于河南、陕西两省交界的灵宝、潼关一带,东西长100km以上,南北宽近50km,共有1000余条含金石英脉,矿床严格受构造控制,是我国三大原生成矿带之一,也是我国最重要产金基地之一。随着三十多年的强力开发,矿田地表及浅部的资源基本枯竭,采金量严重萎缩,深部探矿已成为必要途径。深部钻探相对于浅部钻探存在更多的技术难题,例如钻探设备、钻孔结构、孔内钻具及其级配、钻探工具与钻进工艺、孔内复杂情况的预防与处理等。根据深孔液动冲击回转钻进钻进的施工特点,对孕镶金刚石钻头的性能也提出了要求:1.要发挥液动冲击回转钻进的优势,钻头的使用寿命和碎岩效率要较高。2.冲击回转钻进技术,在深孔钻进中应用时,需使用胎体具备较高强度和冲击韧性的钻头,来抵御冲击器产生的高频低冲击功。3.钻进深度越大,钻孔穿越的岩层可能就越复杂。例如,岩石硬而破碎,研磨性强,要求钻头耐磨性高而且保径效果较好;遇到致斜性地层,要求钻头具备较好的稳定性和防斜效果。4.随着钻孔的加深,整个循环回路中的泵压值会越来越高,需通过设计合理的唇面结构来维持回路的通畅。针对以上要求,本文以小秦岭ZK8066深孔钻探为例,结合本矿区岩层特性以及液动冲击回转钻进工艺的钻进参数,详细分析研究了适合本矿区液动冲击回转钻进孕镶金刚石钻头的胎体设计、唇面结构、水路系统、烧结工艺等。由小秦岭金矿区岩石性质及可钻性的研究,确定岩石硬度为中硬至坚硬,研磨性为中等至强研磨性,岩石可钻性级别主体为7~9级,这为钻头设计提供了有力的参考。同时结合液动冲击回转钻进规程参数,对不同钻头结构进行了分析研究,得出采用同心环槽型的钻头,是本钻进工艺条件下广谱性较好的孕镶金刚石钻头。采用对金刚石包镶能力很强的富铁胎体骨架材料,同时,在胎体配方中加入预合金粉,用以加强胎体的性能,延长金刚石的工作时间,提高钻头的寿命和时效。通过对钻头胎体性能、胎体成分和作用进行分析,得出了合适的高效率孕镶金刚石钻头的胎体配方为:WC35%左右、Fe20%左右、Cu-Sn29%左右、Ni8%左右、Co5%左右、Mn3%左右。采用多粒径、多品级金刚石级配制度。多粒径金刚石级配会使钻头在孔底产生众多高低不平的岩脊,提高碎岩效率;由于多品级金刚石级配中金刚石的耐压强度等不一致,在中硬、硬岩层钻进过程中,金刚石会先后脱落,脱落的金刚石碎屑会研磨胎体,有利于金刚石出刃。采用中频热压烧结工艺技术制作孕镶金刚石钻头。根据钻头尺寸对钻头烧结工艺的要求,优化了适合本矿区金刚石钻头的烧结参数为:烧结温度980℃,保温时间6min,烧结压力20MPa。制作的钻头胎体性能良好,质量稳定,钻进效果良好。最后,通过现场应用分析表明,根据设计的配方制作出的钻头在本矿区应用效果良好,设计的液动冲击回转钻进孕镶金刚石钻头是符合ZK8066孔钻进需要的,达到了预期的目标。