鉆進極硬地層時金剛石鉆頭的另一種設計方法

【摘 要】金剛石鉆頭在鉆遇可鉆性Ⅺ、Ⅻ這樣的極硬地層時，傳統的設計理論認為應該選用細顆粒、軟胎體、低濃度的鉆頭。此處介紹一種基本與此完全不同的設計方法，通過實踐證明，這種鉆頭性能良好，在極硬地層鉆進時不僅時效高，而且壽命也提高不少，對此類地層有很好的適應性。

【關鍵詞】極硬地層；金剛石鉆頭；設計原理

南方鈾礦鉆探多鉆遇硬地層，甚至經常遇到可鉆性級別達Ⅺ、Ⅻ這樣的極硬地層，這在花崗巖地層中是非常常見的。鉆進這類地層時鉆頭易打滑不進尺，或鉆頭在人為磨耗地情況下壽命極低，鉆進效率極差。為此國內外都對這種極硬難打地層進行了各方面的綜合研究，取得了很多研究成果，也大大地推動了鉆探技術的進步與發展，比如說沖擊式碎巖方法（常結合回轉法碎巖）就是針對該類地層而發展成熟的一種鉆探技術。

1 地層情況及鉆進中遇到的困難

我隊在廣東韶關某地區實施鈾礦普查項目，在某孔施工過程中，巖層可鉆性級別主要是Ⅸ級，兼有Ⅹ級。從孔深200m 以后，Ⅺ、Ⅻ級等極硬地層的厚度大大超過了設計值，采用原先的S75 繩鉆鉆頭不僅時效慢，而且壽命極低，二十多米就算非常不錯的成績了。在遇到純石英巖層時，一般只有幾米的壽命。在鉆進該類地層時，我隊以往的經驗是選用軟胎體鉆頭（一般10～15°，金剛石粒度40/60#，，濃度80%），即使如此也經常出現打滑現象，投入磨料后往往打不了幾米，胎體被磨出溝槽，鉆頭就報廢，以致于施工人員就定性認為投入磨料后就意味著這類鉆頭的報廢，嚴重影響了施工進度和鉆孔質量。

2 設計的基本理論

2.1 傳統理論

金剛石鉆頭設計的基本依據是鉆頭必須和所鉆巖層的性質相適應。傳統理論認為，在鉆進極硬、弱研磨性地層時，應選擇細粒到特細粒金剛石，軟胎體，低濃度鉆頭，金剛石品級要高一些，這種配置鉆頭的方法是我們大家常見的一種做法。但存在兩個不足：一是當采用軟胎體鉆頭時，鉆頭壽命無法保證，尤其是在復雜地層和堅硬巖層中鉆進時，軟胎體鉆頭往往意味著低壽命；二是細粒金剛石受顆粒尺寸影響，切入量小，碎巖更多的是靠磨削的作用，這就造成重復破碎多，破碎功消耗比重少，所以鉆速也比較慢，那么有沒有更好的辦法呢？

2.2 新的設計方法

首先我們設想一下極硬地層破碎的基本前提：為了能使金剛石顆粒有足夠的壓力吃入巖層并有效保持這種狀態，就必須滿足三個條件：一是有足夠的鉆壓，盡可能的情況下，應選用極限鉆壓；二是金剛石本身強度要夠，也就是說品級要高；三是金剛石包裹要牢固，出刃合理，能夠持續發揮碎巖的作用。在第三個條件中其實就講到了胎體的重要性，在胎體選擇方面，我們有以下三個假設：

2.2.1 胎體性能與巖層的可鉆性與研磨性相適應指的是胎體的耐磨性要與之相適應，而非胎體硬度。

2.2.2 胎體硬度和胎體耐磨性是兩個不同的概念，也就是說同一硬度的胎體可以有不同的耐磨性，這不僅與胎體本身配方、燒結工藝有關，而且還與金剛石含量以及孔底胎體磨損狀態不同有關。

2.2.3 在生產實踐中，全面評價與操作影響胎體耐磨性的因素存在諸多困難，故實際中還是以胎體硬度來直接表示胎體的耐磨性。

其次為了保證進尺速度，我們摒棄傳統做法，采用較大顆粒高等級金剛石30/40#，SMD25），在極限鉆壓下，保證切入深度，使大顆粒金剛石的切削作用發揮的更充分。結合前后兩方面的情況，就要求胎體有足夠的硬度，牢固的包裹能力，同時還要考慮到金剛石的適時出刃，在這里需要說明的是：有些人擔心大顆粒金剛石意味著大的出刃量，在這樣一個極限鉆壓工作環境中，要使胎體牢固包裹金剛石實屬不易，再加上出刃量大了之后就極有可能崩落金剛石，但是從前人統計的資料來看，并不會出現這種問題，總的趨勢是大粒度金剛石在孕鑲鉆頭中并未有大的出刃量，其出刃量多集中在20～50μm，因此不必擔心這個問題，為此選用胎體硬度35°。

2.3 新鉆頭設計

基于這樣一個設想，設計了以下鉆頭，并有意識地讓白、晚班采用不同的鉆進規程參數，從試驗效果來看，也從另一方面佐證了該設計方法是符合預初設想的。

2.3.1 金剛石和胎體選擇

金剛石粒度：30/40#；金剛石品級：SMD25；金剛石濃度：75%；胎體硬度：35°。

2.3.2 水口設計

鉆進極硬地層需要很高的鉆壓，在水路設計方面，我們適當增大水口過路面積，但為了能保證胎體有足夠的環狀面積來支撐鉆壓，水口面積又不宜過大。

為此設計水口 10 個，外寬6mm，內寬5mm，均比原先使用的鉆頭大1mm，水口深度不變，這樣計算出來的胎體環狀面積為1816.40mm2（原鉆頭1946.30mm2），面積比為0.93。

其余結構與原 S75 繩鉆鉆頭一致，采用常見的熱壓燒結法制成。

3 使用效果

3.1 鉆進參數選擇

3.1.1 鉆壓：依據孔深變化，白班15～18KN；晚班15KN 以下，在12～15KN 范圍內變化。

3.1.2 轉速：白班以4 檔為主（517 r/min），兼顧5、6 檔（415、765 r/min）；晚班多采用4、5 檔，很少開6 檔。

3.1.3 泵量：54/72 L/min。

3.2 試驗數據

試驗鉆頭壽命 52.74m（206.21m～258.95m），純鉆時間68.33h，平均時效0.77m/h；其中鉆進Ⅺ、Ⅻ等極硬地層共計21.45m，純鉆時間41.33h，平均時效0.52m/h，其余地層可鉆性級別主要為Ⅸ、Ⅹ（分別約占60%和40%），時效為1.16m/h。

由于選擇的鉆進參數不同，白、晚班的鉆進效率差異明顯，這點從鉆進極硬地層的數據來看最明顯，以下是詳細數據：

3.2.1 白班鉆進極硬地層13.71m，純鉆時間19.67h，平均時效為0.70m/h；

3.2.2 晚班鉆進極硬地層7.74m，純鉆時間21.67h，平均時效0.36m/h。

相對于晚班，白班多選擇極限鉆壓，轉速也比較高，獲得了較高的鉆速。因此我們可以這樣認為，在鉆進極硬地層時，在設備、鉆具、孔內情況允許的條件下，大的鉆壓和適當較高的轉速對鉆進這類堅硬難打地層是很有益處的，不過轉速也不能過高，尤其是對粗粒金剛石來說，一般都要比正常巖層轉速低一些（這是金剛石鉆進堅硬致密巖層所決定的特殊規程），但是過低的鉆壓和轉速會不利于該類地層的鉆進。

4 胎體唇面磨損狀況

從試驗鉆頭的唇面磨損來看，與原鉆頭相比，有以下幾點不同：

4.1 金剛石出刃合理，顆粒磨損正常，胎體包裹牢固，其后有很明顯的蝌蚪狀支撐體，分布均勻，顆粒脫落的很少，說明這種鉆頭能較好的發揮金剛石的碎巖作用，即使在大鉆壓的工作環境中，鉆頭性能能較好地保持其穩定性，正常損耗占主要地位。

4.2 胎體唇面磨損均勻，沒有出現拉（溝）槽，也沒有出現非正常磨損，而且在鉆進的過程種多次投入磨料來使金剛石銳化，也能夠保持胎體性能的穩定性，這很大程度上得益于高的胎體硬度（耐磨性）和高品質大顆粒的金剛石，由它們組合而成的胎體工作層抵抗局部破壞的能力很強，整個胎體工作層都正常消耗在鉆進工作上。

胎體唇面磨損狀況良好，金剛石出刃合理，說明胎體與所鉆巖層的性質適應性好，這為充分發揮金剛石碎巖提供了前提條件，這是我們所追求的理想狀況。

5 結語

在實際生產活動中，鉆探工作會因各方面的原因遇到多種難題。本文僅僅從一個小例子出發，在鉆進純石英巖層時，采用了與傳統理論不同的設計方法較好地解決了生產難題，雖然采用品級較高的金剛石鉆頭會使成本增加，但帶來的效益卻是顯而易見的，同時也從側面說明了不要拘泥于現有知識來解決問題的重要性。筆者希望借此本文在解決類似地層的鉆進難題時給同仁們提供另一種方案選擇，促進經驗交流，使鉆探技術不斷向前發展，為國民經濟做出更大的貢獻。

參考文獻:

[1]EJ/T 1052-1997 放射性礦產資源鉆探規程[S].

[2]張祖培，等.碎巖工程學[M].北京:地質出版社，1995.

作者簡介：田龍（1986— ），男，助理工程師，現從事巖心鉆探技術與管理工作