鉆探設備在巖石掘進過程中的效率問題分析

龍松濤

（河南省煤田地質局一隊,河南 新鄭 451150）

在很多工程的施工過程中，都需要實用鉆探設備進行巖石掘進，這就需要使得巖延時破碎，只有這樣才能實現成功鉆進。在對巖石進行破碎的過程中，可以失去的性質得到改變，當前破碎巖石的設備即就是鉆探設備的種類很多，在施工中應用的極為廣泛的是金剛石鉆機。因此文中主要對鉆機的效率問題進行了分析。

1、巖石破碎和鉆探設備效率之間的關系

已有的研究表明，巖石在爆炸的作用下，大面積的巖石內部都會有空隙出現。由于巖石的四周會出現旋轉或者是平移運動這樣地質板塊之間有相互位移的現象出現。由此可見爆炸能量不斷會實現中心區巖石的粉碎，同時促使巖石具有動能，鉆探設備效率和巖石破碎的關系表現為。

2、提高鉆探設備效率的方法

2.1 選擇合適的鉆機

鉆機就是在鉆進時帶動鉆具實現對巖芯以及巖屑等的主要機械設備。當前鉆機的鉆機深度通常在2-15000 米的范圍之內，在這個范圍內可以分成不同的檔次，他們在人類的生產和生活中所起到的作用是非常重要的。不同巖石具有不同的特點，因此所使用的鉆機都是各不相同的，因此要保證鉆進的效率就要確保選擇的鉆機的合理性。在對鉆頭參數進行設計的時候，應根據所選用的鉆機的型號、鉆進參數以及巖石的類型等綜合因素進行考慮以便于達到最佳的鉆進效果。

2.2對巖石鉆進參數的合理設計和選用

巖石的鉆進參數主要包括鉆壓、轉速以及沖洗液量這三種。下面對它們的設計和選用進行分析。

2.2.1 鉆壓

鉆壓應卻把巖石有效的破碎，通常情況下，隨著鉆頭壓力的增大，機械鉆速也會隨之增大。如果鉆壓小于最佳值距導致巖石被磨光無法鉆進，想要使得鉆速得到有效提高，應該使得鉆壓大于待鉆巖石的壓入硬度，這時巖石將會從表面破碎到整個體積破碎 ，而且鉆速也會呈現出迅速增長的趨勢。如果鉆壓過大會出現深度過大的情況，這樣就不利于孔底的凈化，容易出現堵塞現象，會致使鉆速減慢，同時會損壞鉆頭，總之鉆速過高過低都是不合理的，應根據實際情況對鉆速進行合理控制以保證鉆進的速度。對于孕鑲鉆頭來說，鉆壓的最佳值的確定應確保鉆速的恒定，以免給其使用壽命造成影響。通常在鉆探生產中，如果最佳的鉆壓確定之后就應嚴格執行。在確定鉆壓的時候，主要是根據鉆頭的類型來進行的，通過公式可以將孕鑲鉆頭的鉆壓計算出來。在該公式中，P、p、A 分別表示：鉆頭的壓力（N）、推薦的單位壓力（MPaz）以及鉆頭和巖石的接觸面積（m2）。而在實際生產中，對鉆壓可造成影響的因素有很多，因此我們應根據實際情況而定。比如巖石的類型、鉆頭類型、鉆孔內壓力損失等。通常情況下，新鉆頭的金剛石和孔子的情況很難相適應，所以在使用的過程中應以較小的壓力和轉速進行初磨，等到和孔底的情況相適應之后，安照正常的規定進行鉆進。

2.2.2 轉速

轉速作為影響鉆進設備鉆進效率的主要因素。在很多硬度較高的巖石中，隨著鉆頭轉速的增大鉆速也會增大，但是金剛石的消耗量是不會增加的。通常轉速和鉆頭磨損之間的關系是比較復雜的。但是在一的巖石條件下，可以確定出最佳的轉速，這時金剛石鉆頭的磨損是最小的，同時還可以確保鉆速的穩定性。可以通過公式將鉆頭的轉速計算出來，在該式中，n、D、Vk分別表示鉆頭的轉速（r/min）、鉆頭的直徑大小（m）以及推薦的線速度（m/s）.對于孕鑲鉆頭來說，若巖層比較堅硬的話，線速度應控制在1.5-2 m/s；若硬度更高的話應將線速度控制在 1.8-3 m/s、若巖層的硬度較軟應將線速度控制在 2-2.5 m/s。除此之后，有很多因素都會對轉速造成影響，比如巖石的性質、鉆頭的類型、鉆孔深度等等，在生產中應根據具體情況進行必要的調整。

2.2.3 沖洗液量

沖洗液的的類型、泵量和泵壓作為非常重要的鉆進參數，其中泵量應該連續均勻確保高流速，以便于將孔底鉆出來的巖粉清理干凈，對鉆頭還可以起到冷卻的作用。在鉆進的過沉重，為了克服沖洗液的流通阻力，應控制好泵壓、流速以及泵量。通常情況下，沖洗液量的大小是由多種因素決定的，而在實際中，我們在對沖洗液量進行確定的時候主要的依據就是看其是否能有效的將巖粉排出。而液流返回的速度在很大程度上會決定從洗液排粉的效率，這樣看通過反流速度來確定沖洗液量，通過公式就可計算出來，在該式中，Q、V、S 分別表示流量（L/min）、鉆孔和鉆桿之間的環狀面積大小（cm2）、推薦的返流速度（m/s）除了上述的因素之外，還應對鉆頭的類型、巖石的性質以及完成性等進行考慮。

2.3對鉆頭的合理設計以及選用

文中主要以金剛石鉆頭為例進行闡述，該種鉆頭具有較強的適用性，但是地層是處于變化的狀態中的，這就對鉆頭有了一定的限制，也就是說一定性能的鉆頭是有一定適用范圍的，對于不適合的巖層就無法保證鉆進效率，或者是對鉆頭的壽命會產生一定的影響。因此為了使得鉆頭的效果能在最大程度上得以發揮，我們應綜合多種因素鉆機鉆頭的參數進行設計和選用。通常金剛石鉆頭的選擇主要包括以下幾個方面：第一，在選擇鉆頭類型的時候，應根據巖石的硬度、均勻、完整程度以及研磨性來決定，巖石的硬度越大，而均勻性和完成程度差，研磨性越強則應該選用孕鑲鉆頭，否則看采用表鑲鉆頭；第二，對胎體性能的選擇主要是根據巖層的破碎程度以及研磨性，所用鉆機的型號以及巖層的硬度等；第三，對金剛石質量和粒度的選擇，如果巖層越厚而且具有較強的研磨性，就要求金剛石的質量越高，粒度應較細，反之應較粗；第四，金剛石的濃度，若金剛石的研磨性越差，其濃度應降低，反之應增高；第五，鉆頭端面形狀的選擇，對于硬度較高的巖石所采用的鉆頭和巖石之間的接觸面積應小；在鉆進具有裂隙性而且是軟硬交替的巖石所采用的鉆頭應具有較強的耐磨性和適應能力；若巖層的傾角大，所采用的鉆頭應就有較好的導向性。

2.4對鉆頭的使用要求

在以上的所有因素都得到合理的設計和選擇時，應確保對鉆頭的合理使用，這對提高鉆進效率以及延長使用壽命等都有著重要的作用和意義，我們在使用的過程中，應確保鉆頭的排隊使用，做到和鉆具的有效配合，控制合理的失效，以提高鉆進的效率。

[1]趙曉冬，吳浩.中國煤炭地質總局鉆探設備現狀之思考[J].中國煤炭地質.2011(7).