鉆進極硬地層時金剛石鉆頭的另一種設計方法

韋焜程

摘 要：當出現可鉆性XⅠ以及XⅡ等特別硬的地層時，金剛石鉆頭在設計上就要具備低濃度、細顆粒以軟胎體等特點，這是傳統設計理論的觀點。而筆者則在文中介紹了另外一種設計方法，該設計方法在實踐中得到了很好的運用，不僅在極硬地層鉆進時的效率高，而且鉆頭的性能也非常的好。此外，使用的時間也比較的長，因此在這類地層中具有很強的適應性。

關鍵詞：極硬地層；金剛石鉆頭；設計原理

在南方，鈾礦鉆探時碰到硬地層的狀況比較多見，比如：可鉆性XⅠ以及XⅡ等特別硬的地層。這類地層在花崗巖地層中經常會遇到。在對硬地層進行鉆進時，由于鉆頭比較容易打滑，因此很難進尺。此外，鉆頭的使用壽命也會縮短，工作效率就會下降。因此，為了提高鉆頭的使用壽命和工作效率，國內外的研究人員都對此進行了研究，也取得了不錯的成果，這對于鉆探技術的進步和發展具有重大的意義。例如，常結合回轉法碎巖就是一種全新的鉆探技術，該技術目前已經比較成熟。

1.地層情況和鉆進中碰到的挑戰

我公司在江西某地區進行鈾礦普查，在該項目普查的過程中，主要遇到的巖層可鉆性是：X級以及XⅠ級。當孔深超過200米時，X級以及XⅠ級等極硬地層的厚度就會遠遠的大于設計值。如果使用傳統的機械，比如：S75繩鉆鉆頭，那么壽命就會很低。此外，工作時效也非常的慢。一般的成績不會超過20米。而在純石英層工作時，只會達到幾米的壽命。當對該類地層進行鉆進時，我公司往往使用的是軟胎體鉆頭。該鉆頭的規格是濃度是80%，基本上是10-15度。使用該鉆頭也會遇到一些問題和挑戰，比如打滑現象經常出現。有的在放進磨料后，打不了幾米后，胎體就會被磨損，而溝槽的狀況就會出現，鉆頭報廢的概率就比較的大。在這種情況下，工作人員就會認為是投進磨料后，也就是說該類鉆頭已經報廢，而施工的進度和鉆孔的質量就會嚴重的下降。

2.設計的基本理論

2.1.傳統理論

在進行金剛石鉆頭的設計時，我們要參考的依據是：鉆頭一定要和所鉆巖層的性質保持一致，要相互的適應。傳統的理論認為，當遇到極硬以及弱研磨性的地層時，我們使用的金剛石的品級要高一些，要是特細粒金剛石，低濃度鉆頭。此外還要是軟胎體。該方法在配置鉆頭時比較的常見，但是也有一些不足的地方：（1）如果在施工中采用軟胎體鉆頭，那么鉆頭的使用壽命會比較的低，特別是當遇到一些復雜的地形以及堅硬的巖層時，軟胎體的使用壽命更是無法保證。（2）對于細粒金剛石來說，切入量也非常的低，這和其受顆粒影響有很大的關系。碎巖對磨削作用依賴的比較多，因此重復破碎就比較的多，這些都會降低鉆速。那么，我們是否可以找到一種更好的辦法呢？筆者在下文中進行分析和探討。

2.2.新的設計方法

關于極硬地層破碎，我們可以這樣假設其基本的前提。如果具備以下3個條件，那么就可以讓金剛石顆粒具有更多的壓力來吃入巖層，而這種狀態也可以得到長時間的保持。（1）一定要具有足夠的鉆壓。一般情況下要選擇極限鉆壓。（2）對于金剛石本身來說，硬度一定要得到保證，即品級一定要達到要求。（3）金剛石的包裹一定要牢固，為了讓碎巖的作用得到充分的發揮，出刃一定要合理。我們可以在條件（3）中看到胎體的重要性。在選擇胎體時，筆者進行了下面的3個假設：（1）胎體性能要和巖層的可鉆性保持一致。（2）胎體硬度和胎體的耐磨性這兩個概念是不同的。同一硬度的胎體在耐磨性方面具有不同之處，這不僅和燒結工藝有關，也和胎體本身的配方有聯系。此外，孔底胎體磨損狀態、金剛石的含量都會對耐磨性具有一定的影響。（3）在實際的生產過程中，對影響胎體耐磨性的因素進行評價和操作時，往往具有一定的難度。因此，在具體的實踐過程中，表示胎體的耐磨性我們一般會使用胎體硬度。

傳統的做法我們一定要摒棄，這樣做是為了讓進尺速度得到保證。因此，我們可以選擇一些顆粒比較大的高等級的金剛石。當處于極限鉆壓的情況下時，切入的深度一定要得到保證，這樣大顆粒金剛石的切削作用才能得到很好的發揮。通過以上的分析，不難看出胎體的硬度要足夠，包裹能力也是一樣。此外，金剛石的適時出刃也要充分的考慮到。需要注意的一點是：有的人認為大顆粒的金剛石在出刃量方面就比較大，因此當處于極限鉆壓的工作環境中時，要想實現胎體對金剛石的牢固包裹是非常困難的。而如果出刃量加大，則金剛石被損壞的可能性就非常的大。研究表明，該看法具有一定的片面性，該狀況發生的概率也是極低的。

2.3.新鉆頭設計

金剛石和胎體的選擇。金剛石的濃度為75%，胎體的硬度是35度，金剛石的品級是SMD25。

水口的設計。鉆壓一定要很高。在進行水路的設計時，水口過路的面積要增大，但是不能過大。筆者設計了水口10個，內寬和外寬分別是：5毫米和6毫米。這二者比原來的鉆頭都要大1毫米左右。在此情況下，對胎體環狀面積進行計算，則為1816.40mm2。其余的結構和原來的S75繩鉆鉆頭保持一致，使用的是熱壓燒結法。

3.使用的效果

和晚班相比，白班使用極限鉆壓的情況比較多，轉速和鉆速也比較的高。可以看出對極硬的地層進行鉆進時，如果孔內情況、鉆具以及設備都允許時，較高的轉速以及大的鉆壓對于施工的推進都具有益處。但是，轉速不能超過一定的范圍，不能太高，特別是遇到一些粗粒金剛石時。

4.胎體唇面的磨損狀況

和傳統的鉆頭比較，試驗的鉆頭具有以下幾個特點：（1）出刃合理，胎體的包裹牢固。此外顆粒磨損也比較正常。因此，該鉆頭可以較好的發揮金剛石的碎巖作用。（2）胎體唇面磨損均勻，溝槽的狀況沒有出現。

結束語：

鉆探工作在開展時會遇到各種各樣的困難，筆者從實際情況出發，對鉆進極硬地層時金剛石鉆頭的另一種設計方法進行了探索，希望這些分析和探討對大家有所幫助。

參考文獻：

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