深孔鉆探金剛石鉆頭技術探討

劉學

（重慶市地質礦產勘查開發局607地質隊 重慶 400056）

深孔鉆探金剛石鉆頭技術探討

劉學

（重慶市地質礦產勘查開發局607地質隊 重慶 400056）

對高效長壽命金剛石鉆頭從設計制造及實際應用效果方面進行介紹，該金剛石鉆頭能夠使深孔鉆探效率得到提高，并且使鉆探的成本得到有效的控制。該鉆頭包含雙水口、單水口兩種結構形式。通過實踐應用結果顯示，該金剛石鉆頭使深孔鉆探速度提高了20％以上，并且鉆頭的使用壽命比一般鉆頭高出200％左右，對深孔強研磨性地層與弱研磨地層鉆探中，鉆頭使用壽命短的問題，應用效果非常好。

深孔鉆探；長壽命金剛石鉆頭；繩索取芯

我國的礦產資源非常豐富，隨著經濟的發展，對礦產資源的形式要求也發生了改變，盡管資源種類比較多樣，但是在我國經濟發展中仍然存在資源短缺的問題，阻礙了經濟的發展。因此，將資源勘探成為人們關注的重點，尤其是固體礦產資源勘探工作量的增加，并且以深孔鉆探尤為突出，現階段我國范圍內深度超過千米的鉆孔數量非常多。而進行深孔鉆探，其主要的特點是孔壁穩定性差、施工周期長，隨著鉆孔深度的增加，取心及下鉆次數的增加導致鉆孔穩定性大幅下降，孔內事故發生率比較高；而且鉆桿頻繁的提升和下鉆，對鉆桿也會造成損傷。所以，按照深孔鉆探施工的特點和條件，要求提鉆間隔和回次進尺間隔時間越長越好，在巖石鉆探中，金剛石鉆頭的應用非常廣泛，鉆頭質量的好壞對鉆孔質量、鉆孔效率及鉆孔成本等都有直接的影響，尤其是在深孔鉆探中，鉆頭的作用非常關鍵。針對深孔鉆探中，關于金剛石繩索取心鉆頭技術進行研究，研制成新型高效長壽命金剛石鉆頭，使提鉆和下鉆的次數減少，鉆頭在孔底工作時間鹽城，鉆探效果提高，縮短的地質工作周期，促使我國深孔鉆探技術得到發展。

1 深孔鉆探金剛石鉆頭設計方法

由于深孔鉆探的難度非常大，施工更為復雜，因此對鉆頭的性能要求非常高，尤其是對金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進效率都提出了更高的要求。從鉆頭材料及結構設計方面的研究入手，優化設計了鉆頭的水路結構及切削結構，包含水路參數設計、金剛石參數、胎體性能、結構形式及相關制造工藝。優化設計的主要目的是為了使金剛石鉆頭在一定條件下切削單元能夠平衡工作，避免部分部位損壞過快，導致整體工作性能下降，使鉆頭的工作能力最大程度的發揮出來，從而使鉆頭的壽命和性能都得到提升，設計思路如圖1所示。

圖1 金剛石鉆頭設計研究思路

1.1 結構設計

在設計中，考慮到深孔鉆探的實際要求，以鉆頭的鉆速與使用壽命作為結構設計的出發點，其中鉆頭的使用壽命是考慮的首要因素，因此深孔鉆探金剛石鉆頭設計中最關鍵的技術之一就是設計超高金剛石工作層，將工作層從普通的8～10mm增加到14～22mm。超高金剛石工作層厚度增加后，就需要對冷卻的效果的也要進行加強，針對水路進行優化設計，采用超高胎體鉆頭，包含雙水口高胎體與單水口高胎體，如圖2所示。由于鉆頭工作層增高，還應該對鉆頭的保徑措施進行相關的設計，一方面要達到保徑的目的，另一方面對鉆進的效率還不能產生影響。所以，針對鉆頭結構進行設計的時候，需要考慮的主要因素包含結構強度、水路布置已經保徑設計。在此基礎上，對超高金剛石層的抗疲勞荷載性能及抗沖擊性能、金剛石工作層強度受水口結構的影響等充分進行考慮，進行水路布置中要考慮到金剛石工作層在沖洗液作用下的冷卻是否達標，并且對各水口處沖洗液的流量進行合理布置。

圖2

1.2 超細粉末研究

長壽命鉆頭研究的過程中，對超細粉末進行研究是重要的技術之一，胎體結合劑對金剛石鉆頭的質量會產生直接的影響作用，在胎體材料中應用超細合金粉末對胎體材料的性能能夠有效的改善，可在胎體材料中添加對金剛石潤濕性較好的元素，使金剛石的把持力得到提高，同時可將燒結溫度降低，金剛石的熱穩定性有效的提高，胎體在燒結的過程中呈現出較好的成型性，從而使自身的力學性能得到提高。

1.3 金剛石參數及胎體性能設計

鉆頭胎體性能的研究過程中相對比較復雜，由于受不同地層巖性結構的因香港比較大，所以進行胎體性能設計時，要采用偏因素試驗分析方法針對不同地層條件對不同胎體性能進行設計，對胎體的耐磨性、硬度、抗沖擊韌性、抗彎強度進行研究中，要與胎體成分變化的規律相結合，在胎體耐磨性與硬度得到滿足的基礎上，要最大限度的使胎體的抗沖擊韌性與抗彎強度的奧提高，對于超高胎體鉆頭性能研究中非常重要，是確保鉆頭在使用過程中力學性能良好的關鍵，也是提高鉆頭使用壽命的基本條件。通過燒結工藝的優化與胎體成分的合理布置，可以保證胎體的性能良好。除此以外，金剛石參數是否優質對鉆頭使用壽命也有一定的影響，所以，應該選擇優質的金剛石參數來提高鉆頭的使用壽命。

1.4 鉆頭制造工藝研究

在考慮超高胎體鉆頭制造中的合理性與可行性分析的基礎上，選擇無壓浸漬與熱壓二次鑲嵌兩種方法對鉆頭進行制造。利用工藝研究實驗確定胎體配方及浸漬金屬，優化選擇浸漬時間和浸漬溫度，最后將燒結工藝參數確定下來。如果硬要二次鑲嵌式鉆頭，則先要通過試驗確定預合金粉末的燒結壓力、溫度及保溫時間，最后對制造工藝進行確定。

2 深孔鉆探鉆進方法及注意事項

在進行深孔鉆探的時候，由于地層結構、性質存在較大的差異，不同性質地層的特點也是不同的，因此要根據鉆孔的結構特點合理進行鉆探，在鉆探過程需要注意以下問題：①如果鉆進斷裂帶，通常會出現斷層、破碎及坍塌等現象，導致間隙小、流速大，泵壓的損耗也就相應的加大，鉆頭下鉆難度也同時加大，容易在下入超深套管和鉆頭起拔時出現不到位、斷裂的現象。在實際鉆探中，通常采用擴孔器或加大鉆頭外徑的方法來解決。②鉆頭鉆進過程中，沖洗液的主要作用是保持孔內的清潔，要隨時調整沖洗液的性能。③具體操作中，每一回次要進行稱重，防止在斷鉆和脫扣時出現判斷失誤的現象，使簡單事故復雜化，對機上余尺在每一回次要準確丈量，一旦出現事故，該尺寸可對故障位置準確進行判斷。④對孔內返水、泵壓、異響及電流變化要隨時進行注意及觀察，避免出現斷鉆、燒鉆現象的發生。⑤進鉆過程中，由于孔深逐漸加大，所以下鉆或提鉆使，孔內的摩擦阻力都比較大，所以在鉆進時，先將鉆頭離開孔底，緩慢輕合離合器，待鉆速達到預定速度后，再將鉆頭向孔底慢慢靠近，避免了鉆頭扭矩瞬間增大，對鉆桿造成損傷。

3 針孔鉆探金剛石鉆頭的應用

以某磁鐵礦鉆探為例，對普通鉆頭和新型鉆頭（圖3）的應用效果進行對比，結果顯示，新型鉆頭鉆速比普通鉆頭提高了20％以上，且使用壽命是普通鉆頭的兩倍；在該礦區實際應用中，新型鉆頭的平均使用壽命為80m，最高壽命可達180m，使該礦區鐵礦勘探的效率大大提高，鉆探的成本得到有效控制，效果較好。

以某金礦深孔鉆探為例，孔深達到1500～2000m。巖體為主要組成為片麻巖、粗?；◢弾r等，采用雙水口高胎體金剛石鉆頭（圖4）進行鉆探，鉆頭的機械鉆速為每小時2～3m，平均使用壽命90m左右，最高使用壽命達到197m，比普通鉆頭的使用壽命高出2～3倍，使地質鉆探工作周期大幅度降低，實現了快速鉆探取樣，同時也滿足繩索取心鉆進、深孔鉆進的要求，實際使用效果非常理想。

圖3 高胎體金剛石鉆頭

圖4 雙水口高胎體金剛石鉆頭

4 結論

在深孔鉆探中，應用新型高效長壽命金剛石鉆頭，使鉆探的效率得到大幅度提高，并且降低了鉆探的成本；如果地層屬于堅硬弱研磨性地層，單水口高胎體金剛石鉆頭比較適用，如果地層為堅硬強研磨地層，雙水口高胎體金剛石鉆頭比較適用。隨著鉆孔勘探技術的發展，鉆孔深度也不斷增加，金剛石鉆頭的鉆進速度及使用壽命必定會成為使用者關注的重點，相關研究人員在對金剛石鉆頭進行設計的時候，必須不斷的開發新的優化設計方法，使鉆頭鉆進速度提高，使用壽命延長，隨著各種新材料和新技術的發展，金剛石鉆頭工作層高度也會不斷提高，鉆頭的使用壽命也會得到不斷的延長。

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P634.4+1

A

1004-7344（2016）23-0177-02

2016-7-23

劉學（1987-），男，助工，本科，主要從事地質礦產鉆探方面工作。