地質鉆探中金剛石鉆頭的科學選擇與合理使用

賈衛權

【摘 要】地質鉆探工程是地質礦產勘查過程中的重要手段，金剛石巖芯鉆探除必須選用相應鉆機、地質管材、鉆具、泥漿材料外，鉆進工藝中金剛石鉆頭的科學選擇、合理使用顯得非常重要，可使金剛石鉆頭效能得到充分發揮，提高鉆進進尺，減少金剛石鉆頭使用數量，提高鉆探效率，從而取得最優地質鉆探技術經濟效果。

【Abstract】 Geological drilling engineering is an important means in geology and mineral exploration. for diamond core drilling， in addition to select the appropriate drilling， geological pipe， drilling rig and mud materials， in the process of drilling， scientific selection and rational use of diamond drill is very important， it can fully play the effect of diamond drill and improve the drilled footage， reduces the usage quantity of diamond drill， improve the drilling efficiency， so as to achieve the optimal technical and economic effect of geological drilling.

【關鍵詞】地質鉆探；鉆進技術；金剛石鉆頭；鉆具組合； 綠色勘查

【Keywords】geological drilling； diamond drilling technology； diamond bit； drilling assembly； green exploration

【中圖分類號】TD166 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0168-02

1 引言

地質鉆探是地質礦產勘查的重要技術手段，它是在動力機械的帶動下，鉆機驅動鉆具（鉆桿、巖芯管、鉆頭等）向地下鉆進不同深度的鉆孔，并將鉆孔中切磨下來的巖芯或巖粉取出，進行科學分析與研究。其所進行的全部施工工作，稱為地質鉆探工程，簡稱鉆探。

金剛石巖芯鉆探除必須選用相應鉆機、地質管材、鉆具、泥漿材料外，金剛石鉆頭的科學選擇、合理使用非常重要。這樣才能取得最優鉆進技術經濟效果。

2 金剛石鉆進技術與鉆頭的科學選擇

在地質鉆探工程中，使用金剛石鉆頭以回轉方式破碎孔底巖石的鉆進技術方法，稱為金剛石鉆進。金剛石是一種硬度最高的礦物，所以用金剛石鉆頭可鉆進各種硬度的巖石，主要特點是鉆進效率高，鉆進工作穩定，同時具有勞動強度低，孔內事故少，鉆探成本低等優勢，因此金剛石鉆進技術有廣泛的適用性。

①金剛石鉆頭分類：金剛石有天然和人造兩種之分，金剛石鉆頭也是天然和人造兩種，在地質鉆探中主要大量使用人造金剛石鉆頭。

②科學選擇金剛石鉆頭參數：（指鉆頭胎體硬度、金剛石品級粒度、濃度等），提高鉆頭壽命、提高鉆速、降低金剛石消耗。其參數選擇如下表1所示。

③鉆進技術參數的選擇：合理選擇鉆進技術參數，注意在不同鉆進條件下各參數之間的有機配合，不斷提高操作技術水平，是取得最優技術經濟效果的關鍵之一。

首先， 鉆頭轉速：在一定線速度范圍內金剛石鉆頭的鉆速是隨著轉速的提高而增加的。轉速是提高鉆速的主要因素。只要巖層比較完整，管材有足夠的強度和穩定性，在配有潤滑劑和設備能力允許下，就應該選用高轉速鉆進。轉速和金剛石磨損之間存在一個合理值，即在一定轉速下金剛石磨量為最小。轉速過慢或過快，金剛石磨損量增加 ，確定轉速時一定加以考慮。如果在裂縫發育破碎巖層或軟硬交錯巖層等地質條件下要降低轉速。

其次， 鉆壓：選擇合理的鉆壓是提高鉆進效率，降低鉆頭磨損，延長鉆頭壽命的重要措施。在鉆進過程中，鉆頭的壓力達到或超過所鉆巖石抗壓強度時，金剛石才能有效破碎巖石。鉆進速度隨鉆壓增加而相應增加。當鉆壓超過金剛石的抗壓極限時金剛石即被破損而脫落，鉆速下降。相反金剛石不能切入巖石，鉆頭打滑而不進尺。同時鉆壓應根據鉆頭類型規格、金剛石質量和數量，以及所鉆巖石性質等因素來確定，最優的鉆壓應該是回次進尺多，時效高，鉆頭磨損量小。鉆頭鉆壓的確定是給予鉆頭唇面以每平方厘米20～50kg為適宜，在鉆進給壓時要考慮鉆壓損失。金剛石鉆具與井壁摩擦阻力隨鉆孔加深而加大；轉速越快，鉆壓損失也越大；鉆桿與孔壁間的間隙很小，泵壓較大，使鉆具承受一定的反作用力。實際鉆探操作中，要科學分析注意鉆壓損失，（金剛石鉆頭單位壓力推薦表見表2）。

④在金剛石鉆進中，還有泵量和泵壓這兩個參數的選擇也十分重要，鉆進中必須有較大壓力和足夠的沖洗液，排掉巖粉，清洗孔底，潤滑和冷卻鉆頭，防止燒鉆。正常鉆進要求水泵具有較大的泵壓，應在7～15公斤每平方厘米之間。泵量不須很大，實際鉆探操作中應考慮鉆具連接處的漏失現象。每次起鉆后，要及時觀察分析金剛石鉆頭的磨損形態，檢查鉆進參數是否合理，操作是否恰當，發現問題及時糾正。降低金剛石鉆頭消耗量，提高鉆探技術經濟效率。

3 合理使用金剛石鉆頭

①金剛石鉆頭與擴孔器要排隊組合使用。根據巖層、鉆孔結構、設計孔深等情況，確定需要鉆頭數量。鉆頭與擴孔器必須排隊輪換使用，先用外徑大、內經小的，后用外徑小、內經大的，以保證鉆頭擴孔器都能正常下降到孔底。

②金剛石鉆頭與擴孔器必須合理配合使用 ，擴孔器外徑應比外徑大0.3～0.5mm，在堅硬巖層不得大于0.3mm。如擴孔器外徑過大，將使擴孔量增加，磨損加劇，鉆進效率低；擴孔器外徑小，則起不到擴孔保徑的作用。

③金剛石鉆頭與卡簧的自由內徑必須合理配合，卡簧自由內徑應比鉆頭內經小0.3～0.5mm，因此每次下鉆前要注意檢查鉆頭與卡簧的配合尺寸，同時機臺應備幾種不同的卡簧，以供選擇。

④金剛石鉆頭鉆進應具備良好的工作條件。金剛石性脆，遇強烈沖擊易破裂，因此要求孔內清潔、孔底平整、孔徑規則。如發現孔底有胎體碎屑，脫落巖芯等立即采用沖撈抓粘套磨等方法消除。凡是金剛石鉆頭鉆進的鉆孔禁止使用鋼粒鉆進。

⑤金剛石鉆頭鉆進要保持鉆頭在孔底鉆進的穩定性，要選擇使用與鉆頭外徑接近的鉆桿及鉆具。

⑥金剛石鉆頭鉆進要盡量減少鉆具與孔壁之間的環狀間隙，限制鉆桿，鉆具的彎曲度。不得盲目增加鉆壓鉆進，以減少鉆具產生軸向振動。同時要保持機上鉆桿運轉平穩，防止晃動，不得用過大的泵量鉆進，避免鉆具產生浮動（脈動）。還要使用乳化沖洗液等減少鉆具回轉時摩擦阻力，以提高金剛石鉆進效率[1]。

⑦金剛石鉆進過程中對金剛石鉆頭要仔細檢查，如果發現鉆頭出現石墨化現象、偏磨或變行、水口和水槽尺寸過小、鉆頭剛體變形及死扣損壞等，金剛石鉆頭必須更換，不得下入孔內。

⑧金剛石鉆進過程中發現“打滑”現象，不準盲目加壓強迫鉆進，應立即提鉆檢查分析，尋找原因，解決問題。

⑨新金剛石鉆頭初次使用必須進行初磨，即磨去鉆頭虛偽尺寸及棱角，使孕鑲鉆頭磨出刃口等。同時不能用新金剛石鉆頭進行掃孔、掃殘留、掃脫落、掃掉塊、掃探頭石等作業，以提高金剛石鉆進壽命和效率。

4 結語

隨著鉆探技術裝備和鉆進方法的不斷進步和創新，鉆探已廣泛應用于地質調查、礦產勘查、工程地質勘察、水文水井鉆探以及石油天然氣、頁巖氣、地熱鉆探等領域。科學選擇鉆探設備不僅要技術先進且經濟，即生產效率高，質量保證度好，生產安全性穩，鉆具配套性多，操作維修方便，對環境影響小。金剛石鉆進已廣泛應用，金剛石鉆頭的科學選擇和合理使用能夠提高鉆探效率，降低鉆探成本，降低勞動強度，真正實現最優技術經濟效果，實現地質鉆探綠色勘查。

【參考文獻】

【1】溫妹靜.試談如何提高金剛石鉆進的效率[J].西部探礦工程，2011，23（4）：69-72.