湯鳳林，Чихоткин В．Ф．，高申友，蔣國盛，彭 莉，張曉西，盧春華

(1．中國地質大學〈武漢〉，湖北武漢430074;2．無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇無錫214174)

0 引言

機械鉆速、鉆頭進尺和每米鉆探成本通常稱之為鉆探工程的主要技術經濟指標。這些技術經濟指標均與選用的鉆頭、所用鉆進規(guī)程參數和操作技術緊密相關［1－4］。選用的鉆頭應與所鉆地層的硬度、研磨性(可鉆性)相適應。操作技術主要取決于司鉆人員的技術、經驗和水平。而鉆進規(guī)程參數的選取和確定及其合理配合則是非常重要的一個因素，不可忽視。

金剛石鉆進是我國目前一種主要鉆進方法，在地質勘探，特別是在固體鉆探中得到了廣泛的應用。在金剛石鉆進過程中，當鉆頭－巖石付相互作用時，在鉆進規(guī)程參數(鉆壓FH、鉆頭回轉速度n、給定性能的沖洗液量Q)的作用下，孕鑲在鉆頭上的金剛石破碎巖石，形成孔底，巖屑適量沉積在孔底，磨損鉆頭胎體，使金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石，鉆進過程如此循環(huán)。

金剛石鉆進時，“鉆頭－巖石副”相互作用與所鉆巖石物理力學性質f、所用鉆頭類型B、鉆進規(guī)程參數(FH、n、Q)和正常鉆進條件的關系見圖 1［5］。

圖1“金剛石鉆頭－巖石副”相互作用示意圖

從圖1可見，如果鉆進的地層已知，所用的鉆頭已經選定，擬用的沖洗液性能已經確定，則鉆進過程的狀態(tài)主要取決于鉆進規(guī)程參數，即鉆壓、鉆頭轉速和沖洗液量。

但是，這3個規(guī)程參數如何配合才算合理，才能提高機械鉆速和鉆頭進尺，才能保證得到高的技術經濟指標和鉆探安全生產，才能把我們打鉆的水平從經驗打鉆提高到科學打鉆上來，是值得討論的一個重要問題。

1 臨界鉆進規(guī)程的形成

烏克蘭超硬材料研究所布加切夫．A．A．博士等人多年對金剛石鉆進工藝參數進行了實驗室試驗和生產研究，取得了重要成果［6］。

實驗研究是在烏克蘭超硬材料研究所鉆進實驗室進行的。實驗臺是用2A55搖臂鉆床改裝的，配有液壓給進系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、鉆進系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)。所用巖樣為烏克蘭結晶地盾科羅斯德舍夫可鉆性10級花崗巖，其硬度普氏系數f=14，壓模硬度為PШ=2.37 kN/mm2，石英含量達23%。所用鉆頭為直徑46 mm的БСС孕鑲金剛石鉆頭。使用H－383自動記錄功率表記錄鉆進時消耗的功率。使用熱電偶測量、用ЭПП－09電子自動電位器記錄鉆頭胎體溫度。鉆頭磨損是按破碎單位體積巖石的鉆頭磨損量計算的。

實驗研究時記錄了鉆頭不同轉速時胎體溫度與鉆壓的關系(見圖2)，不同鉆壓時胎體溫度與鉆頭轉速的關系(見圖3)。

圖2和圖3表明，胎體溫度隨著鉆頭回轉速度和鉆壓的增加而逐步提高。但是，當鉆頭轉速為600、750、950、1180 和 1500 r/min 和鉆壓分別對應為10、8、7、5和4 kN時，胎體溫度出現急劇變化，由100～200℃變?yōu)?00～700℃，正常鉆進過程變?yōu)榕R界鉆進過程。實驗研究發(fā)現，發(fā)生這種臨界規(guī)程與鉆進規(guī)程參數P和n的乘積值有直接關系，而且這個乘積值是一個定值。對于實驗所用的花崗巖來說，這個臨界規(guī)程乘積值為(61．1±3．8)×102(kN·r)/min。其它情況下的鉆進規(guī)程參數P和n的乘積臨界值，可以根據實驗研究確定，也可以在鉆探現場根據現場觀察及實際經驗確定(見表1)。臨界規(guī)程時的特點與正常規(guī)程時的特點有很大不同，見表2［6］。

表1 鉆進規(guī)程鉆壓和鉆頭轉速乘積值Pn(kN·r)/min

表2 正常規(guī)程和臨界規(guī)程的特點

2 超越臨界鉆進規(guī)程的危害

臨界鉆進規(guī)程是一條紅線，不可逾越。到達或超過了這條紅線，就會發(fā)生事故，胎體溫度急劇升高，功率消耗大幅上升，鉆頭磨損成倍增加，甚至可能發(fā)生鉆頭燒毀事故。臨界鉆進規(guī)程的發(fā)現、提出和認定，對于鉆探工程工作來說具有重要理論意義和實際價值。

2．1 胎體溫度急劇升高和消耗功率急劇增加

圖4上的鉆頭胎體溫度、鉆進消耗功率與規(guī)程參數Pn乘積值的關系曲線表明，當這個乘積值達到(61．1±3．8)×102(kN·r)/min時，由正常鉆進規(guī)程變成了臨界鉆進規(guī)程，胎體溫度由平緩100～200℃急劇增加到600～700℃，耗用功率由2～3 kW 增加到 6 kW［6］。

圖4 鉆進時鉆頭胎體溫度和功率消耗量與鉆壓轉速乘積的關系曲線圖

2．2鉆頭可能燒毀

當鉆進規(guī)程參數Pn乘積值小于臨界規(guī)程乘積值，即正常鉆進時，適當的沖洗液量可以保證留在孔底的巖粉有效研磨胎體，使金剛石露出，繼續(xù)正常鉆進。但是，當鉆進過程由正常規(guī)程變成臨界規(guī)程時，正常的沖洗液量已經不能滿足排除巖粉的要求，即使增大沖洗液量也不能改變臨界規(guī)程的性質，很容易產生鉆頭燒毀現象甚至鉆頭粘在孔底的情況。實驗研究和生產實踐已經證明了這一點。

2．3 鉆頭產生非正常磨損

鉆頭磨損是用鉆頭磨損量與破碎單位體積巖石消耗的功之比測定的。在鉆進過程中，鉆頭總是要磨損的。從圖5可見，無論在實驗室條件下，還是在生產條件下，在正常鉆進規(guī)程范圍內，鉆頭磨損是平穩(wěn)的，但是在臨界規(guī)程范圍內鉆頭磨損強度增加2～3倍，在生產條件下增加更多(4倍)，這可能是由于生產條件下，金剛石鉆頭經受的震動和沖擊載荷所致。

圖5 金剛石鉆頭磨損強度與鉆壓轉速乘積的關系曲線圖

3 臨界鉆進規(guī)程的破解和鉆進規(guī)程參數的合理配合

從普通物理學得知，力和速度的乘積是功率。臨界鉆進規(guī)程，即鉆頭轉速和鉆壓的乘積，實際上也是力和速度的乘積，也是鉆進時消耗的功率。正常鉆進規(guī)程時，胎體溫度和功率消耗比較平穩(wěn)，屬于量變階段。臨界鉆進規(guī)程時，鉆頭轉速和鉆壓乘積到達臨界值，發(fā)生質變，功率消耗急劇上升，隨之胎體溫度多倍提高，到了事故的邊緣(見圖6)［8］。

現在鉆機上一般都配有功率表。現場鉆機上應該隨時注意功率表讀數的變化，預防臨界規(guī)程的出現和發(fā)生。發(fā)現臨界鉆進規(guī)程出現征兆時，立即采取措施，即降低鉆壓或鉆頭轉速，把臨界規(guī)程降下來，或把鉆具提起來，盡快使其回到正常規(guī)程的條件下來。

圖6 不同鉆進規(guī)程條件下胎體溫度和功率消耗值變化情況

實驗研究和生產實踐證明，利用功率表顯示的功、率變化情況，可以判斷鉆頭工作是否正常，金剛石表面是否拋光，胎體磨損是否嚴重，鉆頭是否急劇升溫并可能燒毀，鉆頭是否在孔底打滑，鉆具是否在孔內、卡住，鉆進裂隙巖石時巖心是否自卡，等等。所以，、司鉆人員一定要注意并跟蹤功率表讀數的變化。

從數學上看，Pn=常數(臨界值范圍)是一個等軸雙曲線，因為鉆壓和鉆頭轉速都是正的，不可能是負的，所以我們取其為第一象限(見圖7)［9］。

圖7 鉆壓P和鉆頭轉速n的合理配合

從圖7可見，使用的規(guī)程乘積不應大于臨界值范圍，否則就會由正常鉆進規(guī)程變?yōu)榕R界鉆進規(guī)程，發(fā)生燒鉆、非正常磨損或其它事故。但是另一方面，Pn值不能太小，因為機械鉆速也隨鉆壓、鉆頭轉速及其乘積的增加而提高(見表3)［8］，所以應該采用強力規(guī)程。此外，如果Pn值太小，則功率也小，沒有得到充分利用，也是個浪費。

表3 機械鉆速與鉆頭轉速、鉆壓的關系

通過實驗研究或現場實踐確定(Pn)臨界值乘積范圍后(見圖7)，我們可從圖7上選用一條略低于臨界值范圍的強力規(guī)程曲線F=Pn，該曲線上有很多點，如 P1n1、P2n2、P3n3等，其中 P1＞ P2＞ P3，n1＜n2＜n3。為了便于討論，我們隨意從中選擇P1n1和P2n2兩個點。P1n1點是大鉆壓和小轉速的配合，P2n2點是小鉆壓和大轉速的配合。選哪一種配合，要根據所鉆巖石的物理力學性質決定。例如，對于可鉆性9～10級、研磨性不強的巖石來說，可以采取輕壓快轉的辦法，對于研磨性強(如石英含量大)的巖石來說，重壓慢轉更為合理。當然，還有其他組合。

實驗研究結果已經證明，當鉆進達到臨界規(guī)程狀態(tài)時，增加沖洗液量不能改變其臨界規(guī)程的性質，胎體溫度和功率消耗不會降低，鉆頭非正常磨損情況不會改變，發(fā)生事故的可能性不可避免。只有把鉆進拉回到正常規(guī)程時，調整沖洗液量才會發(fā)揮作用。

在金剛石鉆進時，鉆壓和鉆頭回轉速度可以決定鉆進速度和孔底巖屑的多少，但不能改變留在孔底巖屑的數量，而改變孔底巖屑數量在很大程度上取決于沖洗液的數量。沖洗液量過大時，會導致孔底沒有巖屑，全被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，結果是鉆頭拋光。沖洗液量過小時，不能排走孔底巖屑，滯留孔底巖屑過多，致使鉆頭產生非正常磨損，如拉槽、金剛石脫落等。只有沖洗液量合適時，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進，又不致于孔底巖屑過多而使鉆頭產生非正常磨損?？梢?，在這種情況下，沖洗液量大小是金剛石正常鉆進中非常關鍵的規(guī)程參數

正常鉆進條件下的巖屑規(guī)程，可用下式表示［5］:

式中:Q——沖洗液用量，m3/s;S∑——鉆頭沖洗系統(tǒng)過水通道總面積，m2;16×102～31×102——金剛石鉆頭最優(yōu)鉆進規(guī)程時進行正常鉆進的邊界條件范圍;16 ×102——邊界條件下限;31 ×102——邊界條件上限;VM——機械鉆速，m/s。

這個公式表明，機械鉆速與單位水口的面積的流速有非常直接的關系，所以為了保證正常鉆進，必須把產生的巖屑適量地排出去。公式的邊界條件說明，在金剛石鉆進條件下，在機械鉆速選定之后或保持機械鉆速不變的情況下，單位面積通道沖洗液流量與機械鉆速值之比低于下限16×102時，就會導致井底巖屑過多而對鉆頭胎體產生嚴重磨損;單位面積通道沖洗液流量與機械鉆速之比高于上限31×102時就會導致井底巖屑迅速排走，與鉆頭胎體接觸的巖屑過少，金剛石不能及時出露，從而使金剛石拋光。一般情況下，處于下限16×102m/s和上限31×102m/s之間時，就可以使鉆進處于正常鉆探過程之中，機械鉆速穩(wěn)定，因而可以增加回次時間，改善鉆頭工作條件，提高鉆探效率，提高鉆探的技術經濟指標。俄羅斯多年的鉆探實踐經驗證明，這個結論是正確的，取得了很好的技術經濟效果。當然，在我國鉆探實踐中，還要根據實際情況，對上限和下限進行合理選取與論證。

4結語和建議

(1)臨界鉆進規(guī)程，即鉆壓和鉆頭轉速的乘積的臨界值，是一條紅線，不可逾越。越過這條紅線，就會發(fā)生事故。這個概念的發(fā)現和提出，具有重要理論意義和實際價值。但是，正常鉆進時，鉆探技術經濟指標均與鉆壓、鉆頭轉速及其乘積的提高成正比，所以應該采用強力規(guī)程。因此，不是后二者越小越好，只是不能超越臨界規(guī)程罷了。實驗研究證明，臨界規(guī)程時，增加沖洗液量不能改變該規(guī)程的性質，只有在正常規(guī)程時，調節(jié)沖洗液量才能保證巖粉處于正常狀態(tài)，使鉆進過程正常進行。

(2)鉆壓和鉆頭轉速乘積臨界值是一個常數，這個常數可以通過實驗研究確定，也可以在鉆探現場根據實踐經驗或功率表讀數明顯變大到臨界值來確定。這個乘積臨界值在數學上是一條等軸雙曲線(見圖7)，在我們選用的F=Pn曲線上可以有多種鉆壓和鉆頭轉速的組合，如P1n1、P2n2等，可以根據所鉆巖石物理力學性質確定。例如，利用XY－4型鉆機，當動力機為1500 r/min時，正轉低速為101、187、267、388 r/min 4種鉆頭轉速，根據在橫坐標軸上的這4種轉速，我們就可以在縱坐標上找出4種相應的鉆壓來，供鉆進不同地層時合理配合選用。

(3)正常規(guī)程鉆進時，只有沖洗液量合適時，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進，又不致于孔底巖屑過多而使鉆頭產生非正常磨損?？梢?，在這種情況下，沖洗液量大小是金剛石正常鉆進中非常關鍵的規(guī)程參數。

(4)為了進行正常鉆進，不踩紅線，我們應該把經驗打鉆和科學打鉆結合起來。多數鉆機上都配備有功率表，建議充分發(fā)揮功率表的作用，注意觀察其正常鉆進時的讀數變化是否平穩(wěn)，更要觀察功率消耗突然猛增的情況，及時采取措施，防止臨界規(guī)程的出現，保證鉆進正常進行。此外，現在鉆機上多用泵壓表了解孔內情況，但是應該說泵壓表只能定性說明孔內鉆進情況，不能定量說明孔底沖洗液流量的情況，因此建議安裝沖洗液流量計。對于金剛石鉆進，特別是孕鑲金剛石鉆頭鉆進來說，流量計是不可缺少的。

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