劉學(xué)

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局607地質(zhì)隊(duì) 重慶 400056）

深孔鉆探金剛石鉆頭技術(shù)探討

劉學(xué)

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局607地質(zhì)隊(duì) 重慶 400056）

對(duì)高效長(zhǎng)壽命金剛石鉆頭從設(shè)計(jì)制造及實(shí)際應(yīng)用效果方面進(jìn)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(jié)構(gòu)形式。通過實(shí)踐應(yīng)用結(jié)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(duì)深孔強(qiáng)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(yīng)用效果非常好。

深孔鉆探；長(zhǎng)壽命金剛石鉆頭；繩索取芯

我國的礦產(chǎn)資源非常豐富，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的形式要求也發(fā)生了改變，盡管資源種類比較多樣，但是在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍然存在資源短缺的問題，阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，將資源勘探成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是固體礦產(chǎn)資源勘探工作量的增加，并且以深孔鉆探尤為突出，現(xiàn)階段我國范圍內(nèi)深度超過千米的鉆孔數(shù)量非常多。而進(jìn)行深孔鉆探，其主要的特點(diǎn)是孔壁穩(wěn)定性差、施工周期長(zhǎng)，隨著鉆孔深度的增加，取心及下鉆次數(shù)的增加導(dǎo)致鉆孔穩(wěn)定性大幅下降，孔內(nèi)事故發(fā)生率比較高；而且鉆桿頻繁的提升和下鉆，對(duì)鉆桿也會(huì)造成損傷。所以，按照深孔鉆探施工的特點(diǎn)和條件，要求提鉆間隔和回次進(jìn)尺間隔時(shí)間越長(zhǎng)越好，在巖石鉆探中，金剛石鉆頭的應(yīng)用非常廣泛，鉆頭質(zhì)量的好壞對(duì)鉆孔質(zhì)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(guān)鍵。針對(duì)深孔鉆探中，關(guān)于金剛石繩索取心鉆頭技術(shù)進(jìn)行研究，研制成新型高效長(zhǎng)壽命金剛石鉆頭，使提鉆和下鉆的次數(shù)減少，鉆頭在孔底工作時(shí)間鹽城，鉆探效果提高，縮短的地質(zhì)工作周期，促使我國深孔鉆探技術(shù)得到發(fā)展。

1 深孔鉆探金剛石鉆頭設(shè)計(jì)方法

由于深孔鉆探的難度非常大，施工更為復(fù)雜，因此對(duì)鉆頭的性能要求非常高，尤其是對(duì)金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)效率都提出了更高的要求。從鉆頭材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究入手，優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆頭的水路結(jié)構(gòu)及切削結(jié)構(gòu)，包含水路參數(shù)設(shè)計(jì)、金剛石參數(shù)、胎體性能、結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)制造工藝。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dǎo)致整體工作性能下降，使鉆頭的工作能力最大程度的發(fā)揮出來，從而使鉆頭的壽命和性能都得到提升，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 金剛石鉆頭設(shè)計(jì)研究思路

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，考慮到深孔鉆探的實(shí)際要求，以鉆頭的鉆速與使用壽命作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，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(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是設(shè)計(jì)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(duì)冷卻的效果的也要進(jìn)行加強(qiáng)，針對(duì)水路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yīng)該對(duì)鉆頭的保徑措施進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，一方面要達(dá)到保徑的目的，另一方面對(duì)鉆進(jìn)的效率還不能產(chǎn)生影響。所以，針對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮的主要因素包含結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水路布置已經(jīng)保徑設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(qiáng)度受水口結(jié)構(gòu)的影響等充分進(jìn)行考慮，進(jìn)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(dá)標(biāo)，并且對(duì)各水口處沖洗液的流量進(jìn)行合理布置。

圖2

1.2 超細(xì)粉末研究

長(zhǎng)壽命鉆頭研究的過程中，對(duì)超細(xì)粉末進(jìn)行研究是重要的技術(shù)之一，胎體結(jié)合劑對(duì)金剛石鉆頭的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響作用，在胎體材料中應(yīng)用超細(xì)合金粉末對(duì)胎體材料的性能能夠有效的改善，可在胎體材料中添加對(duì)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(shí)可將燒結(jié)溫度降低，金剛石的熱穩(wěn)定性有效的提高，胎體在燒結(jié)的過程中呈現(xiàn)出較好的成型性，從而使自身的力學(xué)性能得到提高。

1.3 金剛石參數(shù)及胎體性能設(shè)計(jì)

鉆頭胎體性能的研究過程中相對(duì)比較復(fù)雜，由于受不同地層巖性結(jié)構(gòu)的因香港比較大，所以進(jìn)行胎體性能設(shè)計(jì)時(shí)，要采用偏因素試驗(yàn)分析方法針對(duì)不同地層條件對(duì)不同胎體性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)胎體的耐磨性、硬度、抗沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度進(jìn)行研究中，要與胎體成分變化的規(guī)律相結(jié)合，在胎體耐磨性與硬度得到滿足的基礎(chǔ)上，要最大限度的使胎體的抗沖擊韌性與抗彎強(qiáng)度的奧提高，對(duì)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(xué)性能良好的關(guān)鍵，也是提高鉆頭使用壽命的基本條件。通過燒結(jié)工藝的優(yōu)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(shù)是否優(yōu)質(zhì)對(duì)鉆頭使用壽命也有一定的影響，所以，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)的金剛石參數(shù)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(chǔ)上，選擇無壓浸漬與熱壓二次鑲嵌兩種方法對(duì)鉆頭進(jìn)行制造。利用工藝研究實(shí)驗(yàn)確定胎體配方及浸漬金屬，優(yōu)化選擇浸漬時(shí)間和浸漬溫度，最后將燒結(jié)工藝參數(shù)確定下來。如果硬要二次鑲嵌式鉆頭，則先要通過試驗(yàn)確定預(yù)合金粉末的燒結(jié)壓力、溫度及保溫時(shí)間，最后對(duì)制造工藝進(jìn)行確定。

2 深孔鉆探鉆進(jìn)方法及注意事項(xiàng)

在進(jìn)行深孔鉆探的時(shí)候，由于地層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)存在較大的差異，不同性質(zhì)地層的特點(diǎn)也是不同的，因此要根據(jù)鉆孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理進(jìn)行鉆探，在鉆探過程需要注意以下問題：①如果鉆進(jìn)斷裂帶，通常會(huì)出現(xiàn)斷層、破碎及坍塌等現(xiàn)象，導(dǎo)致間隙小、流速大，泵壓的損耗也就相應(yīng)的加大，鉆頭下鉆難度也同時(shí)加大，容易在下入超深套管和鉆頭起拔時(shí)出現(xiàn)不到位、斷裂的現(xiàn)象。在實(shí)際鉆探中，通常采用擴(kuò)孔器或加大鉆頭外徑的方法來解決。②鉆頭鉆進(jìn)過程中，沖洗液的主要作用是保持孔內(nèi)的清潔，要隨時(shí)調(diào)整沖洗液的性能。③具體操作中，每一回次要進(jìn)行稱重，防止在斷鉆和脫扣時(shí)出現(xiàn)判斷失誤的現(xiàn)象，使簡(jiǎn)單事故復(fù)雜化，對(duì)機(jī)上余尺在每一回次要準(zhǔn)確丈量，一旦出現(xiàn)事故，該尺寸可對(duì)故障位置準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。④對(duì)孔內(nèi)返水、泵壓、異響及電流變化要隨時(shí)進(jìn)行注意及觀察，避免出現(xiàn)斷鉆、燒鉆現(xiàn)象的發(fā)生。⑤進(jìn)鉆過程中，由于孔深逐漸加大，所以下鉆或提鉆使，孔內(nèi)的摩擦阻力都比較大，所以在鉆進(jìn)時(shí)，先將鉆頭離開孔底，緩慢輕合離合器，待鉆速達(dá)到預(yù)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(duì)鉆桿造成損傷。

3 針孔鉆探金剛石鉆頭的應(yīng)用

以某磁鐵礦鉆探為例，對(duì)普通鉆頭和新型鉆頭（圖3）的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(qū)實(shí)際應(yīng)用中，新型鉆頭的平均使用壽命為80m，最高壽命可達(dá)180m，使該礦區(qū)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(dá)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(jìn)行鉆探，鉆頭的機(jī)械鉆速為每小時(shí)2～3m，平均使用壽命90m左右，最高使用壽命達(dá)到197m，比普通鉆頭的使用壽命高出2～3倍，使地質(zhì)鉆探工作周期大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了快速鉆探取樣，同時(shí)也滿足繩索取心鉆進(jìn)、深孔鉆進(jìn)的要求，實(shí)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(jié)論

在深孔鉆探中，應(yīng)用新型高效長(zhǎng)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(jiān)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(jiān)硬強(qiáng)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(shù)的發(fā)展，鉆孔深度也不斷增加，金剛石鉆頭的鉆進(jìn)速度及使用壽命必定會(huì)成為使用者關(guān)注的重點(diǎn)，相關(guān)研究人員在對(duì)金剛石鉆頭進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須不斷的開發(fā)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使鉆頭鉆進(jìn)速度提高，使用壽命延長(zhǎng)，隨著各種新材料和新技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆頭工作層高度也會(huì)不斷提高，鉆頭的使用壽命也會(huì)得到不斷的延長(zhǎng)。

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A

1004-7344（2016）23-0177-02

2016-7-23

劉學(xué)（1987-），男，助工，本科，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探方面工作。