王 強， 朱恒銀， 楊凱華

(1.安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽 六安 237010； 2.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

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深部鉆探金剛石鉆頭設計思路

王 強1， 朱恒銀1， 楊凱華2

(1.安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽 六安 237010； 2.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

針對深部鉆探特點，從金剛石鉆頭類型、胎體設計、金剛石參數(shù)設計、鉆頭結構及熱壓參數(shù)等方面進行了分析研究，提出了深部鉆探金剛石鉆頭的設計思路。在多個深孔鉆探的應用中取得了良好的效果。本文總結的深孔金剛石鉆頭設計與使用體會，可為鉆頭研究人員提供一定的借鑒，同時對廣大鉆探工程技術人員合理選擇、使用金剛石鉆頭具有一定的指導意義。

深部鉆探；金剛石鉆頭；巖石性質；設計思路

0 引言

隨著我國礦產資源的不斷勘探和開采，淺部礦產資源逐漸枯竭，深部找礦已經成為我國地質找礦事業(yè)的發(fā)展方向。深部鉆探技術是實現(xiàn)深部找礦不可或缺的重要手段，對保障國家能源安全，緩解資源供需矛盾具有十分重要的意義。深孔巖心鉆探多采用繩索取心鉆進方法，而金剛石鉆頭的壽命與切削效率是影響繩索取心鉆進效率的重要因素。如果鉆頭壽命過短，則直接造成提鉆間隔縮短，繩索取心的優(yōu)越性則無法體現(xiàn)。但是隨著鉆孔向深部發(fā)展，巖性復雜多變，巖石的硬度、研磨性與致密程度變化很大，這給鉆頭設計、鉆頭選型和鉆頭的合理使用，提出了更高的要求。

1 深部鉆探的特點

深孔中巖層的復雜性和多樣性，使得鉆進出現(xiàn)許多難以預料的問題，例如：鉆孔彎曲嚴重、巖心采取率低、孔內事故頻頻出現(xiàn)等。多數(shù)深孔鉆進都采用純繩索取心鉆進方法，少數(shù)鉆孔采用繩索取心加液動錘組合鉆具鉆進。由于采用多級孔徑結構和采用多級鉆具結構，鉆具的穩(wěn)定性、泥漿的循環(huán)以及鉆進中壓力和鉆進扭矩等都發(fā)生了很大的波動與改變，甚至出現(xiàn)超乎常規(guī)的鉆進現(xiàn)象，因此，鉆進參數(shù)等都將隨之發(fā)生改變，對鉆頭的結構與性能提出了新的要求。

1.1 鉆頭轉速較低

深部巖心鉆探多采用地表驅動方式，加之孔身自然彎曲和鉆桿加工質量問題，鉆桿柱在鉆進過程中往往承受著拉、壓、彎、扭和摩擦力的復雜交變應力，從而成為整個鉆進系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，容易導致孔內事故。在這種情況下，鉆頭的轉速受到了一定限制，難以像淺孔那樣采用高轉速為主的鉆進參數(shù)，鉆頭轉速一般取淺孔的50%左右(2000 m以深轉速取200 r/min左右)。

1.2 鉆進壓力波動大

深部鉆進一般很難控制孔底實際壓力?？咨碜匀粡澢豌@具回轉、沖洗液循環(huán)等因素都將影響鉆壓傳遞效率，而鉆壓傳遞效率很難用計算方法得出。目前小口徑鉆進參數(shù)儀也不具備測試孔底鉆壓的功能，只能憑經驗判斷。所以，孔底實際鉆壓明顯低于地表顯示的鉆壓，且波動大，難以實現(xiàn)恒壓鉆進。

1.3 沖洗液量損失大

由于深孔沖洗液循環(huán)阻力大，泵壓高，在超長鉆桿柱的大量接頭中容易出現(xiàn)沖洗液滲漏，使到達孔底的液量不足，冷卻鉆頭、懸浮攜帶巖粉效果差，導致重復破碎、鉆頭微燒等。

由于設備能力、鉆桿柱強度不足，深孔往往不能一徑到底，一般采用塔式鉆具組合，導致下部孔段沖洗液上返流速快，上部慢，懸浮攜帶巖粉能力差。

1.4 巖性多變、鉆孔結構復雜

深部鉆探鉆遇地層多而復雜，巖石可鉆性跨度大，地層的多變性決定了鉆孔結構的復雜性，鉆具級配多樣性，孔底工作環(huán)境和鉆進參數(shù)的多變性。

2 深部鉆探金剛石鉆頭設計思路

基于上述深部鉆探的基本特點，對于鉆頭的性能要求和鉆頭設計多了一層考慮的因素。

金剛石鉆頭是目前最銳利的破碎巖石的工具，金剛石硬度極高，從理論上說，金剛石鉆頭可以順利地在各種巖層中鉆進。但在實踐中往往出現(xiàn)進尺慢，甚至不進尺或者鉆頭壽命較短的情況，這些現(xiàn)象歸結起來說明一個問題：金剛石鉆進中所用的鉆頭性能必須和所鉆巖石的性質相適應，必須和鉆進方法與鉆進工藝參數(shù)相適應。這是提高金剛石鉆進水平，獲得良好技術經濟指標的一個重要環(huán)節(jié)。

2.1 金剛石鉆頭的類型

孕鑲金剛石鉆頭可用于鉆進硬至堅硬、不同研磨性的巖層；其中均勻性差、完整度差甚至破碎的地層，更以選用孕鑲金剛石鉆頭為佳；孕鑲金剛石鉆頭應用范圍較廣，基本涵蓋可鉆性5～12級的各類巖石。孕鑲金剛石鉆頭不僅能夠很好地用于純回轉鉆進方法，還能夠適應于沖擊回轉鉆進方法；不僅適應于取心鉆進，也能適應于全面鉆進。

在中硬及硬巖層、完整的巖層以及較低至中等研磨性的巖層中鉆進，則以選用優(yōu)質PCD和PDC鉆頭為好，也就是對于可鉆性8級以下(含8級)的各類巖石，PCD和PDC鉆頭是首選鉆頭，因為這兩類鉆頭的鉆進時效較高，鉆頭的使用壽命較長。

在巖層變換頻繁、軟硬差別較大的地層且又不可能隨巖層變化而頻繁更換鉆頭時，就需要研制廣譜型鉆頭，以使鉆頭的適應面更加廣泛，有利于提高深孔繩索取心鉆進效率。

對于繩索取心金剛石鉆頭，必須要求其具有較好的廣譜性能，同時具有良好的保徑效果，以滿足繩索取心鉆進要求。因此，可以考慮設計和制造高工作層鉆頭，或雙水口金剛石鉆頭，其工作層高度可以達到14～16 mm，可以獲得良好的鉆進指標，滿足深孔鉆進的需要。

2.2 金剛石鉆頭的胎體性能

由于深部鉆探巖層復雜多變，金剛石鉆頭在孔底承受著復雜的壓、扭和沖擊應力。鉆頭胎體是粘結金剛石和鉆頭鋼體的載體，因此,對鉆頭胎體性能提出了較高的要求。

金剛石鉆頭的質量指標主要有硬度、耐磨性、抗沖擊韌性、抗彎強度和胎體線膨脹系數(shù)，另外，還有胎體密度、胎體熱性能和包鑲金剛石能力等。胎體密度實際上間接反映了胎體硬度和耐磨性；胎體熱性能涉及其線膨脹系數(shù)；而包鑲金剛石能力的指標雖然重要，但難以用儀器檢測。在這些胎體性能指標中，硬度與耐磨性是最重要的指標，關系到鉆頭對巖石的適應性和鉆進效率。熱壓金剛石鉆頭的胎體性能主要由胎體材料和熱壓工藝確定，其中前者是矛盾的主要方面。深部鉆探對金剛石鉆頭胎體性能的基本要求如下：

(1)要有足夠的抗壓、抗沖擊強度和硬度，且胎體硬度與所鉆巖石相適應；

(2)對金剛石有良好的潤濕性，能把金剛石牢固包鑲住，同時具有一定的化學穩(wěn)定性，在高溫下不與金剛石起反應；

(3)熔點較低，對金剛石的熱腐蝕作用小；

(4)胎體的線膨脹系數(shù)與金剛石盡可能接近，減少金剛石的應力影響；

(5)易于成形，并能與鉆頭鋼體牢固地焊接。

鉆頭胎體的性能要適應所鉆進巖層的性質，確保金剛石能夠適時出刃，這是孕鑲金剛石鉆頭的設計與選型的基本要點。根據(jù)深部鉆探特點，可以采用預合金粉作為胎體材料，這是由于預合金粉比機械混合粉末元素分布均勻，從根本上避免了成分偏析，使胎體組織均勻、性能趨于一致；預合金粉合金化充分，使胎體具有較高硬度及抗沖擊強度，可大大提高鉆頭的抗壓、抗彎強度，增強對金剛石的包鑲能力，提高金剛石鉆頭壽命。

2.3 金剛石鉆頭的結構

深部鉆探用金剛石鉆頭在結構設計上，要減少鉆頭底唇面與巖石的接觸面積，可設計成階梯形、錐形、交錯齒形、環(huán)齒形等異形結構，增加鉆頭克取孔底巖石的自由面，形成剪切破碎，提高碎巖效率。同時為提高壽命，可適當增加鉆頭工作層的高度。

深部鉆探沖洗液循環(huán)阻力大，冷卻鉆頭、懸浮攜帶巖粉效果差，這就對金剛石鉆頭的排粉冷卻性能提出了更高的要求。在鉆頭水口設計上，要加深、加大鉆頭水口、水槽(或設計雙層水口等)，增加過水斷面，強化孔底橫向漫流，提高清洗效率，保證有充分的排粉冷卻能力。

深部鉆探用金剛石鉆頭內外徑保徑要加強，可增加保徑聚晶材料的安放高度或者采用單粒金剛石保徑等方法。

鉆頭結構設計應根據(jù)實際鉆遇地層進行匹配。例如對于深孔中鉆進硬至堅硬、致密與弱研磨性巖層的鉆頭，可以采用輪齒形結構的鉆頭(見圖1)和輪齒環(huán)槽形結構的鉆頭(見圖2)，還可以采用單雙齒型鉆頭等。這些結構形式的鉆頭，都具有一個共同點就是鉆頭的底唇面面積較小，一般在45%～55%，鉆進時的比壓值較大，金剛石能夠比較有效地切入巖石；同時，能夠在孔底形成多環(huán)破碎，形成較多的自由面，從而提高鉆進速度。

圖1 普通輪齒形金剛石鉆頭 圖2 帶環(huán)槽輪齒形金剛石鉆頭

自磨出刃同心圓齒熱壓鉆頭(見圖3)也是一種結構較為合理的金剛石鉆頭，它的性能可調范圍較廣，是制造廣譜性能鉆頭的一種較好的結構形式。

圖3 自磨出刃同心圓齒鉆頭結構示意

鉆進不完整、破碎、巖心易受沖蝕的巖層時，巖心采取率是一項重要的鉆進指標。除了選擇合理的巖心管結構外，鉆頭的結構也不可忽視。可采用底噴式結構的鉆頭，例如導向式單階梯底噴唇面、內階梯式底噴唇面等，都可以收到良好的效果。

2.4 金剛石參數(shù)

深部鉆探中，由于鉆頭轉速低，破碎巖石方式較淺孔高轉速磨削破碎巖石不同，在金剛石參數(shù)設計時要考慮以下幾點。

(1)鉆頭在深孔中工作環(huán)境惡劣，鉆頭底唇面上的金剛石受沖擊與振動較大，要求金剛石要有較高的強度和抗沖擊能力。

(2)深孔孔底鉆壓難以精確控制，為保證作用在每粒金剛石上的壓力滿足破碎巖石要求，在相同鉆壓情況下，鉆頭底唇面上金剛石濃度要小。

(3)在深孔低轉速情況下，要以剪切破碎巖石方式為主，要求金剛石顆粒切入巖石的深度要大，金剛石的顆粒應較粗。

因此，在深孔用鉆頭設計上，應盡量選擇高品級、較大粒徑(較大粒徑為主，同時搭配一定的中粒、細粒金剛石，提高對巖層的適應性)、低濃度的金剛石參數(shù)。具體的金剛石參數(shù)設計要根據(jù)實際巖石的物理力學性能(巖石的壓入硬度、巖石的研磨性等)以及地層完整程度而定。

3 熱壓工藝參數(shù)

熱壓工藝也是影響金剛石鉆頭性能的重要因素。熱壓工藝參數(shù)主要指燒結溫度、壓力和保溫時間以及出爐溫度。熱壓工藝參數(shù)中，需要重點考慮的是燒結溫度和壓力，同時不能忽視保溫時間的影響。深孔繩索取心鉆進，為增大提鉆間隔，提高純鉆進時間利用率，提高鉆頭壽命，可適當提高燒結壓力，增強胎體的耐磨性及抗沖擊性能。燒結溫度設計的基本依據(jù)是胎體成分中骨架材料的含量以及粘結金屬的含量，要盡量減少對金剛石的熱腐蝕。保溫時間的長短，要依據(jù)設備的能力、鉆頭的類型與規(guī)格、升溫速度的大小等確定，一般深孔繩索取心鉆探用金剛石鉆頭保溫時間可適當延長。

4 深部鉆探金剛石鉆頭應用及效果

結合生產實踐，將設計的深部鉆探用金剛石鉆頭在江西贛州南嶺3000 m科學鉆探NLSD-1孔、安徽廬樅3000 m科學鉆探LZSD-1孔、安徽壽縣正陽關深部找礦ZK04孔等深孔中應用，鉆遇典型巖樣見圖4～圖6。經試驗結果對比分析，研制的金剛石鉆頭最高壽命341.35 m，平均壽命與普通外購鉆頭相比，?97 mm鉆頭壽命提高1.98倍，鉆進效率提高12.77%；?77 mm鉆頭壽命提高1.5倍，鉆進效率提高44.94%，取得了良好的應用效果。

圖4 ZK04孔細粉砂巖

圖5 NLSD-1孔角閃石英二長變粒巖

圖6 LZSD-1孔含角閃石斜長玢巖

通過深部鉆探實踐，得到了以下金剛石鉆頭設計與使用的啟示。

(1)2000 m以深的深部鉆探用孕鑲金剛石鉆頭設計應以低轉速、低鉆壓鉆進參數(shù)為主導，改變金剛石鉆進必須通過高轉速獲得高鉆速的傳統(tǒng)思路。

(2)金剛石鉆頭結構參數(shù)的設計或選擇必須與所鉆巖石的研磨性、可鉆性相適應。

(3)應加強鉆頭的內外保徑、合理設計水口、水槽，避免鉆頭異常磨損而報廢。

(4)深部鉆探應以鉆頭壽命為主(提鉆間隔)，時效次之，不宜追求過高時效，以防鉆頭壽命過短及單位時間產生巖粉過多，深孔條件下無法及時排出而造成孔內事故。

(5)深孔孔底鉆壓難以控制，波動較大，在回次中應提倡恒壓鉆進，在轉速、沖洗液量正常的情況下，不要隨意改變參數(shù)，以免影響鉆進效率和造成鉆頭事故。

5 結論

(1)由于深部鉆探的特點，決定了所鉆巖石的多樣性和復雜性，同時，必然增加鉆探工程的難度。本文通過對深部鉆探特點和鉆進參數(shù)特點較深入的分析，為鉆頭設計提供了可靠的依據(jù)，具有明顯的實際意義。

(2)本文從鉆頭的胎體性能、鉆頭的結構以及金剛石參數(shù)等幾個方面進行了分析，總結了鉆頭與巖層相適應的內在聯(lián)系，明確了鉆頭的設計依據(jù)和設計的基本方法，對廣大鉆頭設計人員具有一定的實用參考價值。

(3)金剛石鉆頭的性能、巖石的性質與鉆進工藝是一個完整的系統(tǒng)工程，相互約束，互為條件，共處于一個系統(tǒng)之中。要想取得好的鉆進效果，設計的鉆頭性能必須與巖石性質基本相適應，必須要有合理的鉆進工藝相配合。

[1] 朱恒銀，王強，楊展，等.深部地質鉆探金剛石鉆頭研究與應用[M].湖北武漢：中國地質大學出版社，2014.

[2] 朱恒銀，王強，楊凱華，等.深部巖心鉆探技術與管理[M].北京：地質出版社，2014.

[3] 劉廣志,等.金剛石鉆探手冊[M].北京：地質出版社，1991.

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[8] 沈立娜,阮海龍,李春,等.堅硬致密“打滑”地層新型自銳金剛石鉆頭的研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(11):57-59.

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[10] 肖麗輝,李國民,劉寶林.高胎體金剛石鉆頭設計制造中的幾個關鍵技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(6):77-79.

Design Idea of Diamond Bit in Deep Hole Drilling

WANG Qiang1, ZHU Heng-yin1, YANG Kai-hua2

(1.No.313 Geological Party of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Lu’an Anhui 237010, China; 2.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

This paper presents the characteristics of diamond bit in deep hole drilling. The types of diamond bit, matrix design, diamond parameter design, bit structure and hot pressing parameters are analyzed, the design ideas of diamond bit in deep drilling are put forward, which have been applied in several deep holes drilling with good effects. The design of deep hole diamond bit and the practice experience are summarized, which can be a certain reference for diamond bit selection and application.

deep hole drilling; diamond bit; rock property; design idea

2016-12-24；

2017-04-19

王強，男，漢族，1986年生，工程師，探礦工程專業(yè)，碩士，從事深部鉆探技術研究與施工工作，安徽省六安市東七里站，307211839@qq.com。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)05-0084-04