金刚石钻进

我国金刚石钻进技术的研究工作，，1963年制成了表镶天然金刚石钻头。与此同时，人造金刚石在我国也已开始制造;1972年制成了人造金刚石钻头并试用于生产实践中;此后，金刚石钻进技术在我国迅速发展起来，人造金刚石厂和钻头制造车间大量兴起，产品成倍增加，质量不断提高，品种亦不断增多，制造钻头的新方法也相继研究成功。在钻探设备方面还研制出多种适用于小口径金刚石钻进的新型钻机;小口径管材和工具亦形成系列;此外，还研制出各种适用的冲洗液及孔内、地表用的各种仪表。

现今。金刚石钻进技术已推广到全国各行业的矿山勘探中。

金刚石钻进的常用钻具由钻头1、扩孔器2、岩心管3、异径接头4和钻杆5等所组成，如图 3 1所示。钻头1镶有作为切削具的金刚石以破碎岩石;扩孔器2上也镶有金刚石以修整孔壁;岩心管3以容纳所钻岩心，有单层与双层之分。双层岩心管应用较为广泛。

单层岩心管如图 3 2(a)所示;卡簧2装在钻头1上方的扩孔器3内，提钻时，卡簧可把岩心卡住并随钻具提出孔外。单管钻具只用于钻进完整地层。双层岩心管如图 3 2(b)所示;内管7是静止不转的，可容纳岩心使之不受扰动。外管6传递扭矩于钻头1。冲洗液经内外管间隙流向孔底，使岩心不受冲蚀。内管下端装有卡簧2的卡簧座，其作用与单层管相同。

实践证明，金刚石钻进比其它钻进方法有许多优越性，它具有钻进效率高、钻探质量好、孔内事故少、钢材消耗少、成本低及应用范围广等特点。

金刚石钻进的孔径不受限制，最小为28mm，最大达30mm;。因此，它广泛地用于金属和非金属、煤田、石油等地质勘探中，也用于石油、天然气、地下水的开采及其它工程孔上。

金刚石钻进的钻孔倾角不受限制，它不仅能钻垂直孔、斜孔，还能钻水平孔和仰孔，因此，它可广泛用于隧道掘进工程及矿山坑道中钻凿爆破孔和追索矿体的勘探孔钻进中。

金刚石钻进与其他钻进方法一样。在正确选择钻头的情况下，其钻进效率取决于钻进规程参数，即:钻压、转速与泵量。

确定金刚石钻进规程参数时，除了考虑机械钻速外，还要充分考虑钻头的寿命问题。因为，钻头费用在钻进成本费用中占有很大部份，所以，判别规程参数的合理与否，主要看机械钻速和金刚石的消耗量(carat/m)。

金刚石钻进中，钻压既要保证金刚石能有效地切入岩石，又要保证不超过每颗金刚石的允许承载能力。即:作用于钻头上的钻压，应使每粒工作的金刚石与岩石的接触压力既要大于岩石的抗压入强度，又要小于金刚石本身的抗压强度。

生产实践证明，金刚石钻进的机械钻速与钻压有密切关系，如图 3 32所示。

当钻压很小时(Ⅰ区)，达不到破碎岩石的强度极限，破碎过程主要依靠金刚石与岩石间摩擦力引起表面研磨而实现的。在此情况下，机械钻速低，钻速随钻压的变化几乎呈直线关系。

当钻压增大到岩石抗压强度值时(Ⅲ区)，机械钻速大大提高，并随钻压的增大约呈直线增长，此时岩石破碎呈现为体积破碎。

由表面破碎(I区)过渡到体积破碎(Ⅲ区)经过Ⅱ区，在此区域内，破碎速度的增长快于钻压的增大。脆性岩石，钻压在接触面上达不到岩石破碎极限值，但沿接触面外缘能产生裂隙或部分破碎。塑性岩石，则不足以引起接触面积上的破碎。

如钻压大大超出允许限度时(Ⅳ区)，钻速虽有提高，但随之也出现一些不利因素，如:岩屑颗粒增大，胎体唇面与岩石面之间的间隙减小，大粒岩屑在间隙中再次破碎研细，致使金刚石、胎体无益磨损，引起金刚石过多出露和早期脱落。此外，岩粉量的增多，有碍于钻头唇下冲洗液的流动，甚至堵塞通路。若钻压进一步加大，会导致金刚石崩刃或压碎。因此，在Ⅳ区内，机械钻速增长将小于钻压的增长，甚至钻速下降。

综上所述，钻压应有一个优值区。

1.表镶钻头的钻压

表镶钻头的钻压可按岩石的抗压强度计算:

(N) (3 1)

式中:σ-岩石抗压强度，MPa;

m-钻头唇面金刚石粒数;

η-金刚石参加破碎岩石的系数，约为2/3~3/4;

S-单粒金刚石与岩石接触面积，m。

常见的岩石抗压强度可见表 2 4。

不同粒度的金刚石与岩石的接触面积，如表 3 20所示:

表 3 20 不同粒度的金刚石与岩石的接触面积

计算式中系数μ，在新钻头初下孔时可取小值。经过一段时间磨合后，参加工作的金刚石增多，可取大值。当钻头一直用到有金刚石脱掉时，μ值取2/3或更小。

为了简化计算条件，可采用单粒金刚石容许载荷来汁算:

(N) (3 2)

式中:p0-单粒金刚石容许载荷，一般取:15~25N。

2，孕镶钻头的钻压

在孕镶钻头上细粒的金刚石均匀地分布在工作层胎体中，钻压如按参加切削岩石的金刚石粒数来计算是比较困难的，因此，只能粗略的计算。

设钻头上的金刚石浓度为c(400%制)，粒度为a(粒/克拉)，则单位体积工作层中的金刚石粒数为:

(粒/cm3) (3 3)

单位面积上的金刚石数为:

(粒/cm3) (3 4)

考虑到金刚石排列不均匀性，在同一面上m0粒金刚石不可能同时裸露出刃，而参加切削岩石的只是其中一部分。因此，工作唇面为S的钻压为:

(3 5)

式中:p0-加在单粒金刚石上的荷载，约为0.5~0.8N;

η-金刚石参加切削的比例参数，0.4~0.6;

S-钻头唇部工作面积，cm2

钻头唇部工作面积可近似算为:

(3 6)

式中:D–钻头唇部外径，cm;

d-钻头唇部内径，cm;

b-水口宽，cm;

n-水口数。

孕镶钻头的钻压也可如下求算:细小的金刚石，与岩石的接触面积可近似取其自身断面面积。根据矿物定量分析原理，不论金刚石的颗粒大小，若其浓度相同，在工作层某一断面上金刚石断面的总和是相等的。据此，则钻头上载荷为:

(3 7)

式中:pm-加在金刚石单位面积上的荷载，N·m-2;

S0-金刚石断面面积总和，cm2;

η-金刚石参加切削的比例系数，0.4~0.66。

金刚石断面面积与钻头唇部工作面面积的百分比，称为"布满度"，以e表示:

(3 8)

则式(4 7)可写成:

(3 9)

式中，当人造金刚石时，pm值取(2800~3200)×104N/m2;天然金刚石时，取(3000~3400)×104N/m2。

布满度e与浓度c的关系为:

(3 10)

按计算，得值列于表 3 21

表 3 21 金刚石浓度与布满度对照表

3.聚晶金刚石钻头的钻压

聚晶金刚石钻头的钻压，可用公式(4一1)求算，这里η=1。

(3 11)

式中:S-金刚石聚晶体断面面积/mm2

表 3 22，列出了一般常用的钻压值(单位为N)。供选择参考。

表 3 22 金刚石钻进钻压值

注:横线下为厚壁钻头的钻压

4.钻压的调节

不论是计算钻压值或表列数字都是正常钻进的钻压，实际生产中应根据县体情况进行调节。

岩石完整、硬度高、中等研磨性，宜采用大钻压:岩石较软、研磨性强、裂隙发育、破碎、不均质等，应采用小钻压。

金刚石晶形完整、椭圆化、抛光处理的。可采用大钻压:晶形有缺陷、品级低的应选用小钻压，同样浓度的钻头，金刚石颗粒大的用小钻压，颗粒小用大钻压。

新钻头下孔，其唇部形状与孔底形状不适应，其钻压需减轻到正常钻压的1/4~1/5，经过一段时间磨合后，再增到正常钻压。

在钻孔弯曲、超径的情况下，钻压要适当降低。

孔内发生异常，如:泵压升高，转矩增大等现象发生时，都应减轻钻压观察。

钻压还要与钻头转速相配合，一般情况下，转速较高时，钻压则须适当降低。

钻进中，钻压应保持平稳，不得大幅度调节。钻速降低时，不许盲目地超额加压。

必须指出，这里所说的钻压是指纯加在钻头上的力，至于冲洗液对钻具的浮力、水压反作用力以及钻具摩擦阻力等都是应在确定机械给进压力时加以考虑的。

金刚石钻进中，钻头转速是决定钻进效率重要参数之一。在一定条件下，转速愈高，则钻速也愈高，这已被多种岩石试验所证实，如图 3 33所示。

孕镶钻头的金刚石颗粒细小，切人岩石浅，只有靠单位时间内进行多次破碎才能获得高效。因此，要求转速更高，以圆周线速度计，一般为1.5~3.0m/s。

表镶钻头因为金刚石出刃大，受到振动易损伤，所以转速应该相对较低，圆周线速度1~2m/s。

根据转速v求转数n。

式中:v-圆周线速度;

Dcp-钻头平均直径/mm。

不同直径的钻头转数可从表 3 23中选取。

聚晶钻头转数，可参考表镶钻头转数来选取。

不论是计算或查表，都可以看出，转速的调节范围是很大的。钻进中，要根据具体情况进行选择。

从岩石性质来说，若岩层完整、质均或较软，可选用高转速;若岩层破碎，层理发育或较硬，宜选用低转速。

从钻头质量来说，钻头质量好，金刚石品级高。宜采用高转速:若钻头质劣，金刚石品级低，宜采用低转速。此外，调节转速还要考虑到金刚石的粒度:颗粒小选高转速;颗粒大选低转速。

表 3 23 不同直径的钻头转数

如金刚石粒度为10粒/克拉，直径为2.1mm，钻头回转线速度为1.5m/s。若换用粒度30粒/克拉、直径为1.5mm金刚石的钻头时，允许圆周线速度为1.95m/s。当稳定性差、高速回转振动加剧时，圆周线速度可取小一些。

新钻头下孔，须用低速试钻数分钟、无异状后，再转入正常转速。

正常钻进中，如发现孔内有异常响声、激烈振动或转矩增大等现象时，则须立即降低转速仔细观察。

当级配不合理(孔径与钻杆直径差值大)、钻孔弯曲等时，都不能用高转速。

由于机械钻速是随转速呈直线变化的(图 3 33)。因此，在容许范围内尽量采用高转速钻进。但是，在钻压不变情况下，转速升高到一定限度时，钻速有不再增长的趋势，这是由于金刚石在激烈摩擦中损坏所致。所以，转速要与钻压配合运用，即转速升高到一定限度时，势必降低钻压。

金刚石钻进，钻头转数划分为四级:

(一)金刚石钻进冲洗的意义

金刚石在破碎岩石过程中，沿着移动方向的功消耗于破碎岩石和克服摩擦上。试验证明，消耗在摩擦上的功是很大的。摩擦功转化为热能可使金刚石强度降低、石墨化而导致早期磨损。按能量转换计算，钻进中在正常钻压、转速情况下，如断绝冷却2min，钻头便烧毁。因此，金刚石钻进时必须充分冷却钻头。

钻进中的钻头，其工作面下的间隙很小，金刚石前面的岩石颗粒被压皱凸起的岩石抬起，对胎体进行削蚀，如图 3 34所示。部分岩屑颗粒被挤压在金刚石下遭到重复破碎，无益地磨损金刚石。被挤压的岩粉还会垫起钻头，阻碍其破碎岩石，这就需要强大的冲洗液把岩粉及时带走并排出孔外。

此外，高速回转的钻具与孔壁激烈摩擦，其摩擦阻力是很大的，这也需要冲洗液来润滑。

(二)冲洗液量的确定

综上所述，金刚石钻进的冲洗液量应从以下三方面来考虑:保证钻头充分冷却;保证把岩粉从钻头下带走，和把岩粉排出孔外。

1.冷却钻头的需要量

设送到钻头处的冲洗液温度为t1，经过钻头唇面吸收了摩擦热而使温度到t2。若冲洗液量Q维持温度不再升高，则按热量平衡可列出下式:

(3 13)

式巾:C-冲洗液比热，J·(kg·K)-1;

Q-冲洗液量，L/s(取1L的质量等于1kg):

L-消耗于磨擦的功，kJ。

于是得冲洗液量为:

(L/s) (3 14)

因为L=Pfu，所以:

(L/s) (3 15)

式中:P-钻头钻压，N;

f-钻头与岩石的摩擦系数，0.3~0.5;

u-钻头回转线速度，m·s-1。

由试验得知:若温度t2与t1的差值不超过10K(开氏温度标度)，即可保证钻头的安全工作。因此，计算时应取t1–t2=10K。冲洗液比热c取水的比热值c=4.2×103J/kg·K。

2.从钻头工作面下带走岩粉所需的冲洗夜量

冲洗液从钻头底面下流出，其中，从唇面、岩石面之间间隙流过者，因阻力大，流速低，称为"缓流";从水口流出者，因阻力小，流速高，故称之为"急流"。表镶钻头唇面、岩石面间的间隙较大，缓流冲洗液能够直接起冷却、排粉作用。孕镶钻头，唇面、岩石面之间间隙小，缓流水几乎不能起冷却、排粉作用，这种情况下，金刚石的冷却主要靠急流冲洗液，岩粉也靠这急流水排除。

基于这种情况，如只按冷却钻头的需要量供给冲洗液是不够用的，还必须满足急流水冲洗液量把钻头下面的岩粉冲出来。此时计算式如下:

(L/min) (3 16)

式中:Sk-水口流水断面面积和，cm3;

vk-水口处急流水的流出速度，m·s-1

ε-孔底结构形状系数。

由试验得出:急流水的流速应不低于1.5~2m/s时才有效。系数ε取1~1.5，孔底断面为平、弧形的取1;阶梯形、锯齿形取1.5。

3.岩粉离开孔底沿孔壁、钻具之间的环状间隙上升所需的冲洗液量(上升速度应不小于0.3~0.5m/s)。

依此计算冲洗液量为:

(L/min) (3 17)

式中:Sn-钻孔与钻具之间的最大环状间隙断面面积，cm2

un-冲洗液流上升速度，m·s-1。

从冲洗液量的上述三种计算所得值中，选取最大值作为应用量。因为按岩粉升速计算值为最大，且条件简单，所以该式普遍用于生产中。

应该指出，这里所计算的冲洗液量乃是纯送到孔底的量。但在实际生产中，送入孔内泵量都远大于这个计算量，这是考虑到输送管路中漏失的缘故。

常用泵量(单位为L/min)如表 3 24所示。

表 3 24 常用泵量

无论是计算冲洗量或表中所列泵量，在实际应用中要根据具体情况进行调节。如钻速高、岩石粗糙或研磨性强等，应采用大泵量;反之应采用小泵量。此外，泵量还要随着钻孔的延伸适当增加。

泵量大，对冷却钻头、清除岩粉都是有益的。但泵量太大，泵压势必升高，会促使钻压降低。高速液流有时对孔壁有冲刷作用，并对不稳定地层会加剧其恶化。

经验证明，金刚石钻进对冲洗液量的要求并不是太严的，但是必须保证不断供应，钻进中不允许有片刻停水;钻杆接头严密不漏水，确保水泵工作良好，最好不用分流方式调节泵量。

(三)泵压

钻进中，要时刻地注意泵压的变化。在正常情况下，泵压应为:

(kPa) (3 18)

式中:p0-水泵管路、岩心管及钻头等通路的压力损失(约为8kPa);

Δp-单位孔深的压力损失(约为2kPa/m);

L-孔深，m。

钻进中，如发现泵压突然降低，可以判断为冲洗液在输送途中漏失，没有送到孔底，或水泵出现故障;如泵压突然升高，可以判断为水路堵塞，冲洗液流动不畅。这些现象出现，都对冷却排粉不利，须停钻检查，不许勉强钻进。

为了减轻高速回转钻具与孔壁的摩擦阻力，冲洗液应具有润滑性，如采用乳状液、加润滑剂的低固相泥浆等。

如前所述，金刚石钻进效率随着钻压转速的提高而增长。但是，钻压、转速增加到一定程度时，会导致钻头强烈磨损甚至烧毁。实际钻探工作中，如何掌握确定最优规程参数值，是金刚石钻进的重要课题。

国外钻探科研工作者，为了求得金刚石钻进最优规程参数值，设计了专用试验钻具，在标准花岗岩上用直径46mm的人造金刚石孕镶钻头进行钻进试验。试验中测出以下数据:钻压、钻头转速、冲洗液量、功率、电能消耗、钻速及胎体温度等。

据试验，金刚石钻进存在着两种规程参数:"正常规程"与"临界规程"。在正常规程下，钻头胎体温升正常，功率消耗平稳，同时钻头磨损轻微;而在临界规程下，钻头胎体温升将急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。试验分析了胎体温度与钻压P和转速n的关系;功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系;胎体温度与冲洗液的关系和钻头磨损与钻进规程的关系。通过以上分析得出两点结论:

(1)对于金刚石钻进而言，每种岩石都存在着临界规程，其P·n值基本是个常数，可以通过实验测得。也就是说，钻压P和转速n两个参数之间存在着明显的交互影响，必须同时考虑它们的取值。进入临界规程的主要表现是胎体温度急剧升高，钻头严重磨耗，虽然此时钻速也很高，但可能导致烧钻事故。因此，必须保证钻进生产工艺处在小于临界规程的状态下。

(2)钻进过程中的胎体温度和钻头非正常磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功率消耗便于在地表检测，又与上述二指标同步进入临界规程，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程正常与否。一旦出现功耗突变，便可发出进入临界规程的报警。这是由凭经验打钻走向科学钻进的一个重大进步。

上述试验还是单一性的，但可以想象，不论什么岩石、什么类型和规格的钻头，都存在着"正常、临界"两种规程参数，故应该进一步推理、计算与充分试验，求得各种条件下的临界参数值，以指导金刚石钻进。

现将金刚石钻进规程参数的配合值，列于表 3 25中，供在实际生产中参考选用。

表 3 25 金刚石钻进规程参数的配合值

注:孕镶钻头的转数取大值;钻压、泵量取小值;表镶钻头的转数取小值;钻压、泵量取大值。

金刚石钻进的、岩心管3、异径接头4和钻杆5等所组成。