金剛石及其在金剛石鉆進中的作用

　　有時，偶爾在地表發(fā)現(xiàn)金剛石，但其全部蹤跡往往被受侵蝕較少的沉覆蓋層所掩蓋，而只有經(jīng)過艱難的勘探才能發(fā)現(xiàn)。如果在某一區(qū)域有足量的金剛石，肯定要開采的話，采取的方法取決于沉積的類型。
　　1）原生礦床：通常是胡蘿卜狀的巖筒，可以延伸很深，但通常越往下越細小，在深處常分裂成一系列細脈。起初用露天開采的簡單方法開采這類礦床。現(xiàn)在用機械技術(shù)，但洞太深時就得像從前那樣須挖豎井進行地下開采。
　　2）沖積礦床：通常在淺處，進而擴散的面積很大。采用露天開采法，挖掘量和金剛石回收量之間有一個高比率。由上述兩種礦床所得的金剛石分類后分級成為寶石和切削用與制造工具用的工業(yè)金剛石。
　　2金剛石的性能
　　金剛石有臘狀外形，色澤光亮，形狀多樣，但最常見的可能是八面體。金剛石質(zhì)量比重3.5g/m3，折射率為2.42。金剛石導(dǎo)熱性能良好，摸上去總是涼涼的。顏色多變，但通常為透明的銀白色、灰色和黑色。還有蘭、綠和黃色金剛石。金剛石是已知的最堅硬的物體，但它是脆的，如果亂用，很容易破碎。根據(jù)莫氏硬度，金剛石可以刻劃或刮擦任何東西，正因為這個特性它對鉆進才如此有用。
　　純金剛石只含有特殊形式排列的碳原子。碳原子的其他排列形式中或是不規(guī)則的或是鏈狀的，但如果碳原子以特殊形式被重新排列則可以產(chǎn)生金剛石，即人造金剛石。
　　純碳原子被很強的離子鏈結(jié)合在一起。金剛石中這些鏈都排成四面體形成金剛好似分子。其中這些分子能夠結(jié)合成更大的分子，而金剛石大分子中扣緊原子的鏈都保持相互平行。為了劈開這些分子，必須把鏈弄斷。如果我們切開一組平行的鏈，就會切掉一片金剛石。這是寶石匠切割大寶石的方法，這叫劈分。一經(jīng)定好方向，金剛石片可以用專門的楔子劈開，就像沿著紋理劈木頭一樣。
　　然而，如果試著在一個與鏈不平行的方向劈開，金剛石就會像玻璃一樣粉碎。只能沿著原子間的鏈是平行的平面進行劈分。如果金剛石的外形發(fā)生變化，無關(guān)緊要，因為其內(nèi)部的解理仍然相同。
　　取一顆立方體金剛石，解理方向與立體面斜交。如果取掉立方體角形成一個八面體，即使改變其外形，解理面仍然在原來方向。認識金剛石的解理，在金剛石工具制造方面是重要的，如果在工具上鑲焊一顆金剛石，其解理與工作面平行，使用時就會劈開，或過早磨純。
　　金剛石是極其堅硬的，但有些方向比其他方向更加堅硬。假若把八面體的頂角鋸掉，留下的面被研磨或拋光，要注意易于拋光和難以拋光的方向。在一個八面體中，平行于棱的方向容易拋光，而垂直于八面體的平面則難以拋光。這是金剛石的又一個特性，這對工具工人很有用處，因為金剛石的正確定向?qū)⑻岣呓饎偸ぞ叩氖褂脡勖?
　　在制造鉆頭時，以硬矢量對準巖面定向的金剛石，一定比金剛石為定向的鉆頭的性能好。然而，實際上這樣鑲焊比普通鑲焊要慢的多，而使用處理過的金剛石時，要憑眼睛識別結(jié)晶參量，假如不是幾乎不可能的話，也是極為困難的。因此目前成批生產(chǎn)的鉆頭，金剛石鑲焊是根據(jù)形狀而不是結(jié)晶特性。合成金剛石具有天然金剛石相同的性能和特征。它們的晶體形狀一般是完整的，可用作結(jié)實耐用性能良好的鉆進金剛石，因為可以改變制造工藝生產(chǎn)不同用途的金剛石。合成金剛石的顏色是黃綠色，這種顏色是由晶格中的氮原子引起的。到目前為止，合成金剛石的尺寸，通常還比較小。但現(xiàn)在的發(fā)展表明，經(jīng)過相當?shù)臅r間，將制成用于表鑲鉆頭那么大的金剛石。雖然合成金剛石和天然金剛石來源不同，就鉆探而言，可以把他們看作相同的材料。
　　金剛石的強度，在工業(yè)應(yīng)用中是重要的。然而，這個重要的性能像硬度一樣，定量是困難的，最明顯的方法是根據(jù)金剛石將要使用的方法進行試驗。例如把鑲在鋸片中的金剛石反復(fù)撞擊未經(jīng)琢磨的巖石。一接觸巖石金剛石就被拉過切削面，然后交付完成空氣中的循環(huán)。這個循環(huán)反復(fù)很快，在這種脆性顆粒上施加最猛烈的各種力。為了試驗金剛石在這種應(yīng)用中的強度，研究了一種“Friarlest”試驗。試驗時把金剛石試樣置于裝有鋼球的罐子中，搖動罐子，使試樣受到?jīng)_擊和磨損。這個實驗周期結(jié)束后，篩分樣品，并計算破碎金剛石的百分比。用這個結(jié)果來表示在這些條件下的脆性和強度。
　　可是，這樣的試驗和鉆進程序無關(guān)。在鉆進中，鑲在鉆頭上的金剛石承受負載，壓緊被鉆巖石轉(zhuǎn)。隨著鉆頭的回轉(zhuǎn)，由于壓碎和刮擦得作用，產(chǎn)生巖屑。這就需要進行若干試驗，以獲取下述資料：
　　1）金剛石因壓緊巖石而破碎之前所承受的最大負荷。
　　2）旋轉(zhuǎn)如何影響靜載荷值。
　　至今我們沒有標準試驗來圓滿的回答這些問題，而試配體系有所發(fā)展。然而某些實驗室的一些實驗?zāi)軐λ枰鸢傅目赡芊葋斫o出指示。
　　3金剛石的效用
　　3.1鉆頭設(shè)計
　　每種巖層各有其特性，理想的是，因地制宜設(shè)計專用鉆頭。但從生產(chǎn)和設(shè)備的觀點來看是不切實際的。因此采取兼顧的辦法，凡種地層用的一種鉆頭設(shè)計。
　　為了解鉆頭的基本要求，我們來分析鉆頭及其共組狀態(tài)。
　　大多數(shù)金剛石鉆頭由以下部分組成：
　　1）金剛石：金剛石位于鉆頭表面，擔(dān)負實際的巖石切削。端面內(nèi)外側(cè)也放置金剛石。所用的金剛石應(yīng)盡可能是最好的，但選用金剛石通常受到價格的限制。扎伊爾的金剛石可能是最普通的鉆進用金剛石。根據(jù)不同程度的加工標出各個等級。當然價格隨著附加處理而上升，性能也隨著加工的程度而提高。在處理原生的扎伊爾金剛石時，一般是盡量消除缺陷和弱點。經(jīng)加工后，鑲焊到鉆頭上的金剛石就具有內(nèi)在的強度和良好的鉆進性能。當然，加工作的金剛石在強度上不如成形完好的純金剛石晶體，因為在加工過程中金剛石產(chǎn)生應(yīng)力，但對一般鉆進來說對晶體的高要求和供應(yīng)的限制，就不合算了。
　　經(jīng)驗表明，鉆頭用的金剛石大小，與所鉆的巖石硬度有關(guān)。極硬的巖石通常用小顆粒金剛石鉆進。鉆進軟巖石總是用大顆粒較好。
　　2）胎體：要求這種材料把金剛石固定在一定位置上。如果胎體磨掉或斷裂金剛石就會從鉆頭上掉下來，并引起鉆頭過早損壞。在孕鑲鉆頭中，胎體需要以給定的速率磨損，使用廢的金剛石脫落并以新的金剛石來取代。但兩種情況下胎體的作用仍然相同，要求把金剛石固定在鉆頭上。
　　3）鋼體：一個低碳鋼鋼體與鉆頭冠部連結(jié)，并帶有螺紋以便把鉆頭擰到巖心筒和鉆桿柱上。
　　從前的鉆頭都是鋼制的，而金剛石則手鑲于鉆頭體的鉆窩中。這種方式鑲焊的金剛石鉆頭，工作的很好。當金剛石磨損或損壞時，則去舊換新。這種工藝的問題是生產(chǎn)費時間而且數(shù)量少。現(xiàn)代的方法使用具有端面仿形車削的模具，而金剛石定位眼的深度要適當，鉆眼時而且要鉆到所需的斷面模板上。金剛石放在定位眼中，用金屬胎體粉末蓋住金剛石。低碳鋼鋼體被壓入胎體粉末，然后在一個感應(yīng)線圈中加熱使得銅焊結(jié)合金滲入粉末。這個過程很快，于是制成標準的產(chǎn)品。
　　胎體把金剛石牢固的固定在鉆頭上，鉆頭一轉(zhuǎn)動金剛石就開始切下巖屑。必須從切削面上排除巖屑，由于水流流經(jīng)鉆頭面把巖屑沖上鉆孔帶至地面不斷排除巖屑。這一水流也散發(fā)由于切削作用而產(chǎn)生的熱量并保持工作面得冷卻。如果水流不足以排除所有的巖屑，巖屑將沉積于孔底，遂停止鉆進。因此鉆頭設(shè)計必須提供充分的沖洗，通常在鉆頭表面提供放射狀排屑槽。在這一情況下，在需要加大流經(jīng)鉆頭面的冷卻流量的地方，使用流經(jīng)部分鉆頭面得射流。當鉆進高比重材料或冷卻液不靠近巖心時，這種結(jié)構(gòu)工作良好。
　　為了在鉆頭胎體中粘結(jié)好金剛石，已發(fā)現(xiàn)必須至少把金剛石的三分之二鑲在胎體中。其余的三分之一伸出在胎體之外，叫做金剛石出刃。如果出刃小于被鉆的巖石顆粒，這些顆粒將在鉆頭面上被磨碎。研磨這種巖石使胎體和金剛石受到更多的磨損，從而減少了鉆頭的有效壽命。鉆頭在硬巖中鉆進一厘米，這種因素似乎只有很小的影響，而這種小的影響重復(fù)幾百次就相當顯著了。