砂卵石地層金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用

1.概述
　　砂卵石地層分布較為廣泛，是水利勘察中常見地層，但其地層極其復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程容易出現(xiàn)塌孔、掉塊、漏失等一系列影響鉆進(jìn)的問題[1] [2]。目前砂卵石地層主要的鉆進(jìn)技術(shù)有金剛石鉆進(jìn)厚壁或薄壁套管護(hù)壁[3]、潛孔錘鉆進(jìn)[4]等技術(shù)。取芯鉆進(jìn)通常以金剛石鉆進(jìn)技術(shù)為主。而常規(guī)金剛石鉆頭存在鉆進(jìn)速度緩慢，鉆頭易損壞等問題，并導(dǎo)致取芯質(zhì)量低等一系列問題。雖然廠商和技術(shù)人員從強(qiáng)化鉆頭保徑、突出水口設(shè)計(jì)、采用不同粒度金剛石搭建工作層等方面研究設(shè)計(jì)，取得了一定的成果，但由于砂卵石地層的復(fù)雜性，效果不甚理想。
　　2.鉆頭磨損及原因分析
　　金剛石鉆頭的磨損包括正常磨損和非正常磨損。正常磨損就是金剛石出露量合適，無脫落、胎體沖蝕正常等。而金剛石鉆頭的非正常磨損通常包含以下幾種情況：
　　（1）底唇面被拋光。原因是巖石堅(jiān)硬、致密、研磨性低；選用的鉆頭胎體太硬，金剛石品級(jí)較低；金剛石濃度太高；鉆壓不足、轉(zhuǎn)速偏高。
　　（2）鉆頭胎體表面輕微燒結(jié)。原因是金剛石品級(jí)太低，很快磨平；鉆壓過大、沖洗液量不足，胎體表面與巖石強(qiáng)烈摩擦，產(chǎn)生較高溫度，導(dǎo)致輕微燒鉆。
　　（3）胎體斷面形成溝槽。原因是鉆頭出刃小，壓入巖石后，沖洗液難以通過；鉆壓過大，冷卻不良，排粉困難，重復(fù)研磨胎體，端面溫度升高，出現(xiàn)微燒，惡性循環(huán)的結(jié)果，出現(xiàn)拉槽；或金剛石覆蓋不完全，或金剛石脫落；孔底有金屬或硬巖碎塊。
　?。?）鉆頭磨出內(nèi)、外臺(tái)階或錐形。原因是在硬巖層中擴(kuò)孔鉆進(jìn)，造成外緣磨損；在硬、碎巖層中鉆進(jìn)，鉆頭內(nèi)外緣金剛石掉?；蚣魯啵话l(fā)生巖芯堵塞或重復(fù)破碎；用鉆頭掃探頭石、脫落巖芯或殘留巖芯，或脫落的套管接頭。
　　（5）胎體嚴(yán)重?fù)p壞。原因是下鉆碰到鉆孔換徑臺(tái)階、探頭石、脫落的巖芯；鉆頭在縮徑孔段受到擠壓；在裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)，鉆壓過大，轉(zhuǎn)速過高，沖洗液量不足，使胎體產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)展成掉塊。
　?。?）胎體出現(xiàn)裂紋。原因是壓力過大，巖芯自卡。
　?。?）鋼體嚴(yán)重磨損。原因是鉆孔坍塌、掉塊、或孔底巖屑過多，嚴(yán)重磨損鋼體；卡簧座與鉆頭胎體之間的間隙太大，磨斷鋼體，使胎體留于孔內(nèi)。
　?。?）水口嚴(yán)重沖蝕。原因是巖層研磨性特別高；沖洗液中含砂量及流速過高；胎體耐磨性偏低。
　　砂卵石地層結(jié)構(gòu)疏松、粒徑不均、軟硬不均、孔隙大、破碎、漏失。鉆進(jìn)中極易出現(xiàn)各種問題，且這種地層特性對(duì)鉆頭造成的損耗更大。金剛石鉆頭在鉆進(jìn)這類地層時(shí)竄動(dòng)比較厲害，鉆頭胎體受沖擊較大，鉆頭磨損快，壽命短，掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，造成大量金剛石鉆頭非正常磨損。在砂卵石地層鉆進(jìn)中常出現(xiàn)的非正常磨損是（3）～（8）。
　　3.鉆頭應(yīng)用及問題分析
　　3.1 工程概況
　　工程位于青海某工區(qū)，地層主要為砂、卵礫石和砂層，局部夾有厚度小于1m的粘性土透鏡體，松散堆積物厚度可達(dá)300m。卵石成份主要為砂巖、花崗巖、石英巖、輝綠巖等深色火成巖，卵石粒徑多在20mm以上，含量達(dá)80%以上。
　　3.2 鉆頭參數(shù)
　　在該工區(qū)主要應(yīng)用了市面上常見的兩種金剛石鉆頭A和B。其共同點(diǎn)是采用碳化鎢為胎體材料，硬度為52，底唇面性狀為平面形，其它不同參數(shù)如表1所示。
　　表1 A和B金剛石鉆頭參數(shù)
　　規(guī)格（mm） 內(nèi)/外出刃（mm) 水口數(shù)目（個(gè)）
　　/寬度（mm） 內(nèi)/外保徑
　　數(shù)目（個(gè)）
　　/高度（mm） 工作層高度(mm) 金剛石粒度（目） 金剛石濃度（％） 鋼體厚度（mm） 鋼體長度（mm）
　　A/94/68 1.5/2.0 8/5 3/3/5 7.3 80－100 110 7.75 121
　　B/94/70 2.25/2.0 10/5 4/3/5 11.2 40－80 120 5.15 80
　　3.3 鉆頭應(yīng)用情況
　　A鉆頭平均鉆進(jìn)效率1.88m/h，平均壽命24.2m，機(jī)械磨損和研磨磨損嚴(yán)重，胎體出現(xiàn)拉槽，鉆頭端面與內(nèi)外徑磨損情況不同步，鉆頭提前報(bào)廢。其中內(nèi)出刃磨損后剩余0.3～1.0mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作層高度剩余0～4.5mm。分析原因是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，以及胎體材料和加工工藝上存在一定的問題，導(dǎo)致A鉆頭整體性能存在較大缺陷。
　　B鉆頭平均鉆進(jìn)效率2.45m/h，平均壽命40.2m，胎體出現(xiàn)拉槽，胎體出現(xiàn)崩裂掉塊，水口沖蝕。其中內(nèi)出刃磨損后剩余0.2～0.8mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作層高度剩余3.5～5mm。出現(xiàn)2次掉鉆頭事故。B鉆頭相對(duì)于A鉆頭各方面性能有所提高，但其壽命相對(duì)也較短，主要是胎體材料和加工工藝的原因。鋼體厚度較薄，導(dǎo)致胎體與鋼體連接不牢固，使得胎體出現(xiàn)崩裂掉塊。鋼體長度較短，鉆進(jìn)過程中，硬質(zhì)顆粒反復(fù)研磨絲扣位置，導(dǎo)致2次掉鉆頭的事故發(fā)生。
　　4.鉆頭的改進(jìn)與應(yīng)用
　　通過對(duì)A和B鉆頭的應(yīng)用情況對(duì)比分析，在心鉆頭的改進(jìn)方面主要集中在以下幾個(gè)方面。
　?。?）內(nèi)外出刃。B鉆頭內(nèi)外出刃的設(shè)計(jì)較好地保證了鉆頭的鉆進(jìn)效率和使用壽命，因此在新鉆頭上沿用B鉆頭參數(shù)。
　　（2）水口方面。水口數(shù)量與寬度對(duì)鉆頭冷卻與排粉效果影響很大，間接影響鉆進(jìn)效率與鉆頭壽命。通過對(duì)A、B鉆頭水口損壞情況分析，其水口寬度較為合適，但數(shù)量相對(duì)較少。水口數(shù)量的減少導(dǎo)致鉆頭唇面尺寸增加，與巖石接觸面積增大，影響使用效果。因此，新鉆頭的設(shè)計(jì)上采用增加水口數(shù)量。
　?。?）內(nèi)外保徑。其數(shù)目、排列方式和保徑材料的尺寸對(duì)鉆頭性能影響很大。內(nèi)外保徑設(shè)計(jì)的合理會(huì)有效提高鉆頭使用壽命和鉆進(jìn)效率。新鉆頭保持保徑材料高度不變，采用增加內(nèi)外保徑數(shù)目提高鉆頭性能。
　　（4）工作層高度。通過對(duì)比，A鉆頭的工作層高度較低，影響了鉆頭壽命。而B鉆頭的工作高度較高，但由于其他方面的原因，工作層高度的增加并沒有給B鉆頭帶來高的壽命。因此，新鉆頭的工作層高度采取了折中的方式，高度為9mm。
　?。?）金剛石參數(shù)。A鉆頭金剛石粒度范圍較小，對(duì)金剛石出刃有一定的影響，并且不適合在砂卵石地層使用，相對(duì)較低的濃度也影響鉆頭的性能。B鉆頭的金剛石粒度范圍較大，但材料單一，也影響了鉆頭的性能。因此，新鉆頭在提高金剛石濃度的基礎(chǔ)上，采用粒度為40的金剛石顆粒作為主磨料，并加80目的金剛石輔料。
　?。?）鋼體厚度和高度。較低的厚度和高度影響了B鉆頭性能的發(fā)揮。因此新鉆頭采用相對(duì)較高的厚度和高度。
　?。?）胎體材料。A、B鉆頭胎體材料為碳化鎢，機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較弱。新鉆頭材料中添加TiC，提高胎體機(jī)械強(qiáng)度。
　　新改進(jìn)后的鉆頭，在該地區(qū)應(yīng)用，鉆頭平均鉆進(jìn)效率2.8m/h，平均壽命80m，非正常磨損情況相對(duì)較少。內(nèi)出刃磨損后剩余1.2mm，外出刃剩余2.6mm，工作層高度剩余4.5mm。應(yīng)用效果非常好。
　　總結(jié)
　　在砂卵石地層鉆進(jìn)，應(yīng)根據(jù)地層情況以及試鉆的情況去進(jìn)行金剛石鉆頭的選擇或設(shè)計(jì)，采用最合適的金剛石鉆頭能夠取得最理想的鉆進(jìn)效果。