金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)的優(yōu)選

8.3.1 孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機理

孕鑲金剛石鉆頭是巖心鉆探中主要使用的鉆頭，它所用的金剛石顆粒小，且埋藏于胎體之中。為達到碎巖鉆進和鉆速恒定，必須同時具備以下兩個條件：

1）有一定的壓力和扭矩（轉(zhuǎn)速）使唇面上多而小的金剛石對孔底巖石進行刻劃、磨削或微壓碎、微剪切，其碎巖機理類似于砂輪磨削工件。

2）包裹金剛石的胎體隨著金剛石的逐漸磨鈍、磨損而適度磨耗，使新的金剛石良好出露、碎巖，即保持良好的自磨出刃（“自銳”）。

因此，孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機理可認為是：回轉(zhuǎn)切削、磨削碎巖，兼有壓碎、壓皺、剪切作用。

8.3.2 金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)的選擇與調(diào)整原則

（1）鉆壓

確定合理的鉆壓是提高鉆進效率，降低成本的重要措施之一。應(yīng)根據(jù)巖石可鉆性、研磨性、完整程度、鉆頭底唇面積、金剛石粒度、品級和數(shù)量選擇鉆壓。為保證鉆頭有效碎巖和合理壽命，鉆壓選擇應(yīng)重點把握以下幾點：

1）應(yīng)使每粒工作金剛石與巖石接觸應(yīng)力大于巖石的抗壓入硬度，小于鉆頭胎體材料的抗壓入硬度。

2）應(yīng)使每粒工作金剛石的接觸應(yīng)力小于金剛石的強度。

3）必須使金剛石接觸面上的單位壓力大于巖石的抗壓強度，而小于金剛石的抗壓強度。

4）使工作唇面的金剛石切入巖石的合理深度。

鉆頭中金剛石出刃量是非常微小的。當金剛石切入巖石深度過大時，孔內(nèi)排粉間隙太小，惡化孔底和冷卻條件，引起巖粉堵塞，鉆頭磨損和鉆速下降，甚至發(fā)生微燒事故；當金剛石切入巖石深度過小時，則鉆頭易打滑，鉆速降低，影響正常鉆進。在鉆進過程中，可通過對鉆速快慢的分析，確定金剛石合理的切入巖石深度，以達到既有適當高鉆速，又有較低金剛石鉆頭消耗量。

（2）轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素。應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆孔結(jié)構(gòu)及設(shè)備能力等因素選擇轉(zhuǎn)速，即考慮獲得較高的鉆速，也要保證合理的鉆頭壽命。

1）由于孕鑲鉆頭所用的金剛石粒度很小，出刃量微小，主要靠高轉(zhuǎn)速來獲取鉆進效率。在一定條件下，轉(zhuǎn)速越快，鉆速也越高。

2）轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜。在其他條件不變，鉆頭轉(zhuǎn)速存在臨界值，即在某一轉(zhuǎn)速下金剛石磨損量最小。

（3）泵量

泵量的大小既必須保證沖洗液完成排除巖粉、冷卻鉆頭等功能需求，也應(yīng)能實現(xiàn)鉆頭金剛石自銳、防止復(fù)雜地層孔壁遭受沖刷破壞等要求。應(yīng)視巖石性質(zhì)、環(huán)狀間隙、鉆頭類型、金剛石粒度、胎體性能等因素進行選擇與適當調(diào)整。

（4）泵壓

泵壓反映一定泵量的情況下，沖洗液在特定鉆進環(huán)境中的流動阻力。泵壓的大小受鉆桿內(nèi)徑及其密封、取心鉆具過水斷面、鉆頭水口、鉆孔環(huán)狀間隙、鉆孔漏失情況等因素的影響，是反映孔內(nèi)狀況的敏感參數(shù)之一（如：泵壓發(fā)生小幅度的上升或下降，一般是孔底換層的征兆；泵壓猛然大幅度增高，伴隨鉆速下降或不進尺，可能發(fā)生巖心堵塞或燒鉆現(xiàn)象；如果泵壓突然大幅度下降，多是鉆具折斷或脫扣）。鉆進過程中，應(yīng)設(shè)法降低泵壓，保證鉆進所需泵量的實現(xiàn)（如：隨著鉆頭胎體消耗，進行鉆頭水口修磨，修磨后鉆頭水口高度不得小于3mm；加大鉆孔環(huán)狀間隙等）。

金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)的影響因素及其綜合選擇見表8.8。

表8.8 金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)的影響因素及其選擇表

8.3.3 鉆進技術(shù)參數(shù)組合的優(yōu)選

金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，三者是互為因果且相互制約的，存在著最優(yōu)化的配合關(guān)系。鉆進中應(yīng)根據(jù)巖層性質(zhì)和其他技術(shù)條件，結(jié)合實踐經(jīng)驗，選擇最優(yōu)化的鉆進技術(shù)參數(shù)組合，以達到優(yōu)質(zhì)、高效、長壽、低耗、安全的目的。

8.3.3.1 最優(yōu)化鉆進技術(shù)參數(shù)組合的評價標準

鉆進技術(shù)參數(shù)最優(yōu)組合的標準是：在保證鉆孔質(zhì)量的前提下，獲得最佳的鉆速和最低的成本。當鉆進規(guī)程達到最優(yōu)值時，鉆進技術(shù)參數(shù)的組合也是比較合理的。

8.3.3.2 鉆進技術(shù)參數(shù)最優(yōu)組合的確定方法

（1）鉆進技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化選擇方法

根據(jù)“金剛石鉆探規(guī)程參數(shù)的優(yōu)選”（石昆山，1989）方法，以提高鉆進機械效率為主要目的，探討鉆進技術(shù)參數(shù)之間的相關(guān)性規(guī)律，提高鉆探技術(shù)經(jīng)濟效益：選擇鉆頭回轉(zhuǎn)線速度（轉(zhuǎn)速n）、比壓、流量Q為自變元，以金剛石鉆探的平均機械鉆速為因變元，采用直觀分析、回歸分析以及方差分析相結(jié)合的方法。

（2）鉆進技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的約束條件

鉆進技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合的確定受到眾多的因素制約。除了受鉆遇巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、鉆頭類型及其結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆孔直徑、孔身結(jié)構(gòu)和深度、鉆探設(shè)備的性能、沖洗液類型、工人技術(shù)水平等的約束外，還受參數(shù)選擇后果的約束，如：

——對鉆速提高而言，調(diào)高轉(zhuǎn)速比增大鉆壓明顯。在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，高的轉(zhuǎn)速將取得更高的鉆速。但是，轉(zhuǎn)速愈高，對鉆頭、工具、設(shè)備及油料等的消耗也愈大。

——大壓力、高轉(zhuǎn)速是可獲得高鉆速，但鉆頭磨損加劇、壽命縮短和成本增加。這需要在實踐中給予平衡。

——在石英含量很高的巖石中鉆進，若用高轉(zhuǎn)速，可能導(dǎo)致鉆頭唇面的磨光而不進尺；若選用適當?shù)妮^低轉(zhuǎn)速，可能因鉆頭唇面與巖石接觸時間的增加，促進巖石深部缺陷的發(fā)育和擴大，反而會有較好的鉆速。

8.3.3.3 不同巖層鉆進技術(shù)參數(shù)組合的選擇思路

（1）較軟的均質(zhì)、完整、強研磨性的巖層

由于其抗壓強度較小，易于體積破碎，一般鉆速高，巖粉顆粒大且數(shù)量多，多具粘性，易于糊鉆、堵塞。鉆進中主要解決的是排渣、冷卻和保證沖洗液暢通的問題。因此，可采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速和大泵量鉆進。

（2）完整的強研磨性巖層

鉆進時排渣、冷卻不存在問題，可采用大鉆壓、大泵量和高轉(zhuǎn)速鉆進，以求高鉆速。泵量的選擇在保證排渣和冷卻及時的前提下，也應(yīng)保證孔壁不被沖蝕失穩(wěn)。

（3）堅硬、破碎、非均質(zhì)、裂隙發(fā)育的巖層

為了延長鉆頭壽命，宜采用輕壓力、慢轉(zhuǎn)速，泵量要相應(yīng)減少。若孔底有滲漏，則確定返漿量還應(yīng)包括補充的滲漏量。