鉆進(jìn)極硬地層時(shí)金剛石鉆頭的新設(shè)計(jì)方法

　　南方鈾礦鉆探多鉆遇硬地層，甚至經(jīng)常遇到可鉆性級(jí)別達(dá)Ⅺ、Ⅻ這樣的極硬地層，這在花崗巖地層中是非常常見的。鉆進(jìn)這類地層時(shí)鉆頭易打滑不進(jìn)尺，或鉆頭在人為磨耗地情況下壽命極低，鉆進(jìn)效率極差。為此國(guó)內(nèi)外都對(duì)這種極硬難打地層進(jìn)行了各方面的綜合研究，取得了很多研究成果，也大大地推動(dòng)了鉆探技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，比如說沖擊式碎巖方法（常結(jié)合回轉(zhuǎn)法碎巖）就是針對(duì)該類地層而發(fā)展成熟的一種鉆探技術(shù)。
　　 1 地層情況及鉆進(jìn)中遇到的困難
　　 我隊(duì)在廣東韶關(guān)某地區(qū)實(shí)施鈾礦普查項(xiàng)目，在某孔施工過程中，巖層可鉆性級(jí)別主要是Ⅸ級(jí)，兼有Ⅹ級(jí)。從孔深200m 以后，Ⅺ、Ⅻ級(jí)等極硬地層的厚度大大超過了設(shè)計(jì)值，采用原先的S75 繩鉆鉆頭不僅時(shí)效慢，而且壽命極低，二十多米就算非常不錯(cuò)的成績(jī)了。在遇到純石英巖層時(shí)，一般只有幾米的壽命。在鉆進(jìn)該類地層時(shí)，我隊(duì)以往的經(jīng)驗(yàn)是選用軟胎體鉆頭（一般10～15°，金剛石粒度40/60#，，濃度80%），即使如此也經(jīng)常出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，投入磨料后往往打不了幾米，胎體被磨出溝槽，鉆頭就報(bào)廢，以致于施工人員就定性認(rèn)為投入磨料后就意味著這類鉆頭的報(bào)廢，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和鉆孔質(zhì)量。
　　 2 設(shè)計(jì)的基本理論
　　 2.1 傳統(tǒng)理論
　　 金剛石鉆頭設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是鉆頭必須和所鉆巖層的性質(zhì)相適應(yīng)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，在鉆進(jìn)極硬、弱研磨性地層時(shí)，應(yīng)選擇細(xì)粒到特細(xì)粒金剛石，軟胎體，低濃度鉆頭，金剛石品級(jí)要高一些，這種配置鉆頭的方法是我們大家常見的一種做法。但存在兩個(gè)不足：一是當(dāng)采用軟胎體鉆頭時(shí)，鉆頭壽命無(wú)法保證，尤其是在復(fù)雜地層和堅(jiān)硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)，軟胎體鉆頭往往意味著低壽命；二是細(xì)粒金剛石受顆粒尺寸影響，切入量小，碎巖更多的是靠磨削的作用，這就造成重復(fù)破碎多，破碎功消耗比重少，所以鉆速也比較慢，那么有沒有更好的辦法呢？
　　 2.2 新的設(shè)計(jì)方法
　　 首先我們?cè)O(shè)想一下極硬地層破碎的基本前提：為了能使金剛石顆粒有足夠的壓力吃入巖層并有效保持這種狀態(tài)，就必須滿足三個(gè)條件：一是有足夠的鉆壓，盡可能的情況下，應(yīng)選用極限鉆壓；二是金剛石本身強(qiáng)度要夠，也就是說品級(jí)要高；三是金剛石包裹要牢固，出刃合理，能夠持續(xù)發(fā)揮碎巖的作用。在第三個(gè)條件中其實(shí)就講到了胎體的重要性，在胎體選擇方面，我們有以下三個(gè)假設(shè)：
　　 2.2.1 胎體性能與巖層的可鉆性與研磨性相適應(yīng)指的是胎體的耐磨性要與之相適應(yīng)，而非胎體硬度。
　　 2.2.2 胎體硬度和胎體耐磨性是兩個(gè)不同的概念，也就是說同一硬度的胎體可以有不同的耐磨性，這不僅與胎體本身配方、燒結(jié)工藝有關(guān)，而且還與金剛石含量以及孔底胎體磨損狀態(tài)不同有關(guān)。
　　 2.2.3 在生產(chǎn)實(shí)踐中，全面評(píng)價(jià)與操作影響胎體耐磨性的因素存在諸多困難，故實(shí)際中還是以胎體硬度來直接表示胎體的耐磨性。
　　 其次為了保證進(jìn)尺速度，我們摒棄傳統(tǒng)做法，采用較大顆粒高等級(jí)金剛石30/40#，SMD25），在極限鉆壓下，保證切入深度，使大顆粒金剛石的切削作用發(fā)揮的更充分。結(jié)合前后兩方面的情況，就要求胎體有足夠的硬度，牢固的包裹能力，同時(shí)還要考慮到金剛石的適時(shí)出刃，在這里需要說明的是：有些人擔(dān)心大顆粒金剛石意味著大的出刃量，在這樣一個(gè)極限鉆壓工作環(huán)境中，要使胎體牢固包裹金剛石實(shí)屬不易，再加上出刃量大了之后就極有可能崩落金剛石，但是從前人統(tǒng)計(jì)的資料來看，并不會(huì)出現(xiàn)這種問題，總的趨勢(shì)是大粒度金剛石在孕鑲鉆頭中并未有大的出刃量，其出刃量多集中在20～50μm，因此不必?fù)?dān)心這個(gè)問題，為此選用胎體硬度35°。
　　 2.3 新鉆頭設(shè)計(jì)
　　 基于這樣一個(gè)設(shè)想，設(shè)計(jì)了以下鉆頭，并有意識(shí)地讓白、晚班采用不同的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，從試驗(yàn)效果來看，也從另一方面佐證了該設(shè)計(jì)方法是符合預(yù)初設(shè)想的。
　　 2.3.1 金剛石和胎體選擇
　　 金剛石粒度：30/40#；金剛石品級(jí)：SMD25；金剛石濃度：75%；胎體硬度：35°。
　　 2.3.2 水口設(shè)計(jì)
　　 鉆進(jìn)極硬地層需要很高的鉆壓，在水路設(shè)計(jì)方面，我們適當(dāng)增大水口過路面積，但為了能保證胎體有足夠的環(huán)狀面積來支撐鉆壓，水口面積又不宜過大。
　　 為此設(shè)計(jì)水口 10 個(gè)，外寬6mm，內(nèi)寬5mm，均比原先使用的鉆頭大1mm，水口深度不變，這樣計(jì)算出來的胎體環(huán)狀面積為1816.40mm2（原鉆頭1946.30mm2），面積比為0.93。
　　 其余結(jié)構(gòu)與原 S75 繩鉆鉆頭一致，采用常見的熱壓燒結(jié)法制成。
　　 3 使用效果
　　 3.1 鉆進(jìn)參數(shù)選擇
　　 3.1.1 鉆壓：依據(jù)孔深變化，白班15～18KN；晚班15KN 以下，在12～15KN 范圍內(nèi)變化。
　　 3.1.2 轉(zhuǎn)速：白班以4 檔為主（517 r/min），兼顧5、6 檔（415、765 r/min）；晚班多采用4、5 檔，很少開6 檔。
　　 3.1.3 泵量：54/72 L/min。
　　 3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
　　 試驗(yàn)鉆頭壽命 52.74m（206.21m～258.95m），純鉆時(shí)間68.33h，平均時(shí)效0.77m/h；其中鉆進(jìn)Ⅺ、Ⅻ等極硬地層共計(jì)21.45m，純鉆時(shí)間41.33h，平均時(shí)效0.52m/h，其余地層可鉆性級(jí)別主要為Ⅸ、Ⅹ（分別約占60%和40%），時(shí)效為1.16m/h。
　　 由于選擇的鉆進(jìn)參數(shù)不同，白、晚班的鉆進(jìn)效率差異明顯，這點(diǎn)從鉆進(jìn)極硬地層的數(shù)據(jù)來看最明顯，以下是詳細(xì)數(shù)據(jù)：
　　 3.2.1 白班鉆進(jìn)極硬地層13.71m，純鉆時(shí)間19.67h，平均時(shí)效為0.70m/h；
　　 3.2.2 晚班鉆進(jìn)極硬地層7.74m，純鉆時(shí)間21.67h，平均時(shí)效0.36m/h。
　　 相對(duì)于晚班，白班多選擇極限鉆壓，轉(zhuǎn)速也比較高，獲得了較高的鉆速。因此我們可以這樣認(rèn)為，在鉆進(jìn)極硬地層時(shí)，在設(shè)備、鉆具、孔內(nèi)情況允許的條件下，大的鉆壓和適當(dāng)較高的轉(zhuǎn)速對(duì)鉆進(jìn)這類堅(jiān)硬難打地層是很有益處的，不過轉(zhuǎn)速也不能過高，尤其是對(duì)粗粒金剛石來說，一般都要比正常巖層轉(zhuǎn)速低一些（這是金剛石鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖層所決定的特殊規(guī)程），但是過低的鉆壓和轉(zhuǎn)速會(huì)不利于該類地層的鉆進(jìn)。
　　 4 胎體唇面磨損狀況
　　 從試驗(yàn)鉆頭的唇面磨損來看，與原鉆頭相比，有以下幾點(diǎn)不同：
　　 4.1 金剛石出刃合理，顆粒磨損正常，胎體包裹牢固，其后有很明顯的蝌蚪狀支撐體，分布均勻，顆粒脫落的很少，說明這種鉆頭能較好的發(fā)揮金剛石的碎巖作用，即使在大鉆壓的工作環(huán)境中，鉆頭性能能較好地保持其穩(wěn)定性，正常損耗占主要地位。
　　 4.2 胎體唇面磨損均勻，沒有出現(xiàn)拉（溝）槽，也沒有出現(xiàn)非正常磨損，而且在鉆進(jìn)的過程種多次投入磨料來使金剛石銳化，也能夠保持胎體性能的穩(wěn)定性，這很大程度上得益于高的胎體硬度（耐磨性）和高品質(zhì)大顆粒的金剛石，由它們組合而成的胎體工作層抵抗局部破壞的能力很強(qiáng)，整個(gè)胎體工作層都正常消耗在鉆進(jìn)工作上。
　　 胎體唇面磨損狀況良好，金剛石出刃合理，說明胎體與所鉆巖層的性質(zhì)適應(yīng)性好，這為充分發(fā)揮金剛石碎巖提供了前提條件，這是我們所追求的理想狀況。
　　 結(jié)語(yǔ)
　　 在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，鉆探工作會(huì)因各方面的原因遇到多種難題。本文僅僅從一個(gè)小例子出發(fā)，在鉆進(jìn)純石英巖層時(shí)，采用了與傳統(tǒng)理論不同的設(shè)計(jì)方法較好地解決了生產(chǎn)難題，雖然采用品級(jí)較高的金剛石鉆頭會(huì)使成本增加，但帶來的效益卻是顯而易見的，同時(shí)也從側(cè)面說明了不要拘泥于現(xiàn)有知識(shí)來解決問題的重要性。筆者希望借此本文在解決類似地層的鉆進(jìn)難題時(shí)給同仁們提供另一種方案選擇，促進(jìn)經(jīng)驗(yàn)交流，使鉆探技術(shù)不斷向前發(fā)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)做出更大的貢獻(xiàn)。