地质钻探中金刚石钻头的科学选择与合理使用

1.　金刚石岩芯钻探除必须选用相应钻机、地质管材、钻具、泥浆材料外，金刚石钻头的科学选择、合理使用非常重要。这样才能取得最优钻进技术经济效果。

2 金刚石钻进技术与钻头的科学选择

　　在地质钻探工程中，使用金刚石钻头以回转方式破碎孔底岩石的钻进技术方法，称为金刚石钻进。金刚石是一种硬度最高的矿物，所以用金刚石钻头可钻进各种硬度的岩石，主要特点是钻进效率高，钻进工作稳定，同时具有劳动强度低，孔内事故少，钻探成本低等优势，因此金刚石钻进技术有广泛的适用性。

①金刚石钻头分类：金刚石有天然和人造两种之分，金刚石钻头也是天然和人造两种，在地质钻探中主要大量使用人造金刚石钻头。

②科学选择金刚石钻头参数：（指钻头胎体硬度、金刚石品级粒度、浓度等），提高钻头寿命、提高钻速、降低金刚石消耗。其参数选择如下表1所示。

③钻进技术参数的选择：合理选择钻进技术参数，注意在不同钻进条件下各参数之间的有机配合，不断提高操作技术水平，是取得最优技术经济效果的关键之一。

　　首先， 钻头转速：在一定线速度范围内金刚石钻头的钻速是随着转速的提高而增加的。转速是提高钻速的主要因素。只要岩层比较完整，管材有足够的强度和稳定性，在配有润滑剂和设备能力允许下，就应该选用高转速钻进。转速和金刚石磨损之间存在一个合理值，即在一定转速下金刚石磨量为最小。转速过慢或过快，金刚石磨损量增加 ，确定转速时一定加以考虑。如果在裂缝发育破碎岩层或软硬交错岩层等地质条件下要降低转速。

　　其次， 钻压：选择合理的钻压是提高钻进效率，降低钻头磨损，延长钻头寿命的重要措施。在钻进过程中，钻头的压力达到或超过所钻岩石抗压强度时，金刚石才能有效破碎岩石。钻进速度随钻压增加而相应增加。　　

　　当钻压超过金刚石的抗压极限时金刚石即被破损而脱落，钻速下降。相反金刚石不能切入岩石，钻头打滑而不进尺。同时钻压应根据钻头类型规格、金刚石质量和数量，以及所钻岩石性质等因素来确定，最优的钻压应该是回次进尺多，时效高，钻头磨损量小。钻头钻压的确定是给予钻头唇面以每平方厘米20～50kg为适宜，在钻进给压时要考虑钻压损失。金刚石钻具与井壁摩擦阻力随钻孔加深而加大；转速越快，钻压损失也越大；钻杆与孔壁间的间隙很小，泵压较大，使钻具承受一定的反作用力。实际钻探操作中，要科学分析注意钻压损失，（金刚石钻头单位压力推荐表见表2）。

④在金刚石钻进中，还有泵量和泵压这两个参数的选择也十分重要，钻进中必须有较大压力和足够的冲洗液，排掉岩粉，清洗孔底，润滑和冷却钻头，防止烧钻。正常钻进要求水泵具有较大的泵压，应在7～15公斤每平方厘米之间。泵量不须很大，实际钻探操作中应考虑钻具连接处的漏失现象。每次起钻后，要及时观察分析金刚石钻头的磨损形态，检查钻进参数是否合理，操作是否恰当，发现问题及时纠正。降低金刚石钻头消耗量，提高钻探技术经济效率。

3 合理使用金刚石钻头

①金刚石钻头与扩孔器要排队组合使用。根据岩层、钻孔结构、设计孔深等情况，确定需要钻头数量。钻头与扩孔器必须排队轮换使用，先用外径大、内经小的，后用外径小、内经大的，以保证钻头扩孔器都能正常下降到孔底。

②金刚石钻头与扩孔器必须合理配合使用 ，扩孔器外径应比外径大0.3～0.5mm，在坚硬岩层不得大于0.3mm。如扩孔器外径过大，将使扩孔量增加，磨损加剧，钻进效率低；扩孔器外径小，则起不到扩孔保径的作用。

③金刚石钻头与卡簧的自由内径必须合理配合，卡簧自由内径应比钻头内经小0.3～0.5mm，因此每次下钻前要注意检查钻头与卡簧的配合尺寸，同时机台应备几种不同的卡簧，以供选择。

④金刚石钻头钻进应具备良好的工作条件。金刚石性脆，遇强烈冲击易破裂，因此要求孔内清洁、孔底平整、孔径规则。如发现孔底有胎体碎屑，脱落岩芯等立即采用冲捞抓粘套磨等方法消除。凡是金刚石钻头钻进的钻孔禁止使用钢粒钻进。

⑤金刚石钻头钻进要尽量减少钻具与孔壁之间的环状间隙，限制钻杆，钻具的弯曲度。不得盲目增加钻压钻进，以减少钻具产生轴向振动。同时要保持机上钻杆运转平稳，防止晃动，不得用过大的泵量钻进，避免钻具产生浮动（脉动）。还要使用乳化冲洗液等减少钻具回转时摩擦阻力，以提高金刚石钻进效率[1]。

⑥金刚石钻进过程中发现"打滑"现象，不准盲目加压强迫钻进，应立即提钻检查分析，寻找原因，解决问题。

⑦金刚石钻头钻进要保持钻头在孔底钻进的稳定性，要选择使用与钻头外径接近的钻杆及钻具。

⑧金刚石钻进过程中对金刚石钻头要仔细检查，如果发现钻头出现石墨化现象、偏磨或变行、水口和水槽尺寸过小、钻头刚体变形及死扣损坏等，金刚石钻头必须更换，不得下入孔内。

⑨新金刚石钻头初次使用必须进行初磨，即磨去钻头虚伪尺寸及棱角，使孕镶钻头磨出刃口等。同时不能用新金刚石钻头进行扫孔、扫残留、扫脱落、扫掉块、扫探头石等作业，以提高金刚石钻进寿命和效率。

4.　结语

　　随着钻探技术装备和钻进方法的不断进步和创新，钻探已广泛应用于地质调查、矿产勘查、工程地质勘察、水文水井钻探以及石油天然气、页岩气、地热钻探等领域。科学选择钻探设备不仅要技术先进且经济，即生产效率高，质量保证度好，生产安全性稳，钻具配套性多，操作维修方便，对环境影响小。金刚石钻进已广泛应用，金刚石钻头的科学选择和合理使用能够提高钻探效率，降低钻探成本，降低劳动强度，真正实现最优技术经济效果，实现地质钻探绿色勘查。