淺談如何提高金剛石鉆頭在鉆探施工中的使用壽命

李偉雄

（福建省第二地質(zhì)勘探大隊，福建永安366000）

淺談如何提高金剛石鉆頭在鉆探施工中的使用壽命

李偉雄*

（福建省第二地質(zhì)勘探大隊，福建永安366000）

在礦山巖芯鉆探施工過程中，有效降低鉆探生產(chǎn)成本，是施工單位提高鉆探生產(chǎn)經(jīng)濟效益的重要保障，鉆探生產(chǎn)成本包含設備的搬遷、青苗的補償、機場的平整、鉆探材料的消耗等幾大塊。在鉆探材料消耗中除油料和泥漿材料外，鉆頭、擴孔器的消耗也占據(jù)相當?shù)谋壤?。如何正確合理地使用金剛石鉆頭、擴孔器對提高其使用壽命至關重要，這是降低鉆探生產(chǎn)成本的重要保證之一。

巖芯鉆探；鉆頭；壽命

在礦山巖芯鉆探施工中，鉆探材料的消耗是鉆探成本的一個重要組成部分，鉆探材料主要包括油料、泥漿材料、金剛石鉆頭、擴孔器以及鉆桿、鉆桿接手等等。這其中鉆頭的消耗又是占據(jù)鉆探材料消耗的重頭，因為金剛石鉆頭的成本比較高，一個鉆頭若使用不當，鉆進不了幾米就報廢了，這樣鉆頭成本消耗攤到鉆探米進尺成本中去計算，那是十分驚人的。因此根據(jù)鉆探施工巖層情況，合理地選用與之相匹配的鉆頭進行鉆探施工，使金剛石鉆頭使用壽命得到有效提高，這是巖芯鉆探施工過程中降低材料成本的一個重要環(huán)節(jié)。那么如何提高金剛石鉆頭的使用壽命，現(xiàn)就我隊近幾年在鉆探生產(chǎn)中使用的金剛石鉆頭情況并從以下幾個方面粗淺的談幾點看法，供同行們參考。

1　金剛石鉆頭使用的選型

金剛石鉆頭主要分為電鍍和熱壓2大類，根據(jù)不同的巖層鉆探施工需要，又設計出不同唇面和不同胎體硬度的金剛石鉆頭，誠然鉆頭也有不同的型號和規(guī)格等等。但是，無論如何金剛石鉆頭是根據(jù)不同的巖層而設計出不同的類型，其一個重要的原則是：堅硬致密巖層用低磨蝕性鉆頭、軟塑性巖層用剪切型鉆頭、硬脆碎巖層用強化鉆頭、強研磨性巖層用高磨蝕性鉆頭、軟松散巖層用底噴式鉆頭等。在鉆頭的設計上改善金剛石分布狀態(tài)和補強內(nèi)外刃和側(cè)刃，能顯著提高鉆頭的使用壽命。金剛石鉆頭主要性能指標之一是胎體硬度，鉆頭胎體的硬度按地層硬度及研磨性的高低，在強研磨性地層及硬、碎、脆地層采用硬度高的胎體，在弱研磨性的軟地層中可以采用硬度低的胎體。不同的地層使用的鉆頭胎體硬度是不同的，一般情況下（推薦）鉆頭胎體硬度適應的地層見表1。

表1　鉆頭胎體的硬度及適用巖層選擇參考

同時金剛石鉆頭的唇面又各不相同，不同的唇面又適應于的不同地層的鉆進施工。金剛石鉆頭唇面常見的有：平底、圓弧、梯齒、齒輪、尖齒、圓齒、階梯形等。在鉆探施工過程中，根據(jù)不同巖層正確選用不同的唇面的金剛石鉆頭進行鉆探施工，有助于提高金剛石鉆頭的使用壽命，這樣也能有效減少鉆頭的磨損，提高鉆探進尺，同時降低鉆探生產(chǎn)成本，因此鉆頭唇面的選擇也是十分重要的。一般情況下鉆頭唇面與巖層的適應情況推薦見表2。

1.1開孔鉆頭的選用

在礦山巖芯鉆探施工的開孔時，一般情況下都是采用硬質(zhì)合金鉆頭進行開孔鉆進（除開孔就遇完整基巖地層），鉆頭的口徑一般應大于設計終孔口徑的2～3個級別。若設計終孔口徑為?77mm，那么開孔應選用?110mm或者?130mm口徑的鉆頭開孔（主要視開孔地層情況而定），用這種口徑的鉆頭施工至完整地層500～1000mm時下套管，套管固定后換經(jīng)采用熱壓繩取金剛石鉆頭施工。若開孔用硬質(zhì)合金鉆頭施工，遇地層破碎、堅硬等原因無法鉆進施工時，則要采用電鍍金剛石鉆頭進行鉆進。原因為巖石表面地層主要以砂土、風化破碎巖石層等為主，電鍍金剛石鉆頭較熱壓金剛石鉆頭更為適應這類地層的施工，且鉆進時不易磨損，再者熱壓金剛石鉆頭成本高于電鍍金剛石鉆頭，因此選用電鍍金剛石鉆頭施工比較合理。電鍍金剛石鉆頭應選用時，應該選用胎體硬度稍大一些的，一般以胎體硬度在35°～40°左右為宜。

表2　鉆頭唇面與巖層適應選擇參考

1.2正常鉆進施工的鉆頭選用

套管下好后正常鉆進施工鉆頭的選用，主要是根據(jù)施工地層巖石的完整情況、巖性及巖石的硬度來確定。開孔前可以從地質(zhì)設計的鉆孔柱狀圖上了解相關地層的巖石情況，提前準備不同型號的施工鉆頭備用。在實際施工過程中，原則上是根據(jù)地層的變化來調(diào)整和確定與地層相適應匹配的金剛石鉆頭。近幾年來我們在礦山巖芯鉆探施工過程中，主要使用的鉆頭生產(chǎn)廠家為，熱壓金剛石鉆頭使用以廣西桂林的“特邦”和河北唐山的“JS”牌的2種金剛石鉆頭為主，電鍍金剛石鉆頭的使用主要是江西及廣東省等生產(chǎn)廠家的。熱壓如唐山“JS”牌和桂林“特邦”金剛石鉆頭2種，選用的胎體硬度為8°、12°、15°、20°等。在正常施工中金剛石鉆頭唇面常選用的有齒輪形、尖齒形（尖環(huán)槽）、圓齒形等。

1.3復雜破碎地層鉆探施工鉆頭的選用

在礦山巖芯鉆探施工中不同地層的施工，金剛石鉆頭的選用是完全不相同的，特別是復雜地層如：破碎巖層、軟硬不均松散巖層等，如若鉆頭選用不合理，不但鉆探施工鉆進困難，而且會使鉆頭消耗很大，造成鉆探材料成本的增加。一般情況下在破碎地層施工要選用胎體硬度相對高一些的鉆頭，硬度在20°～35°左右，鉆頭唇面選用梯齒型及圓弧型；而地層軟硬不均容易偏斜的地層則要選擇唇面是階梯型鉆頭比較合適。

在破碎、巖層斜度較大和地層軟硬不均情況下進行鉆進施工，要采用慢轉(zhuǎn)速、輕壓力，沖洗液濃度高一些的方法，同時要隨時注意觀察孔內(nèi)情況的變化，一旦有異常情況及時處理。

有時上部地層破碎，采取率達不到地質(zhì)設計要求，我們經(jīng)常先采用小口金剛石繩取鉆進的方法，來保證巖芯的采取率，待施工至完整基巖后換大口徑擴孔至原小口徑施工的位置，下套管將上部破碎地層隔離起來，再換回原來的小口徑進行施工。

2　鉆進技術參數(shù)的合理應用

鉆進技術參數(shù)主要是指鉆進時的轉(zhuǎn)速、鉆壓及泵量（流量）。合理的鉆進技術參數(shù)將會有效提高鉆進進尺，同時也可以減少鉆頭的磨損，從而達到提高鉆頭使用壽命的目的。在一般情況下轉(zhuǎn)速：完整地層施工500～800r/min；破碎復雜地層300～500r/min。鉆壓：完整地層施工8～12kN；破碎復雜地層5～8kN。泵量（流量）：30～40L/min，泵壓70kg/cm3?？傊趶碗s破碎地層施工，一般應遵循“中轉(zhuǎn)速、小壓力”的原則進行，從而達到平穩(wěn)鉆進的目的。鉆進技術參數(shù)掌握合理，鉆井液助劑循環(huán)漿性能指標也應控制在以密度1.0～1.5/cm3，粘度在60s為宜。在換鉆頭和孔內(nèi)掉塊等情況下要進行掃孔時，要按照“慢轉(zhuǎn)速、輕壓力”方法進行，切不可急躁，以免造成施工鉆頭的傷害及卡鉆事故的發(fā)生。

3　鉆頭、擴孔器多組的互換使用

在巖芯鉆探施工過程中，金剛石鉆頭和擴孔器的使用要合理，避免一個鉆頭使用至不能用為止。這就要求在鉆探施工的過程中，事先配置同樣規(guī)格型號的金剛石鉆頭、擴孔器數(shù)組輪換著使用，這樣可以避免一個鉆頭使用到底，造成鉆頭磨損嚴重，施工孔徑變小，更換鉆頭時因擴孔而造成鉆頭的損傷和時間的耽誤。多組鉆頭、擴孔器組合的輪換使用的好處：一是保障了生產(chǎn)過程中鉆孔口徑基本的一致，二是減少了因換鉆頭需要擴孔的時間，三是減少了鉆進的輔助時間增加了純鉆的時間。這樣無形之中提高了純鉆時間和生產(chǎn)效率，為降低鉆探生產(chǎn)成本提供了一定的保障。

另外在施工時的鉆具配置上，機臺工作人員一般會在鉆具的上部增加一個金剛石擴孔器，其目的主要有三，一是鉆具上部的擴孔器可以為鉆孔的垂直度起到一定的保證作用；二是上部擴孔器可以幫助孔底擴孔器在施工中起到鉆孔的擴孔作用，為確保了鉆孔的口徑一致提供幫助，為下步更換新鉆頭提供盡可能少的掃孔時間；三這也是減少新鉆頭磨損的一種有效方法。

4　貴州省開陽磷礦洋水礦區(qū)ZK104鉆孔工作實踐

鉆孔設計孔深1210m，地層描述為：0～180m灰色細晶灰?guī)r；180～380m灰綠色含云母細砂巖、砂巖夾灰綠色頁巖，底部為紫紅色；380～880m灰綠色頁巖夾粉砂巖；880～930m黑色炭質(zhì)頁巖、灰色硅質(zhì)巖、硅質(zhì)白云巖夾灰綠色頁巖；930～1194m淺灰色厚層細至中晶白云巖，呈斑狀、谷殼狀、鮞狀，同生角粒狀含錳硅質(zhì)白云巖；1194～1210m深灰色、灰色碎屑狀、條帶狀、致密狀磷塊巖，灰綠色細砂巖，含散狀黃鐵礦。

由于鉆孔比較深，地表層為粘土層，用?130mm口徑硬質(zhì)合金開孔，采用無泵干抓以保證采取率，施工至6.21m下?127mm套管。換經(jīng)用?110mm電鍍金剛石鉆頭鉆進，經(jīng)鉆進施工發(fā)現(xiàn)地層較為風化，為確保巖芯采取率換?96mm口徑施工至59.75m后，換回?110mm口徑擴孔至68.60m下? 108mm套管（其中51.16～54.37m、57.43～59.03m兩處為溶洞）；換經(jīng)用?91mm熱壓金剛石鉆頭鉆進，施工至185.26m下?89mm套管；換經(jīng)采用?77mm熱壓金剛石鉆頭鉆進。

在鉆進施工過程中機臺人員根據(jù)地層情況的變化，不斷摸索與地層相匹配的鉆頭胎體硬度及鉆頭唇面。經(jīng)過實踐證明，該地層與“特幫”三齒唇面、胎體硬度HRC20的鉆頭較為適應。機臺在鉆進施工時，根據(jù)鉆孔的深度、巖石性能的不同及時調(diào)整鉆進的轉(zhuǎn)速、鉆壓及泵量（流量）等鉆進技術參數(shù)。由此較好地發(fā)揮了金剛石鉆頭應有的使用壽命，回次進尺都保持在3m，平均一個金剛石鉆頭就可進尺200～300m左右，施工至1020m在巖石較為破碎全孔漏水的情況下，鉆頭也才消耗3個多不到4個。

由此可見，機臺工作人員只要認真摸索，及時根據(jù)地層的變化而選擇鉆頭，同時配之與合理的鉆進技術參數(shù)及鉆井液助劑，是可以提高鉆頭的使用壽命，減輕員工們的勞動強度，達到降低鉆探生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益之目的。

5　結(jié)語

隨著鉆探工作的不斷向“攻深找盲”發(fā)展，鉆孔的深度不斷被刷新，隨之而來的是地層的不斷變化和復雜，加上市場經(jīng)濟的波動，材料的漲價、人工費用的增加和山地青苗的補償?shù)戎T多問題，這些給鉆探施工帶來了前所未有的困難，鉆探施工單位稍不留神就有可能造成虧損。如何降低鉆探生產(chǎn)成本，成了施工中亟待解決的問題。而作為鉆探材料重頭之一的金剛石鉆頭選型使用，使其有效提高使用壽命，也使其成為降低鉆探生產(chǎn)成本的一個重要環(huán)節(jié)。因此金剛石鉆頭、擴孔器的使用被鉆探施工人員廣泛重視，從了解各種不同型號金剛石鉆頭的性能入手，并在此基礎上根據(jù)施工地層的變化不斷調(diào)整施工鉆頭的胎體硬度和鉆頭唇面，使金剛石鉆頭與巖層相互適應，再配之合理的鉆進技術參數(shù)，能使金剛石鉆頭的使用壽命發(fā)揮到極致，從而達到降低鉆探材料成本之目的。

［1］劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.地質(zhì)出版社，1991.

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1004-5716（2016）09-0068-04

2015-09-25

2015-10-10

李偉雄（1969-），男（漢族），廣東玉華人，助理工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探工具研究工作。