不同地層鉆進(jìn)用金剛石鉆頭分析研究

湯鳳林 ， 沈中華， 段隆臣， 彭　莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074；2.無(wú)錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174)

0　引言

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，地質(zhì)勘探占有重要位置。它要保證為國(guó)家提供足夠的礦產(chǎn)資源，以滿足一個(gè)甚至幾個(gè)五年計(jì)劃國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。鉆探工程是地質(zhì)勘探中的重要環(huán)節(jié)，只有取上足夠的代表性的巖心，才能最后確定礦產(chǎn)的儲(chǔ)量。

在鉆探工程中，特別是深孔鉆進(jìn)中，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與許多因素有關(guān)，諸如鉆孔地質(zhì)條件、鉆探設(shè)備、鉆具、鉆頭、鉆探工藝、施工人員技術(shù)水平、鉆探生產(chǎn)管理，等等。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，常常遇到各種復(fù)雜情況，例如，遇到堅(jiān)硬裂隙性地層鉆進(jìn)問(wèn)題，空氣泡沫洗井時(shí)鉆頭冷卻問(wèn)題，鉆孔和巖心保徑問(wèn)題，等等。

這些復(fù)雜情況問(wèn)題的解決幾乎均與鉆頭的技術(shù)特性和工作能力有關(guān)。我們應(yīng)從鉆頭方面進(jìn)行研究、采取對(duì)策，以便提高鉆探工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-8]。

俄羅斯專家在解決上述有關(guān)問(wèn)題時(shí)，在可以使用的鉆頭方面，進(jìn)行了很多的研究，取得了一定的成果，可供我國(guó)研究和借鑒[9-23]。

1　堅(jiān)硬裂隙性巖石鉆進(jìn)用金剛石鉆頭

這是俄羅斯莫斯科鉆探技術(shù)實(shí)驗(yàn)工廠別別寧(Бебенин В.Ю.)等人獲得的俄羅斯發(fā)明專利技術(shù)，主要用于堅(jiān)硬裂隙性巖石鉆進(jìn)中，其技術(shù)效果是可以使鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、提高鉆頭壽命和提高鉆頭的平均機(jī)械鉆速[21]。

1.1　鉆頭結(jié)構(gòu)

從圖1和圖2可見(jiàn)，鉆頭結(jié)構(gòu)包括鉆頭剛體、水口、結(jié)合層、含金剛石層和耐磨材料鑲塊的胎體。耐磨材料鑲塊固定在含金剛石層的后部和結(jié)合層的底部。耐磨材料鑲塊用做含金剛石層的支撐。水口用來(lái)冷卻鉆頭的扇形塊。

圖1　鉆頭剖面圖(圖2中的A-A視圖)

圖2　鉆頭工作唇面俯視圖

從圖3可見(jiàn)，由于形成金剛石層和耐磨材料鑲塊的圓柱形曲面的半徑r、r1和r2是相等的，所以金剛石層的前表面、背表面和耐磨材料鑲塊的背表面上所受的載荷是相等的。半徑h和h1位移的數(shù)值，與金剛石層的厚度S和耐磨材料鑲塊的厚度S1相應(yīng)。因此，不論金剛石層和耐磨材料鑲塊的高度H磨損多少，鉆頭胎體唇面與巖石的接觸表面的面積都是不變的，即在其他條件相同情況下，這種鉆頭的機(jī)械鉆速在整個(gè)回次期間都是不變的，因而保證了平均機(jī)械鉆速和鉆頭壽命的提高。

從圖4可見(jiàn)，形成金剛石層和耐磨材料鑲塊的前面和背面的圓柱形表面都位于一個(gè)水平面上，這個(gè)水平面是工作層和結(jié)合層的邊界，交點(diǎn)在鉆頭的軸線上，角度位移由這兩層的厚度決定。

圖3　圖1 中的B視圖

圖4　鉆頭上一個(gè)扇形塊的視圖

按回轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的金剛石層表面和耐磨材料鑲塊表面，都是半徑相等的圓柱形曲面，可以保證：第一、位于金剛石層接觸界面上的金剛石顆粒，在和巖石以及孔底原先可能未破碎部分的探頭石相互作用時(shí)不會(huì)發(fā)生沖擊作用，可以大大減小對(duì)金剛石的沖擊載荷，因而可以大大減少金剛石顆粒的破碎；第二、沖洗液流在耐磨材料鑲塊后部凹形曲面中形成方向的改變，使沖洗液直接流到鉆頭下一個(gè)扇形塊唇面的下方，可以大大改善其冷卻條件；第三、可以把上一個(gè)扇形塊破碎、但沒(méi)有被沖洗液帶走的巖粉、以及從耐磨材料鑲塊脫落的耐磨材料顆粒，吸入金剛石層唇面的下方，有助于胎體粘結(jié)材料的磨損，保證在下一個(gè)扇形塊工作層整個(gè)寬度上，金剛石顆粒能夠正常露出，避免鉆頭端面拋光。

由于上述原因，這種新型鉆頭可以保證鉆頭的耐磨性增加、機(jī)械鉆速提高，特別是在使用現(xiàn)有金剛石鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)非常低的裂隙地層或粘硬地層中鉆進(jìn)時(shí)更為明顯。

圖5上給出了金剛石層前表面和耐磨材料鑲塊后背面圓柱形曲面半徑r數(shù)值計(jì)算的圖解法，以及圓柱形曲面半徑r與高度H關(guān)系的計(jì)算方法。

為此，在橫坐標(biāo)軸上截取r的任意值，在縱坐標(biāo)軸上按相同比例截取H值。然后，從縱坐標(biāo)軸上的A、A1和A2點(diǎn)上，以負(fù)前角(例如25°)與橫坐標(biāo)軸上的Б、Б1和Б2點(diǎn)連接畫出曲線。為什么取25°呢？這是因?yàn)槔碚摵蛯?shí)踐研究都證明，高硬度金屬加工時(shí)或者在堅(jiān)硬裂隙性巖石破碎時(shí)，切削加工工具均為15°～25°，所以取了25°。利用這些曲線可以畫出金剛石層和耐磨材料鑲塊的前面和背面的圓柱形曲面。而連接A、A1、A2點(diǎn)和O1、O2、O3點(diǎn)的直線，將是曲面的半徑。從O1、O2和O3點(diǎn)向橫軸畫垂線，可以確定出曲面半徑r、r1和r2的數(shù)值。

圖5　 計(jì)算圓柱形曲面半徑r1、r2與胎體高度H的關(guān)系用圖

從圖5可見(jiàn)，A點(diǎn)與H=10 cm和r1=13 cm相應(yīng)；A1點(diǎn)與H=12 cm和r2=15.6 cm相應(yīng)；A2點(diǎn)與H=14 cm和r3=18.2 cm相應(yīng)。在上面列舉的所有關(guān)系中，r/H均是常數(shù)，均等于1.3，就是說(shuō)，不管鉆頭直徑如何，形成金剛石層前面和耐磨材料鑲塊背面的圓柱形曲面的半徑都是r=1.3H。

1.2　鉆頭的優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有鉆頭相比，本鉆頭具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)金剛石顆粒與巖石相互作用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊作用，可以大大減小對(duì)鉆頭金剛石層的沖擊載荷，增加鉆頭進(jìn)尺。

(2)通過(guò)改變沖洗液流向的辦法，使其直接流到金剛石層前面的唇面下面，改善了鉆頭扇形塊的冷卻系統(tǒng)。

(3)可以保證把原先破碎但未被沖洗液帶走的巖粉和脫離耐磨材料鑲塊的磨料顆粒，吸到鉆頭胎體唇面下方，有利于胎體粘結(jié)金屬的磨損和金剛石顆粒在扇形塊工作層整個(gè)寬度上的正常露出，阻止了鉆頭唇面的拋光。

2　壓縮空氣(泡沫)洗井用金剛石鉆頭

這是俄羅斯圣彼得堡國(guó)立礦業(yè)大學(xué)托爾圖諾夫(Толтунов С.А.)等人獲得的俄羅斯發(fā)明專利技術(shù)，由于采用了拉瓦爾噴嘴型通孔，改善了冷卻系統(tǒng)，從而增加了鉆頭的耐磨性，增加了鉆頭進(jìn)尺，降低了鉆頭成本，主要在空氣和泡沫洗井鉆進(jìn)時(shí)使用[22]。

2.1　鉆頭的結(jié)構(gòu)

鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖6～9所示。

圖6　鉆頭概貌(剖面)圖

圖7　鉆頭唇面仰視圖

圖8　圖6中的A-A剖面圖

2.2　鉆頭制作

把含有金剛石的鉆頭胎體連接在鉆頭剛體上，然后，在鉆頭胎體上開(kāi)出水口，在鉆頭端面上鉆出拉瓦爾噴嘴型的通孔。此后，在兩個(gè)拉瓦爾噴嘴型的通孔中間，安裝剛性筋，剛性筋一端固定在含金剛石的胎體上，另一端固定在鉆頭剛體的外壁上。拉瓦爾噴嘴型通孔的大小和數(shù)量，要考慮金剛石鉆頭的直徑和鉆頭計(jì)算載荷。拉瓦爾噴嘴型的通孔的中心線，相對(duì)于金剛石鉆頭剛體的對(duì)稱軸線，偏離一個(gè)角度。通孔在向剛體方向變窄，在進(jìn)入拉瓦爾噴嘴型的通孔的入口處急劇擴(kuò)大。此后，在含金剛石胎體內(nèi)壁底部，面對(duì)每一個(gè)拉瓦爾噴嘴型的通孔，都有切去的部分，以形成空氣出口通道。為了增加金剛石鉆頭的強(qiáng)度性能，在兩個(gè)相鄰拉瓦爾噴嘴型的通孔之間，置有剛性筋，剛性筋一端固定在含金剛石的胎體上，另一端固定在鉆頭剛體的外壁上。

圖9　圖6中Б處的局部放大圖

2.3　鉆頭工作原理及特點(diǎn)

鉆頭在軸載和扭矩作用下破碎巖石。同時(shí)，通過(guò)鉆桿柱內(nèi)孔向孔底供給壓縮空氣。金剛石鉆頭破碎巖石時(shí)，機(jī)械功變成熱能，使胎體和金剛石急劇升溫。帶有巖石破碎形成巖粉的壓縮空氣進(jìn)入切去部分。切去部分變成了壓縮空氣帶有巖石破碎形成巖粉的壓縮空氣，進(jìn)入拉瓦爾噴嘴型的通孔。拉瓦爾噴嘴型的通孔，把壓縮空氣形成超音速氣流，吸收熱量，使與之接觸的鉆頭胎體降溫?？梢?jiàn)，由于使用了拉瓦爾噴嘴型的通孔，使壓縮空氣形成超音速氣流，吸收熱量，可以有效地冷卻鉆頭胎體，從而提高了鉆頭的耐磨性，提高了機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，取得了很好的鉆探技術(shù)指標(biāo)。

2.4　使用這種鉆頭的優(yōu)越性

(1)可對(duì)金剛石鉆頭及其上的金剛石可以進(jìn)行強(qiáng)烈冷卻；

(2)能夠提高金剛石鉆頭的耐磨性；

(3)可以降低金剛石鉆進(jìn)的成本。

要弄明白這個(gè)問(wèn)題，我們要先看一下這件衣服是怎么回事。眾所周知，漢族人從“黃帝堯舜垂衣裳而天下治”到清朝入關(guān)前都是穿著漢服的。經(jīng)過(guò)幾千年的發(fā)展，漢服也用實(shí)力證明了什么叫作大氣端莊風(fēng)流靈巧。但這么美麗的衣服究竟有沒(méi)有口袋呢？恐怕很多人不夠了解。

3　保徑金剛石鉆頭

這是俄羅斯鉆探專家帕寧(Панин Р.М.)等人獲得的俄羅斯發(fā)明專利技術(shù)，由于設(shè)計(jì)了合理的側(cè)刃金剛石排列方式及其有不同的耐磨性，解決了鉆頭的保徑問(wèn)題，所以，提高了鉆頭進(jìn)尺，確保了正常鉆進(jìn)，具有重要意義[23]。

3.1　鉆頭的結(jié)構(gòu)

鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖10、11所示。

圖10　鉆頭概貌圖

圖11　鉆頭工作唇面仰視圖

鉆頭包括帶有連接螺紋的圓柱形剛體和胎體。胎體被水口分成工作扇形塊。扇形塊上鑲有切削具，主要是天然金剛石或人造底刃金剛石，有形成巖心的金剛石和形成鉆孔的金剛石。在垂直平面內(nèi)、側(cè)刃金剛石均呈斜線排列，不在同一個(gè)胎體高度上，見(jiàn)圖12。位于扇形塊前面的斜線的起點(diǎn)，相對(duì)位于扇形塊后面的斜線的另一端有一個(gè)位移，向連接螺紋方面移動(dòng)。同時(shí)，每個(gè)扇形塊上的側(cè)刃金剛石的耐磨性都是不一樣的，其耐磨性在沿著扇形塊的前面向后面的方向上逐漸增大。

3.2　鉆頭的工作原理

底刃金剛石在軸載和扭矩作用下切入巖石，對(duì)巖石進(jìn)行破碎。沖洗液攜帶破碎的巖粉，將其帶到地表。在鉆孔加深過(guò)程中，內(nèi)側(cè)刃金剛石和外側(cè)刃金剛石加入工作，分別校準(zhǔn)巖心外徑和鉆孔孔徑，使鉆頭的外徑和內(nèi)徑保持在原來(lái)設(shè)計(jì)的保徑參數(shù)的水平上。同時(shí)，由于內(nèi)側(cè)刃金剛石和外側(cè)刃在斜線上的位置不同，不在同一個(gè)胎體高度(水平線)上，見(jiàn)圖12，保證了在鉆頭整個(gè)工作期間，鉆頭所有內(nèi)、外側(cè)刃金剛石的載荷都是比較均勻的。而且，每個(gè)扇形塊上的內(nèi)、外側(cè)刃金剛石都有不同耐磨性，從扇形塊前部向后部增大，也有助于這一點(diǎn)。這樣布置內(nèi)、外側(cè)刃金剛石時(shí)，金剛石上的載荷在扇形塊的前面向后面方向上增大，每個(gè)扇形塊上的最后金剛石承受的載荷最大，所以設(shè)計(jì)所用最后金剛石的耐磨性應(yīng)該是最大的，以便使所有內(nèi)、外側(cè)刃金剛石的磨損都是均勻的。如此布置側(cè)刃金剛石和使用不同耐磨性的金剛石，可以增加鉆頭進(jìn)尺，防止鉆孔縮徑和巖心脹徑，對(duì)于深孔鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)具有特別意義。

圖12　圖11Б視圖的放大圖

3.3　鉆頭的優(yōu)點(diǎn)

(1)保徑金剛石排列方式改變，可使金剛石負(fù)擔(dān)更加合理；

(2)每個(gè)扇形塊上的金剛石耐磨性不同，可以使金剛石的磨損更加均勻；

(3)鉆頭扇形塊內(nèi)外側(cè)金剛石排列形式改變和其上的金剛石耐磨性不同，保證了金剛石磨損均勻，可以起到金剛石鉆頭的有效保徑作用，從而可以提高鉆孔和巖心的質(zhì)量。

4　討論與建議

根據(jù)上述情況可以做出如下討論和建議。

(2)鉆進(jìn)過(guò)程中，常常遇到各種復(fù)雜情況，例如遇到堅(jiān)硬裂隙性地層鉆進(jìn)問(wèn)題，空氣泡沫洗井時(shí)鉆頭冷卻問(wèn)題，鉆孔和巖心保徑問(wèn)題，等等。但是，這些復(fù)雜問(wèn)題幾乎均與鉆頭的技術(shù)特性和工作能力有關(guān)，因此應(yīng)從鉆頭方面進(jìn)行研究、采取對(duì)策，加以解決。

(3)堅(jiān)硬裂隙性鉆頭主要是由于形成金剛石層和耐磨材料鑲塊的圓柱形曲面的半徑r、r1和r2是相等的，所以金剛石層的前表面、背表面和耐磨材料鑲塊的背表面上所受的載荷是相等的。因此，不論金剛石層和耐磨材料鑲塊的高度H磨損多少，鉆頭胎體唇面與巖石的接觸表面的面積都是不變的，即在其他條件相同情況下，這種鉆頭的機(jī)械鉆速在整個(gè)回次期間都是不變的，因而保證了平均機(jī)械鉆速的提高。這是俄羅斯的一項(xiàng)發(fā)明專利，專利號(hào)為2326228[21]。

(4)壓縮空氣和泡沫鉆進(jìn)用鉆頭主要是攜帶有巖石破碎形成巖粉的壓縮空氣(泡沫)，進(jìn)入拉瓦爾噴嘴型的通孔內(nèi)，使壓縮空氣形成超音速氣流，吸收熱量，有效地冷卻鉆頭胎體，從而提高了鉆頭的耐磨性，提高了機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，取得了很好的鉆探技術(shù)指標(biāo)。這也是俄羅斯的一項(xiàng)發(fā)明專利，專利號(hào)為2276717[22]。

(5)保徑用金剛石鉆頭主要是用側(cè)刃金剛石分別校準(zhǔn)鉆孔孔徑和巖心外徑，保持鉆頭的外徑和內(nèi)徑保持所設(shè)計(jì)的保徑參數(shù)。由于側(cè)刃金剛石鑲在斜線上，其前端相對(duì)于后端有個(gè)位移，而且每個(gè)扇形塊的內(nèi)外側(cè)刃金剛石都有不同耐磨性，所以保證了鉆頭所有內(nèi)外側(cè)刃金剛石的載荷都是均勻的?？梢?jiàn)，如此布置側(cè)刃金剛石可以增加鉆頭進(jìn)尺，防止鉆孔縮徑，防止巖心變粗，對(duì)于深孔鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)具有特別意義。這又是俄羅斯的一項(xiàng)發(fā)明專利，專利號(hào)為2287658[23]。

(6)俄羅斯專家設(shè)計(jì)出不同地層用金剛石鉆頭的思路和得到的成果，對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)鉆頭或有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。當(dāng)然我們要從我國(guó)的實(shí)際出發(fā)，總結(jié)我們的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具有中國(guó)特色、適合不同地質(zhì)條件下鉆進(jìn)的鉆頭來(lái)。