孕鑲金剛石鉆頭選擇及高效鉆進實踐探討

蘇力才，李永衛(wèi)，李明星，蘇福長

（廣西第一地質(zhì)工程公司，廣西 南寧 530031）

在礦區(qū)內(nèi)相鄰的鉆孔，鉆遇地層基本相同，采用同一批次參數(shù)相同的孕鑲金剛石鉆頭鉆進，不同的機臺所采用的鉆進參數(shù)不同，鉆頭壽命與小時效率差別較大。在細(xì)砂巖、粉砂巖與泥巖混層的地層中，采用金剛粒徑60～80目適用于堅硬巖鉆進的孕鑲金剛石鉆頭鉆進，鉆頭壽命較低，鉆遇泥巖層時，鉆頭小時效率較低，表現(xiàn)為“打滑”。鉆頭小時效率及壽命是繩索取芯鉆進必須首先面對的課題，從鉆探成本考慮，小時效率更為重要[1-4]，淺孔段需要追求更高的小時效率，深孔段追求小時效率的同時，還應(yīng)獲得適宜的壽命。孕鑲金剛石鉆頭的性能主要取決于鉆頭的金剛石參數(shù)、胎體耐磨能力和鉆進參數(shù)等[5]，金剛石參數(shù)、胎體耐磨性及包鑲能力是鉆頭出廠時固有的指標(biāo)。鉆頭使用效果指標(biāo)與機械鉆速、壽命、孔深有關(guān)，探討每轉(zhuǎn)進尺[6]與金剛石粒徑的關(guān)系，探討鉆進參數(shù)對孕鑲金剛石鉆頭小時效率及壽命的影響關(guān)系，對孕鑲金剛石鉆頭選擇及為實現(xiàn)高效鉆進，具有實用性、指導(dǎo)性及可操作性。

1 鉆進參數(shù)及機械鉆速與金剛石粒徑的關(guān)系

1.1 鉆探實踐觀測數(shù)據(jù)

在可鉆性為5～7 級的較完整的細(xì)砂巖、粉砂巖類地層中，CS14型全液壓動力頭鉆機N口徑繩索取芯鉆進，控制給進量一般為：回次進尺3m 耗時20～25min，換算小時效率為7.2～9m/h；根據(jù)國內(nèi)同行介紹，回次進尺3m 耗時為16min，換算小時效率達11.25m/h。包括國產(chǎn)CSD1800A型全液壓動力頭鉆機及XY-4系列立軸鉆機，能獲得的小時效率都不低于9m/h。

在可鉆性為8～9 級的較完整的硬巖地層中，采用孕鑲金剛石鉆頭的金剛石目數(shù)以40/45目為主，金剛石顆粒通徑在0.355～0.425mm 之間[7]，按最小通徑0.355mm計算，根據(jù)現(xiàn)場回次小時效率觀測，不同的地層、不同的鉆進參數(shù)獲得的機械鉆速與金剛石粒徑關(guān)系見表1。

表1中，序號1為扶綏縣羅維銀鉛鋅多金屬礦區(qū)觀測的結(jié)果。序號2、3為岑溪市佛子沖鉛鋅礦區(qū)相鄰的兩個鉆孔同一時間段觀測的結(jié)果，序號2鉆頭胎體硬度編號為HRC20～25，序號3鉆頭標(biāo)稱為廣譜型，因鉆頭真實的胎體硬度不明，選擇的鉆頭胎體硬度偏高，鉆進前需要投砂研磨鉆頭，或回次鉆進前輕壓慢轉(zhuǎn)干鉆數(shù)圈研磨鉆頭，使金剛石出刃。

序號4為資源縣某鈾礦區(qū)觀測的結(jié)果，采用在地表粗?；◢弾r地層中用過的舊鉆頭鉆進，此鉆頭胎體硬度為HRC30～35，因鉆頭采用硬質(zhì)合金保徑，鉆頭內(nèi)徑磨損偏大，底出刃狀況良好，金剛石為金黃色，晶形棱角較鈍，近似球形，金剛石品級比序號2高，小班鉆進5個回次進尺15m，鉆進參數(shù)不變，鉆速均勻，回次平均小時效率均為3.00m/h。之前，此孔段采用與序號2同一廠家生產(chǎn)的鉆頭鉆進，出現(xiàn)“打滑”不進尺，此鉆頭胎體硬度編號為HRC18～22，金剛石晶形近似長軸狀，棱角較鋒利，金剛石品級比序號2差；鉆頭燒結(jié)溫度過高，少數(shù)金剛石出現(xiàn)碳化變黑現(xiàn)象；此鉆頭出現(xiàn)“打滑”不進尺還與擴孔器外徑稍大、出現(xiàn)微臺階有關(guān)。

1.2 單位鉆壓、每轉(zhuǎn)進尺與金剛石粒徑關(guān)系

孕鑲金剛石鉆頭單位鉆壓[8]為0.50～1.0kN/cm2，按不同的巖性單位唇面鉆壓標(biāo)準(zhǔn)[9]：中硬巖0.50 ～0.70kN/cm2，硬 巖 0.70～0.90kN/cm2，堅 硬 巖 0.90～1.0kN/cm2。在可鉆性5～8級的中硬—硬巖中，每轉(zhuǎn)進尺超過金剛石粒徑的1/2，獲得較高的小時效率。在可鉆性9級的花崗巖類硬巖中，采用單位鉆壓的中值，繩索取芯鉆進獲得的每轉(zhuǎn)進尺接近金剛石粒徑的1/5，而繩索取芯液動錘鉆進則大于1/3，在較小的轉(zhuǎn)速下獲得較高的小時效率；采用單位鉆壓的高值，繩索取芯鉆進獲得的每轉(zhuǎn)進尺接近金剛石粒徑的1/3。

表鑲金剛石鉆頭要求金剛石不易被折斷，胎體包鑲牢固，確保金剛石不脫落，中硬—硬巖允許出刃值為金剛石粒徑的25%～30%[10]。而孕鑲金剛石鉆頭的出刃值，是依靠胎體不斷地被磨蝕，使金剛石不斷出露。鉆頭每轉(zhuǎn)1圈切削量是同一徑向上的金剛石共同切削疊加的結(jié)果[11-12]，金剛石的平均出刃值比每轉(zhuǎn)進尺低，實現(xiàn)高效鉆進，每轉(zhuǎn)進尺應(yīng)不低于金剛石粒徑的1/3。

對可鉆性為9級的花崗巖或類似的硬—堅硬巖，因巖石壓入硬度較高，采用較大的鉆壓，每轉(zhuǎn)進尺仍較小。為預(yù)防鉆頭“打滑”，利于鉆頭自銳出刃，應(yīng)依托巖層鉆進獲得的機械鉆速，選擇適合的金剛石目數(shù)，使每轉(zhuǎn)進尺大于金剛石粒徑的1/3。

1.3 巖石對鉆頭壽命的影響

在上林縣童汝山鉛鋅礦區(qū)，采用與表1中序號4同生產(chǎn)廠家、同性能參數(shù)的孕鑲金剛石鉆頭鉆進，獲得較高的鉆頭壽命，鉆遇地層為石灰?guī)r，巖層破碎，部分孔段弱硅化。在石灰?guī)r或類似弱研磨性地層鉆進，鉆屑較粗，但是，對鉆頭胎體磨蝕弱；巖石對金剛石磨耗弱，鉆頭表現(xiàn)為高壽命。在資源縣某鈾礦區(qū)花崗巖或類似地層鉆進，鉆屑較細(xì)，對鉆頭胎體表現(xiàn)為中等磨蝕，但是，主要成分為石英的鉆屑具有強研磨性質(zhì)，當(dāng)每轉(zhuǎn)進尺較高或采用較小金剛石粒徑時則為強磨蝕；巖石對金剛石磨耗強，與石灰?guī)r地層相比，鉆頭壽命低6～8倍。

金剛石品級、胎體硬度等性能參數(shù)相同的鉆頭，在石灰?guī)r、花崗巖鉆進均能自銳出刃，不同巖石的鉆屑對胎體的磨蝕，與巖石對碎巖工具的磨耗一樣具有可比性。石灰?guī)r鉆屑對鉆頭胎體磨蝕的影響，按鋼桿研磨法2 級研磨性等級，石灰?guī)r對金剛石的磨耗的影響，按金剛石桿研磨法1級研磨性等級；花崗巖鉆屑對鉆頭胎體磨蝕的影響，按鋼桿研磨法6級研磨性等級，花崗巖對金剛石的磨耗的影響，按金剛石桿研磨法4級研磨性等級。石灰?guī)r、花崗巖對鉆頭壽命的影響見表2。

表2 巖石對鉆頭壽命的影響

在硬—堅硬的花崗巖地層鉆進，當(dāng)鉆頭金剛石品級較差時，胎體硬度偏高則鉆頭容易出現(xiàn)“打滑”不進尺；當(dāng)鉆頭金剛石品級較高時，胎體硬度偏低則鉆頭沒有發(fā)揮應(yīng)有的壽命。胎體硬度與地層、鉆進參數(shù)相適應(yīng)的孕鑲金剛石鉆頭，金剛石被磨耗滯后于胎體被磨蝕，則金剛石保持出刃良好，金剛石被磨耗的同時，胎體則隨之被磨蝕，相對而言，金剛石的抗磨耗性能對鉆頭壽命起主導(dǎo)作用。用于強研磨性地層或硬—堅硬巖的鉆頭，要求鉆頭獲得較高的壽命，對金剛石的抗壓強度及沖擊韌性、熱沖擊韌性要求更高，對金剛石品級要求更高[13-15]。

2 鉆進參數(shù)與機械鉆速配合

2.1 轉(zhuǎn)速與機械鉆速配合

孕鑲金剛石鉆頭的每轉(zhuǎn)進尺，可以依托鉆遇巖層的特性，用與金剛石粒徑的關(guān)系確定。每轉(zhuǎn)進尺是優(yōu)化鉆頭壽命和小時效率的重要因素，與地層巖性適應(yīng)的每轉(zhuǎn)進尺，可確保金剛石一直出露在外，鉆頭磨損均勻、速度可控。如果每轉(zhuǎn)進尺過高，金剛石則很可能過早地從胎體上脫落，導(dǎo)致鉆頭低壽命。相反，如果每轉(zhuǎn)進尺過小，金剛石則很有可能被拋光，小時效率也將下降。

2.2 鉆壓與轉(zhuǎn)速的配合

鉆壓是優(yōu)化鉆頭壽命及獲得理想的每轉(zhuǎn)進尺的重要因素。鉆壓必須足夠，以保持鉆進效率與轉(zhuǎn)速之比，并使鉆頭不斷地鉆進。如果鉆壓過大，會導(dǎo)致金剛石過快脫落。如果鉆壓過小，則可能導(dǎo)致鉆頭上的金剛石被拋光，使胎體停止磨蝕而不能出露新的金剛石。

小時效率與鉆壓、轉(zhuǎn)速的配合，具有對巖層的依托性，存在一個合適的范圍。在合適的鉆壓范圍內(nèi)，小時效率隨著轉(zhuǎn)速的增大而提高，當(dāng)鉆壓低于合適的范圍時，增大轉(zhuǎn)速而小時效率并沒有提高。

在堅硬巖中鉆進，鉆壓不足，或金剛石品級差、胎體硬度偏高時，過高的轉(zhuǎn)速追求小時效率，易造成鉆頭的金剛石被拋光。

2.3 泵量

泵量必須能有效地冷卻鉆頭，清除鉆頭切面的鉆屑，并攜帶鉆屑上返地面。如果泵量過大，則會引起泵壓抬升，從而嚴(yán)重影響實際的鉆頭壓力。如果泵量過低，鉆頭會因鉆屑的磨蝕作用而過早地受到磨損。

對堅硬致密“打滑”地層，適當(dāng)?shù)販p小泵量，從而增加胎體的磨蝕，使新的金剛石出刃。對研磨性較強的地層，適當(dāng)?shù)卦龃蟊昧?，可減小鉆屑對鉆頭胎體磨蝕。對泥巖層，應(yīng)采用較大的泵量，可減小“巖粉墊”的影響。

3 雒容1井鉆探實例分析

3.1 鉆頭壽命及機械鉆速與金剛石粒徑關(guān)系分析

雒容1井采用CSD1800A型鉆機NQS繩索取心液動錘鉆具鉆進，自孔深421.59～960.65m 采用鉆頭1 鉆進，鉆頭壽命539.06m，鉆進鉆壓12～13kN，回次平均鉆壓12.019kN；轉(zhuǎn)速400～800r/min，回次平均轉(zhuǎn)速594.90r/min；泵 量 80～100L/min，回 次 平 均 泵 量87.60L/min；平均回次進尺2.59m/回次，平均巖礦芯采取率99.72%。自孔深996.10～1315.35m采用鉆頭2鉆進，鉆頭壽命319.25m，鉆進鉆壓12～15kN，回次平均鉆壓13.837kN；轉(zhuǎn)速300～410r/min，回次平均轉(zhuǎn)速335.97r/min；泵量 60～80L/min，回次平均泵量72.64L/min；平均回次進尺2.47m/回次，平均巖礦芯采取率98.54%。

鉆頭1及鉆頭2鉆遇地層均為大埔組（C2d）的白云巖，鉆頭均為同廠家、同批次生產(chǎn)，金剛石目數(shù)為40/45目，胎體硬度、濃度等鉆頭參數(shù)一樣。按金剛石顆粒最小通徑0.355mm進行分析，鉆頭壽命、機械鉆速與金剛石粒徑關(guān)系見表3。

表3 鉆頭壽命及機械鉆速與金剛石粒徑關(guān)系

追求鉆頭最大壽命，每轉(zhuǎn)進尺應(yīng)不大于金剛石粒徑的1/2。鉆頭1 使用壽命為539.06m，平均小時效率為5.86m/h，平均每轉(zhuǎn)進尺為0.164mm，為金剛石粒徑的0.462倍，接近金剛石粒徑的1/2，鉆頭獲得較高的小時效率及較高的壽命。鉆頭2使用壽命為319.25m，平均小時效率為4.29m/h，鉆頭平均每轉(zhuǎn)進尺為0.213mm，為金剛石粒徑的0.599 倍，大于金剛石粒徑的1/2，在鉆進轉(zhuǎn)速為300～410r/min的條件下，鉆頭獲得較高的小時效率，以較小的轉(zhuǎn)速采用較大的鉆壓追求較高的時效，降低了鉆頭使用壽命。

3.2 鉆頭使用效果指標(biāo)分析

鉆探人員費、燃油費等直接成本，與每鉆進1m 所需要的鉆探時間有關(guān)，采用鉆頭每鉆進1m 純鉆、起下大鉆的總時間，評價鉆頭使用效果指標(biāo)。純鉆時間與小時效率有關(guān)，起下大鉆時間與鉆頭壽命、孔深有關(guān)，每鉆進1m純鉆、起下大鉆的總時間，按下式計算：

式中：Tm——每鉆進1m的總時間，h/m；

Txg——平均每根立根下大鉆時間，CSD1800A 鉆機取Txg=2min/立根；

Ttg——平均每根立根提大鉆時間，CSD1800A 鉆機取Ttg=2.5min/立根；

H——計算孔深（鉆頭使用壽命的最大孔深），m；

V——鉆頭小時效率，m/h；

S——鉆頭壽命，m；

L——立根長度，CSD1800A鉆機取L=9m。

假設(shè)鉆頭每轉(zhuǎn)進尺相同，則鉆頭壽命相同。根據(jù)雒容1井1200～1500m孔段鉆進轉(zhuǎn)速均為300r/min，按鉆頭1及鉆頭2鉆遇相同地層的平均每轉(zhuǎn)進尺，分析鉆頭使用效果率指標(biāo)見表4。

表4 鉆頭使用效果指標(biāo)分析

增大鉆壓，使鉆頭每轉(zhuǎn)進尺適當(dāng)大于金剛石粒徑的1/2，為金剛石粒徑的0.599倍，追求鉆頭獲得較高的時效及適宜的使用壽命，節(jié)約了每鉆進1m 純鉆、起下大鉆的總時間，時間節(jié)約率17.15%～18.28%。鉆進轉(zhuǎn)速相同時，時間節(jié)約率隨孔深的增加而小幅度遞減。

深孔鉆進，由于孔內(nèi)阻力大，不能采用較高的轉(zhuǎn)速鉆進時，在鉆孔彎曲度滿足地質(zhì)或合同要求的條件下，從燃油費、人員費等經(jīng)濟效益考慮，應(yīng)采用較高的鉆壓，追求較高的時效及適宜的鉆頭壽命。

4 結(jié)語

（1）在弱研磨性中硬巖鉆進，追求鉆頭獲得較高的使用壽命及適宜的小時效率，每轉(zhuǎn)進尺應(yīng)為金剛石粒徑的1/3～1/2；追求鉆頭獲得較高的小時效率及適宜的使用壽命，每轉(zhuǎn)進尺應(yīng)不大于金剛石粒徑的0.6 倍。對于強研磨性地層或硬巖、堅硬巖，建議參考應(yīng)用確定。

（2）金剛石粒徑應(yīng)依托鉆遇巖層獲得的機械鉆速確定。在可鉆性5～8 級的中硬—硬巖鉆進，鉆頭金剛石粒徑應(yīng)不低于40/45 目。在可鉆性9 級的花崗巖類硬巖鉆進，采用金剛石目數(shù)為40/45 目的鉆頭，更有利于提高鉆頭使用壽命；對于容易出現(xiàn)“打滑”的花崗巖類硬—堅硬巖，采用較小的金剛石粒徑，如60/70 目或60/80目，更利于鉆頭自銳出刃。

（3）用于強研磨性地層或硬—堅硬巖的鉆頭，要求鉆頭具有較高的壽命，應(yīng)選擇鋸切用SMD35高強度級品及以上的金剛石，建議選擇修整用DMD高檔強度級品金剛石；用于中等研磨性中硬巖的鉆頭，應(yīng)選擇鋸切用SMD25、SMD30高級品金剛石。

（4）鉆頭胎體硬度應(yīng)與金剛石品級、金剛石粒徑相適應(yīng)。金剛石品級較高、粒徑較小，采用鉆頭胎體硬度應(yīng)更高，反之亦然。