论文部分内容阅读
【摘 要】金刚石钻头在钻遇可钻性Ⅺ、Ⅻ这样的极硬地层时，传统的设计理论认为应该选用细颗粒、软胎体、低浓度的钻头。此处介绍一种基本与此完全不同的设计方法，通过实践证明，这种钻头性能良好，在极硬地层钻进时不仅时效高，而且寿命也提高不少，对此类地层有很好的适应性。
【关键词】极硬地层；金刚石钻头；设计原理
南方铀矿钻探多钻遇硬地层，甚至经常遇到可钻性级别达Ⅺ、Ⅻ这样的极硬地层，这在花岗岩地层中是非常常见的。钻进这类地层时钻头易打滑不进尺，或钻头在人为磨耗地情况下寿命极低，钻进效率极差。为此国内外都对这种极硬难打地层进行了各方面的综合研究，取得了很多研究成果，也大大地推动了钻探技术的进步与发展，比如说冲击式碎岩方法（常结合回转法碎岩）就是针对该类地层而发展成熟的一种钻探技术。
1 地层情况及钻进中遇到的困难
我队在广东韶关某地区实施铀矿普查项目，在某孔施工过程中，岩层可钻性级别主要是Ⅸ级，兼有Ⅹ级。从孔深200m 以后，Ⅺ、Ⅻ级等极硬地层的厚度大大超过了设计值，采用原先的S75 绳钻钻头不仅时效慢，而且寿命极低，二十多米就算非常不错的成绩了。在遇到纯石英岩层时，一般只有几米的寿命。在钻进该类地层时，我队以往的经验是选用软胎体钻头（一般10～15°，金刚石粒度40/60#，，浓度80%），即使如此也经常出现打滑现象，投入磨料后往往打不了几米，胎体被磨出沟槽，钻头就报废，以致于施工人员就定性认为投入磨料后就意味着这类钻头的报废，严重影响了施工进度和钻孔质量。
2 设计的基本理论
2.1 传统理论
金刚石钻头设计的基本依据是钻头必须和所钻岩层的性质相适应。传统理论认为，在钻进极硬、弱研磨性地层时，应选择细粒到特细粒金刚石，软胎体，低浓度钻头，金刚石品级要高一些，这种配置钻头的方法是我们大家常见的一种做法。但存在两个不足：一是当采用软胎体钻头时，钻头寿命无法保证，尤其是在复杂地层和坚硬岩层中钻进时，软胎体钻头往往意味着低寿命；二是细粒金刚石受颗粒尺寸影响，切入量小，碎岩更多的是靠磨削的作用，这就造成重复破碎多，破碎功消耗比重少，所以钻速也比较慢，那么有没有更好的办法呢？
2.2 新的设计方法
首先我们设想一下极硬地层破碎的基本前提：为了能使金刚石颗粒有足够的压力吃入岩层并有效保持这种状态，就必须满足三个条件：一是有足够的钻压，尽可能的情况下，应选用极限钻压；二是金刚石本身强度要够，也就是说品级要高；三是金刚石包裹要牢固，出刃合理，能够持续发挥碎岩的作用。在第三个条件中其实就讲到了胎体的重要性，在胎体选择方面，我们有以下三个假设：
2.2.1 胎体性能与岩层的可钻性与研磨性相适应指的是胎体的耐磨性要与之相适应，而非胎体硬度。
2.2.2 胎体硬度和胎体耐磨性是两个不同的概念，也就是说同一硬度的胎体可以有不同的耐磨性，这不仅与胎体本身配方、烧结工艺有关，而且还与金刚石含量以及孔底胎体磨损状态不同有关。
2.2.3 在生产实践中，全面评价与操作影响胎体耐磨性的因素存在诸多困难，故实际中还是以胎体硬度来直接表示胎体的耐磨性。
其次为了保证进尺速度，我们摒弃传统做法，采用较大颗粒高等级金刚石30/40#，SMD25），在极限钻压下，保证切入深度，使大颗粒金刚石的切削作用发挥的更充分。结合前后两方面的情况，就要求胎体有足够的硬度，牢固的包裹能力，同时还要考虑到金刚石的适时出刃，在这里需要说明的是：有些人担心大颗粒金刚石意味着大的出刃量，在这样一个极限钻压工作环境中，要使胎体牢固包裹金刚石实属不易，再加上出刃量大了之后就极有可能崩落金刚石，但是从前人统计的资料来看，并不会出现这种问题，总的趋势是大粒度金刚石在孕镶钻头中并未有大的出刃量，其出刃量多集中在20～50μm，因此不必担心这个问题，为此选用胎体硬度35°。
2.3 新钻头设计
基于这样一个设想，设计了以下钻头，并有意识地让白、晚班采用不同的钻进规程参数，从试验效果来看，也从另一方面佐证了该设计方法是符合预初设想的。
2.3.1 金刚石和胎体选择
金刚石粒度：30/40#；金刚石品级：SMD25；金刚石浓度：75%；胎体硬度：35°。
2.3.2 水口设计
钻进极硬地层需要很高的钻压，在水路设计方面，我们适当增大水口过路面积，但为了能保证胎体有足够的环状面积来支撑钻压，水口面积又不宜过大。
为此设计水口 10 个，外宽6mm，内宽5mm，均比原先使用的钻头大1mm，水口深度不变，这样计算出来的胎体环状面积为1816.40mm2（原钻头1946.30mm2），面积比为0.93。
其余结构与原 S75 绳钻钻头一致，采用常见的热压烧结法制成。
3 使用效果
3.1 钻进参数选择
3.1.1 钻压：依据孔深变化，白班15～18KN；晚班15KN 以下，在12～15KN 范围内变化。
3.1.2 转速：白班以4 档为主（517 r/min），兼顾5、6 档（415、765 r/min）；晚班多采用4、5 档，很少开6 档。
3.1.3 泵量：54/72 L/min。
3.2 试验数据
试验钻头寿命 52.74m（206.21m～258.95m），纯钻时间68.33h，平均时效0.77m/h；其中钻进Ⅺ、Ⅻ等极硬地层共计21.45m，纯钻时间41.33h，平均时效0.52m/h，其余地层可钻性级别主要为Ⅸ、Ⅹ（分别约占60%和40%），时效为1.16m/h。
由于选择的钻进参数不同，白、晚班的钻进效率差异明显，这点从钻进极硬地层的数据来看最明显，以下是详细数据：
3.2.1 白班钻进极硬地层13.71m，纯钻时间19.67h，平均时效为0.70m/h；
3.2.2 晚班钻进极硬地层7.74m，纯钻时间21.67h，平均时效0.36m/h。
相对于晚班，白班多选择极限钻压，转速也比较高，获得了较高的钻速。因此我们可以这样认为，在钻进极硬地层时，在设备、钻具、孔内情况允许的条件下，大的钻压和适当较高的转速对钻进这类坚硬难打地层是很有益处的，不过转速也不能过高，尤其是对粗粒金刚石来说，一般都要比正常岩层转速低一些（这是金刚石钻进坚硬致密岩层所决定的特殊规程），但是过低的钻压和转速会不利于该类地层的钻进。
4 胎体唇面磨损状况
从试验钻头的唇面磨损来看，与原钻头相比，有以下几点不同：
4.1 金刚石出刃合理，颗粒磨损正常，胎体包裹牢固，其后有很明显的蝌蚪状支撑体，分布均匀，颗粒脱落的很少，说明这种钻头能较好的发挥金刚石的碎岩作用，即使在大钻压的工作环境中，钻头性能能较好地保持其稳定性，正常损耗占主要地位。
4.2 胎体唇面磨损均匀，没有出现拉（沟）槽，也没有出现非正常磨损，而且在钻进的过程种多次投入磨料来使金刚石锐化，也能够保持胎体性能的稳定性，这很大程度上得益于高的胎体硬度（耐磨性）和高品质大颗粒的金刚石，由它们组合而成的胎体工作层抵抗局部破坏的能力很强，整个胎体工作层都正常消耗在钻进工作上。
胎体唇面磨损状况良好，金刚石出刃合理，说明胎体与所钻岩层的性质适应性好，这为充分发挥金刚石碎岩提供了前提条件，这是我们所追求的理想状况。
5 结语
在实际生产活动中，钻探工作会因各方面的原因遇到多种难题。本文仅仅从一个小例子出发，在钻进纯石英岩层时，采用了与传统理论不同的设计方法较好地解决了生产难题，虽然采用品级较高的金刚石钻头会使成本增加，但带来的效益却是显而易见的，同时也从侧面说明了不要拘泥于现有知识来解决问题的重要性。笔者希望借此本文在解决类似地层的钻进难题时给同仁们提供另一种方案选择，促进经验交流，使钻探技术不断向前发展，为国民经济做出更大的贡献。
参考文献:
[1]EJ/T 1052-1997 放射性矿产资源钻探规程[S].
[2]张祖培,等.碎岩工程学[M].北京:地质出版社,1995.
作者简介：田龙（1986— ），男，助理工程师，现从事岩心钻探技术与管理工作
【关键词】极硬地层；金刚石钻头；设计原理
南方铀矿钻探多钻遇硬地层，甚至经常遇到可钻性级别达Ⅺ、Ⅻ这样的极硬地层，这在花岗岩地层中是非常常见的。钻进这类地层时钻头易打滑不进尺，或钻头在人为磨耗地情况下寿命极低，钻进效率极差。为此国内外都对这种极硬难打地层进行了各方面的综合研究，取得了很多研究成果，也大大地推动了钻探技术的进步与发展，比如说冲击式碎岩方法（常结合回转法碎岩）就是针对该类地层而发展成熟的一种钻探技术。
1 地层情况及钻进中遇到的困难
我队在广东韶关某地区实施铀矿普查项目，在某孔施工过程中，岩层可钻性级别主要是Ⅸ级，兼有Ⅹ级。从孔深200m 以后，Ⅺ、Ⅻ级等极硬地层的厚度大大超过了设计值，采用原先的S75 绳钻钻头不仅时效慢，而且寿命极低，二十多米就算非常不错的成绩了。在遇到纯石英岩层时，一般只有几米的寿命。在钻进该类地层时，我队以往的经验是选用软胎体钻头（一般10～15°，金刚石粒度40/60#，，浓度80%），即使如此也经常出现打滑现象，投入磨料后往往打不了几米，胎体被磨出沟槽，钻头就报废，以致于施工人员就定性认为投入磨料后就意味着这类钻头的报废，严重影响了施工进度和钻孔质量。
2 设计的基本理论
2.1 传统理论
金刚石钻头设计的基本依据是钻头必须和所钻岩层的性质相适应。传统理论认为，在钻进极硬、弱研磨性地层时，应选择细粒到特细粒金刚石，软胎体，低浓度钻头，金刚石品级要高一些，这种配置钻头的方法是我们大家常见的一种做法。但存在两个不足：一是当采用软胎体钻头时，钻头寿命无法保证，尤其是在复杂地层和坚硬岩层中钻进时，软胎体钻头往往意味着低寿命；二是细粒金刚石受颗粒尺寸影响，切入量小，碎岩更多的是靠磨削的作用，这就造成重复破碎多，破碎功消耗比重少，所以钻速也比较慢，那么有没有更好的办法呢？
2.2 新的设计方法
首先我们设想一下极硬地层破碎的基本前提：为了能使金刚石颗粒有足够的压力吃入岩层并有效保持这种状态，就必须满足三个条件：一是有足够的钻压，尽可能的情况下，应选用极限钻压；二是金刚石本身强度要够，也就是说品级要高；三是金刚石包裹要牢固，出刃合理，能够持续发挥碎岩的作用。在第三个条件中其实就讲到了胎体的重要性，在胎体选择方面，我们有以下三个假设：
2.2.1 胎体性能与岩层的可钻性与研磨性相适应指的是胎体的耐磨性要与之相适应，而非胎体硬度。
2.2.2 胎体硬度和胎体耐磨性是两个不同的概念，也就是说同一硬度的胎体可以有不同的耐磨性，这不仅与胎体本身配方、烧结工艺有关，而且还与金刚石含量以及孔底胎体磨损状态不同有关。
2.2.3 在生产实践中，全面评价与操作影响胎体耐磨性的因素存在诸多困难，故实际中还是以胎体硬度来直接表示胎体的耐磨性。
其次为了保证进尺速度，我们摒弃传统做法，采用较大颗粒高等级金刚石30/40#，SMD25），在极限钻压下，保证切入深度，使大颗粒金刚石的切削作用发挥的更充分。结合前后两方面的情况，就要求胎体有足够的硬度，牢固的包裹能力，同时还要考虑到金刚石的适时出刃，在这里需要说明的是：有些人担心大颗粒金刚石意味着大的出刃量，在这样一个极限钻压工作环境中，要使胎体牢固包裹金刚石实属不易，再加上出刃量大了之后就极有可能崩落金刚石，但是从前人统计的资料来看，并不会出现这种问题，总的趋势是大粒度金刚石在孕镶钻头中并未有大的出刃量，其出刃量多集中在20～50μm，因此不必担心这个问题，为此选用胎体硬度35°。
2.3 新钻头设计
基于这样一个设想，设计了以下钻头，并有意识地让白、晚班采用不同的钻进规程参数，从试验效果来看，也从另一方面佐证了该设计方法是符合预初设想的。
2.3.1 金刚石和胎体选择
金刚石粒度：30/40#；金刚石品级：SMD25；金刚石浓度：75%；胎体硬度：35°。
2.3.2 水口设计
钻进极硬地层需要很高的钻压，在水路设计方面，我们适当增大水口过路面积，但为了能保证胎体有足够的环状面积来支撑钻压，水口面积又不宜过大。
为此设计水口 10 个，外宽6mm，内宽5mm，均比原先使用的钻头大1mm，水口深度不变，这样计算出来的胎体环状面积为1816.40mm2（原钻头1946.30mm2），面积比为0.93。
其余结构与原 S75 绳钻钻头一致，采用常见的热压烧结法制成。
3 使用效果
3.1 钻进参数选择
3.1.1 钻压：依据孔深变化，白班15～18KN；晚班15KN 以下，在12～15KN 范围内变化。
3.1.2 转速：白班以4 档为主（517 r/min），兼顾5、6 档（415、765 r/min）；晚班多采用4、5 档，很少开6 档。
3.1.3 泵量：54/72 L/min。
3.2 试验数据
试验钻头寿命 52.74m（206.21m～258.95m），纯钻时间68.33h，平均时效0.77m/h；其中钻进Ⅺ、Ⅻ等极硬地层共计21.45m，纯钻时间41.33h，平均时效0.52m/h，其余地层可钻性级别主要为Ⅸ、Ⅹ（分别约占60%和40%），时效为1.16m/h。
由于选择的钻进参数不同，白、晚班的钻进效率差异明显，这点从钻进极硬地层的数据来看最明显，以下是详细数据：
3.2.1 白班钻进极硬地层13.71m，纯钻时间19.67h，平均时效为0.70m/h；
3.2.2 晚班钻进极硬地层7.74m，纯钻时间21.67h，平均时效0.36m/h。
相对于晚班，白班多选择极限钻压，转速也比较高，获得了较高的钻速。因此我们可以这样认为，在钻进极硬地层时，在设备、钻具、孔内情况允许的条件下，大的钻压和适当较高的转速对钻进这类坚硬难打地层是很有益处的，不过转速也不能过高，尤其是对粗粒金刚石来说，一般都要比正常岩层转速低一些（这是金刚石钻进坚硬致密岩层所决定的特殊规程），但是过低的钻压和转速会不利于该类地层的钻进。
4 胎体唇面磨损状况
从试验钻头的唇面磨损来看，与原钻头相比，有以下几点不同：
4.1 金刚石出刃合理，颗粒磨损正常，胎体包裹牢固，其后有很明显的蝌蚪状支撑体，分布均匀，颗粒脱落的很少，说明这种钻头能较好的发挥金刚石的碎岩作用，即使在大钻压的工作环境中，钻头性能能较好地保持其稳定性，正常损耗占主要地位。
4.2 胎体唇面磨损均匀，没有出现拉（沟）槽，也没有出现非正常磨损，而且在钻进的过程种多次投入磨料来使金刚石锐化，也能够保持胎体性能的稳定性，这很大程度上得益于高的胎体硬度（耐磨性）和高品质大颗粒的金刚石，由它们组合而成的胎体工作层抵抗局部破坏的能力很强，整个胎体工作层都正常消耗在钻进工作上。
胎体唇面磨损状况良好，金刚石出刃合理，说明胎体与所钻岩层的性质适应性好，这为充分发挥金刚石碎岩提供了前提条件，这是我们所追求的理想状况。
5 结语
在实际生产活动中，钻探工作会因各方面的原因遇到多种难题。本文仅仅从一个小例子出发，在钻进纯石英岩层时，采用了与传统理论不同的设计方法较好地解决了生产难题，虽然采用品级较高的金刚石钻头会使成本增加，但带来的效益却是显而易见的，同时也从侧面说明了不要拘泥于现有知识来解决问题的重要性。笔者希望借此本文在解决类似地层的钻进难题时给同仁们提供另一种方案选择，促进经验交流，使钻探技术不断向前发展，为国民经济做出更大的贡献。
参考文献:
[1]EJ/T 1052-1997 放射性矿产资源钻探规程[S].
[2]张祖培,等.碎岩工程学[M].北京:地质出版社,1995.
作者简介：田龙（1986— ），男，助理工程师，现从事岩心钻探技术与管理工作