金剛石鉆頭鉆進堅硬致密弱研磨性巖層的研究

1 、堅硬致密弱研磨性巖層特點
堅硬致密弱研磨性巖層，又稱"打滑"地層。在這類巖層進行金剛石鉆進時經常出現金剛 石鉆頭打滑現象，致使鉆進效率低，或根本不進尺。打滑地層具有以下三個特點：
（1）巖石硬度大，石英含量高。其巖石壓入硬度一般可達 5000MPa，其中部分在 5500～ 6500 MPa 之間，個別甚至高達 7000 MPa。
（2）強度高。這類巖層造巖礦物細，粒度多為 0.01～0.2mm，硅質膠結，顆粒之間結 合力大，結構致密，整體強度高，其單軸抗壓強度達 150MPa 或更高。
（3）研磨性弱。由于鉆進時效低，巖粉少且巖粉顆粒細，對鉆頭胎體磨損甚微，金剛 石難以出刃。
解決在這類巖層中鉆進效率低的問題，是鉆探行業長期存在的一大技術難題。
2、解決打滑地層鉆進問題的重要意義
堅硬致密弱研磨性巖層雖然在一般礦區所占比例不大，但由于鉆頭打滑現象的發生，即使只有幾米或十幾米這種巖層也要耗費大量時間和鉆頭，十天或二十天，甚至一個月，導致整個鉆孔施工周期延長，勘探成本增高，經濟效益明顯下降。我國大部分地區都存在這類巖 層。因此，解決該類巖層鉆進打滑問題極有必要性。
3、鉆進堅硬致密巖層的金剛石鉆頭現狀
自從上世紀 70 年代初推廣金剛石鉆探技術以來，鉆進硬巖的許多問題似乎都迎刃而解了，機械鉆速、鉆探質量大為提高。但是新的技術難題，在某些巖層鉆頭"打滑"現象出現鉆 進時金剛石鉆頭在巖石上打滑而不進尺，或進尺極慢，時效常在 0.1～0.2m 左右；回次進尺 僅 0.2～0.5m 左右，鉆頭使用壽命 2～3m。
自打滑現象成為鉆進堅硬致密弱研磨性巖層的主要矛盾以來，對解決鉆進時鉆頭打滑問 題進行了多方面的研究：如提高金剛石強度、粒度，降低金剛石濃度；改變胎體耐磨性；優化鉆頭底唇面形狀與結構，增加鉆頭水口數目等。進行了多次實驗及生產實踐，產生了很多克服鉆頭打滑的方法，例如金剛石鉆頭人工出刃的方法，如打磨法、噴砂法、唇面酸蝕法、孔底投砂研磨法等；后來又借鑒國外的思路使用軟胎體鉆頭；另外還制造各種異形唇面鉆頭， 如高低刃及同心圓尖齒唇面鉆頭等。同時，自 20 世紀 80 年代推廣沖擊回轉鉆進方法以來， 采用金剛石液動沖擊回轉鉆進方法，調節好沖擊功和優化鉆進參數，比較好地克服了鉆頭打滑現象，從鉆進方法上取得了實質性進展。
3.1 金剛石鉆頭人工出刃
打磨法、噴砂法及唇面酸蝕法，都是采取輔助手段磨損鉆頭胎體，使新的鋒利金剛石出 露繼續破碎巖石。采用這種辦法，人為降低了鉆頭的壽命，此外，需要頻繁提鉆，操作起來很麻煩，并且大幅度增加了輔助工作時間，影響了工程進度，降低了經濟效益。采用孔底投砂研磨和沖洗中加砂的辦法就是在鉆進過程中，當鉆頭出現鉆進進尺緩慢時，就通過鉆桿向鉆孔內投入細小的磨料、石英顆粒等，通過這些磨料使鉆頭胎體磨損,可使鉆頭唇面上的金剛石出刃。上述辦法可以做到不頻繁地提鉆，輔助工作時間增加不多。但是如果投砂量過多，或投砂研磨的時間掌握不好，導致鉆頭的磨損加快，降低鉆頭壽命。沖洗液中加砂則人為地增加了鉆桿、鉆具、泥漿泵等設備的嚴重磨損，降低其使用壽命。上述兩種經人工出刃處理的方法雖然有效果,但往往在鉆進幾厘米或十幾厘米后又會出現打滑，回次進尺短，鉆頭壽命短。金剛石鉆頭人工出刃方法只是解決打滑問題的一種應急 輔助手段，不是根本的解決方法。
3.2 軟胎體鉆頭
鉆進打滑地層時，人們往往為了加快胎體磨耗，加速金剛石出刃，采取降低胎體硬度的 辦法。80 年代國內鉆探界曾借鑒日本和瑞典鉆探界的經驗，采用軟胎體（HRC10～15），細顆粒(80/100)和高強度金剛石。但是在這類巖石中鉆進，需要較高的鉆壓，而較高的鉆壓容 易使軟胎體變形，金剛石在鉆頭中得不到有效的固定。實踐證明，用軟胎體克服鉆頭打滑現象效果并不好。因為金剛石鉆頭鉆進堅硬地層時，很快被磨鈍，而破碎巖石時產生的巖粉少且細，很難使胎體磨損，很難使已磨鈍的金剛石脫落，并出露新的金剛石。而且如果胎體過軟，就會造成金剛石鉆頭整個胎體強度不夠，甚至鉆頭變形而無法使用。因此胎體的耐磨性要選適中，不能過大或過小，過大則金剛石無法出刃，導致時效過低；過小則鉆頭壽命大為 降低，增加成本，降低了經濟效益。
3.3 異型唇面鉆頭
3.3.1 高低齒金剛石鉆頭
高低刃金剛石鉆頭，其設計指導思想是要減少鉆頭唇面與孔底巖石面之間的接觸面積，提高金剛石鉆頭唇面對巖石的單位面積壓力。從理論上分析，這種設計思想有一定道理。因為經驗已經證明，在鉆進堅硬地層時需要很大的孔底壓力，那么鉆進堅硬致密巖層時就需要更大的孔底壓力。但是目前的鉆桿，鉆具及鉆機等設備能力不具備，因而只能在提高鉆頭單位面積壓力上想辦法，高低齒鉆頭便是其中一種。實際上這種高低刃金剛石鉆頭的使用效果并不理想，因為開始是高刃破碎巖石，鉆進時效能得到提高；隨著高刃磨損低刃參加工作，鉆頭唇面與巖石接觸面積逐漸增大，鉆頭的比壓下降，整個鉆頭的大部分鉆進時間同普通鉆 頭沒有多少區別。
3.3.2 同心圓尖齒鉆頭
使用同心圓尖齒唇面鉆頭克服鉆頭打滑現象確有一定效果。因為鉆進開始時，鉆頭唇面上單位面積壓力大大提高，因而可以提高鉆頭初期鉆進速度。同時這種鉆頭在孔底形成了一個具有波峰波谷形狀的工作面，沖洗液在經過孔底工作面時，水流不容易沿著工作面的波峰與波谷表面流過，這樣波谷處必然留有一些巖屑沒有及時被沖走，由于這些巖屑對鉆頭胎體的磨損作用，使已磨鈍的金剛石脫落，出露新的鋒利的金剛石。但是這種鉆頭在鉆進一段時間后，尖齒磨平，鉆速下降很快，優勢不復存在，與普通鉆頭沒有兩樣。
3.4 優選金剛石參數
金剛石強度對鉆進效率起決定性的作用，金剛石的強度越高，承受的鉆壓越大，鉆進效 率越高。但并不是說金剛石強度越高越好。因為不但要考慮所鉆進的巖石性質，還要考慮金剛石的單價問題，必須綜合考慮技術經濟效益。 金剛石粒度對孕鑲金剛石鉆頭的不斷出刃起重要作用，對鉆進效率有明顯的影響。因為它能改變鉆頭胎體的磨損速率和金剛石的出露狀態。在堅硬致密弱研磨性巖層，宜選用金剛 石品級高而粒度較粗的鉆頭。
用于堅硬致密弱研磨性巖層的金剛石鉆頭的金剛石濃度應比常規金剛石鉆頭低，但是也 不能過低，孕鑲鉆頭一般可選取 50％左右的濃度。金剛石濃度的計算公式可由下式確定： C=(M/4.4V)×100%式中，C——金剛石濃度（％）；
M——每個鉆頭實際使用的金剛石質量（克拉）；
V——每個鉆頭工作層的體積（cm3）。
4、鉆進堅硬致密巖層的金剛石鉆頭新進展
以上的方法對解決打滑地層鉆進難的問題確實有一定效果，但并未從根本上解決問題。 經過鉆探工作者多年的探索與實踐，認為解決堅硬致密弱研磨性巖層的金剛石鉆進打滑問題 和提高其鉆進效率的關鍵，是設計與該類巖層相適應的金剛石鉆頭和選擇合理的鉆進方法與 鉆進規程參數。
4.1 弱包鑲金剛石鉆頭
近幾年來，中南工業大學研究出了弱包鑲法金剛石鉆頭以克服鉆頭打滑現象。其基本原理是：利用弱包鑲方法使胎體中一部分金剛石被包鑲的程度較弱，鉆進中會提前從胎體中脫落。脫落的金剛石會磨損胎體，有利于金剛石出刃。同時金剛石提前脫落后，鉆頭唇面變得 粗糙，由此產生一系列作用機理，使金剛石鉆頭能較好地自銳出刃。
在設計制造這種弱包鑲防打滑金剛石鉆頭時，其關鍵問題是要根據巖石對胎體的磨損能力來選擇合適的弱包鑲程度，只有當金剛石工作到一定程度，即不能有效刻取和破碎巖石時，才能讓其脫落。若金剛石脫落過早，降低了金剛石的利用率，造成浪費；若金剛石脫落過遲，鉆頭又會出現鉆速低或不進尺，達不到設計弱包鑲的目的。弱包鑲的材料，過去僅限于金剛石，實踐證明，除金剛石以外還有其它脆硬材料，如微型玻璃球、碳化硅顆粒以及其它人造 硬質材料等。
現行的弱包鑲防打滑鉆頭大多采用熱壓法制造出來的，熱壓法弱包鑲防打滑鉆頭的設計 方法是：先在金剛石表面用機械方法裹上一層弱包鑲粉末，使其?；?；然后將?；慕饎偸c胎體粉料均勻混合，再進行裝模燒結。這樣研制出來的鉆頭，由于金剛石與胎體之間有一層粘結較差、強度較低的弱包鑲層，從而減弱了胎體對金剛石的包鑲能力，使鉆頭在胎體磨損不很大的情況下，金剛石就會從胎體中自行提前脫落下來，從而實現金剛石的換層。使用弱包鑲金剛石鉆頭時，不會出現鉆頭不進尺現象，減少了鉆進的提鉆次數，大大提高了純鉆時間。據中南工業大學鉆頭研制單位的資料，在遂昌金礦中使用過的弱包鑲鉆頭，其平均壽 命為 28ｍ，平均時效為 2.8ｍ/ｈ，取得了好的鉆進效果。
采用電鍍方法制造防打滑鉆頭，目前研究得很少，因為常規的電鍍金剛石鉆頭主要適用于中硬-硬、較完整、中等巖層的鉆進。對于堅硬致密弱研磨性巖層，電鍍鉆頭的機械鉆速同樣很低，嚴重地影響了鉆探工程的進程。經過幾年的分析，初步試驗，對電鍍法制造防打滑鉆頭的主要指導思想是：減小鉆頭切削巖石的接觸面積，提高鉆頭的比壓，達到提高鉆進效果的目的。這樣，不采用軟胎體，而采用較硬的胎體，可以收到一定的效果，但是仍然不 能滿足要求。對于 Ni-Co 胎體，鍍層中 Co 的含量要低，以防止胎體硬度過大，金剛石無法 出刃。
而電鍍弱包鑲防打滑鉆頭，目前尚未見詳細報道，只有一篇文獻［2］涉及過用電鍍方 法制造的想法。我們課題組正就電鍍弱包鑲金剛石鉆頭進行研究試驗，已經取得了明顯進展。
4.2 二合一型金剛石鉆頭
二合一型金剛石鉆頭是指在工作層中，由采用金屬結合劑包鑲金剛石的工作層和采用其它結合劑包鑲人造硬質顆粒的視工作層兩部分組成。視工作層即看作工作層而不直接起破碎巖石作用的部分。視工作層多以柱狀、有規律地分布在金剛石工作層中，它的硬度與耐磨性均比金剛石工作層低，因而鉆進中很容易被磨損，消耗鉆壓很小。視工作層中的人造硬質顆粒較容易從胎體中脫落，它主要起磨損包鑲金剛石胎體的作用。視工作層的數量、規格和性能可以依金剛石工作層的性能和巖石的性質而任意調整，因此，可以達到提高鉆頭壓力和提高鉆頭自銳的能力，在堅硬致密巖層中鉆進可以獲得高的鉆進指標。中國地質大學超硬材料 應用技術研究所正著手開發這項科研成果。
5、堅硬致密巖層鉆進工藝現狀
采用常規鉆進方法鉆進堅硬致密巖層時，由于巖石堅硬致密，必須有大比壓才能切入并將其破碎；同時這類巖石含石英量高，不同于完全脆性巖石，其破碎發育需要時間過程，因此鉆頭不能采用太高的轉速；鉆進這類巖石的時效低，巖粉量小，無須采用大泵量。實踐證明，常規鉆進方法中盡管采用合理的鉆進規程，仍然沒有從根本上解決有效鉆進堅硬致密巖 層的問題。
沖擊回轉鉆進法是目前克服金剛石鉆頭打滑的一種比較行之有效的辦法。因為在靜壓回 轉的基礎上，高頻液動沖擊器再給鉆頭施加一定能量的沖擊功，使巖石的塑脆性發生一定程度的轉變，能有效地破碎巖石；同時能夠使鉆頭胎體加快磨損，有利于金剛石出刃，提高破 碎巖石的效率，達到有效鉆進堅硬致密巖層的目的。
采用液動沖擊回轉鉆進，必須對鉆進規程參數加以調整和優化，這是充分發揮沖擊回轉 鉆進方法的關鍵之一。針對不同的巖石，應試驗和確定鉆頭轉速與沖擊頻率的合理配合，確 定最佳的沖擊功，這樣才能收到最好的破碎巖石效果。
但是，液動沖擊器還存在著效率不高，易損件多且壽命不長等缺點，還處于不斷完善之 中。同時還需要配備輔助設備，增加投入。然而，它不失為一種有效的方法，值得推廣。