金剛石鉆進規(guī)程參數(shù)

評定金剛石鉆進規(guī)程的主要依據(jù)是鉆壓、鉆速、鉆頭總進尺和單位進尺的金剛石耗量三個指標(biāo)。

（一）鉆壓

鉆壓與鉆速和金剛石耗量的關(guān)系曲線如圖10-9所示，可分為3個區(qū)：Ⅰ區(qū)為表面研磨破碎，鉆速極低；Ⅱ區(qū)為疲勞破碎，依靠多次重復(fù)使裂紋擴展才能破碎巖石；Ⅲ區(qū)位體積破碎區(qū)，鉆速隨鉆壓增長很快但單位進尺的金剛石耗量也增長很快。圖10-9中顯示，過大的鉆壓將使金剛石耗量急劇增大，并導(dǎo)致鉆速有所下降，因此建議取鉆壓值在圖中的最優(yōu)區(qū)內(nèi)。

圖10-9 鉆壓對鉆速和金剛石耗量的影響

1.表鑲金剛石鉆頭的鉆壓

P＝Gp

式中：P為鉆壓，dN；G為鉆頭上的金剛石粒數(shù)；p為單位金剛石上允許的壓力，dN/粒。

細粒金剛石：p≈1.0～1.5dN/粒；中粒金剛石：p≈1.5～2.0dN/粒；粗粒金剛石：p≈2.0～3.0dN/粒；特優(yōu)質(zhì)級金剛石：p≈5.0dN/粒；

2.孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓W

W＝Fq （dN）

式中：W為鉆壓，dN；F為鉆頭實際工作唇面面積；cm2；q為單位底唇面面積上允許的壓力，dN/cm2。

中硬巖石：q≈40～50dN/cm2；堅硬巖石或金剛石質(zhì)量高者：q≈60～70dN/cm2。

表10-1列出了不同類型金剛石鉆頭推薦采用的鉆壓值，可供選擇時參考。

表10-1 各類表鑲和孕鑲金剛石鉆頭采用的鉆壓值（單位：dN）

注：1dN＝10N

選擇和施加鉆壓時還應(yīng)注意以下幾點：

（1）巖石性質(zhì)：鉆進軟的弱研磨性或破碎、非均質(zhì)巖層時，宜選下限鉆壓。

（2）金剛石：鉆頭上的金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時，宜選用上限鉆壓。

（3）鉆頭類型：鉆頭口徑大、壁厚與巖石接觸面積大、胎體較軟時，宜選用上限鉆壓。

（4）應(yīng)注意施加鉆壓的階段性：每個新鉆頭的鉆進回次應(yīng)分為磨合階段和正常鉆進階段。在磨合階段應(yīng)使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，讓鉆頭唇面形狀與孔底及巖心根部逐漸相吻合。

（5）孔底實際鉆壓：一般地表測得的鉆壓值都是鉆具自重加上或減去油壓的指示值，而由于鉆孔彎曲、泵壓的脈動和巖性不均質(zhì)造成鉆具振動，使孔底實際的瞬時動載鉆壓可能是地表儀表指示鉆壓的0～3倍。因此，對于深孔、斜孔和非均質(zhì)巖層應(yīng)取較小的鉆壓。

（二）轉(zhuǎn)速

由金剛石鉆進的機理可知，轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速越快，鉆速也越高。轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜，若其他條件不變，鉆頭轉(zhuǎn)速存在著臨界值，即在某一轉(zhuǎn)速下金剛石磨損量最小。

1.表鑲金剛石鉆頭的線速度

表鑲金剛石鉆頭所用的金剛石粒度較大，出刃量也較大，允許有較大的切入量，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)低于孕鑲鉆頭。推薦的線速度1～2m/s。

2.孕鑲金剛石鉆頭的線速度

孕鑲金剛石鉆頭所用的金剛石粒度很小（一般粒徑0.2mm左右），出刃量微小，主要靠高轉(zhuǎn)速來獲取鉆進效率。推薦的線速度1.5～3m/s。

選擇合理的轉(zhuǎn)速時，還應(yīng)考慮以下幾點：

（1）巖石性質(zhì)：如果巖層較破碎、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)定時，宜選用下限轉(zhuǎn)速。

（2）鉆孔：如果鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)空間隙小、孔深不大時，應(yīng)盡量選用高轉(zhuǎn)速。

（3）設(shè)備和鉆具：在實際工作中常因鉆機的能力和鉆桿柱的質(zhì)量限制高轉(zhuǎn)速。

（三）沖洗液泵量

沖洗液在金剛石鉆進中除了完成排粉、冷卻、護壁功能外，還將起到潤滑鉆具、幫助孕鑲鉆頭自銳的作用。

一般根據(jù)液流上返速度確定金剛石鉆進所需的泵量Q（L/min）：

Q＝6vF

式中：v為環(huán)隙空間的上返流速，金剛石鉆進要求v≥0.3～0.5m/s；F為鉆孔的環(huán)空面積，cm2。

由于表鑲、孕鑲金剛石鉆頭鉆進時鉆孔環(huán)狀間隙很小，沖洗液的流動阻力很大，所以金剛石鉆進基本是以不大的泵量和較高的泵壓來工作的。泵量過大不僅增大工作泵壓，容易沖蝕孔壁和巖心，還會過量抵消鉆壓，引起鉆具的振蕩。另外，泵壓是反映孔底工況的敏感參數(shù)之一，必須加以注意。例如，鉆進中突然轉(zhuǎn)速降低而泵壓猛增時，可能是發(fā)生巖心堵塞或“燒鉆”的預(yù)兆；泵壓逐漸下降則可能是鉆桿裂紋并正在逐漸擴大。

表10-2中的數(shù)據(jù)可供選擇金剛石鉆進泵量時參考。同時還應(yīng)綜合考慮下述三方面的內(nèi)容。

1.巖層性質(zhì)

鉆進堅硬致密的巖層時，單位時間產(chǎn)生的巖粉量少，可選擇下限泵量。鉆進強研磨性巖層時，為了吸收摩擦產(chǎn)生的熱量，需要較大泵量冷卻，但攜帶巖粉磨粒的高速液流會嚴(yán)重沖蝕胎體，誘發(fā)金剛石顆粒過早脫落。因此，應(yīng)該權(quán)衡利弊選擇合理的泵量。如表10-2所示。

表10-2 金剛石鉆進中常用泵量表

2.鉆頭類型

孕鑲金剛石鉆頭出刃微小，鉆頭唇面與巖面只存在漫流區(qū)，主要靠多個水口循環(huán)，加之常以高轉(zhuǎn)速鉆進，因此宜用較大的泵量，以防止發(fā)生燒鉆。而表鑲鉆頭的出刃較大，排粉和冷卻條件也較好，故可選用較小的泵量。

3.防止燒鉆

防止金剛石鉆頭（尤其是孕鑲鉆頭）燒鉆是生產(chǎn)中一項重要的工作。試驗表明，用于冷卻鉆頭所需的泵量并不大，只需泵量達每厘米鉆頭直徑0.2～0.3L/min就可滿足胎體迅速散熱的需要。但當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min，鉆頭唇面壓力為10MPa時，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈，胎體溫度升高1.73℃。所以鉆進中若沖洗液停止循環(huán)1～2min，便可能造成燒鉆事故。

（四）鉆進技術(shù)參數(shù)的配合

鉆進效率是隨著鉆壓和轉(zhuǎn)速的增大而提高的。但鉆壓和轉(zhuǎn)速的增大又不能是無限的，當(dāng)它們超過一定的限度時，就會導(dǎo)致鉆頭的強烈磨損甚至燒毀。因此，在鉆進時怎樣掌握好鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量的最優(yōu)參數(shù)值，是鉆進技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。研究資料表明，在金剛石鉆進中，鉆壓和轉(zhuǎn)速的共同作用所形成的鉆進效果，可以認為是一個穩(wěn)定的常數(shù)（變化很小）。因此，當(dāng)其中某項作用加大時，而另一項作用就一定要減小。這就表明了技術(shù)參數(shù)間必須相互協(xié)調(diào)配合。

隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增大，許用鉆壓就必須降低。同樣，若鉆壓增大時，則許用轉(zhuǎn)速必須降低。總之，對鉆壓和轉(zhuǎn)速的確定，絕不能同時都選最大值，否則勢必導(dǎo)致鉆頭嚴(yán)重磨損或燒毀。

此外，技術(shù)參數(shù)由正常值增大到臨界值時，隨著胎體的急劇升溫，功率消耗也急劇增大。因此，觀察功率變化，也是了解孔內(nèi)情況的一種方法。在實現(xiàn)鉆進監(jiān)控儀表化后，功率也將被列入技術(shù)參數(shù)項目中。

試驗還表明，當(dāng)技術(shù)參數(shù)達到臨界值時，則機械鉆速也趨向一個常數(shù)而不再增大。