地質鉆探中金剛石鉆頭的科學選擇與合理使用

1.　金剛石巖芯鉆探除必須選用相應鉆機、地質管材、鉆具、泥漿材料外，金剛石鉆頭的科學選擇、合理使用非常重要。這樣才能取得最優鉆進技術經濟效果。

2 金剛石鉆進技術與鉆頭的科學選擇

　　在地質鉆探工程中，使用金剛石鉆頭以回轉方式破碎孔底巖石的鉆進技術方法，稱為金剛石鉆進。金剛石是一種硬度最高的礦物，所以用金剛石鉆頭可鉆進各種硬度的巖石，主要特點是鉆進效率高，鉆進工作穩定，同時具有勞動強度低，孔內事故少，鉆探成本低等優勢，因此金剛石鉆進技術有廣泛的適用性。

①金剛石鉆頭分類：金剛石有天然和人造兩種之分，金剛石鉆頭也是天然和人造兩種，在地質鉆探中主要大量使用人造金剛石鉆頭。

②科學選擇金剛石鉆頭參數：（指鉆頭胎體硬度、金剛石品級粒度、濃度等），提高鉆頭壽命、提高鉆速、降低金剛石消耗。其參數選擇如下表1所示。

③鉆進技術參數的選擇：合理選擇鉆進技術參數，注意在不同鉆進條件下各參數之間的有機配合，不斷提高操作技術水平，是取得最優技術經濟效果的關鍵之一。

　　首先， 鉆頭轉速：在一定線速度范圍內金剛石鉆頭的鉆速是隨著轉速的提高而增加的。轉速是提高鉆速的主要因素。只要巖層比較完整，管材有足夠的強度和穩定性，在配有潤滑劑和設備能力允許下，就應該選用高轉速鉆進。轉速和金剛石磨損之間存在一個合理值，即在一定轉速下金剛石磨量為最小。轉速過慢或過快，金剛石磨損量增加 ，確定轉速時一定加以考慮。如果在裂縫發育破碎巖層或軟硬交錯巖層等地質條件下要降低轉速。

　　其次， 鉆壓：選擇合理的鉆壓是提高鉆進效率，降低鉆頭磨損，延長鉆頭壽命的重要措施。在鉆進過程中，鉆頭的壓力達到或超過所鉆巖石抗壓強度時，金剛石才能有效破碎巖石。鉆進速度隨鉆壓增加而相應增加。　　

　　當鉆壓超過金剛石的抗壓極限時金剛石即被破損而脫落，鉆速下降。相反金剛石不能切入巖石，鉆頭打滑而不進尺。同時鉆壓應根據鉆頭類型規格、金剛石質量和數量，以及所鉆巖石性質等因素來確定，最優的鉆壓應該是回次進尺多，時效高，鉆頭磨損量小。鉆頭鉆壓的確定是給予鉆頭唇面以每平方厘米20～50kg為適宜，在鉆進給壓時要考慮鉆壓損失。金剛石鉆具與井壁摩擦阻力隨鉆孔加深而加大；轉速越快，鉆壓損失也越大；鉆桿與孔壁間的間隙很小，泵壓較大，使鉆具承受一定的反作用力。實際鉆探操作中，要科學分析注意鉆壓損失，（金剛石鉆頭單位壓力推薦表見表2）。

④在金剛石鉆進中，還有泵量和泵壓這兩個參數的選擇也十分重要，鉆進中必須有較大壓力和足夠的沖洗液，排掉巖粉，清洗孔底，潤滑和冷卻鉆頭，防止燒鉆。正常鉆進要求水泵具有較大的泵壓，應在7～15公斤每平方厘米之間。泵量不須很大，實際鉆探操作中應考慮鉆具連接處的漏失現象。每次起鉆后，要及時觀察分析金剛石鉆頭的磨損形態，檢查鉆進參數是否合理，操作是否恰當，發現問題及時糾正。降低金剛石鉆頭消耗量，提高鉆探技術經濟效率。

3 合理使用金剛石鉆頭

①金剛石鉆頭與擴孔器要排隊組合使用。根據巖層、鉆孔結構、設計孔深等情況，確定需要鉆頭數量。鉆頭與擴孔器必須排隊輪換使用，先用外徑大、內經小的，后用外徑小、內經大的，以保證鉆頭擴孔器都能正常下降到孔底。

②金剛石鉆頭與擴孔器必須合理配合使用 ，擴孔器外徑應比外徑大0.3～0.5mm，在堅硬巖層不得大于0.3mm。如擴孔器外徑過大，將使擴孔量增加，磨損加劇，鉆進效率低；擴孔器外徑小，則起不到擴孔保徑的作用。

③金剛石鉆頭與卡簧的自由內徑必須合理配合，卡簧自由內徑應比鉆頭內經小0.3～0.5mm，因此每次下鉆前要注意檢查鉆頭與卡簧的配合尺寸，同時機臺應備幾種不同的卡簧，以供選擇。

④金剛石鉆頭鉆進應具備良好的工作條件。金剛石性脆，遇強烈沖擊易破裂，因此要求孔內清潔、孔底平整、孔徑規則。如發現孔底有胎體碎屑，脫落巖芯等立即采用沖撈抓粘套磨等方法消除。凡是金剛石鉆頭鉆進的鉆孔禁止使用鋼粒鉆進。

⑤金剛石鉆頭鉆進要盡量減少鉆具與孔壁之間的環狀間隙，限制鉆桿，鉆具的彎曲度。不得盲目增加鉆壓鉆進，以減少鉆具產生軸向振動。同時要保持機上鉆桿運轉平穩，防止晃動，不得用過大的泵量鉆進，避免鉆具產生浮動（脈動）。還要使用乳化沖洗液等減少鉆具回轉時摩擦阻力，以提高金剛石鉆進效率[1]。

⑥金剛石鉆進過程中發現"打滑"現象，不準盲目加壓強迫鉆進，應立即提鉆檢查分析，尋找原因，解決問題。

⑦金剛石鉆頭鉆進要保持鉆頭在孔底鉆進的穩定性，要選擇使用與鉆頭外徑接近的鉆桿及鉆具。

⑧金剛石鉆進過程中對金剛石鉆頭要仔細檢查，如果發現鉆頭出現石墨化現象、偏磨或變行、水口和水槽尺寸過小、鉆頭剛體變形及死扣損壞等，金剛石鉆頭必須更換，不得下入孔內。

⑨新金剛石鉆頭初次使用必須進行初磨，即磨去鉆頭虛偽尺寸及棱角，使孕鑲鉆頭磨出刃口等。同時不能用新金剛石鉆頭進行掃孔、掃殘留、掃脫落、掃掉塊、掃探頭石等作業，以提高金剛石鉆進壽命和效率。

4.　結語

　　隨著鉆探技術裝備和鉆進方法的不斷進步和創新，鉆探已廣泛應用于地質調查、礦產勘查、工程地質勘察、水文水井鉆探以及石油天然氣、頁巖氣、地熱鉆探等領域。科學選擇鉆探設備不僅要技術先進且經濟，即生產效率高，質量保證度好，生產安全性穩，鉆具配套性多，操作維修方便，對環境影響小。金剛石鉆進已廣泛應用，金剛石鉆頭的科學選擇和合理使用能夠提高鉆探效率，降低鉆探成本，降低勞動強度，真正實現最優技術經濟效果，實現地質鉆探綠色勘查。