钻进极硬地层时金刚石钻头的另一种设计方法

韦焜程

摘 要：当出现可钻性XⅠ以及XⅡ等特别硬的地层时，金刚石钻头在设计上就要具备低浓度、细颗粒以软胎体等特点，这是传统设计理论的观点。而笔者则在文中介绍了另外一种设计方法，该设计方法在实践中得到了很好的运用，不仅在极硬地层钻进时的效率高，而且钻头的性能也非常的好。此外，使用的时间也比较的长，因此在这类地层中具有很强的适应性。

关键词：极硬地层；金刚石钻头；设计原理

在南方，铀矿钻探时碰到硬地层的状况比较多见，比如：可钻性XⅠ以及XⅡ等特别硬的地层。这类地层在花岗岩地层中经常会遇到。在对硬地层进行钻进时，由于钻头比较容易打滑，因此很难进尺。此外，钻头的使用寿命也会缩短，工作效率就会下降。因此，为了提高钻头的使用寿命和工作效率，国内外的研究人员都对此进行了研究，也取得了不错的成果，这对于钻探技术的进步和发展具有重大的意义。例如，常结合回转法碎岩就是一种全新的钻探技术，该技术目前已经比较成熟。

1.地层情况和钻进中碰到的挑战

我公司在江西某地区进行铀矿普查，在该项目普查的过程中，主要遇到的岩层可钻性是：X级以及XⅠ级。当孔深超过200米时，X级以及XⅠ级等极硬地层的厚度就会远远的大于设计值。如果使用传统的机械，比如：S75绳钻钻头，那么寿命就会很低。此外，工作时效也非常的慢。一般的成绩不会超过20米。而在纯石英层工作时，只会达到几米的寿命。当对该类地层进行钻进时，我公司往往使用的是软胎体钻头。该钻头的规格是浓度是80%，基本上是10-15度。使用该钻头也会遇到一些问题和挑战，比如打滑现象经常出现。有的在放进磨料后，打不了几米后，胎体就会被磨损，而沟槽的状况就会出现，钻头报废的概率就比较的大。在这种情况下，工作人员就会认为是投进磨料后，也就是说该类钻头已经报废，而施工的进度和钻孔的质量就会严重的下降。

2.设计的基本理论

2.1.传统理论

在进行金刚石钻头的设计时，我们要参考的依据是：钻头一定要和所钻岩层的性质保持一致，要相互的适应。传统的理论认为，当遇到极硬以及弱研磨性的地层时，我们使用的金刚石的品级要高一些，要是特细粒金刚石，低浓度钻头。此外还要是软胎体。该方法在配置钻头时比较的常见，但是也有一些不足的地方：（1）如果在施工中采用软胎体钻头，那么钻头的使用寿命会比较的低，特别是当遇到一些复杂的地形以及坚硬的岩层时，软胎体的使用寿命更是无法保证。（2）对于细粒金刚石来说，切入量也非常的低，这和其受颗粒影响有很大的关系。碎岩对磨削作用依赖的比较多，因此重复破碎就比较的多，这些都会降低钻速。那么，我们是否可以找到一种更好的办法呢？笔者在下文中进行分析和探讨。

2.2.新的设计方法

关于极硬地层破碎，我们可以这样假设其基本的前提。如果具备以下3个条件，那么就可以让金刚石颗粒具有更多的压力来吃入岩层，而这种状态也可以得到长时间的保持。（1）一定要具有足够的钻压。一般情况下要选择极限钻压。（2）对于金刚石本身来说，硬度一定要得到保证，即品级一定要达到要求。（3）金刚石的包裹一定要牢固，为了让碎岩的作用得到充分的发挥，出刃一定要合理。我们可以在条件（3）中看到胎体的重要性。在选择胎体时，笔者进行了下面的3个假设：（1）胎体性能要和岩层的可钻性保持一致。（2）胎体硬度和胎体的耐磨性这两个概念是不同的。同一硬度的胎体在耐磨性方面具有不同之处，这不仅和烧结工艺有关，也和胎体本身的配方有联系。此外，孔底胎体磨损状态、金刚石的含量都会对耐磨性具有一定的影响。（3）在实际的生产过程中，对影响胎体耐磨性的因素进行评价和操作时，往往具有一定的难度。因此，在具体的实践过程中，表示胎体的耐磨性我们一般会使用胎体硬度。

传统的做法我们一定要摒弃，这样做是为了让进尺速度得到保证。因此，我们可以选择一些颗粒比较大的高等级的金刚石。当处于极限钻压的情况下时，切入的深度一定要得到保证，这样大颗粒金刚石的切削作用才能得到很好的发挥。通过以上的分析，不难看出胎体的硬度要足够，包裹能力也是一样。此外，金刚石的适时出刃也要充分的考虑到。需要注意的一点是：有的人认为大颗粒的金刚石在出刃量方面就比较大，因此当处于极限钻压的工作环境中时，要想实现胎体对金刚石的牢固包裹是非常困难的。而如果出刃量加大，则金刚石被损坏的可能性就非常的大。研究表明，该看法具有一定的片面性，该状况发生的概率也是极低的。

2.3.新钻头设计

金刚石和胎体的选择。金刚石的浓度为75%，胎体的硬度是35度，金刚石的品级是SMD25。

水口的设计。钻压一定要很高。在进行水路的设计时，水口过路的面积要增大，但是不能过大。笔者设计了水口10个，内宽和外宽分别是：5毫米和6毫米。这二者比原来的钻头都要大1毫米左右。在此情况下，对胎体环状面积进行计算，则为1816.40mm2。其余的结构和原来的S75绳钻钻头保持一致，使用的是热压烧结法。

3.使用的效果

和晚班相比，白班使用极限钻压的情况比较多，转速和钻速也比较的高。可以看出对极硬的地层进行钻进时，如果孔内情况、钻具以及设备都允许时，较高的转速以及大的钻压对于施工的推进都具有益处。但是，转速不能超过一定的范围，不能太高，特别是遇到一些粗粒金刚石时。

4.胎体唇面的磨损状况

和传统的钻头比较，试验的钻头具有以下几个特点：（1）出刃合理，胎体的包裹牢固。此外颗粒磨损也比较正常。因此，该钻头可以较好的发挥金刚石的碎岩作用。（2）胎体唇面磨损均匀，沟槽的状况没有出现。

结束语：

钻探工作在开展时会遇到各种各样的困难，笔者从实际情况出发，对钻进极硬地层时金刚石钻头的另一种设计方法进行了探索，希望这些分析和探讨对大家有所帮助。

参考文献：

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