浅谈提高金刚石钻头使用寿命的措施

■林征

（广东省核工业地质局二九三大队广东广州510800）

浅谈提高金刚石钻头使用寿命的措施

■林征

（广东省核工业地质局二九三大队广东广州510800）

金刚石钻头研磨性、硬度等优势，在探矿工程技术中得到广泛的应用，由于金刚石材料属于稀缺资源，其自身价值又比较昂贵，因此在如何提高金刚石钻头的使用寿命显得尤为重要。本文从金刚石钻头的种类和优势、影响金刚石钻头使用寿命的因素及提高金刚石钻头使用寿命的具体措施三个方面进行了分析，以提高金刚石钻头的使用效率，延长其使用寿命。

延长寿命施工温度硬度强缓慢钻进

人们对金刚石的发现、探究及应用经历了一个漫长而久远的历程。与其它矿物相比，金刚石的优势是坚硬无比。从罗马时代开始，金刚石的硬度就获取了当时的关注。随着科学技术的发展，金刚石钻头在工业上的得到的应用，作为探矿工程施工重要的角色，金刚石钻头的使用寿命值得探矿技术专家更深层次的探究及高度重视。

1 金刚石钻头的种类及其优势

1.1 金刚石钻头的种类

由于工业的需要和发展，金刚石钻头也正处在不断更新之中。根据金刚石包镶形式、制造方法等不同，可分为表镶钻头、孕镶钻头；按制造方法不同，可分为、冷压浸渍法（冷压法）钻头、热压烧结法（热压法）钻头；无压浸渍法（无压法）钻头、低温电镀法（电镀法）钻头四种。根据钻探工程的不同地质特殊性，所选择金刚石钻头的种类也不尽相同，如表镶钻头，金刚石是有序的排列在钻头胎体之表面上，大部分表镶钻头采用了天然金刚石，硬度较强，适应较特殊的地层，故价格也很昂贵，因此表镶金刚石钻头并不是随处可见，其常常用在特殊的钻探；与之相反，孕镶金刚石钻头的应用就广泛多了，采用人造金刚石，价格便宜，更重要的是，它能适应较硬的复杂地层钻进施工，从而更受到人们的青睐。

1.2 金刚石钻头的优势

金刚石钻头的优点历来被人类所看好，在钻探工程中不可或缺的角色。

（1）钻进效率高。由于金刚石钻头的设计采用了动态流场模拟技术，钻具与孔壁的间隔小，改善了了钻杆在孔内的稳定性，允许开高转速，加速了岩石破碎，提高了孔底的排屑速度，提高了效率。

（2）钻孔质量好。与钢粒钻进相比，小口径金刚石钻进大多数采用双管钻进，孔径小、岩矿心完整、光滑清洁，采取率高（90%）以上；钻具稳定性较好，钻杆柱与岩心管不易发生弯曲，确保钻孔偏斜度质量。

（3）孔内事故少、劳动强度低；其一：由于孔径小、孔内的稳定性好，转速快、孔内排粉干净；其二：钻探设备和管材轻，操作方便、搬迁运输轻便、简化省力、孔内事故少、劳动强度低。

（4）成本低、应用范围广；钻进效率高、孔内事故少、劳动强度低、成本低；适应施工任意角度钻孔、孔径孔深不受限制等等。

2 影响金刚石钻头使用寿命的因素

金刚石钻头的工作原理。由于金刚石钻头在钻进过程中，不仅承受着轴向压力，同时也要承受切线方向的回转力，正如我们所知道的那样，金刚石的抗压强度为150~200kgf/m㎡,而其抗弯强度仅仅为21~49kgf/m㎡,也就是说,金刚石的抗弯能力远不如抗压能力。因此，金刚石钻头在钻进过程中极易发生撞击脆性碎裂。金刚石钻头的工作原理可如图所示：

图1

图1显示了金刚石钻头在工作中所受的力，通过图1，可以得出下表：

表1

由上图可知，当P值减小时，金刚石钻头所发生脆性碎裂的可能性也随之降低。总体来说，p=p1+py*f，那么如果f（摩擦系数）减小，金刚石钻头的耐磨性也会增强。

（1）金刚石钻头制造工艺影响；所采用金刚石质量、强度以及制作过程中金刚石的预处理、烧结温度、热压工艺等等。

（2）金刚石钻头合理选择及使用影响；金刚石钻头的使用范围虽然很广，但对于岩层来说有一个适应性。因此，为了发挥金刚石钻头的最优效果，钻头制造厂商常设计加工多种类型金刚石钻头，以满足钻进各种岩层的需要，达到高效、长寿和低耗，从而降低钻探生产成本。

（3）金刚石钻进技术规程影响；评定金刚石钻进技术规程是否合理，主要取决于钻速、钻头进尺和单位进尺金刚石的消耗量（克拉／米）三个方面指标。

3 提高金刚石钻头使用寿命的具体措施

金刚石钻头质量及其使用寿命，很大程度上取决于制作所采用金刚石质量、强度以及钻进技术规程；而如何评定一个金刚石钻头使用达到高效、长寿和低耗，降低钻探生产成本，是钻探工程需要共同研究解决的技术问题。

3.1 金刚石钻头制造工艺

一个金刚石钻头质量及其使用寿命，很大程度上取决于制作所采用金刚石质量、强度、预处理、烧结温度、热压工艺等等。

（1）采用高质量高强度的人造金刚石制作工艺，能进一步提高人造金刚石钻头强度及使用寿命。

（2）金刚石在使用之前，必须按照钻探要求进行挑选，然后按钻进地层岩石、钻头类型和镶嵌部位合理选用；对部分不规则、有锐利棱角的等金刚石必须经过预处理才能使用，如：氧化处理、圆化处理、热处理等。

（3）影响钻头制作胎体性能的因素；主要是改善热压工艺、降低烧结温度，提高金刚石钻头制作过程中质量。

3.2 金刚石制作原料选择

制作原料的选取，必须达到四个方面要求：一是硬度极高；由于金刚石晶格是正四面体，且碳原子相互用共价键连接，吸引力大，这就决定了金刚石的硬度极高是目前所知矿物中硬度值最大的一种。二是导热性高，其导热率高达（0.35卡／cm·秒·度），故有良好的导热性，即容易吸收热，也容易散发热，其导热率是硬质合金的7倍，这对应用于钻探钻头很重要。三是热稳定性；是指在高温下性能是否稳定，金刚石的热稳定性较差，当1000℃时金刚石完全消失，所以制作工艺上必须特别注意控制烧结温度，钻进过程中也应特别注意冷却金刚石钻头。四是耐磨性强；由于弹性模量极大（90000㎏／m㎡），超过自然界所有矿物和主要磨削材料。在空气中与金属的摩擦系数＜0.1。所以具有极高的耐磨性，为金刚石钻头加工及应用提供了优越条件。

3.3 金刚石钻头的选择及使用

金刚石钻头的使用范围虽然很广，但在实际应用及选择过程中，如果不合理、不按规程规范进行使用，质量再好、造价再昂贵，都无法达到高效、长寿、低耗以及降低钻探施工成本；

金刚石钻头的选择及使用，主要包括钻头镶嵌类型、胎体性能、金刚石的质量、粒度和浓度、钻头的其它结构特征，如水口形状、数量和大小，底唇形状等。

（1）金刚石钻头的选择原则；

①软的、中硬和完整均质的硬岩层一般宜用表镶钻头；硬的、坚硬的和破碎的、软硬不均的、裂隙性岩宜用孕镶钻头。

②岩层研磨性越强、越硬，选用的金刚石粒度应越细，金刚石品级应越好。高研磨性岩层和特硬岩层均宜用孕镶钻头。

③胎体硬度应根据岩层研磨性、破碎程度、硬度、颗粒度等因素选择，主要因素为岩层研磨性和破碎程度。通常情况下岩层研磨性强、破碎程度厉害、较软、颗粒度粗的选用钻头胎体应硬，反之，应偏软。如“打滑”地层。

（2）金刚石钻头的使用技术参数；

金刚石钻头的使用钻进技术，除了正确选择钻头以及钻具合理配置外，金刚石钻进效率及钻头的磨耗，更重要是取决于钻进规程参数、钻压、钻头转速和冲洗液量。

①钻头排队使用；应根据钻孔结构和岩石性质，考虑可能需要使用的钻头数量，把钻头进行排队使用。用游标卡尺精确测量钻头的内外径和胎体高度，并记在钻头卡片上。按外径和内径尺寸分组排队使用，先用外径大的，内径小的原则，可减少钻头磨损和扩孔工作量，避免堵心。

②与钻具某些部件的合理配合；根据规程规范要求做好钻具组配时应注意的几个方面配合关系，正确选择钻杆外径、扩孔器外径和卡簧内径，配合尺寸选择恰当，就能大大提高钻头使用寿命。

③注意选择最优的钻进技术参数；钻进规程、钻压、钻头转速和冲洗液量、泵压以及泥浆性能等参数，采用有效的防振减振措施，遵循操作规范等等，才能提高钻头使用寿命，合理使用钻头的重要内容。

④控制合理的时效；根据我国目前钻进条件和钻头质量水平，一般建议时效不要超过3米／时。时效过高，影响钻头寿命，甚至会引起烧钻。但影响时效的因素较多，各地可根据具体岩层性质和实际经验，确定合理的时效。

⑤不盲目追求钻头进尺；金刚石钻头一经投入使用，就应力求多打进尺，但不应盲目追求钻头进尺。例如已发现钻头过度磨损或损伤，就应当停止使用。倘若再继续使用，就会损耗较多的金刚石，虽然进尺多了一点，但成本反而高。又如为了增加钻头总进尺数，钻头在硬岩中使用后，较好的还可留着打软岩石。

此外，金刚石钻头在使用过程中，要及时总结经验，经常进行检查，分析钻头磨损情况，从中找出规律性的东西以便以后选用参考。

（3）加强施工现场的专业指导；专业技术人员应收集金刚石钻头的使用资料，建立健全钻头使用档案，并对使用效果进行详细的分析，制定出合理的使用方式、高效的使用方法。其一下钻前必须检查钻头是否有异常、孔内是否干净，在涂抹丝扣油之前对钻头丝扣接头进行清洗，并拧紧丝扣；其二下钻时要缓慢升降速度，以免撞击钻头胎体，确保金刚石钻头平稳到孔底，并提离孔底20公分后方可开转钻进；其三钻进过程中如遇动力机械设备、水泵水量、泵压、孔内等发生异常情况时，应查明原因后方可继续钻进；其四钻进中钻速突然变快变慢或突然不进尺，应及时提钻或查找原因后再继续钻进，否则，会造成烧钻事故的发生和金刚石钻头严格损坏；其五提钻后要认真检查钻头磨耗情况，特别要检查钻头底唇面的磨损情况，从而判断、确定你所选择的钻进技术参数是否合理。

3.4 先进技术的发明和引入

科技的发展带动了金刚石钻头的发展和应用。但是，在金刚石钻头的使用过程中，仍然有一些问题值得我们的探讨。为了延长金刚石钻头的使用寿命，我们应不断地发明和引入更先进的技术，包括制造技术、使用技术和保养技术等等。过去我们使用的液体润滑剂有着种种缺陷，已经不能满足当前的需要，如今引用的固体润滑剂则解决了一些难题，不仅减少了摩擦，而且降低了工作温度，使得金刚石钻头的寿命得到了提高。

4 结语

自金刚石钻头诞生以来，人们青睐于它的效率高、寿命长，然而，能否真正的实现它的价值，提高它的工作效率，延长它的使用寿命，是由种种内外因所共同决定和影响的。为了提高金刚石钻头的使用寿命，还需要我们更多的努力和探究。

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F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-6-475-2