浅谈如何提高金刚石钻头在钻探施工中的使用寿命

李伟雄

（福建省第二地质勘探大队，福建永安366000）

浅谈如何提高金刚石钻头在钻探施工中的使用寿命

李伟雄*

（福建省第二地质勘探大队，福建永安366000）

在矿山岩芯钻探施工过程中，有效降低钻探生产成本，是施工单位提高钻探生产经济效益的重要保障，钻探生产成本包含设备的搬迁、青苗的补偿、机场的平整、钻探材料的消耗等几大块。在钻探材料消耗中除油料和泥浆材料外，钻头、扩孔器的消耗也占据相当的比例。如何正确合理地使用金刚石钻头、扩孔器对提高其使用寿命至关重要，这是降低钻探生产成本的重要保证之一。

岩芯钻探；钻头；寿命

在矿山岩芯钻探施工中，钻探材料的消耗是钻探成本的一个重要组成部分，钻探材料主要包括油料、泥浆材料、金刚石钻头、扩孔器以及钻杆、钻杆接手等等。这其中钻头的消耗又是占据钻探材料消耗的重头，因为金刚石钻头的成本比较高，一个钻头若使用不当，钻进不了几米就报废了，这样钻头成本消耗摊到钻探米进尺成本中去计算，那是十分惊人的。因此根据钻探施工岩层情况，合理地选用与之相匹配的钻头进行钻探施工，使金刚石钻头使用寿命得到有效提高，这是岩芯钻探施工过程中降低材料成本的一个重要环节。那么如何提高金刚石钻头的使用寿命，现就我队近几年在钻探生产中使用的金刚石钻头情况并从以下几个方面粗浅的谈几点看法，供同行们参考。

1　金刚石钻头使用的选型

金刚石钻头主要分为电镀和热压2大类，根据不同的岩层钻探施工需要，又设计出不同唇面和不同胎体硬度的金刚石钻头，诚然钻头也有不同的型号和规格等等。但是，无论如何金刚石钻头是根据不同的岩层而设计出不同的类型，其一个重要的原则是：坚硬致密岩层用低磨蚀性钻头、软塑性岩层用剪切型钻头、硬脆碎岩层用强化钻头、强研磨性岩层用高磨蚀性钻头、软松散岩层用底喷式钻头等。在钻头的设计上改善金刚石分布状态和补强内外刃和侧刃，能显著提高钻头的使用寿命。金刚石钻头主要性能指标之一是胎体硬度，钻头胎体的硬度按地层硬度及研磨性的高低，在强研磨性地层及硬、碎、脆地层采用硬度高的胎体，在弱研磨性的软地层中可以采用硬度低的胎体。不同的地层使用的钻头胎体硬度是不同的，一般情况下（推荐）钻头胎体硬度适应的地层见表1。

表1　钻头胎体的硬度及适用岩层选择参考

同时金刚石钻头的唇面又各不相同，不同的唇面又适应于的不同地层的钻进施工。金刚石钻头唇面常见的有：平底、圆弧、梯齿、齿轮、尖齿、圆齿、阶梯形等。在钻探施工过程中，根据不同岩层正确选用不同的唇面的金刚石钻头进行钻探施工，有助于提高金刚石钻头的使用寿命，这样也能有效减少钻头的磨损，提高钻探进尺，同时降低钻探生产成本，因此钻头唇面的选择也是十分重要的。一般情况下钻头唇面与岩层的适应情况推荐见表2。

1.1开孔钻头的选用

在矿山岩芯钻探施工的开孔时，一般情况下都是采用硬质合金钻头进行开孔钻进（除开孔就遇完整基岩地层），钻头的口径一般应大于设计终孔口径的2～3个级别。若设计终孔口径为Ø77mm，那么开孔应选用Ø110mm或者Ø130mm口径的钻头开孔（主要视开孔地层情况而定），用这种口径的钻头施工至完整地层500～1000mm时下套管，套管固定后换经采用热压绳取金刚石钻头施工。若开孔用硬质合金钻头施工，遇地层破碎、坚硬等原因无法钻进施工时，则要采用电镀金刚石钻头进行钻进。原因为岩石表面地层主要以砂土、风化破碎岩石层等为主，电镀金刚石钻头较热压金刚石钻头更为适应这类地层的施工，且钻进时不易磨损，再者热压金刚石钻头成本高于电镀金刚石钻头，因此选用电镀金刚石钻头施工比较合理。电镀金刚石钻头应选用时，应该选用胎体硬度稍大一些的，一般以胎体硬度在35°～40°左右为宜。

表2　钻头唇面与岩层适应选择参考

1.2正常钻进施工的钻头选用

套管下好后正常钻进施工钻头的选用，主要是根据施工地层岩石的完整情况、岩性及岩石的硬度来确定。开孔前可以从地质设计的钻孔柱状图上了解相关地层的岩石情况，提前准备不同型号的施工钻头备用。在实际施工过程中，原则上是根据地层的变化来调整和确定与地层相适应匹配的金刚石钻头。近几年来我们在矿山岩芯钻探施工过程中，主要使用的钻头生产厂家为，热压金刚石钻头使用以广西桂林的“特邦”和河北唐山的“JS”牌的2种金刚石钻头为主，电镀金刚石钻头的使用主要是江西及广东省等生产厂家的。热压如唐山“JS”牌和桂林“特邦”金刚石钻头2种，选用的胎体硬度为8°、12°、15°、20°等。在正常施工中金刚石钻头唇面常选用的有齿轮形、尖齿形（尖环槽）、圆齿形等。

1.3复杂破碎地层钻探施工钻头的选用

在矿山岩芯钻探施工中不同地层的施工，金刚石钻头的选用是完全不相同的，特别是复杂地层如：破碎岩层、软硬不均松散岩层等，如若钻头选用不合理，不但钻探施工钻进困难，而且会使钻头消耗很大，造成钻探材料成本的增加。一般情况下在破碎地层施工要选用胎体硬度相对高一些的钻头，硬度在20°～35°左右，钻头唇面选用梯齿型及圆弧型；而地层软硬不均容易偏斜的地层则要选择唇面是阶梯型钻头比较合适。

在破碎、岩层斜度较大和地层软硬不均情况下进行钻进施工，要采用慢转速、轻压力，冲洗液浓度高一些的方法，同时要随时注意观察孔内情况的变化，一旦有异常情况及时处理。

有时上部地层破碎，采取率达不到地质设计要求，我们经常先采用小口金刚石绳取钻进的方法，来保证岩芯的采取率，待施工至完整基岩后换大口径扩孔至原小口径施工的位置，下套管将上部破碎地层隔离起来，再换回原来的小口径进行施工。

2　钻进技术参数的合理应用

钻进技术参数主要是指钻进时的转速、钻压及泵量（流量）。合理的钻进技术参数将会有效提高钻进进尺，同时也可以减少钻头的磨损，从而达到提高钻头使用寿命的目的。在一般情况下转速：完整地层施工500～800r/min；破碎复杂地层300～500r/min。钻压：完整地层施工8～12kN；破碎复杂地层5～8kN。泵量（流量）：30～40L/min，泵压70kg/cm3。总之在复杂破碎地层施工，一般应遵循“中转速、小压力”的原则进行，从而达到平稳钻进的目的。钻进技术参数掌握合理，钻井液助剂循环浆性能指标也应控制在以密度1.0～1.5/cm3，粘度在60s为宜。在换钻头和孔内掉块等情况下要进行扫孔时，要按照“慢转速、轻压力”方法进行，切不可急躁，以免造成施工钻头的伤害及卡钻事故的发生。

3　钻头、扩孔器多组的互换使用

在岩芯钻探施工过程中，金刚石钻头和扩孔器的使用要合理，避免一个钻头使用至不能用为止。这就要求在钻探施工的过程中，事先配置同样规格型号的金刚石钻头、扩孔器数组轮换着使用，这样可以避免一个钻头使用到底，造成钻头磨损严重，施工孔径变小，更换钻头时因扩孔而造成钻头的损伤和时间的耽误。多组钻头、扩孔器组合的轮换使用的好处：一是保障了生产过程中钻孔口径基本的一致，二是减少了因换钻头需要扩孔的时间，三是减少了钻进的辅助时间增加了纯钻的时间。这样无形之中提高了纯钻时间和生产效率，为降低钻探生产成本提供了一定的保障。

另外在施工时的钻具配置上，机台工作人员一般会在钻具的上部增加一个金刚石扩孔器，其目的主要有三，一是钻具上部的扩孔器可以为钻孔的垂直度起到一定的保证作用；二是上部扩孔器可以帮助孔底扩孔器在施工中起到钻孔的扩孔作用，为确保了钻孔的口径一致提供帮助，为下步更换新钻头提供尽可能少的扫孔时间；三这也是减少新钻头磨损的一种有效方法。

4　贵州省开阳磷矿洋水矿区ZK104钻孔工作实践

钻孔设计孔深1210m，地层描述为：0～180m灰色细晶灰岩；180～380m灰绿色含云母细砂岩、砂岩夹灰绿色页岩，底部为紫红色；380～880m灰绿色页岩夹粉砂岩；880～930m黑色炭质页岩、灰色硅质岩、硅质白云岩夹灰绿色页岩；930～1194m浅灰色厚层细至中晶白云岩，呈斑状、谷壳状、鲕状，同生角粒状含锰硅质白云岩；1194～1210m深灰色、灰色碎屑状、条带状、致密状磷块岩，灰绿色细砂岩，含散状黄铁矿。

由于钻孔比较深，地表层为粘土层，用Ø130mm口径硬质合金开孔，采用无泵干抓以保证采取率，施工至6.21m下Ø127mm套管。换经用Ø110mm电镀金刚石钻头钻进，经钻进施工发现地层较为风化，为确保岩芯采取率换Ø96mm口径施工至59.75m后，换回Ø110mm口径扩孔至68.60m下Ø 108mm套管（其中51.16～54.37m、57.43～59.03m两处为溶洞）；换经用Ø91mm热压金刚石钻头钻进，施工至185.26m下Ø89mm套管；换经采用Ø77mm热压金刚石钻头钻进。

在钻进施工过程中机台人员根据地层情况的变化，不断摸索与地层相匹配的钻头胎体硬度及钻头唇面。经过实践证明，该地层与“特帮”三齿唇面、胎体硬度HRC20的钻头较为适应。机台在钻进施工时，根据钻孔的深度、岩石性能的不同及时调整钻进的转速、钻压及泵量（流量）等钻进技术参数。由此较好地发挥了金刚石钻头应有的使用寿命，回次进尺都保持在3m，平均一个金刚石钻头就可进尺200～300m左右，施工至1020m在岩石较为破碎全孔漏水的情况下，钻头也才消耗3个多不到4个。

由此可见，机台工作人员只要认真摸索，及时根据地层的变化而选择钻头，同时配之与合理的钻进技术参数及钻井液助剂，是可以提高钻头的使用寿命，减轻员工们的劳动强度，达到降低钻探生产成本，提高经济效益之目的。

5　结语

随着钻探工作的不断向“攻深找盲”发展，钻孔的深度不断被刷新，随之而来的是地层的不断变化和复杂，加上市场经济的波动，材料的涨价、人工费用的增加和山地青苗的补偿等诸多问题，这些给钻探施工带来了前所未有的困难，钻探施工单位稍不留神就有可能造成亏损。如何降低钻探生产成本，成了施工中亟待解决的问题。而作为钻探材料重头之一的金刚石钻头选型使用，使其有效提高使用寿命，也使其成为降低钻探生产成本的一个重要环节。因此金刚石钻头、扩孔器的使用被钻探施工人员广泛重视，从了解各种不同型号金刚石钻头的性能入手，并在此基础上根据施工地层的变化不断调整施工钻头的胎体硬度和钻头唇面，使金刚石钻头与岩层相互适应，再配之合理的钻进技术参数，能使金刚石钻头的使用寿命发挥到极致，从而达到降低钻探材料成本之目的。

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1004-5716（2016）09-0068-04

2015-09-25

2015-10-10

李伟雄（1969-），男（汉族），广东玉华人，助理工程师，现从事岩芯钻探工具研究工作。