深部鉆探關(guān)鍵技術(shù)

1、深部礦產(chǎn)資源勘探鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)問題張曉西摘要：最新的成礦理論表明在我國大陸深部蘊(yùn)藏著潛力巨大的礦產(chǎn)資源，因此，開展深部找礦工作已經(jīng)成為地質(zhì)找礦工作的重點(diǎn)。而必須強(qiáng)調(diào)的是，在深部找礦過程中，除了利用更成熟的地質(zhì)理論和更先進(jìn)的物化探方法、遙感技術(shù)等新探測(cè)技術(shù)外，最終還需要使用鉆掘（探）技術(shù)來取心取樣，證實(shí)推斷和探測(cè)的正確性。勘探深度的增加，對(duì)鉆探技術(shù)提出了更高的要求，特別是對(duì)鉆探設(shè)備、鉆探機(jī)具、泥漿技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)提出了新的要求，這就需要?jiǎng)?chuàng)造必要的研究條件對(duì)那些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究，同時(shí)重視對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)，只有如此，鉆探技術(shù)才能滿足深部礦產(chǎn)資源勘探鉆進(jìn)的需要。關(guān)鍵詞：深部礦產(chǎn)資源 鉆探關(guān)鍵技術(shù)

2、人才培養(yǎng) 基礎(chǔ)研究由于采礦技術(shù)水平的限制，過去我國的固體礦產(chǎn)勘探深度很少超過1500m，800-1000m孔深對(duì)于地質(zhì)勘探取心鉆進(jìn)來說都算是深孔，而絕大多數(shù)礦山的勘查深度還不足500m。全國危機(jī)礦山接替資源找礦規(guī)劃綱要（20042010年），決定在有資源潛力和市場(chǎng)需求的老礦山周邊或深部開展找礦工作，以延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限。由于相當(dāng)一部分危機(jī)礦山的深部和外圍有許多未經(jīng)充分勘查的成礦遠(yuǎn)景區(qū)，而最新的成礦理論表明在我國大陸深部蘊(yùn)藏著潛力巨大的礦產(chǎn)資源，因此，開展深部找礦工作已經(jīng)成為地質(zhì)找礦工作的重點(diǎn)。而必須強(qiáng)調(diào)的是，在深部找礦過程中，除了利用更成熟的地質(zhì)理論和更先進(jìn)的物化探方法、遙感技術(shù)等新探測(cè)技術(shù)外，

3、最終還需要使用鉆掘（探）技術(shù)來取心取樣，證實(shí)推斷和探測(cè)的正確性。第一節(jié) 取心鉆進(jìn)方法取心鉆進(jìn)長(zhǎng)期以來是人們獲取地球內(nèi)部準(zhǔn)確信息的唯一方法與手段。雖然隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，地球物理方法也可用于獲取地球內(nèi)部信息，但由于地球物理方法檢測(cè)的是一個(gè)物性參數(shù)的集合，其解釋依賴于大量地層或巖石物理參數(shù)的標(biāo)定，并且其解釋結(jié)果包含著大量的主觀推測(cè)與判斷，不能完全反應(yīng)原位巖石的客觀組成與存在，而且解釋者不同，其解釋結(jié)果可能截然不同，即通常所說的地球物理數(shù)據(jù)的多解性。巖心既能反映地層物質(zhì)的礦物組成、化學(xué)成份，又能表征地層的空間結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等。通過觀察、分析、研究巖心，可全面地推斷出巖心所在深度的原位狀況，這也

4、是油氣井鉆探在關(guān)鍵層位還需要進(jìn)行取心鉆進(jìn)作業(yè)的主要原因。因此，我國地質(zhì)勘探多采用取心鉆進(jìn)方法，僅在一些煤田等沉積礦床勘探工作中結(jié)合部分地球物理評(píng)價(jià)工作。國內(nèi)外取心鉆進(jìn)技術(shù)主要可分為石油鉆進(jìn)取心技術(shù)、地質(zhì)勘探鉆進(jìn)取心技術(shù)兩大類。由于工作的對(duì)象都是地層或巖石，工作的目的都是從地球深部鉆取巖心，上述兩大類技術(shù)間存在許多共性。但是，取心目的不同，鉆進(jìn)地層各異，因而其間也存在一些差異。一、 國內(nèi)外石油取心鉆進(jìn)技術(shù)概況石油取心鉆進(jìn)的目的主要是了解地層的生油指標(biāo)、油層的孔隙度、滲透率、含油氣飽和度以及油氣層的有效厚度等。由于石油鉆井一般口徑較大，取心成本很高，所以石油鉆井中取心鉆進(jìn)比例相對(duì)較低。在石油鉆井中

5、，最常用的取心方法為提鉆取心法。繩索取心方法由于要使用專門的繩索取心鉆桿，在取心比例很低（一般不超過5%）的石油鉆井中，在全面鉆進(jìn)和取心鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)換過程中倒換鉆桿即費(fèi)時(shí)也不方便，且鉆桿成本很高，因此繩索取心鉆進(jìn)方法在石油取心鉆進(jìn)中很少采用。石油鉆井中，為了在不同的地層中實(shí)現(xiàn)不同的取心目的，研制出了不同的取心工具，常用的取心工具有：自鎖式取心工具、加壓式取心工具、保壓密閉取心工具、密閉取心工具、海綿取心工具、橡皮筒取心工具。由于石油鉆井中普遍采用提鉆取心，因此在取心鉆進(jìn)工藝上有一套獨(dú)特的長(zhǎng)筒取心技術(shù)。二、 國內(nèi)外地質(zhì)勘探取心鉆進(jìn)技術(shù)概況與石油鉆井不同，地質(zhì)勘探鉆進(jìn)主要采用取心鉆進(jìn)方法。取心的目的是

6、通過對(duì)巖心的觀察與分析，了解巖心母本的化學(xué)成份、含礦品位、結(jié)構(gòu)及賦存狀態(tài)等特性，最終對(duì)取心母本的情況作出全面、客觀、正確的評(píng)估。國內(nèi)外取心鉆進(jìn)技術(shù)種類較多，分類各異。按取心方式可分為繩索取心和提鉆取心；按取心管（或巖心管）的結(jié)構(gòu)型式可分為單管取心、雙管取心和三層管取心，其中雙管取心又分雙動(dòng)雙管和單動(dòng)雙管取心；按碎巖工具可分為金剛石取心鉆進(jìn)、硬質(zhì)合金取心鉆進(jìn)和牙輪取心鉆進(jìn)；按碎巖方式可分為回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)；按循環(huán)方式可分為正循環(huán)取心鉆進(jìn)和反循環(huán)取心鉆進(jìn)，其中反循環(huán)取心鉆進(jìn)按循環(huán)介質(zhì)又可進(jìn)一步分為無泵反循環(huán)、噴射反循環(huán)、水利反循環(huán)、空氣反循環(huán)和氣舉反循環(huán)等。對(duì)取心鉆進(jìn)的研究，無論國內(nèi)

7、還是國外，都把注意力集中如何提高取心質(zhì)量、如何提高取心效率、如何提高巖心采取率、以及如何在取心困難的地層獲取盡量多的巖心上。具體來說主要進(jìn)行了碎巖材料與工具、取心工具、取心工藝等方面的研究，集中表現(xiàn)在金剛石繩索取心鉆探技術(shù)上。三、 我國深部取心鉆探技術(shù)定位毫無疑問，取心鉆進(jìn)依然是我國地質(zhì)勘探鉆進(jìn)的主流方向，而對(duì)于深部取心鉆探技術(shù)來說，繩索取心鉆探技術(shù)必然是在可以預(yù)見的一段歷史時(shí)期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位的技術(shù)方法。而對(duì)于深部繩索取心鉆探技術(shù)來講，其核心技術(shù)關(guān)鍵應(yīng)該是鉆探設(shè)備、鉆探機(jī)具、泥漿技術(shù)等。同時(shí)，還應(yīng)該重視定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，自上世紀(jì)80年代，勘探技術(shù)研究所研究、推廣應(yīng)用受控定向鉆探以來，不僅在安

8、徽銅陵冬瓜山銅礦勘探工作中取得了極大成功，還成功應(yīng)用于我國的鹽鹵礦、芒硝礦等水溶性礦產(chǎn)的開采領(lǐng)域。在普通鉆孔難以到達(dá)的勘探部位和坑道內(nèi)以及陡斜礦體的勘探中，利用高精度受控定向（取心）鉆探技術(shù)可以明顯減少鉆探工作量和施工費(fèi)用。四、 金剛石取心鉆進(jìn)技術(shù)一、金剛石鉆頭的選擇與使用(一)選擇金剛石鉆頭的原則(1)軟至中硬和完整均質(zhì)巖層，一般宜用天然表鑲鉆頭、復(fù)合片鉆頭、聚晶鉆頭，部分可用燒結(jié)體鉆頭。(2)硬至堅(jiān)硬致密的巖層(分級(jí)表中712級(jí))，一般宜用孕鑲鉆頭，尖環(huán)槽同心圓或交錯(cuò)尖環(huán)槽鉆頭，或細(xì)粒表鑲金剛石鉆頭。(3)在破碎、軟硬互層、裂隙發(fā)育或強(qiáng)研磨性巖層，如煤系地層，宜用尖齒型廣譜鉆頭或耐磨性好的

9、、補(bǔ)強(qiáng)的電鍍?cè)需傘@頭。(4)根據(jù)巖石的研磨性、風(fēng)化程度和破碎程度選擇胎體耐磨性的原則是：強(qiáng)研磨性巖層，選用高耐磨性的胎體；中等研磨性巖層，選用中等耐磨性的胎體；弱研磨性巖層，選用低耐磨性的胎體。(5)復(fù)雜巖層，研磨性越強(qiáng)、越硬，選用金剛石品級(jí)好、粒度相對(duì)細(xì)的鉆頭。(6)強(qiáng)研磨性、較破碎的巖層，在保證金剛石包鑲良好的條件下，選用金剛石濃度較高的鉆頭。反之，均質(zhì)致密、弱研磨性的巖層，選用金剛石濃度較低的鉆頭。(7)巖層軟，排粉多，選用復(fù)合片鉆頭或聚晶鉆頭，易沖蝕的巖礦層取心，應(yīng)采用底噴式鉆頭。俄羅斯常用的天然和人造金剛石鉆頭的應(yīng)用范圍見表9-25。表1 俄羅斯常用的天然和人造金剛石鉆頭應(yīng)用范圍鉆頭

10、類型用途應(yīng)用范圍規(guī)定應(yīng)用范圍的文件01A3單層巖心管用鉆頭可鉆性89級(jí)(rm=15.234.1)的弱研磨性、細(xì)粒、致密、完整的巖性TY2-037-79-8001A4可鉆性89級(jí)(rm=15.234.1)的弱研磨性、中粒、裂隙巖層TY2-037-79-80023可鉆性912級(jí)(rm=22.8115.2)的弱研磨性、很堅(jiān)硬、致密、細(xì)粒到隱晶質(zhì)的完整巖層TY2-037-79-80024可鉆性10和12級(jí)(rm=34.0115.2)研磨性、細(xì)和中粒、極堅(jiān)硬、致密和裂隙巖層TY2-037-79-8004A3可鉆性79級(jí)(rm=10.234.1)的弱研磨性、細(xì)和中粒的巖層TY2-037-79-8007A3

11、可鉆性79級(jí)(rm=10.234.1)的弱研磨性、細(xì)和中粒的巖層TY2-037-79-8014A3可鉆性810級(jí)(rm=15.251.2)的裂隙性巖層TY2-037-79-80A4可鉆性810級(jí)(rm=15.251.2)的致密和微裂隙巖層TY2-037-79-804可鉆性912級(jí)(rm=22.876.8)的微裂隙和裂隙層交錯(cuò)的研磨性巖層TY2-037-313-81023可鉆性711級(jí)(rm=10.2115.2)的弱研磨性、研磨性巖層OCT2477-4-7515A3可鉆性67級(jí)(rm=6.815.1)的巖層TY037-216-7716A3可鉆性67級(jí)(rm=4.610.1)的巖層TY037-21

12、6-77024可鉆性912級(jí)(rm=22.876.8)的研磨性、細(xì)和中粒極堅(jiān)硬致密和裂隙性巖層TY2-037-79-8018A3雙層巖心用鉆頭可鉆性811級(jí)(rm=15.234.2)的致密和弱裂隙性巖層TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)193()YT型可鉆性911級(jí)(rm=34.276.8)的致密和弱研磨性巖層TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)可鉆性89級(jí)(rm=15.234.2)的致密和弱研磨性巖層TY41-01-189-8110A3H-2和2型可鉆性89級(jí)(rm=15.234.2)的弱研磨性、細(xì)粒、裂隙與致密巖層TY2-037-79-80

13、113可鉆性1012級(jí)(rm=34.276.8)的弱研磨性、細(xì)粒隱晶質(zhì)、裂隙與致密巖層TY2-037-79-8012A3定向鉆進(jìn)用鉆頭可鉆性89級(jí)(rm=15.234.2)的弱研磨性巖層TY2-037-79-80133可鉆性911級(jí)(rm=22.876.8)的弱研磨性巖層TY2-037-79-8008A3無巖心鉆進(jìn)用鉆頭可鉆性911級(jí)(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性巖層TY2-037-79-80083可鉆性911級(jí)(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性巖層TY2-037-79-8009A3可鉆性911級(jí)(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性巖層TY2-037-79-8001A

14、3CB和01A4CB型人造金剛石鉆頭可鉆性達(dá)8級(jí)(rm=15.222.8)的完整和弱裂隙性巖層TY2-037-302-80023CB和024CB可鉆性達(dá)8級(jí)(rm15.2)的致密和弱裂隙性巖層TY2-037-302-8015A3CB可鉆性56級(jí)(rm=4.510.1)的巖層2-037-255-8015A3KC可鉆性56級(jí)(rm=4.510.1)的巖層2-037-255-8003P(KCAB)可鉆性58級(jí)(rm=4.522.8)的不同研磨性的巖層TY48-19-344-8016A3CB可鉆性68級(jí)(rm=6.815.2)的巖層2-037-255-8001鑲有斯拉烏季契的鉆頭可鉆性710級(jí)(rm=

15、10.151.2)的完整和弱裂隙性巖層88烏克蘭CM725-8002可鉆性58級(jí)(rm=4.522.8)的完整和弱裂隙性巖層88烏克蘭CM725-8003可鉆性811級(jí)(rm=15.276.8)的裂隙性巖層88烏克蘭CM725-8004，05可鉆性911級(jí)(rm=22.876.8)的堅(jiān)硬、完整、研磨性巖層88烏克蘭CM725-8006，-7可鉆性810級(jí)(rm=15.251.2)的完整巖層(二)合理使用金剛石鉆頭選擇鉆頭類型之后，為了取得最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，必須采取以下8項(xiàng)技術(shù)措施。1金剛石鉆頭、擴(kuò)孔器要排隊(duì)輪換使用(1)根據(jù)巖層、設(shè)計(jì)孔深等情況，鉆頭、擴(kuò)孔器應(yīng)排隊(duì)輪換使用，先用外徑大的，后用

16、外徑小的。同時(shí)亦應(yīng)先用內(nèi)徑小的，后用內(nèi)徑大的。在輪換過程中，應(yīng)保證使排隊(duì)的鉆頭、擴(kuò)孔器都能正常下到孔底，以避免掃孔、掃殘留巖心。(2)提鉆后必須用游標(biāo)卡尺，精確測(cè)量鉆頭和擴(kuò)孔器的外、內(nèi)徑，以及孕鑲鉆頭的高度，并做好記錄，以作為下個(gè)回次選擇鉆頭尺寸的依據(jù)。2鉆頭與擴(kuò)孔器必須合理配合(1)擴(kuò)孔器外徑應(yīng)比鉆頭外徑大0.30.5mm，堅(jiān)硬巖層不得大于0.3mm。如擴(kuò)孔器外徑過大，將使擴(kuò)孔量增加，磨損加劇，鉆進(jìn)效率低。擴(kuò)孔器外徑過小，則起不到擴(kuò)孔保徑的作用。(2)鉆頭內(nèi)徑和卡簧的自由內(nèi)徑必須合理配合?？ɑ勺杂蓛?nèi)徑過大，則取不上或卡不牢巖心，造成中途脫落或殘留巖心過多；卡簧自由內(nèi)徑過小，易造成巖心堵塞。因

17、此，每次下鉆前，要注意檢驗(yàn)鉆頭尺寸與卡簧的配合尺寸。機(jī)場(chǎng)應(yīng)備2至3種尺寸的卡簧以供選配。3為金剛石鉆頭創(chuàng)造良好的工作條件(1)金剛石性脆，遇沖擊載荷易碎裂，因此要求孔內(nèi)清潔，孔底平整，孔徑規(guī)矩。(2)發(fā)現(xiàn)孔底有硬質(zhì)合金碎屑、胎塊碎屑、脫落的金剛石顆粒、金屬碎屑、脫落巖心、掉塊等，要立即采用沖、撈、搗、抓、粘、套、磨、吸等方法清除。(3)凡用金剛石鉆進(jìn)的鉆孔，禁止采用鋼粒鉆進(jìn)。當(dāng)新鉆頭下孔前，要進(jìn)行磨孔處理。(4)換徑和下套管前，必須做好孔底的清理和修整工作。換徑和下套管后，用錐形鉆頭將換徑臺(tái)階修成錐形，并取凈孔底異物，方可鉆進(jìn)。4改善鉆具穩(wěn)定性鉆進(jìn)過程中，因受鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇不當(dāng)、孔斜嚴(yán)重、鉆

18、具級(jí)配不合理、鉆孔超徑等因素的影響，鉆具會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。雖不能全部消除振動(dòng)，但采取相應(yīng)的下列預(yù)防措施，是可得到改善的。(1)采用圓斷面、直的、與鉆桿同級(jí)的機(jī)上鉆桿和高速輕便水龍頭、輕型高壓膠管，以消除偏重現(xiàn)象，保持機(jī)上鉆桿運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，防止晃動(dòng)；不使用彎曲度超過規(guī)定的鉆桿和粗徑鉆具。(2)采用級(jí)配合理的鉆具，以減少鉆具與孔壁或套管內(nèi)壁的環(huán)狀間隙，從而減少鉆具的“徑向”振動(dòng)。(3)不得采用過大鉆壓和泵量鉆進(jìn)。(4)可采用減振器、扶正器或穩(wěn)定接頭。(5)在強(qiáng)研磨性、破碎、軟硬互層的巖層中，禁止盲目用高轉(zhuǎn)速。(6)使用乳化沖洗液、潤(rùn)滑膏，以減少鉆具回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力和振動(dòng)。(7)鉆機(jī)與柴油機(jī)的傳動(dòng)軸

19、中心線要對(duì)準(zhǔn)，機(jī)身要周正水平，基礎(chǔ)要牢固。5防止巖心堵塞(1)應(yīng)采用單動(dòng)雙管鉆進(jìn)。在節(jié)理發(fā)育、破碎、傾角大的巖礦層，應(yīng)設(shè)計(jì)專用取心工具。(2)吸水膨脹、節(jié)理發(fā)育等易堵巖層應(yīng)采用內(nèi)徑較小、補(bǔ)強(qiáng)較好的鉆頭，使巖心順利地進(jìn)入內(nèi)管。3)為保證較破碎巖心能平滑順利地進(jìn)入內(nèi)管，內(nèi)管壁可以涂適宜的潤(rùn)滑脂或噴涂塑料、鍍鉻。(4)采取相應(yīng)的減振措施，減少由于振動(dòng)造成巖心、礦心破碎引起的堵塞。(5)鉆進(jìn)過程中，不允許任意提動(dòng)鉆具，開、關(guān)車要平穩(wěn)，鉆壓、泵量要均勻。6防止燒鉆燒鉆指金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過程中，因操作不當(dāng)或孔內(nèi)情況復(fù)雜，造成鉆頭被燒毀，無法再用的簡(jiǎn)稱。燒鉆輕者使鉆頭報(bào)廢，鉆頭費(fèi)用劇增；重者，鉆頭胎體熔化，

20、且和巖粉、殘留巖心燒結(jié)在一起，甚至發(fā)生連同巖心管一起燒毀的事故，致使被迫終孔或報(bào)廢。燒鉆將引起卡鉆事故，往往伴隨有鉆孔彎曲。因此，燒鉆是金剛石鉆進(jìn)最易發(fā)生的事故之一，應(yīng)嚴(yán)格采取預(yù)防措施。(1)保證沖洗液循環(huán)暢通。金剛石鉆進(jìn)一般采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。由于鉆頭、鉆具與孔壁間隙小，一旦孔底沖洗液補(bǔ)給不足或循環(huán)中斷，致使鉆頭冷卻不良，排粉不及時(shí)，瞬間即可把鉆頭燒毀。因此，在鉆進(jìn)過程中，始終要保持循環(huán)暢通。(2)控制合理的鉆進(jìn)速度。在金剛石鉆進(jìn)過程中，切忌盲目加壓，追求進(jìn)尺。鉆速過快，造成孔內(nèi)巖粉淤積，排粉不及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燒鉆，甚至鉆孔彎曲。要力求避免這種惡性連鎖反應(yīng)。還應(yīng)再次強(qiáng)調(diào)金剛石鉆進(jìn)工藝3要素的有機(jī)配合

21、。在鉆進(jìn)中硬至硬巖層時(shí)，轉(zhuǎn)速是提高孕鑲鉆頭鉆速的主要因素；鉆進(jìn)硬巖層時(shí)，則應(yīng)以提高鉆壓為主。隨鉆速增長(zhǎng)，泵量亦應(yīng)相應(yīng)增加。然而，切忌單純靠盲目加壓取得高轉(zhuǎn)速。一般在中硬均質(zhì)巖層中，鉆速應(yīng)適當(dāng)控制，并配以適當(dāng)泵量。(3)集中精力，精心操作。鉆進(jìn)過程中要精心操作，觀察各種儀表顯示的數(shù)據(jù)，以及機(jī)械、傳動(dòng)皮帶、膠管等的運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)變化。一般鉆頭由硬巖鉆人軟巖層，鉆速突然變快，泵壓增高、鉆機(jī)回轉(zhuǎn)吃力，都是燒鉆的預(yù)兆。此刻，應(yīng)立即限制鉆速，降低鉆壓和轉(zhuǎn)速，增大泵量或停止鉆進(jìn)；提動(dòng)鉆具并沖孔；待水路暢通，判斷無誤時(shí)，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。處理無效時(shí)，應(yīng)立即提鉆。泵壓下降，膠管會(huì)由突然跳動(dòng)趨于平穩(wěn)；鉆具回轉(zhuǎn)吃力，是泥漿

22、泵汲水不良，鉆柱中途或孔底嚴(yán)重失水的征兆，有發(fā)生卡鉆的危險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)處理。金剛石鉆頭外徑小于規(guī)定尺寸，不得下孔使用；采用磨孔鉆頭磨孔時(shí)，一次進(jìn)尺不宜過多，要用大泵量沖洗。要嚴(yán)格按規(guī)程配置卡簧座與鉆頭內(nèi)徑尺寸，防止巖心堵塞。一旦遇到巖心堵塞，應(yīng)立即提鉆，進(jìn)行妥善處理。下鉆離孔底0.2m左右，要開泵沖孔，待循環(huán)暢通后，用慢轉(zhuǎn)速下到孔底，開始小壓力、低轉(zhuǎn)速、初磨鉆進(jìn)，待正常后再快速鉆進(jìn)。切忌用金剛石鉆頭掃孔。發(fā)現(xiàn)燒鉆預(yù)兆時(shí)，嚴(yán)禁關(guān)車，應(yīng)迅速上下活動(dòng)鉆具。待隱患清除后，應(yīng)立即提鉆檢查，弄清燒鉆起因，采取相應(yīng)的技術(shù)措施。7孕鑲鉆頭的初磨和修磨(1)新的孕鑲鉆頭下孔后，采用輕壓慢轉(zhuǎn)，大致鉆進(jìn)0.20.3m后

23、，使金附石刃出露，并與孔底磨合，再進(jìn)行正常鉆進(jìn)。(2)采用噴砂方法，促使金剛石出刃。噴砂方法是利用攜帶硬質(zhì)粒子的高速流體束，對(duì)旋轉(zhuǎn)中的鉆頭唇面進(jìn)行噴射，使鉆頭唇面的金剛石刃出露并銳化，以實(shí)現(xiàn)鉆頭有效鉆進(jìn)。當(dāng)孕鑲鉆頭出現(xiàn)打滑時(shí)，均可采用此方法。(3)孕鑲鉆頭水口小于3mm，要用砂輪或銼刀修磨加深，并盡量保持一致，以免沖蝕不均，造成鉆頭偏磨。二、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程的論證與確定鉆頭選定后，金剛石鉆進(jìn)的效率有賴于鉆進(jìn)規(guī)程的選擇。鉆進(jìn)過程包括：鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量3個(gè)參量。影響鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的因素很多，主要有：巖層的性質(zhì)和特點(diǎn)、鉆頭的類型、所用設(shè)備和鉆具的性能、鉆孔的直徑和深度，其他工藝技術(shù)條件等?，F(xiàn)用表鑲和

24、孕鑲金剛石鉆頭的特點(diǎn)，決定了它們必須采用以高轉(zhuǎn)速為主體的鉆進(jìn)規(guī)程。特別是孕鑲式鉆頭，由于其粒度小，可采用的切人量有限，故為了獲得有效的鉆進(jìn)速度必須依靠鉆頭的高轉(zhuǎn)速，否則鉆速低就達(dá)不到實(shí)用的目的。同時(shí)，考慮到金剛石性質(zhì)較脆和不耐高溫等弱點(diǎn)，必須配合采用適當(dāng)?shù)你@壓和足夠的沖洗液量，以使鉆頭既不過量磨耗又得到充分的冷卻。評(píng)定金剛石鉆進(jìn)規(guī)程(鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量)是否合理，主要依據(jù)鉆速、鉆頭的總進(jìn)尺和單位進(jìn)尺金剛石的耗量3個(gè)方面的指標(biāo)來衡量。(一)鉆壓圖1 鉆壓對(duì)鉆速和金剛石磨耗的影響決定鉆壓既有鉆進(jìn)所需的一面，又有所用設(shè)備和鉆具可能施加其上的一面。一般來說，在一定范圍內(nèi)鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的，

25、但鉆壓因孔底碎巖機(jī)理的不同而不同。圖1表示鉆壓對(duì)鉆速和金剛石耗量的影響。金剛石鉆進(jìn)也分為3個(gè)不同的區(qū)域：()為表面研磨破碎，雖也呈線性正比關(guān)系，但鉆速極低；()為疲勞破碎區(qū)，這是一個(gè)過渡帶，依靠多次重復(fù)，裂紋擴(kuò)展而碎巖；()為鉆刃切入巖石的體積破碎區(qū)。該區(qū)內(nèi)鉆速隨鉆壓增長(zhǎng)很快。但與此同時(shí)，單位進(jìn)尺金剛石的耗量也隨鉆壓的增長(zhǎng)而增大。過大的鉆壓使金剛石耗量急劇增大，并且還會(huì)導(dǎo)致鉆速下降。對(duì)二者權(quán)衡，決定鉆壓最佳區(qū)域。1鉆壓的確定具體確定鉆壓值時(shí)，可根據(jù)巖石的壓人硬度、抗壓強(qiáng)度和金剛石的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也應(yīng)考慮到鉆速、鉆頭類型和鉆頭結(jié)構(gòu)等因素。(1)根據(jù)巖石壓入硬度確定鉆壓。作用于鉆頭上的鉆壓，應(yīng)使每

26、粒工作金剛石與巖石接觸應(yīng)力大于巖石的抗壓入硬度。其關(guān)系式為：Py-mFsc (1)式中：Py臨界鉆壓，(N)；F一單粒金剛石與巖石接觸面積，(mm)；m工作金剛石粒數(shù)；sc巖石壓人硬度，(Pa)。(2)根據(jù)金剛石的強(qiáng)度確定鉆壓。作用于鉆頭上的鉆壓，應(yīng)使每粒工作金剛石的接觸壓力小于金剛石的強(qiáng)度，其關(guān)系式為：Py-mFsD (2)式中：sD金剛石的抗壓強(qiáng)度，(Pa)。(3)根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度確定鉆壓。在一般情況下，為保證金剛石有效地破碎巖石，必須使金剛石接觸面上的單位壓力大于，巖石的抗壓強(qiáng)度，單位壓力值應(yīng)小于金剛石的抗壓強(qiáng)度。3者之間的關(guān)系可用下式表達(dá)：srspsD (3)式中：sp金剛石與巖石接觸

27、面上的單位壓力，(Pa)；sr巖石抗壓強(qiáng)度，(Pa)。人們通過理論推導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出不同類型切削具計(jì)算鉆壓的公式：(1)對(duì)于表鑲金剛石鉆頭，所施鉆壓可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(4)求出：Py=ksrmF (4)式中：Py施加于鉆頭上的鉆壓，(N)；k工作金剛石的調(diào)整系數(shù)，一般為2/33/4；m鉆頭唇面金剛石的鑲嵌量；F單粒金剛石與巖石的接觸面積，(mm2)。(2)對(duì)于聚晶或復(fù)合片鉆頭，所施鉆壓可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(5)求出：Py=fsrQF (5)式中：f調(diào)整系數(shù)，0.50.7；Q鉆頭唇面鑲嵌聚晶或復(fù)合片數(shù)量，粒。(3)對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭，所施鉆壓可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式6計(jì)算：Py=pA (6)式中：p推薦的單位壓

28、力，(Pa)；A鉆頭工作唇面與巖石的接觸面積，(mm2)。孕鑲鉆頭的自銳工作原理，決定了恒鉆速鉆進(jìn)的特點(diǎn)。孕鑲鉆頭是否處于恒速狀態(tài)，是鑒別正常鉆進(jìn)的主要標(biāo)志。在一定的地層和技術(shù)條件下，孕鑲鉆頭能否實(shí)現(xiàn)恒速鉆進(jìn)，很大程度上取決于鉆壓的選擇是否合理。鉆頭維持恒速鉆進(jìn)的最低鉆壓；稱為恒鉆速最小鉆壓。鉆壓小于恒鉆速最小鉆壓時(shí)，將出現(xiàn)鉆速下降現(xiàn)象，即鉆頭處于打滑狀態(tài)。此時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，增大鉆壓，使之處于新的恒鉆速狀態(tài)。(4)根據(jù)合理鉆速確定鉆壓。金剛石鉆進(jìn)中的關(guān)鍵問題之一是使工作唇面的金剛石切入巖石保持合理深度。鉆頭中的金剛石出刃量是非常微小的。表鑲鉆頭大致是幾百mm；孕鑲鉆頭只幾十mm。當(dāng)金剛石切入巖

29、石深度過大時(shí)，孔底排粉間隙太小，惡化孔底和冷卻條件，引起巖粉堵塞，鉆頭磨損和鉆速下降，甚至發(fā)生燒鉆事故。當(dāng)金剛石切人巖石深度過小時(shí)，則鉆頭易打滑、拋光、鉆速降低，影響正常鉆進(jìn)。要通過對(duì)鉆速快慢的分析，確定出金剛石合理的切人巖石深度，以達(dá)到既有適當(dāng)?shù)母咩@速，又有較小的鉆頭磨損率。2影響鉆壓的有關(guān)因素(1)使用新鉆頭時(shí)，切削單元鋒利，初磨階段應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，待鉆頭與孔底之間以及內(nèi)徑同巖心之間磨合后，再調(diào)整到正常的鉆壓和轉(zhuǎn)速值。在正常鉆進(jìn)過程中，切勿隨意變更壓力。在確認(rèn)切削具磨鈍后，方可適當(dāng)增大鉆壓。(2)鉆壓對(duì)壓力的影響。在鉆進(jìn)過程中，施于鉆頭上的軸向載荷，主要來自巖心管上部鉆柱的重量。在孔深100m

30、以內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，多采用鉆機(jī)加壓；孔深大于100m，則用減壓鉆進(jìn)。施加于鉆頭上的軸向載荷可用公式(7)計(jì)算：Py=WL+W (7)式中：W鉆桿單位長(zhǎng)度重量，(N/m)；W鉆機(jī)油缸施加的軸向壓力，(N)。在利用鉆桿自重加壓的條件下，施加于鉆頭上的壓力可用(8)式計(jì)算：Py=WL (8)式中：L鉆桿總長(zhǎng)，(m)。圖2 鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)與孔壁磨擦示意圖在減壓鉆進(jìn)的條件下，施加于鉆頭上的壓力可用(9-10)式計(jì)算：Py=WL-P (9)式中：P鉆機(jī)提升力，(N)。(3)轉(zhuǎn)速對(duì)鉆壓的影響。由于鉆軸與鉆孔不同心，鉆桿高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力對(duì)孔壁存在側(cè)向壓力Fn(見圖2)，它與轉(zhuǎn)速的平方成正比。當(dāng)鉆柱向下移動(dòng)時(shí)，鉆柱與

31、孔壁之間存在摩擦，必然產(chǎn)生一個(gè)向上的摩擦力Fm。其大小與Fn、鉆桿與孔壁間的摩擦系數(shù)m有關(guān)。摩擦力Fm抵消部分鉆柱重量，造成壓力損失。根據(jù)公式推導(dǎo)和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速所造成的鉆柱重量損失，大致見表2所列數(shù)值。表2 轉(zhuǎn)速對(duì)壓力補(bǔ)償值轉(zhuǎn)速(r/min)壓力補(bǔ)償(規(guī)程規(guī)定值)6001/48001/310001/212001/3(4)泵壓對(duì)鉆壓的影響。因?yàn)榻饎偸@進(jìn)的孔壁間隙小，粗徑鉆具在孔內(nèi)尤如活塞，必然被沖洗液的反作用力往上推，抵消部分鉆柱壓力。綜合上述，影響鉆壓的因素很多，又很復(fù)雜，難于用準(zhǔn)確的公式推算出來。但有了全面的了解，就能作出正確判斷。從實(shí)踐中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)是采用控制鉆速的辦法來控制鉆壓，原則是，鉆

32、頭磨損正常，鉆速平穩(wěn)。不同金剛石鉆頭的鉆壓見表3。表3 不同金剛石鉆頭的鉆壓(dN)鉆頭直徑(mm) 鉆 頭 類 型3646597591表鑲鉆頭初始?jí)毫?010050100100200100200250常壓20040030060040075060010008001100孕鑲鉆頭25045040070045085060011008001500圖3 轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系1一細(xì)砂巖；2一灰?guī)r；3一花崗巖(二)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速亦是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素之一。研究轉(zhuǎn)速與機(jī)械鉆速(簡(jiǎn)稱鉆速)和鉆頭磨損之間的關(guān)系，對(duì)正確選擇轉(zhuǎn)速具有重要意義。(1)在細(xì)砂巖、灰?guī)r、花崗巖中鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速和鉆速的變化規(guī)律，呈線性關(guān)系，如

33、圖3所示。(2)在不同鉆壓條件下，轉(zhuǎn)速與鉆速的變化規(guī)律，如圖9-36所示。圖中表明：在較高的鉆壓下，轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響更為顯著，呈正比線性關(guān)系；鉆壓偏低未達(dá)到碎巖應(yīng)力時(shí)，鉆頭反而有被拋光的趨勢(shì)，鉆速隨轉(zhuǎn)速增加而下降。(3)轉(zhuǎn)速與鉆頭的磨損關(guān)系。一般情況下，隨轉(zhuǎn)速的提高，鉆頭相對(duì)磨損降低。這是因?yàn)殡S鉆頭線速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)的磨損量雖然有所增加，但是其單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)尺量亦隨轉(zhuǎn)速增加而增加；鉆頭磨損的增長(zhǎng)低于破巖效率的提高，因而相對(duì)磨損量下降。圖4 不同鉆壓下轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系12.94MPa；25.88MPa；37.84MPa；411.76MPa(4)關(guān)于轉(zhuǎn)速的選擇，大體遵循以下幾個(gè)原則：在中硬至

34、硬、中等研磨性的完整巖層中鉆進(jìn)，一般可采用較高轉(zhuǎn)速；在堅(jiān)硬致密的巖層中鉆進(jìn)，主要靠鉆壓破碎巖石，宜采用較低轉(zhuǎn)速；在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，宜采用較低轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速與切削具磨損之間的關(guān)系比較復(fù)雜，其間存在一個(gè)合理值，即在一定的轉(zhuǎn)速下，切削具的磨損量最小，鉆速適中，鉆頭進(jìn)尺最佳。轉(zhuǎn)速過快或過慢，切削具的磨損量都會(huì)增加，鉆速雖高，但鉆頭進(jìn)尺量減少。鉆頭轉(zhuǎn)速一般根據(jù)其圓周線速度計(jì)算，由于鑲嵌在其上的金剛石出刃只有幾十mm至幾百mm，因此，要獲得較好的鉆進(jìn)效率，主要靠提高單位時(shí)間內(nèi)的切削巖石的次數(shù)。一般孕鑲鉆頭采用的線速度為24m/s，推薦轉(zhuǎn)數(shù)見表4；而表鑲鉆頭，一般采用的線速度為13m/s。推薦轉(zhuǎn)數(shù)見表5。表4

35、金剛石孕鑲鉆頭適用推薦轉(zhuǎn)數(shù)鉆頭直徑(mm)3646597591適用轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)1000200075015006001200400850350700表5 表鑲金剛石的適用推薦轉(zhuǎn)數(shù)鉆頭直徑(mm)3646597591適用轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)65013005001000400800300550250500(三)泵量泵量系指將沖洗介質(zhì)，如清水、泥漿等泵人孔底的量。在金剛石鉆進(jìn)過程中，沖洗液起冷卻切削具、排出巖粉、保護(hù)孔壁、潤(rùn)滑和減震作用。因此，泵量對(duì)金剛石鉆進(jìn)具有特殊的意義。1. 金剛石鉆進(jìn)對(duì)沖洗液量的特殊要求(1)金剛石鉆頭唇面排粉漫流間隙小，極易形成巖屑重復(fù)破碎、巖粉堵塞，甚至形成堅(jiān)實(shí)的巖粉墊

36、，使孔底排粉和冷卻條件惡化，故對(duì)鉆頭水力學(xué)提出了特殊要求。(2)金剛石熱穩(wěn)定性差，溫度過高將導(dǎo)致金剛石石墨化，胎體變形，機(jī)械性能降低。(3)鉆孔環(huán)狀間隙小，約23mm，水力損失大，無用循環(huán)功耗大，亦影響鉆頭水馬力的利用。有必要研究孔內(nèi)水力能量的有效利用。(4)表鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，靠漫流通道冷卻唇面金剛石和排粉。因此，調(diào)整水口和漫流水路斷面之間的關(guān)系，是保證提高水力效果、冷卻和沖洗效果的關(guān)鍵。(5)孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭漫流通道小，沖洗液對(duì)金剛石冷卻和清除巖粉的效果差，加強(qiáng)水口的水力作用是水路設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭與巖石摩擦，導(dǎo)致鉆頭唇面溫度升高。圖5是花崗巖和粉砂巖在不同規(guī)程鉆進(jìn)時(shí)，

37、鉆頭溫升的變化規(guī)律。圖5 (a)一鉆壓對(duì)鉆頭溫升的影響；(b)一轉(zhuǎn)速對(duì)鉆頭溫升的影響1一花崗巖；2一粉砂巖上述結(jié)果表明：(1)溫升隨鉆壓、轉(zhuǎn)速的增加而增高，基本上呈正比線性關(guān)系；(2)在正常鉆進(jìn)規(guī)程條件下，胎體溫度大致在20120左右；(3)當(dāng)采用較強(qiáng)的鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，鉆頭結(jié)構(gòu)和水馬力設(shè)計(jì)是降低胎體溫升的重要因素。2泵量對(duì)鉆速的影響如圖6所示，在粉砂巖和花崗巖中鉆進(jìn)，泵量對(duì)鉆速的影響是：(1)當(dāng)泵量減少到一定程度后，對(duì)鉆速產(chǎn)生明顯的影響；圖6 泵量對(duì)鉆速的影響(a)一在粉砂巖中：vm一鉆速(b)一在花崗巖中：v一鉆速；W一磨損量(2)泵量和巖石種類亦有關(guān)系。在細(xì)砂巖中鉆進(jìn)，泵量降至5l/min，鉆

38、速才下降；而花崗巖泵量降至1l/min，鉆速才發(fā)生明顯變化。3沖洗液的返流速度沖洗液排粉和冷卻鉆頭的效率，與返流速度有關(guān)。雖無法準(zhǔn)確算出將巖粉從孔底送到地表所需沖洗液量，但可以返流速度為依據(jù)。一般按公式10)計(jì)算：Q6vA (10)式中：Q沖洗液量，(l/min)；v環(huán)狀間隙上返流速，(m/s)，對(duì)金剛石鉆進(jìn)，0.4v0.7m/s甚至1.0m/s；A鉆孔環(huán)狀斷面，(cm2)。可用(11)式計(jì)算液體返流中巖粉懸浮時(shí)的最大顆粒直徑。R0.0055v2g1(g1-g)-1 (11)式中：R最大顆粒直徑，(mm)；v液體返流速度，(cm/s)；g1顆粒相對(duì)密度；g沖洗液相對(duì)密度。影響沖洗液量的因素較多

39、，具體選擇時(shí)，還應(yīng)考慮下列因素：(1)巖層的完整度。鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖層，鉆速低、巖粉少、顆粒細(xì)，液量可小些。這尤其適應(yīng)孕鑲鉆頭，因尚需用巖粉作自銳介質(zhì)。(2)鉆進(jìn)軟、中硬的巖層，鉆速較高，或易糊鉆的巖層，為了快速排粉，液量宜大一些。(3)鉆進(jìn)研磨性巖層，由于轉(zhuǎn)速高，摩擦產(chǎn)生的熱量較多，液量應(yīng)大一些。(4)鉆進(jìn)漏失地層，為了補(bǔ)償損失部分，液量應(yīng)大于正常情況。(5)鉆頭類型。孕鑲鉆頭由于金剛石出刃量小，唇面與孔底巖石接觸面積大，過水條件差，又多采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，為及時(shí)冷卻金剛石和胎體，避免金剛石石墨化和重復(fù)破碎巖粉，應(yīng)采用較大水量。對(duì)表鑲鉆頭，金剛石出刃量比孕鑲鉆頭大，排粉和冷卻條件較好，沖洗液量可稍

40、小一些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，金剛石鉆進(jìn)常用的沖洗液量見表6。建議根據(jù)上述因素和鉆速高低，結(jié)合實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整沖洗液量。表6 金剛石鉆進(jìn)常用的沖洗液量推薦值鉆頭直徑(mm)3646597591沖洗液量(l/min)20302540304540605070在金剛石鉆進(jìn)過程中，觀察泵壓變化，可以發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)某些變化的征兆。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在直徑46或59mm、孔深300m左右，采用清水鉆進(jìn)硬巖層，正常泵壓約5.01l051.01106Pa(泥漿鉆進(jìn)時(shí)略高一些)；鉆進(jìn)軟巖層，約8.081051.212106Pa。之后，孔深每增加100m，約增加2.03105Pa。在鉆進(jìn)過程中，泵壓產(chǎn)生小幅度的升高或下降，系孔底

41、換層征兆。泵壓突然大幅度升高，伴隨鉆速下降或不進(jìn)尺，可能發(fā)生巖心堵塞。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泵壓異常時(shí)，須采取相應(yīng)技術(shù)措施，以防燒鉆、斷鉆桿、脫扣等事故的發(fā)生。(四)臨界鉆進(jìn)規(guī)程鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量這3個(gè)規(guī)程參數(shù)，雖然各自有其作用和特點(diǎn)，但在鉆進(jìn)過程中3者是相互配合和互相制約的。為了進(jìn)一步提高金剛石鉆進(jìn)的效率，必須優(yōu)化鉆進(jìn)規(guī)程，使鉆進(jìn)在最優(yōu)狀態(tài)下工作。通過對(duì)鉆進(jìn)時(shí)熱物理過程的試驗(yàn)研究，獲得了有關(guān)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與鉆頭胎體溫度、功率消耗、機(jī)械鉆速、胎體磨損之間的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，并提出了金剛石鉆進(jìn)的正常鉆進(jìn)規(guī)程和臨界鉆進(jìn)規(guī)程的見解。在正常鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，只要沖洗液量適當(dāng)，胎體溫度正常，功率消耗平穩(wěn)，則鉆頭磨耗輕微。而到達(dá)臨

42、界鉆進(jìn)規(guī)程以后，則胎體溫度急劇上升，功率消耗急劇增大，鉆頭磨損嚴(yán)重，甚至發(fā)生燒鉆。1胎體溫度與軸向壓力戶和鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系烏克蘭超硬材料研究所曾用孕鑲?cè)嗽旖饎偸?粒度為200400mm)鉆頭在花崗巖中進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，獲得胎體溫度()與軸向壓力(P)和轉(zhuǎn)速(n)間的函數(shù)關(guān)系，如表7所列。表7 鉆頭胎體溫度()與軸向壓力(P)和轉(zhuǎn)速(n)的關(guān)系鉆頭轉(zhuǎn)速n(r/min)項(xiàng)目胎體溫度軸向壓力P(N)10002000300040005000600070008000900010000600601601901905607501007010059095070808062065067011809012064015

43、005070120550圖7 胎體溫度及功率消耗與Pn值的關(guān)系1一胎體溫度；2一功率消耗由表知：當(dāng)軸向壓力(P)和轉(zhuǎn)速(n)達(dá)到某一值時(shí)，胎體溫度急增，由100200的常規(guī)溫度而升達(dá)600700的高溫。從鉆進(jìn)規(guī)程而言，這時(shí)是由正常規(guī)程變?yōu)榕R界規(guī)程。此時(shí)，Pn的值達(dá)到了臨界值。對(duì)于某一巖石來說，Pn值的臨界值基本上是一個(gè)常數(shù)。對(duì)某地的花崗巖來說，Pn臨界值(61.13.8)105Nr/min。表7中的黑體字與深色背景表示臨界規(guī)程區(qū)域及其與正常規(guī)程的分界線。胎體溫度及鉆進(jìn)時(shí)的功率消耗與Pn值的關(guān)系見圖7所示。圖中斜線部分為Pn臨界值的范圍。2功率消耗與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系通過鉆進(jìn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鉆進(jìn)時(shí)功率消耗

44、與軸向壓力及轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系。表8表示了鉆進(jìn)同一花崗巖時(shí)鉆進(jìn)的功率消耗與Pn值的關(guān)系，它們與胎體溫度的升高完全一致。當(dāng)Pn值達(dá)到600104Nr/min時(shí)，胎體溫度急增，同時(shí)功率消耗也大增，達(dá)到臨界規(guī)程狀態(tài)。表中黑線和深色背景表示臨界規(guī)程區(qū)域及其與正常規(guī)程的分界線。3. 機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系在同一試驗(yàn)中，獲機(jī)械鉆速與軸向壓力及轉(zhuǎn)速的關(guān)系，示于表9。表8 鉆進(jìn)功率消耗與軸向壓力P及轉(zhuǎn)速n的關(guān)系鉆頭轉(zhuǎn)速nr/min項(xiàng)目軸向壓力P(N)10002000300040005000600070008000900010000600Pn(103)36004200480054006000功率kW1.711.

45、861.922.325.34750Pn(103)3750450052506000功率kW1.801.862.045.67950Pn(103)380047505700665076008550功率kW1.952.312.795.376.566.911180Pn(103)354047205900功率kW2.162.645.521500Pn(103)1500300045006000功率kW0.481.442.165.54表9 機(jī)械鉆速(mm/min)與軸的壓力P及轉(zhuǎn)速n的關(guān)系鉆頭轉(zhuǎn)速n(r/min)項(xiàng)目機(jī)械鉆速軸向壓力P(N)10002000300040005000600070008000900010

46、000600202530364075030353744.59503032374482581180303545150027353747.5由表9知，鉆進(jìn)該花崗巖的臨界機(jī)械鉆速也發(fā)生在同一條件下。表中粗線表示正常規(guī)程與臨界規(guī)程的分界線。在此情況下，機(jī)械鉆速的臨界值約為44mm/min左右。十分明顯，用該孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)該花崗巖時(shí)，其最高鉆速不得超過正常規(guī)程下的最高值即37mm/min，且不得越過分界線，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良結(jié)果。4胎體溫度與沖洗液的關(guān)系實(shí)際試驗(yàn)表明，沖洗液量對(duì)于冷卻鉆頭是有某種限度的，如表10所示。表10 沖洗液量的影響指標(biāo)沖洗液量(l/min)152030胎體溫度，725640

47、550鉆進(jìn)功率消耗，kW5.675.225.13由表可知：當(dāng)沖洗液量由151/min增加到301/min時(shí)，胎體溫度和功率消耗都有某些降低。雖然沖洗液量已經(jīng)增大一倍，但未能達(dá)到把鉆進(jìn)過程由臨界狀態(tài)變?yōu)檎顟B(tài)的程度。因此，要想單純依靠增加沖洗液量來改變鉆進(jìn)的非正常狀態(tài)和解決燒鉆問題，是不可能的。所以，在金剛石鉆進(jìn)中，在某一條件下必須有適中的(高于最低的)沖洗液量來作為冷卻鉆頭和沖洗孔底的保證。但若超過該量，或過多增大沖洗液量，效果并不顯著。5鉆頭磨損與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系鉆頭的磨損通常以相對(duì)磨損來衡量常采用單位進(jìn)尺鉆頭的重量磨損，也采用單位破碎功的體積磨損等指標(biāo)。胎體磨損與鉆進(jìn)規(guī)程間的關(guān)系，經(jīng)試驗(yàn)研

48、究，其結(jié)果示于表11和圖9-40中。表11 胎體磨耗與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系鉆頭的圓周速度m/s軸向力N破碎功103Nm胎體的磨損10-4cm3胎體磨耗cm3/Nm1.81600065007000750061062086059016.416.424.616.40.00270.00270.00230.0028800085009000950087098055062098.0131.082.0105.00.01130.01340.01500.01712.30400050006000650067501060105077099049032.832.824.632.816.40.00310.00310.00320

49、.00330.003470007500800085001210730660870147.0106.0115.0175.00.01220.01460.01740.02012.853000400045004750510102050050016.432.816.416.40.00320.00320.00330.0033500055006000650070008306905409001180123.0116.0100.0183.0131.00.01460.01670.01850.02030.0234表9-35中以黑線表明正常規(guī)程和臨界規(guī)程的分界。十分明顯，臨界規(guī)程引起鉆頭磨損的急劇增大。在圖8中a線表

50、示正常規(guī)程；b線表示臨界規(guī)程。無論是在實(shí)驗(yàn)室條件下還是在生產(chǎn)條件下，當(dāng)由正常規(guī)程轉(zhuǎn)向臨界規(guī)程時(shí)，鉆頭磨損都具有突變性質(zhì)并急劇增大。由圖9-40可看出，鉆頭的磨耗在生產(chǎn)條件下要比實(shí)驗(yàn)室條件下高出3倍。這可能是由于生產(chǎn)條件下鉆頭上作用著大的動(dòng)載和沖擊的緣故，或由于進(jìn)入臨界規(guī)程，鉆頭上出現(xiàn)高溫，降低了金剛石的強(qiáng)度和胎體的硬度所引起的。由前可知，對(duì)某一種巖石，其臨界規(guī)程的Pn值基本是一常數(shù)，此值可通過實(shí)驗(yàn)確定。在實(shí)際鉆進(jìn)中，應(yīng)根據(jù)巖層特性和設(shè)備能力對(duì)鉆進(jìn)過程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。Pn值必須小于臨界值，以免鉆頭過分磨損或發(fā)生燒鉆；但Pn值也不能過小。規(guī)程過小，不僅直接影響鉆進(jìn)效率，而且會(huì)使鉆進(jìn)失穩(wěn)。此外，由于

51、胎體溫度、鉆進(jìn)功率消耗以及鉆頭磨耗都與規(guī)程參數(shù)有關(guān)，并且它們同正常規(guī)程和臨界規(guī)程的分界線也相一致。所以，在實(shí)際工作中，常以鉆進(jìn)功率的變化來判斷孔底胎體溫度和鉆頭磨損的變化和狀況。因此，可以說鉆頭胎體溫度和鉆進(jìn)功率消耗是表征鉆進(jìn)過程的兩個(gè)參數(shù)，也是衡量鉆進(jìn)規(guī)程正常與否的重要依據(jù)。圖8 鉆頭磨耗與軸向壓力及圓周速度乘積的關(guān)系I一實(shí)驗(yàn)室條件下；一生產(chǎn)條件下三、金剛石鉆頭的磨損和鉆具的振動(dòng)(一)金剛石鉆頭的磨損與預(yù)防鉆進(jìn)過程中鉆頭克取巖石，鉆孔不斷加深。同時(shí)巖石也磨損鉆頭，導(dǎo)致鉆頭磨損。金剛石鉆頭的磨損分為正常磨損和非正常磨損。1. 金剛石鉆頭的正常磨損(1)孕鑲鉆頭的正常磨損。孕鑲鉆頭的工作原理是：

52、胎體金屬組分與金剛石之間存在磨耗差，使金剛石不斷出露，產(chǎn)生自銳，克取巖石。孕鑲鉆頭的正常磨損形態(tài)是，金剛石出露量約占粒徑的1/31/4左右。在鉆頭旋轉(zhuǎn)尾部形成后支撐，如蝌蚪狀，產(chǎn)生有效工作區(qū)。這表明胎體耐磨性與巖石研磨性相適應(yīng)。在中等研磨性的巖層中鉆進(jìn)，表現(xiàn)尤為明顯。(2)表鑲鉆頭的正常磨損。表鑲鉆頭的正常磨損比孕鑲鉆頭的正常磨損容易觀察。凡是下列情況都屬正常磨損：金剛石、聚晶、復(fù)合片無斷裂、崩落現(xiàn)象；胎體沖蝕正常；切削具隨進(jìn)尺的增加，磨損量逐漸增大。2金剛石鉆頭的非正常磨損金剛石鉆頭的非正常磨損形態(tài)有下列幾種情況：底唇面被拋光。原因是：巖石堅(jiān)硬、致密、研磨性低；選用的鉆頭胎體太硬，金剛石品級(jí)

53、較低；金剛石濃度太高；鉆壓不足、轉(zhuǎn)速偏高。胎體端面輕微燒鉆。原因是：由于金剛石品級(jí)太低，很快磨平；鉆壓過大、沖洗液量不足，胎體表面與巖石強(qiáng)烈摩擦，產(chǎn)生較高溫度，導(dǎo)致輕微燒鉆。胎體端面形成溝槽。原因是：由于孕鑲鉆頭出刃小，壓入巖石后，沖洗液難于通過；鉆壓過大，冷卻又不良，排粉困難，重復(fù)研磨胎體，端面溫度升高，出現(xiàn)微燒，惡性循環(huán)的結(jié)果，出現(xiàn)拉槽；如系天然表鑲金剛石鉆頭，則因金剛石覆蓋不完全，或金剛石脫落所致；孔底有金屬或硬巖碎塊。鉆頭磨出內(nèi)、外臺(tái)階或錐形。原因是：在硬巖層中擴(kuò)孔鉆進(jìn)，造成外緣磨損；在硬、碎巖層中鉆進(jìn)，鉆頭內(nèi)外緣金剛石掉?；蚣魯啵话l(fā)生巖心堵塞和重復(fù)破碎；用鉆頭掃探頭石、脫落巖心或殘留巖心，或松