鉆進(jìn)極硬地層時(shí)金剛石鉆頭的另一種設(shè)計(jì)方法

韋焜程

摘 要：當(dāng)出現(xiàn)可鉆性XⅠ以及XⅡ等特別硬的地層時(shí)，金剛石鉆頭在設(shè)計(jì)上就要具備低濃度、細(xì)顆粒以軟胎體等特點(diǎn)，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的觀點(diǎn)。而筆者則在文中介紹了另外一種設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法在實(shí)踐中得到了很好的運(yùn)用，不僅在極硬地層鉆進(jìn)時(shí)的效率高，而且鉆頭的性能也非常的好。此外，使用的時(shí)間也比較的長(zhǎng)，因此在這類地層中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：極硬地層；金剛石鉆頭；設(shè)計(jì)原理

在南方，鈾礦鉆探時(shí)碰到硬地層的狀況比較多見，比如：可鉆性XⅠ以及XⅡ等特別硬的地層。這類地層在花崗巖地層中經(jīng)常會(huì)遇到。在對(duì)硬地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆頭比較容易打滑，因此很難進(jìn)尺。此外，鉆頭的使用壽命也會(huì)縮短，工作效率就會(huì)下降。因此，為了提高鉆頭的使用壽命和工作效率，國(guó)內(nèi)外的研究人員都對(duì)此進(jìn)行了研究，也取得了不錯(cuò)的成果，這對(duì)于鉆探技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有重大的意義。例如，常結(jié)合回轉(zhuǎn)法碎巖就是一種全新的鉆探技術(shù)，該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟。

1.地層情況和鉆進(jìn)中碰到的挑戰(zhàn)

我公司在江西某地區(qū)進(jìn)行鈾礦普查，在該項(xiàng)目普查的過程中，主要遇到的巖層可鉆性是：X級(jí)以及XⅠ級(jí)。當(dāng)孔深超過200米時(shí)，X級(jí)以及XⅠ級(jí)等極硬地層的厚度就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于設(shè)計(jì)值。如果使用傳統(tǒng)的機(jī)械，比如：S75繩鉆鉆頭，那么壽命就會(huì)很低。此外，工作時(shí)效也非常的慢。一般的成績(jī)不會(huì)超過20米。而在純石英層工作時(shí)，只會(huì)達(dá)到幾米的壽命。當(dāng)對(duì)該類地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，我公司往往使用的是軟胎體鉆頭。該鉆頭的規(guī)格是濃度是80%，基本上是10-15度。使用該鉆頭也會(huì)遇到一些問題和挑戰(zhàn)，比如打滑現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。有的在放進(jìn)磨料后，打不了幾米后，胎體就會(huì)被磨損，而溝槽的狀況就會(huì)出現(xiàn)，鉆頭報(bào)廢的概率就比較的大。在這種情況下，工作人員就會(huì)認(rèn)為是投進(jìn)磨料后，也就是說該類鉆頭已經(jīng)報(bào)廢，而施工的進(jìn)度和鉆孔的質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重的下降。

2.設(shè)計(jì)的基本理論

2.1.傳統(tǒng)理論

在進(jìn)行金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)時(shí)，我們要參考的依據(jù)是：鉆頭一定要和所鉆巖層的性質(zhì)保持一致，要相互的適應(yīng)。傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，當(dāng)遇到極硬以及弱研磨性的地層時(shí)，我們使用的金剛石的品級(jí)要高一些，要是特細(xì)粒金剛石，低濃度鉆頭。此外還要是軟胎體。該方法在配置鉆頭時(shí)比較的常見，但是也有一些不足的地方：（1）如果在施工中采用軟胎體鉆頭，那么鉆頭的使用壽命會(huì)比較的低，特別是當(dāng)遇到一些復(fù)雜的地形以及堅(jiān)硬的巖層時(shí)，軟胎體的使用壽命更是無法保證。（2）對(duì)于細(xì)粒金剛石來說，切入量也非常的低，這和其受顆粒影響有很大的關(guān)系。碎巖對(duì)磨削作用依賴的比較多，因此重復(fù)破碎就比較的多，這些都會(huì)降低鉆速。那么，我們是否可以找到一種更好的辦法呢？筆者在下文中進(jìn)行分析和探討。

2.2.新的設(shè)計(jì)方法

關(guān)于極硬地層破碎，我們可以這樣假設(shè)其基本的前提。如果具備以下3個(gè)條件，那么就可以讓金剛石顆粒具有更多的壓力來吃入巖層，而這種狀態(tài)也可以得到長(zhǎng)時(shí)間的保持。（1）一定要具有足夠的鉆壓。一般情況下要選擇極限鉆壓。（2）對(duì)于金剛石本身來說，硬度一定要得到保證，即品級(jí)一定要達(dá)到要求。（3）金剛石的包裹一定要牢固，為了讓碎巖的作用得到充分的發(fā)揮，出刃一定要合理。我們可以在條件（3）中看到胎體的重要性。在選擇胎體時(shí)，筆者進(jìn)行了下面的3個(gè)假設(shè)：（1）胎體性能要和巖層的可鉆性保持一致。（2）胎體硬度和胎體的耐磨性這兩個(gè)概念是不同的。同一硬度的胎體在耐磨性方面具有不同之處，這不僅和燒結(jié)工藝有關(guān)，也和胎體本身的配方有聯(lián)系。此外，孔底胎體磨損狀態(tài)、金剛石的含量都會(huì)對(duì)耐磨性具有一定的影響。（3）在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，對(duì)影響胎體耐磨性的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)和操作時(shí)，往往具有一定的難度。因此，在具體的實(shí)踐過程中，表示胎體的耐磨性我們一般會(huì)使用胎體硬度。

傳統(tǒng)的做法我們一定要摒棄，這樣做是為了讓進(jìn)尺速度得到保證。因此，我們可以選擇一些顆粒比較大的高等級(jí)的金剛石。當(dāng)處于極限鉆壓的情況下時(shí)，切入的深度一定要得到保證，這樣大顆粒金剛石的切削作用才能得到很好的發(fā)揮。通過以上的分析，不難看出胎體的硬度要足夠，包裹能力也是一樣。此外，金剛石的適時(shí)出刃也要充分的考慮到。需要注意的一點(diǎn)是：有的人認(rèn)為大顆粒的金剛石在出刃量方面就比較大，因此當(dāng)處于極限鉆壓的工作環(huán)境中時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)胎體對(duì)金剛石的牢固包裹是非常困難的。而如果出刃量加大，則金剛石被損壞的可能性就非常的大。研究表明，該看法具有一定的片面性，該狀況發(fā)生的概率也是極低的。

2.3.新鉆頭設(shè)計(jì)

金剛石和胎體的選擇。金剛石的濃度為75%，胎體的硬度是35度，金剛石的品級(jí)是SMD25。

水口的設(shè)計(jì)。鉆壓一定要很高。在進(jìn)行水路的設(shè)計(jì)時(shí)，水口過路的面積要增大，但是不能過大。筆者設(shè)計(jì)了水口10個(gè)，內(nèi)寬和外寬分別是：5毫米和6毫米。這二者比原來的鉆頭都要大1毫米左右。在此情況下，對(duì)胎體環(huán)狀面積進(jìn)行計(jì)算，則為1816.40mm2。其余的結(jié)構(gòu)和原來的S75繩鉆鉆頭保持一致，使用的是熱壓燒結(jié)法。

3.使用的效果

和晚班相比，白班使用極限鉆壓的情況比較多，轉(zhuǎn)速和鉆速也比較的高?？梢钥闯鰧?duì)極硬的地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，如果孔內(nèi)情況、鉆具以及設(shè)備都允許時(shí)，較高的轉(zhuǎn)速以及大的鉆壓對(duì)于施工的推進(jìn)都具有益處。但是，轉(zhuǎn)速不能超過一定的范圍，不能太高，特別是遇到一些粗粒金剛石時(shí)。

4.胎體唇面的磨損狀況

和傳統(tǒng)的鉆頭比較，試驗(yàn)的鉆頭具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）出刃合理，胎體的包裹牢固。此外顆粒磨損也比較正常。因此，該鉆頭可以較好的發(fā)揮金剛石的碎巖作用。（2）胎體唇面磨損均勻，溝槽的狀況沒有出現(xiàn)。

結(jié)束語：

鉆探工作在開展時(shí)會(huì)遇到各種各樣的困難，筆者從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)鉆進(jìn)極硬地層時(shí)金剛石鉆頭的另一種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索，希望這些分析和探討對(duì)大家有所幫助。

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