特異形鉆頭在地質鉆探中的應用

摘要：近年來，我國經濟和社會迅速發(fā)展，地質礦產勘查、建筑、水文勘查、橋梁道路工程施工等各行業(yè)也都有了令人矚目的發(fā)展。鉆探行業(yè)作為上述行業(yè)的前期基礎性服務行業(yè)，其發(fā)展速度更是一日千里。文章主要介紹了幾種特殊熱壓金剛石鉆頭的特點，并對其鉆進原理、應用范疇、應用中的優(yōu)勢及不足進行了分析。

關鍵詞：特異形鉆頭；地質鉆探；鉆探施工；地勘工程

中圖分類號：P634 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）29-0044-02

從19世紀50年代第一個真正義意上的金剛石鉆頭被設計出來并投入使用，到如今，金剛石鉆頭已經經過了近兩百年的衍化與改進。鉆頭設計的目的性與特異性也悄然發(fā)生著改變。

1 具體鉆頭的種類及介紹

1.1 斜齒同心圓式鉆頭

在地質鉆探中，斜齒形鉆頭比平底型、圓弧型及普通尖齒型唇面的金剛石鉆頭擁有較高的機械鉆速。因為斜齒式鉆頭的唇面擁有一條自上而下的傾斜度唇面（其傾斜度約為15°～20°），所以在鉆進過程中會大大減小鉆頭與巖石的接觸面積，約為普通平面鉆頭的30%～40%。因其鉆進接觸面小，因而有較高的鉆進速度，另其特殊的斜面為其提供了較大過水斷面，為鉆進中的冷卻和攜帶巖粉提供了良好的幫助，能夠很好地保護鉆頭，減免其因為溫度過高而引起燒鉆等問題。

斜齒鉆頭的缺點是：因為其鉆進接觸面較小，它沒有辦法像平唇面鉆頭那樣保持很好的穩(wěn)定性，在破碎巖石中鉆進會引起鉆進過程中鉆頭的跳動，這就對操作人員的操作水平提出了更高要求。穩(wěn)定性因素自然也會引起鉆頭保徑效果的降低，從而無法對孔徑做出精確的控制。另外，由于其唇面是自上而下的傾斜面，位于低處的唇面有時會無法發(fā)揮全部的鉆進效能，從而影響鉆頭的使用壽命，同時也在一定程度上增加了鉆進成本。

1.2 高胎體金剛石鉆頭

高胎體金剛石鉆頭是有效鉆進工作層達15～20mm的特殊金剛石鉆頭。

現(xiàn)在市場上的鉆頭其有效鉆進工作層普遍為5～10mm之間。隨著1000m左右的深孔鉆探越發(fā)普及，鉆進效率及成本越來越被人們所關注。但鉆頭的使用壽命及有效鉆進時間嚴重制約了鉆進的效率。這是因為鉆孔越深，提取巖芯、取下鉆等輔助工序會占用近70%的鉆探時間。繩索取芯工藝雖然能縮短一些時間，但仍無法滿足當下對效率的追求。這就需要一種長壽命鉆頭與繩索取芯鉆具相配合來提高鉆探的經濟效益。而高胎體金剛石鉆頭就是在這樣的情況下被研制出來的。在湖南某一工地中，高工作層單個鉆頭鉆進總尺寸達450多米。

高胎體金剛石鉆頭外形如圖1所示：

圖1 高胎體金剛石鉆頭

由于此種鉆頭有效工作層達17～20mm，是傳統(tǒng)金剛石鉆頭的兩倍。理論上其使用壽命可達普通金剛石鉆頭的兩倍，大大節(jié)約了鉆進過程中的輔助時間，實現(xiàn)了可觀的經濟效益。另外，由于高胎體金剛石鉆頭胎體較長，在鉆進過程中鉆頭與鉆進孔壁的接觸面積較普通鉆頭要大，大大減輕鉆頭在鉆進過程中的渦動、左右搖晃等復雜振動，可以很好地保護鉆頭，提高鉆頭保徑效果，并使孔壁尺寸更精準，為鉆孔的維護有很大的幫助。最重要的一點，就是實用的高胎體鉆頭解決了鉆探行業(yè)耐磨鉆頭效率低、高效率鉆頭壽命短的難題，較好地實現(xiàn)了鉆頭壽命與效率的統(tǒng)一。

1.3 齒輪鉆頭

齒輪式鉆頭比一般普通鉆頭的唇面多出了一半的排渣排水槽，因此與鉆進面的接觸面積比普通鉆頭小很多，在相同軸心壓力的作用下，孕鑲其中的金剛石顆粒所受的壓力大，可以增加吃入巖石的深度，于是它會有更高的鉆進速度；而且由于它的水槽比普通鉆頭要多，所以在鉆進過程中鉆頭的冷卻條件比一般鉆頭要好得多，并有利于巖屑及渣子排出。這樣就不容易引起燒鉆，減少孔內事故。

其缺點是，由于水口多，接觸面積小。雖然可以提高鉆進速度，但磨損速度要較之普通鉆頭快。同時由于齒和齒之間的空隙較大，所以在鉆進較軟的地層時，泥屑及巖粉會很快地塞實其間，會對鉆進過程有一定的影響。但是在硬質地層、進齒緩慢的地層中，齒輪式鉆頭會發(fā)揮很有效的作用。

1.4 多階梯式防斜鉆頭

多階梯式防斜鉆頭如圖2所示：

圖2 多階梯式防斜鉆頭

從圖2中我們可以看到，這種鉆頭的唇面是由上而下由一層一層的階梯組成，像一個寶塔形狀。鉆進時，頂部最高唇面最先入巖，迅速嵌入地層，很快創(chuàng)出自由面，有效減少了鉆頭橫向振動。頂部入齒后，下一級的臺階進入第一級階梯所鉆出的自由面，類似于擴孔功能，使巖層的阻力向斜下傳導，有效地減少鉆進過程中所受的阻力，而且由于是層步鉆進，頂部的層齒具有很好的導向作用，其后的層齒又具有很好的糾正作用。綜合起來，這種形式的設計就具有了很好的防斜功能，在鉆進中具有很好的穩(wěn)定性，它所鉆出的鉆孔垂直度高，巖芯的采取率很高。它所具有的層齒結構，使得它在鉆進中始終保持著與鉆進面很小的接觸面積，因而它的鉆進速度很快。長直而整齊內部結構也使得它對巖芯起到很好的保護作用，進一步提高巖芯的采取完整度。

防斜式鉆頭適用性很廣泛：其適用于完整的中硬、中硬-硬質巖層。它既能在高轉速下有高進尺，而且在較低轉速上仍能有較好的鉆進效果。由于其獨特的導向性作用，它也被很廣泛地應用在斜孔鉆進工程中。在江西一個易斜、軟硬互層工地，鉆孔為85°的斜孔，使用硬度為15/20的多階梯防斜鉆頭，很好地解決了鉆孔易斜、孔位偏移等問題，并且鉆進時效及鉆頭壽命都有不錯的表現(xiàn)。但是此類型的鉆頭卻不能應用于破碎地層，因為在破碎地層鉆頭在鉆進過程中容易受力不均，加之此種鉆頭頂面唇面與地層接觸面很小，所以會在鉆進過程中出現(xiàn)斷齒、胎體掉塊等情況。

1.5 底噴式鉆頭

所謂底噴式金剛石鉆頭就是指在鉆頭胎體端面水口處有通水孔，而鉆頭內部沒有內水槽，胎體端面的底水口也不與內側相連通。底噴式鉆頭如圖3所示：

圖3 底噴式鉆頭

我們可以看到，底噴式鉆頭內部通水是由不與內壁相連通的通水孔中排出，出水眼噴出的沖洗液主要經由外水槽排出，大大減少了沖洗液對巖芯的沖蝕。底噴式金剛石鉆頭主要用于解決諸如粉狀巖礦層、遇水粉化或膨脹地層、軟硬互交地層、煤層及容易受沖洗液干擾的硬脆碎地層難以采取巖芯的問題。由于它內管通水是經由水口上的通水孔排出，不僅冷卻效果很好，還可以防止巖屑、泥渣等阻塞水口。因此它在松軟地層、破碎或煤系地層，是一種必不可少的鉆頭類型。

2 結語

從文中我們可以看到，隨著現(xiàn)代地勘工程不斷發(fā)展，鉆探施工中遇到的各種各樣的問題也會逐步增加，越來越需要有特異性、專用適應性的鉆頭類型來解決實際問題。但到今天還是有許多復雜多變的地層尚未找到其適用的鉆頭來配合其鉆進。這就需要我們投注更多的目光與努力，設計研究出更多更新的鉆頭品種來處理這些問題。同時希望本文能對鉆探行業(yè)尤其是從事鉆頭生產的廠家和使用者起到一點啟發(fā)，在鉆頭研發(fā)的道路上能走得更遠、想得更深，為我國的鉆探行業(yè)投注新的活力，創(chuàng)造新的輝煌。

參考文獻

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作者簡介：高玉彬（1985-），男，湖南狀元金剛石制品公司助理工程師，研究方向：熱壓孕鑲金剛石生產及研發(fā)。