關(guān)于金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)合理配合的分析研究

湯鳳林，Чихоткин В．Ф．，高申友，蔣國盛，彭 莉，張曉西，盧春華

(1．中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074;2．無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇無錫214174)

0 引言

機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺和每米鉆探成本通常稱之為鉆探工程的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這些技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均與選用的鉆頭、所用鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和操作技術(shù)緊密相關(guān)［1－4］。選用的鉆頭應(yīng)與所鉆地層的硬度、研磨性(可鉆性)相適應(yīng)。操作技術(shù)主要取決于司鉆人員的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和水平。而鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的選取和確定及其合理配合則是非常重要的一個(gè)因素，不可忽視。

金剛石鉆進(jìn)是我國目前一種主要鉆進(jìn)方法，在地質(zhì)勘探，特別是在固體鉆探中得到了廣泛的應(yīng)用。在金剛石鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆頭－巖石付相互作用時(shí)，在鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(鉆壓FH、鉆頭回轉(zhuǎn)速度n、給定性能的沖洗液量Q)的作用下，孕鑲在鉆頭上的金剛石破碎巖石，形成孔底，巖屑適量沉積在孔底，磨損鉆頭胎體，使金剛石露出，繼續(xù)破碎巖石，鉆進(jìn)過程如此循環(huán)。

金剛石鉆進(jìn)時(shí)，“鉆頭－巖石副”相互作用與所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)f、所用鉆頭類型B、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(FH、n、Q)和正常鉆進(jìn)條件的關(guān)系見圖 1［5］。

圖1“金剛石鉆頭－巖石副”相互作用示意圖

從圖1可見，如果鉆進(jìn)的地層已知，所用的鉆頭已經(jīng)選定，擬用的沖洗液性能已經(jīng)確定，則鉆進(jìn)過程的狀態(tài)主要取決于鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，即鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和沖洗液量。

但是，這3個(gè)規(guī)程參數(shù)如何配合才算合理，才能提高機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，才能保證得到高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和鉆探安全生產(chǎn)，才能把我們打鉆的水平從經(jīng)驗(yàn)打鉆提高到科學(xué)打鉆上來，是值得討論的一個(gè)重要問題。

1 臨界鉆進(jìn)規(guī)程的形成

烏克蘭超硬材料研究所布加切夫．A．A．博士等人多年對(duì)金剛石鉆進(jìn)工藝參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和生產(chǎn)研究，取得了重要成果［6］。

實(shí)驗(yàn)研究是在烏克蘭超硬材料研究所鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是用2A55搖臂鉆床改裝的，配有液壓給進(jìn)系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)。所用巖樣為烏克蘭結(jié)晶地盾科羅斯德舍夫可鉆性10級(jí)花崗巖，其硬度普氏系數(shù)f=14，壓模硬度為PШ=2.37 kN/mm2，石英含量達(dá)23%。所用鉆頭為直徑46 mm的БСС孕鑲金剛石鉆頭。使用H－383自動(dòng)記錄功率表記錄鉆進(jìn)時(shí)消耗的功率。使用熱電偶測量、用ЭПП－09電子自動(dòng)電位器記錄鉆頭胎體溫度。鉆頭磨損是按破碎單位體積巖石的鉆頭磨損量計(jì)算的。

實(shí)驗(yàn)研究時(shí)記錄了鉆頭不同轉(zhuǎn)速時(shí)胎體溫度與鉆壓的關(guān)系(見圖2)，不同鉆壓時(shí)胎體溫度與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系(見圖3)。

圖2和圖3表明，胎體溫度隨著鉆頭回轉(zhuǎn)速度和鉆壓的增加而逐步提高。但是，當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速為600、750、950、1180 和 1500 r/min 和鉆壓分別對(duì)應(yīng)為10、8、7、5和4 kN時(shí)，胎體溫度出現(xiàn)急劇變化，由100～200℃變?yōu)?00～700℃，正常鉆進(jìn)過程變?yōu)榕R界鉆進(jìn)過程。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生這種臨界規(guī)程與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)P和n的乘積值有直接關(guān)系，而且這個(gè)乘積值是一個(gè)定值。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用的花崗巖來說，這個(gè)臨界規(guī)程乘積值為(61．1±3．8)×102(kN·r)/min。其它情況下的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)P和n的乘積臨界值，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究確定，也可以在鉆探現(xiàn)場根據(jù)現(xiàn)場觀察及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定(見表1)。臨界規(guī)程時(shí)的特點(diǎn)與正常規(guī)程時(shí)的特點(diǎn)有很大不同，見表2［6］。

表1 鉆進(jìn)規(guī)程鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速乘積值Pn(kN·r)/min

表2 正常規(guī)程和臨界規(guī)程的特點(diǎn)

2 超越臨界鉆進(jìn)規(guī)程的危害

臨界鉆進(jìn)規(guī)程是一條紅線，不可逾越。到達(dá)或超過了這條紅線，就會(huì)發(fā)生事故，胎體溫度急劇升高，功率消耗大幅上升，鉆頭磨損成倍增加，甚至可能發(fā)生鉆頭燒毀事故。臨界鉆進(jìn)規(guī)程的發(fā)現(xiàn)、提出和認(rèn)定，對(duì)于鉆探工程工作來說具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。

2．1 胎體溫度急劇升高和消耗功率急劇增加

圖4上的鉆頭胎體溫度、鉆進(jìn)消耗功率與規(guī)程參數(shù)Pn乘積值的關(guān)系曲線表明，當(dāng)這個(gè)乘積值達(dá)到(61．1±3．8)×102(kN·r)/min時(shí)，由正常鉆進(jìn)規(guī)程變成了臨界鉆進(jìn)規(guī)程，胎體溫度由平緩100～200℃急劇增加到600～700℃，耗用功率由2～3 kW 增加到 6 kW［6］。

圖4 鉆進(jìn)時(shí)鉆頭胎體溫度和功率消耗量與鉆壓轉(zhuǎn)速乘積的關(guān)系曲線圖

2．2鉆頭可能燒毀

當(dāng)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)Pn乘積值小于臨界規(guī)程乘積值，即正常鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)?shù)臎_洗液量可以保證留在孔底的巖粉有效研磨胎體，使金剛石露出，繼續(xù)正常鉆進(jìn)。但是，當(dāng)鉆進(jìn)過程由正常規(guī)程變成臨界規(guī)程時(shí)，正常的沖洗液量已經(jīng)不能滿足排除巖粉的要求，即使增大沖洗液量也不能改變臨界規(guī)程的性質(zhì)，很容易產(chǎn)生鉆頭燒毀現(xiàn)象甚至鉆頭粘在孔底的情況。實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

2．3 鉆頭產(chǎn)生非正常磨損

鉆頭磨損是用鉆頭磨損量與破碎單位體積巖石消耗的功之比測定的。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭總是要磨損的。從圖5可見，無論在實(shí)驗(yàn)室條件下，還是在生產(chǎn)條件下，在正常鉆進(jìn)規(guī)程范圍內(nèi)，鉆頭磨損是平穩(wěn)的，但是在臨界規(guī)程范圍內(nèi)鉆頭磨損強(qiáng)度增加2～3倍，在生產(chǎn)條件下增加更多(4倍)，這可能是由于生產(chǎn)條件下，金剛石鉆頭經(jīng)受的震動(dòng)和沖擊載荷所致。

圖5 金剛石鉆頭磨損強(qiáng)度與鉆壓轉(zhuǎn)速乘積的關(guān)系曲線圖

3 臨界鉆進(jìn)規(guī)程的破解和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的合理配合

從普通物理學(xué)得知，力和速度的乘積是功率。臨界鉆進(jìn)規(guī)程，即鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆壓的乘積，實(shí)際上也是力和速度的乘積，也是鉆進(jìn)時(shí)消耗的功率。正常鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，胎體溫度和功率消耗比較平穩(wěn)，屬于量變階段。臨界鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)，鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆壓乘積到達(dá)臨界值，發(fā)生質(zhì)變，功率消耗急劇上升，隨之胎體溫度多倍提高，到了事故的邊緣(見圖6)［8］。

現(xiàn)在鉆機(jī)上一般都配有功率表。現(xiàn)場鉆機(jī)上應(yīng)該隨時(shí)注意功率表讀數(shù)的變化，預(yù)防臨界規(guī)程的出現(xiàn)和發(fā)生。發(fā)現(xiàn)臨界鉆進(jìn)規(guī)程出現(xiàn)征兆時(shí)，立即采取措施，即降低鉆壓或鉆頭轉(zhuǎn)速，把臨界規(guī)程降下來，或把鉆具提起來，盡快使其回到正常規(guī)程的條件下來。

圖6 不同鉆進(jìn)規(guī)程條件下胎體溫度和功率消耗值變化情況

實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，利用功率表顯示的功、率變化情況，可以判斷鉆頭工作是否正常，金剛石表面是否拋光，胎體磨損是否嚴(yán)重，鉆頭是否急劇升溫并可能燒毀，鉆頭是否在孔底打滑，鉆具是否在孔內(nèi)、卡住，鉆進(jìn)裂隙巖石時(shí)巖心是否自卡，等等。所以，、司鉆人員一定要注意并跟蹤功率表讀數(shù)的變化。

從數(shù)學(xué)上看，Pn=常數(shù)(臨界值范圍)是一個(gè)等軸雙曲線，因?yàn)殂@壓和鉆頭轉(zhuǎn)速都是正的，不可能是負(fù)的，所以我們?nèi)∑錇榈谝幌笙?見圖7)［9］。

圖7 鉆壓P和鉆頭轉(zhuǎn)速n的合理配合

從圖7可見，使用的規(guī)程乘積不應(yīng)大于臨界值范圍，否則就會(huì)由正常鉆進(jìn)規(guī)程變?yōu)榕R界鉆進(jìn)規(guī)程，發(fā)生燒鉆、非正常磨損或其它事故。但是另一方面，Pn值不能太小，因?yàn)闄C(jī)械鉆速也隨鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速及其乘積的增加而提高(見表3)［8］，所以應(yīng)該采用強(qiáng)力規(guī)程。此外，如果Pn值太小，則功率也小，沒有得到充分利用，也是個(gè)浪費(fèi)。

表3 機(jī)械鉆速與鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆壓的關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)研究或現(xiàn)場實(shí)踐確定(Pn)臨界值乘積范圍后(見圖7)，我們可從圖7上選用一條略低于臨界值范圍的強(qiáng)力規(guī)程曲線F=Pn，該曲線上有很多點(diǎn)，如 P1n1、P2n2、P3n3等，其中 P1＞ P2＞ P3，n1＜n2＜n3。為了便于討論，我們隨意從中選擇P1n1和P2n2兩個(gè)點(diǎn)。P1n1點(diǎn)是大鉆壓和小轉(zhuǎn)速的配合，P2n2點(diǎn)是小鉆壓和大轉(zhuǎn)速的配合。選哪一種配合，要根據(jù)所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)決定。例如，對(duì)于可鉆性9～10級(jí)、研磨性不強(qiáng)的巖石來說，可以采取輕壓快轉(zhuǎn)的辦法，對(duì)于研磨性強(qiáng)(如石英含量大)的巖石來說，重壓慢轉(zhuǎn)更為合理。當(dāng)然，還有其他組合。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果已經(jīng)證明，當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到臨界規(guī)程狀態(tài)時(shí)，增加沖洗液量不能改變其臨界規(guī)程的性質(zhì)，胎體溫度和功率消耗不會(huì)降低，鉆頭非正常磨損情況不會(huì)改變，發(fā)生事故的可能性不可避免。只有把鉆進(jìn)拉回到正常規(guī)程時(shí)，調(diào)整沖洗液量才會(huì)發(fā)揮作用。

在金剛石鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓和鉆頭回轉(zhuǎn)速度可以決定鉆進(jìn)速度和孔底巖屑的多少，但不能改變留在孔底巖屑的數(shù)量，而改變孔底巖屑數(shù)量在很大程度上取決于沖洗液的數(shù)量。沖洗液量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔底沒有巖屑，全被沖走，不能磨損胎體，金剛石不能露出，結(jié)果是鉆頭拋光。沖洗液量過小時(shí)，不能排走孔底巖屑，滯留孔底巖屑過多，致使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損，如拉槽、金剛石脫落等。只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不致于孔底巖屑過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損?？梢姡谶@種情況下，沖洗液量大小是金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)

正常鉆進(jìn)條件下的巖屑規(guī)程，可用下式表示［5］:

式中:Q——沖洗液用量，m3/s;S∑——鉆頭沖洗系統(tǒng)過水通道總面積，m2;16×102～31×102——金剛石鉆頭最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程時(shí)進(jìn)行正常鉆進(jìn)的邊界條件范圍;16 ×102——邊界條件下限;31 ×102——邊界條件上限;VM——機(jī)械鉆速，m/s。

這個(gè)公式表明，機(jī)械鉆速與單位水口的面積的流速有非常直接的關(guān)系，所以為了保證正常鉆進(jìn)，必須把產(chǎn)生的巖屑適量地排出去。公式的邊界條件說明，在金剛石鉆進(jìn)條件下，在機(jī)械鉆速選定之后或保持機(jī)械鉆速不變的情況下，單位面積通道沖洗液流量與機(jī)械鉆速值之比低于下限16×102時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致井底巖屑過多而對(duì)鉆頭胎體產(chǎn)生嚴(yán)重磨損;單位面積通道沖洗液流量與機(jī)械鉆速之比高于上限31×102時(shí)就會(huì)導(dǎo)致井底巖屑迅速排走，與鉆頭胎體接觸的巖屑過少，金剛石不能及時(shí)出露，從而使金剛石拋光。一般情況下，處于下限16×102m/s和上限31×102m/s之間時(shí)，就可以使鉆進(jìn)處于正常鉆探過程之中，機(jī)械鉆速穩(wěn)定，因而可以增加回次時(shí)間，改善鉆頭工作條件，提高鉆探效率，提高鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。俄羅斯多年的鉆探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，這個(gè)結(jié)論是正確的，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。當(dāng)然，在我國鉆探實(shí)踐中，還要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)上限和下限進(jìn)行合理選取與論證。

4結(jié)語和建議

(1)臨界鉆進(jìn)規(guī)程，即鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速的乘積的臨界值，是一條紅線，不可逾越。越過這條紅線，就會(huì)發(fā)生事故。這個(gè)概念的發(fā)現(xiàn)和提出，具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。但是，正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均與鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速及其乘積的提高成正比，所以應(yīng)該采用強(qiáng)力規(guī)程。因此，不是后二者越小越好，只是不能超越臨界規(guī)程罷了。實(shí)驗(yàn)研究證明，臨界規(guī)程時(shí)，增加沖洗液量不能改變該規(guī)程的性質(zhì)，只有在正常規(guī)程時(shí)，調(diào)節(jié)沖洗液量才能保證巖粉處于正常狀態(tài)，使鉆進(jìn)過程正常進(jìn)行。

(2)鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速乘積臨界值是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)研究確定，也可以在鉆探現(xiàn)場根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或功率表讀數(shù)明顯變大到臨界值來確定。這個(gè)乘積臨界值在數(shù)學(xué)上是一條等軸雙曲線(見圖7)，在我們選用的F=Pn曲線上可以有多種鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速的組合，如P1n1、P2n2等，可以根據(jù)所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)確定。例如，利用XY－4型鉆機(jī)，當(dāng)動(dòng)力機(jī)為1500 r/min時(shí)，正轉(zhuǎn)低速為101、187、267、388 r/min 4種鉆頭轉(zhuǎn)速，根據(jù)在橫坐標(biāo)軸上的這4種轉(zhuǎn)速，我們就可以在縱坐標(biāo)上找出4種相應(yīng)的鉆壓來，供鉆進(jìn)不同地層時(shí)合理配合選用。

(3)正常規(guī)程鉆進(jìn)時(shí)，只有沖洗液量合適時(shí)，才能保持孔底有適量的巖屑，既能保證巖屑有效磨損胎體，使金剛石露出，保持正常鉆進(jìn)，又不致于孔底巖屑過多而使鉆頭產(chǎn)生非正常磨損。可見，在這種情況下，沖洗液量大小是金剛石正常鉆進(jìn)中非常關(guān)鍵的規(guī)程參數(shù)。

(4)為了進(jìn)行正常鉆進(jìn)，不踩紅線，我們應(yīng)該把經(jīng)驗(yàn)打鉆和科學(xué)打鉆結(jié)合起來。多數(shù)鉆機(jī)上都配備有功率表，建議充分發(fā)揮功率表的作用，注意觀察其正常鉆進(jìn)時(shí)的讀數(shù)變化是否平穩(wěn)，更要觀察功率消耗突然猛增的情況，及時(shí)采取措施，防止臨界規(guī)程的出現(xiàn)，保證鉆進(jìn)正常進(jìn)行。此外，現(xiàn)在鉆機(jī)上多用泵壓表了解孔內(nèi)情況，但是應(yīng)該說泵壓表只能定性說明孔內(nèi)鉆進(jìn)情況，不能定量說明孔底沖洗液流量的情況，因此建議安裝沖洗液流量計(jì)。對(duì)于金剛石鉆進(jìn)，特別是孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)來說，流量計(jì)是不可缺少的。

［1］ 湯鳳林，А．Г．加里寧，段隆臣．巖心鉆探學(xué)［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009:217－219．

［2］ 湯鳳林，段隆臣，Чихоткин В．Ф．，等．合理設(shè)計(jì)巖屑規(guī)程，保證正常鉆進(jìn)條件［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(6):45－48．

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［4］ В．Ф．Чихоткин，段隆臣，湯鳳林，等．基于破碎單位體積巖石能耗量設(shè)計(jì)堅(jiān)硬研磨性巖石用鉆頭方法的研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S2):72 －76．

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［6］ 朱恒銀，王強(qiáng)，楊展，等．深部地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭研究與應(yīng)用［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2014:31－35．

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［9］ 湯鳳林，李糧綱．金剛石－巖石摩擦付和正常鉆進(jìn)的條件［J］．地質(zhì)與勘探，2000，(3):63 －66．