不同類型地質(zhì)環(huán)境下金剛石鉆頭的選擇與效果

周東富，劉佳賓，張 晶，張立亞

（1.吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所，吉林 長春 130000；2.吉林省紡織工業(yè)設(shè)計研究院，吉林 長春 130000；3.吉林大學(xué)，吉林 長春 130000；4.中國石油化工集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

鉆探是地質(zhì)勘察、礦產(chǎn)開發(fā)、工程施工等領(lǐng)域必不可少的作業(yè)之一，而不同類型的地質(zhì)環(huán)境需要選擇不同種類的金剛石鉆頭[1]。如何在不同地質(zhì)環(huán)境下，選擇最適合的金剛石鉆頭，對提高鉆進(jìn)效率和降低鉆進(jìn)成本起到了關(guān)鍵作用，為此結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗，深入探討不同類型地質(zhì)環(huán)境下金剛石鉆頭的選擇與效果評估。

1 金剛石鉆頭類型

1.1 按用途分類

礦用金剛石鉆頭，主要用于礦山開采和勘探領(lǐng)域。工程用金剛石鉆頭，主要用于公路、鐵路、水利、建筑等工程領(lǐng)域。地質(zhì)勘查鉆頭，主要用于地質(zhì)勘查和調(diào)查領(lǐng)域。石油鉆頭，主要用于石油鉆探領(lǐng)域。

1.2 按結(jié)構(gòu)分類

三翼鉆頭，外形呈三角形，每側(cè)有一條長邊和兩個短邊，主要用于深井鉆探。四翼鉆頭，外形呈正方形或矩形，主要用于灰?guī)r、砂巖等軟質(zhì)地層[2]。六翼鉆頭，主要用于硬質(zhì)地層，例如花崗石、玄武巖等。刀齒鉆頭，外形呈圓柱形，鉆頭表面有許多小齒，主要用于砂、礫等松散固體地層。

1.3 按金剛石顆粒尺寸分類

粗顆粒金剛石鉆頭，適用于硬質(zhì)地層。細(xì)顆粒金剛石鉆頭，適用于軟質(zhì)地層。

1.4 按結(jié)構(gòu)形式分類

焊接金剛石模塊，金剛石模塊通過焊接固定在鉆頭上，適用于軟質(zhì)地層。壓制金剛石鉆頭，將帶有金剛石顆粒粉料通過高溫高壓壓制固定形成鉆頭，適用于硬質(zhì)地層。

2 金剛石鉆頭破巖鉆進(jìn)工作機(jī)制

2.1 破碎機(jī)制

在破巖時，鉆頭上的金剛石顆粒通過撞擊和壓力作用下，將巖石表面的顆粒破碎掉。隨著鉆進(jìn)深度的不斷增加，巖石表面不斷被破碎，同時鉆頭不斷向前推進(jìn)[3]。由于巖石的抗拉強(qiáng)度較小，當(dāng)受到拉力時會發(fā)生裂紋的形成，這些裂紋會逐漸擴(kuò)展并將巖石表面分解成小顆粒，最終形成一個圓形的鉆孔。

2.2 磨削機(jī)制

當(dāng)鉆進(jìn)遇到較硬的巖石時，破碎機(jī)制的效率往往不太理想。這時會出現(xiàn)另一種機(jī)制，即磨削。鉆頭上的金剛石顆粒作為刀具，對巖石表面進(jìn)行磨削[4]。由于鉆頭轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生摩擦力，因此鉆頭磨削下來的巖石顆粒在鉆孔中會形成泥漿。

3 不同類型地質(zhì)環(huán)境下金剛石鉆頭的選擇

3.1 火山噴發(fā)類地質(zhì)環(huán)境

火山噴發(fā)類地質(zhì)環(huán)境下的巖石種類比較多樣，包括玄武巖、安山巖、流紋巖等，巖石硬度較大。選擇鉆頭通常需要考慮到巖石硬度、韌性等因素，常用的鉆頭有六翼鉆頭、焊接金剛石鉆頭等。

六翼鉆頭是一種常用于鉆探堅硬巖石的工具。它具有六個切削面，每個面上都有多個齒刃，可以提供更多的鉆探力和切削效率。焊接金剛石鉆頭的刀具表面鑲嵌有金剛石顆粒，金剛石是目前已知的最硬的天然物質(zhì)，具有很強(qiáng)的耐磨性和切削性能。

通過選擇六翼鉆頭或焊接金剛石鉆頭，可以在火山噴發(fā)環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提高鉆探效率，縮短工期。這些鉆頭具有更好的切削性能和耐磨性，能夠適應(yīng)巖石硬度較大的情況，減少鉆頭磨損和更換的頻率，降低工程成本和人力資源的消耗。

3.2 沉積型地質(zhì)環(huán)境

沉積環(huán)境下形成的巖石種類也比較多，常見的包括砂巖、泥巖、頁巖等，巖石硬度較小。這類場景下一般采用四翼鉆頭、刀齒鉆頭等金剛石鉆頭，可以將松散的巖石表層進(jìn)行磨削或者破碎。

四翼鉆頭是一種適用于鉆取松散地層、高強(qiáng)度土和軟巖等場合的工具。它的刀具表面具有4 個切削面，每個面上都有多個齒刃，能夠提供更多的切削力和效率，而且不容易在破碎、崩落的巖石中被鉗住[5]。刀齒鉆頭是一種裝有齒輪或刀齒的鉆頭刀具，主要用于鉆取松散的地質(zhì)層、軟巖和泥巖等環(huán)境。它的刀齒通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和斜向進(jìn)給的方式，對松散的巖石進(jìn)行破碎和磨削，使得采樣更加精確，可以在樣品保持完整的前提下提高鉆探速度。

通過選擇四翼鉆頭和刀齒鉆頭等金剛石鉆頭，可以在沉積環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提供更大的切削力和效率，并且不容易被鉗住。這些鉆頭能夠?qū)λ缮⒌膸r石表層進(jìn)行破碎和磨削，保證采樣精度的同時可以提高鉆探速度，縮短工程周期并減少工程成本。

3.3 構(gòu)造運(yùn)動類地質(zhì)環(huán)境

構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境下常見的巖石類型包括花崗巖、片麻巖等，巖石的硬度、韌性都比較大。常用的鉆頭有三翼鉆頭、焊接金剛石鉆頭等，可以通過鉆孔中央的龍骨部分對巖石進(jìn)行破碎。

此瀝青混合料的拌制與攤鋪和普通瀝青混合料大致相同，然而，因這一瀝青混合料的級配比普通瀝青混合料粗，并且攤鋪厚度相對較厚，所以在拌制、攤鋪與碾壓過程中，又存在一定差別，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：其一，在混合料拌制過程中，干拌時間相對較長，一般在普通瀝青混合料基礎(chǔ)上要延長2～5s；其二，鑒于攤鋪厚度相對較大，所以應(yīng)放慢攤鋪機(jī)行駛速度，通常為1.5～2.0m/min，最快不能超出2.5m/min[1]。

三翼鉆頭是一種適用于構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境下的工具，它的刀具表面具有3 個切削面，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和斜向進(jìn)給的方式對巖石進(jìn)行破碎。三翼鉆頭的設(shè)計使得它能夠在具有較大硬度和韌性的巖石中提供足夠的切削力，快速破碎巖石并完成鉆探作業(yè)。

焊接金剛石鉆頭的刀具表面鑲嵌有金剛石顆粒，金剛石是目前已知的最硬的天然物質(zhì)，具有很強(qiáng)的耐磨性和切削性能。在構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境中，焊接金剛石鉆頭可以通過鉆孔中央的龍骨部分對巖石進(jìn)行破碎，充分利用金剛石的硬度和耐磨性，提高鉆探速度和效率。

通過選擇三翼鉆頭和焊接金剛石鉆頭，可以在構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提供足夠的切削力和效率。這些鉆頭能夠破碎具有較大硬度和韌性的巖石，快速完成鉆探作業(yè)，并且具有較長的使用壽命和更高的工作效率。在構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境中選擇適合的鉆頭，可以提高鉆探的質(zhì)量和效率，減少工程成本和人力資源的消耗。

3.4 巖溶型地質(zhì)環(huán)境

巖溶環(huán)境下形成的巖石類型主要是石灰?guī)r、大理巖等，巖石硬度較小，不均勻性較大，容易形成空洞和裂隙。因此，在這種地質(zhì)環(huán)境下需要使用比較特殊的鉆頭，如螺旋鉆、牙形鉆等，能夠通過旋轉(zhuǎn)和抖動的方式進(jìn)行破碎。

螺旋鉆是一種適用于巖溶環(huán)境的鉆頭，它的設(shè)計使得鉆頭能夠通過旋轉(zhuǎn)和抖動的方式對巖石進(jìn)行破碎。螺旋鉆的刀齒呈螺旋狀排列，能夠有效地抓住巖石表面，提供較強(qiáng)的切削力和穩(wěn)定性，同時避免被巖石空洞或裂隙卡住。這種鉆頭適用于巖溶環(huán)境下的鉆探作業(yè)，可以快速破碎巖石并完成鉆探任務(wù)。

牙形鉆是另一種適用于巖溶環(huán)境的鉆頭，它的刀齒呈牙形排列，能夠更好地咬住巖石表面，提供穩(wěn)定的切削力和抗卡住的能力。牙形鉆在旋轉(zhuǎn)的同時可以進(jìn)行輕微的抖動，有助于進(jìn)一步破碎巖石和填充空洞。這種鉆頭適用于巖溶地質(zhì)中具有不均勻性和空洞的巖石，可以提高鉆探效率和成功率。

通過選擇螺旋鉆和牙形鉆等特殊設(shè)計的鉆頭，可以在巖溶環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)。這些鉆頭能夠通過旋轉(zhuǎn)和抖動的方式破碎巖石，克服巖石的不均勻性和空洞問題，并提供穩(wěn)定的切削力和抗卡住的能力。在巖溶環(huán)境中選擇適合的鉆頭，可以提高鉆探效率和成功率，確保鉆孔的質(zhì)量和完整性。

4 不同類型地質(zhì)環(huán)境下選擇金剛石鉆頭的效果評估方法

4.1 物理特征評估

在選擇鉆頭之前，需要對目標(biāo)地層的物理特征進(jìn)行評估，包括硬度、密度、壓縮強(qiáng)度、磨耗性等指標(biāo)。這些指標(biāo)將決定何種類型的金剛石鉆頭最為適宜。

地層密度指的是單位體積內(nèi)的質(zhì)量。某些地層的密度較高，如礦石，可使用高密度金剛石鉆頭，因其具有較強(qiáng)的穿透力和抗磨損能力。

地層壓縮強(qiáng)度是指地層在受到壓力時的抗壓能力。對于具有較高壓縮強(qiáng)度的地層，如構(gòu)造巖層，需要選擇抗壓性能好的金剛石鉆頭，如鉆具外層帶有金剛石切削齒的壓路機(jī)鉆頭。

地層的磨耗性是指地層在鉆孔過程中的磨損情況。如果目標(biāo)地層磨耗性較高，如含有硬顆?；蛏暗[層，需要選擇具有耐磨損能力的金剛石鉆頭，如帶有金剛石切削齒的旋轉(zhuǎn)錘鉆頭[6]。

4.2 鉆探效率評估

在使用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆探時，需要評估其鉆探效率，并通過鉆孔深度、鉆孔速度、能耗等指標(biāo)來衡量。不同類型的金剛石鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆探效率也可能存在差異。

鉆孔深度是評估鉆探效率的重要指標(biāo)之一。不同類型的金剛石鉆頭對于不同地質(zhì)環(huán)境的鉆孔深度可能存在差異。例如，對于較硬的地層，如花崗巖，使用高硬度和耐磨性強(qiáng)的金剛石冠齒鉆頭能夠提供更大的鉆孔深度。

鉆孔速度也是評估鉆探效率的重要因素。不同類型的金剛石鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆孔速度可能會有所不同。例如，針對較軟的地質(zhì)環(huán)境，如沉積巖，使用具有較高切削能力的碳化鎢鉆頭可能能夠?qū)崿F(xiàn)更快的鉆孔速度。

能耗是評估鉆探效率的另一個關(guān)鍵指標(biāo)。不同類型的金剛石鉆頭在鉆探過程中的能耗水平可能會有所不同。例如，某些特殊設(shè)計的金剛石鉆頭可能通過減少能耗來提高鉆探效率，從而延長鉆頭的使用壽命。

4.3 取樣質(zhì)量評估

金剛石鉆頭鉆取的樣品質(zhì)量將影響后續(xù)地質(zhì)研究的結(jié)果，因此需要對樣品質(zhì)量進(jìn)行評估。鉆孔直徑、鉆孔壁面光潔度、巖芯完整度等指標(biāo)均可用于評估取樣質(zhì)量。

鉆孔直徑是評估取樣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。較大的鉆孔直徑有助于獲得更大的巖芯樣品，從而提供更多的地質(zhì)信息。根據(jù)需要，可以選擇具有適當(dāng)直徑的金剛石鉆頭來滿足取樣要求。

鉆孔壁面光潔度是評估取樣質(zhì)量的另一個關(guān)鍵因素。光潔的鉆孔壁面有助于保持巖芯的完整性，并減少樣品污染和干擾。高質(zhì)量金剛石鉆頭通常能夠提供較好的鉆孔壁面光潔度，確保巖芯的質(zhì)量。

巖芯完整度是評估取樣質(zhì)量的重要評價指標(biāo)。完整的巖芯能夠提供更準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，并有利于后續(xù)的分析和研究。使用合適類型的金剛石鉆頭可以在鉆探過程中最大程度地保持巖芯的完整，減少斷裂和碎裂。

4.4 鉆頭磨損評估

金剛石鉆頭具有一定的耐磨性，但在使用過程中仍會出現(xiàn)磨損。因此，需要對鉆頭的磨損情況進(jìn)行評估，并根據(jù)磨損情況來調(diào)整和更換鉆頭。在評估鉆頭磨損時，可以考慮以下指標(biāo)。

鉆孔直徑變化方面，鉆頭磨損會導(dǎo)致鉆孔直徑的變化。通過定期測量鉆孔直徑，可以評估鉆頭磨損情況。如果鉆孔直徑超出了預(yù)設(shè)范圍或明顯變化，可能需要考慮更換鉆頭。

鉆頭刀片磨損方面，金剛石鉆頭通常由多個刀片組成，刀片上的金剛石顆粒用于破碎地層。定期檢查鉆頭刀片的磨損情況，如金剛石顆粒的剝落和磨損程度，可以評估鉆頭的磨損程度。

鉆頭性能下降方面，隨著鉆頭的使用時間增加和磨損累積，鉆頭的性能可能會下降。例如，鉆探速度可能減慢，能耗可能增加，或者在特定地質(zhì)環(huán)境下的效果不佳。通過觀察鉆頭的工作表現(xiàn)，可以初步評估鉆頭的磨損情況。

4.5 鉆探成本評估

不同類型的金剛石鉆頭價格可能存在差異，同時其壽命和使用壽命也會影響鉆探成本。因此，可以對鉆頭的價格、維護(hù)成本以及鉆頭的使用壽命進(jìn)行評估，以確定其在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

鉆頭價格方面，不同類型的金剛石鉆頭價格可能存在差異?？梢酝ㄟ^市場調(diào)研或詢價等方式獲取鉆頭的價格，并結(jié)合自身需求選擇性價比較高的鉆頭產(chǎn)品。

維護(hù)成本方面，金剛石鉆頭在使用過程中需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，例如定期清洗、磨削，以延長使用壽命。鉆頭維護(hù)所需的材料和人力成本也是鉆探成本的一部分。

使用壽命方面，金剛石鉆頭的使用壽命與其材料質(zhì)量、設(shè)計結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)環(huán)境等因素有關(guān)。通過監(jiān)測和記錄鉆頭的工作時間、鉆孔數(shù)等數(shù)據(jù)，可以初步評估鉆頭的使用壽命。較長的使用壽命將減少更換鉆頭的頻率，從而降低鉆探成本。

5 結(jié)語

綜上，通過物理特征評估、鉆探效率評估、取樣質(zhì)量評估、鉆頭磨損評估和鉆探成本評估等方法，可以綜合考慮不同地質(zhì)環(huán)境下選擇金剛石鉆頭的效果。物理特征評估可以根據(jù)目標(biāo)地層的硬度、密度、壓縮強(qiáng)度和磨耗性等指標(biāo)選擇最適宜的鉆頭類型。鉆探效率評估則可以通過鉆孔深度、鉆孔速度和能耗等指標(biāo)衡量鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆探效率。取樣質(zhì)量評估可以從鉆孔直徑、鉆孔壁面光潔度和巖芯完整度等方面評估金剛石鉆頭取樣質(zhì)量的優(yōu)劣。鉆頭磨損評估可通過鉆孔直徑變化、鉆頭刀片磨損和鉆頭性能下降等觀察鉆頭磨損情況。最后，鉆探成本評估可以考慮鉆頭價格、維護(hù)成本和使用壽命等因素，以確定經(jīng)濟(jì)上的可行性。通過綜合考慮這些評估方法，可以選擇最合適的金剛石鉆頭來提高鉆探效果并降低成本。