地质钻探中金刚石钻头的科学选择与合理使用
贾卫权
【摘 要】地质钻探工程是地质矿产勘查过程中的重要手段，金刚石岩芯钻探除必须选用相应钻机、地质管材、钻具、泥浆材料外，钻进工艺中金刚石钻头的科学选择、合理使用显得非常重要，可使金刚石钻头效能得到充分发挥，提高钻进进尺，减少金刚石钻头使用数量，提高钻探效率，从而取得最优地质钻探技术经济效果。
【Abstract】 Geological drilling engineering is an important means in geology and mineral exploration. for diamond core drilling， in addition to select the appropriate drilling， geological pipe， drilling rig and mud materials， in the process of drilling， scientific selection and rational use of diamond drill is very important， it can fully play the effect of diamond drill and improve the drilled footage， reduces the usage quantity of diamond drill， improve the drilling efficiency， so as to achieve the optimal technical and economic effect of geological drilling.
【关键词】地质钻探；钻进技术；金刚石钻头；钻具组合； 绿色勘查
【Keywords】geological drilling； diamond drilling technology； diamond bit； drilling assembly； green exploration
【中图分类号】TD166 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0168-02
1 引言
地质钻探是地质矿产勘查的重要技术手段，它是在动力机械的带动下，钻机驱动钻具（钻杆、岩芯管、钻头等）向地下钻进不同深度的钻孔，并将钻孔中切磨下来的岩芯或岩粉取出，进行科学分析与研究。其所进行的全部施工工作，称为地质钻探工程，简称钻探。
金刚石岩芯钻探除必须选用相应钻机、地质管材、钻具、泥浆材料外，金刚石钻头的科学选择、合理使用非常重要。这样才能取得最优钻进技术经济效果。
2 金刚石钻进技术与钻头的科学选择
在地质钻探工程中，使用金刚石钻头以回转方式破碎孔底岩石的钻进技术方法，称为金刚石钻进。金刚石是一种硬度最高的矿物，所以用金刚石钻头可钻进各种硬度的岩石，主要特点是钻进效率高，钻进工作稳定，同时具有劳动强度低，孔内事故少，钻探成本低等优势，因此金刚石钻进技术有广泛的适用性。
①金刚石钻头分类：金刚石有天然和人造两种之分，金刚石钻头也是天然和人造两种，在地质钻探中主要大量使用人造金刚石钻头。
②科学选择金刚石钻头参数：（指钻头胎体硬度、金刚石品级粒度、浓度等），提高钻头寿命、提高钻速、降低金刚石消耗。其参数选择如下表1所示。
③钻进技术参数的选择：合理选择钻进技术参数，注意在不同钻进条件下各参数之间的有机配合，不断提高操作技术水平，是取得最优技术经济效果的关键之一。
首先， 钻头转速：在一定线速度范围内金刚石钻头的钻速是随着转速的提高而增加的。转速是提高钻速的主要因素。只要岩层比较完整，管材有足够的强度和稳定性，在配有润滑剂和设备能力允许下，就应该选用高转速钻进。转速和金刚石磨损之间存在一个合理值，即在一定转速下金刚石磨量为最小。转速过慢或过快，金刚石磨损量增加 ，确定转速时一定加以考虑。如果在裂缝发育破碎岩层或软硬交错岩层等地质条件下要降低转速。
其次， 钻压：选择合理的钻压是提高钻进效率，降低钻头磨损，延长钻头寿命的重要措施。在钻进过程中，钻头的压力达到或超过所钻岩石抗压强度时，金刚石才能有效破碎岩石。钻进速度随钻压增加而相应增加。当钻压超过金刚石的抗压极限时金刚石即被破损而脱落，钻速下降。相反金刚石不能切入岩石，钻头打滑而不进尺。同时钻压应根据钻头类型规格、金刚石质量和数量，以及所钻岩石性质等因素来确定，最优的钻压应该是回次进尺多，时效高，钻头磨损量小。钻头钻压的确定是给予钻头唇面以每平方厘米20～50kg为适宜，在钻进给压时要考虑钻压损失。金刚石钻具与井壁摩擦阻力随钻孔加深而加大；转速越快，钻压损失也越大；钻杆与孔壁间的间隙很小，泵压较大，使钻具承受一定的反作用力。实际钻探操作中，要科学分析注意钻压损失，（金刚石钻头单位压力推荐表见表2）。
④在金刚石钻进中，还有泵量和泵压这两个参数的选择也十分重要，钻进中必须有较大压力和足够的冲洗液，排掉岩粉，清洗孔底，润滑和冷却钻头，防止烧钻。正常钻进要求水泵具有较大的泵压，应在7～15公斤每平方厘米之间。泵量不须很大，实际钻探操作中应考虑钻具连接处的漏失现象。每次起钻后，要及时观察分析金刚石钻头的磨损形态，检查钻进参数是否合理，操作是否恰当，发现问题及时纠正。降低金刚石钻头消耗量，提高钻探技术经济效率。
3 合理使用金剛石钻头
①金刚石钻头与扩孔器要排队组合使用。根据岩层、钻孔结构、设计孔深等情况，确定需要钻头数量。钻头与扩孔器必须排队轮换使用，先用外径大、内经小的，后用外径小、内经大的，以保证钻头扩孔器都能正常下降到孔底。
②金刚石钻头与扩孔器必须合理配合使用 ，扩孔器外径应比外径大0.3～0.5mm，在坚硬岩层不得大于0.3mm。如扩孔器外径过大，将使扩孔量增加，磨损加剧，钻进效率低；扩孔器外径小，则起不到扩孔保径的作用。
③金刚石钻头与卡簧的自由内径必须合理配合，卡簧自由内径应比钻头内经小0.3～0.5mm，因此每次下钻前要注意检查钻头与卡簧的配合尺寸，同时机台应备几种不同的卡簧，以供选择。
④金刚石钻头钻进应具备良好的工作条件。金刚石性脆，遇强烈冲击易破裂，因此要求孔内清洁、孔底平整、孔径规则。如发现孔底有胎体碎屑，脱落岩芯等立即采用冲捞抓粘套磨等方法消除。凡是金刚石钻头钻进的钻孔禁止使用钢粒钻进。
⑤金刚石钻头钻进要保持钻头在孔底钻进的稳定性，要选择使用与钻头外径接近的钻杆及钻具。
⑥金刚石钻头钻进要尽量减少钻具与孔壁之间的环状间隙，限制钻杆，钻具的弯曲度。不得盲目增加钻压钻进，以减少钻具产生轴向振动。同时要保持机上钻杆运转平稳，防止晃动，不得用过大的泵量钻进，避免钻具产生浮动（脉动）。还要使用乳化冲洗液等减少钻具回转时摩擦阻力，以提高金刚石钻进效率[1]。
⑦金刚石钻进过程中对金刚石钻头要仔细检查，如果发现钻头出现石墨化现象、偏磨或变行、水口和水槽尺寸过小、钻头刚体变形及死扣损坏等，金刚石钻头必须更换，不得下入孔内。
⑧金刚石钻进过程中发现“打滑”现象，不准盲目加压强迫钻进，应立即提钻检查分析，寻找原因，解决问题。
⑨新金刚石钻头初次使用必须进行初磨，即磨去钻头虚伪尺寸及棱角，使孕镶钻头磨出刃口等。同时不能用新金刚石钻头进行扫孔、扫残留、扫脱落、扫掉块、扫探头石等作业，以提高金刚石钻进寿命和效率。
4 结语
随着钻探技术装备和钻进方法的不断进步和创新，钻探已广泛应用于地质调查、矿产勘查、工程地质勘察、水文水井钻探以及石油天然气、页岩气、地热钻探等领域。科学选择钻探设备不仅要技术先进且经济，即生产效率高，质量保证度好，生产安全性稳，钻具配套性多，操作维修方便，对环境影响小。金刚石钻进已广泛应用，金刚石钻头的科学选择和合理使用能够提高钻探效率，降低钻探成本，降低劳动强度，真正实现最优技术经济效果，实现地质钻探绿色勘查。
【参考文献】
【1】温妹静.试谈如何提高金刚石钻进的效率[J].西部探矿工程，2011，23（4）：69-72.
【摘 要】地质钻探工程是地质矿产勘查过程中的重要手段，金刚石岩芯钻探除必须选用相应钻机、地质管材、钻具、泥浆材料外，钻进工艺中金刚石钻头的科学选择、合理使用显得非常重要，可使金刚石钻头效能得到充分发挥，提高钻进进尺，减少金刚石钻头使用数量，提高钻探效率，从而取得最优地质钻探技术经济效果。
【Abstract】 Geological drilling engineering is an important means in geology and mineral exploration. for diamond core drilling， in addition to select the appropriate drilling， geological pipe， drilling rig and mud materials， in the process of drilling， scientific selection and rational use of diamond drill is very important， it can fully play the effect of diamond drill and improve the drilled footage， reduces the usage quantity of diamond drill， improve the drilling efficiency， so as to achieve the optimal technical and economic effect of geological drilling.
【关键词】地质钻探；钻进技术；金刚石钻头；钻具组合； 绿色勘查
【Keywords】geological drilling； diamond drilling technology； diamond bit； drilling assembly； green exploration
【中图分类号】TD166 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0168-02
1 引言
地质钻探是地质矿产勘查的重要技术手段，它是在动力机械的带动下，钻机驱动钻具（钻杆、岩芯管、钻头等）向地下钻进不同深度的钻孔，并将钻孔中切磨下来的岩芯或岩粉取出，进行科学分析与研究。其所进行的全部施工工作，称为地质钻探工程，简称钻探。
金刚石岩芯钻探除必须选用相应钻机、地质管材、钻具、泥浆材料外，金刚石钻头的科学选择、合理使用非常重要。这样才能取得最优钻进技术经济效果。
2 金刚石钻进技术与钻头的科学选择
在地质钻探工程中，使用金刚石钻头以回转方式破碎孔底岩石的钻进技术方法，称为金刚石钻进。金刚石是一种硬度最高的矿物，所以用金刚石钻头可钻进各种硬度的岩石，主要特点是钻进效率高，钻进工作稳定，同时具有劳动强度低，孔内事故少，钻探成本低等优势，因此金刚石钻进技术有广泛的适用性。
①金刚石钻头分类：金刚石有天然和人造两种之分，金刚石钻头也是天然和人造两种，在地质钻探中主要大量使用人造金刚石钻头。
②科学选择金刚石钻头参数：（指钻头胎体硬度、金刚石品级粒度、浓度等），提高钻头寿命、提高钻速、降低金刚石消耗。其参数选择如下表1所示。
③钻进技术参数的选择：合理选择钻进技术参数，注意在不同钻进条件下各参数之间的有机配合，不断提高操作技术水平，是取得最优技术经济效果的关键之一。
首先， 钻头转速：在一定线速度范围内金刚石钻头的钻速是随着转速的提高而增加的。转速是提高钻速的主要因素。只要岩层比较完整，管材有足够的强度和稳定性，在配有润滑剂和设备能力允许下，就应该选用高转速钻进。转速和金刚石磨损之间存在一个合理值，即在一定转速下金刚石磨量为最小。转速过慢或过快，金刚石磨损量增加 ，确定转速时一定加以考虑。如果在裂缝发育破碎岩层或软硬交错岩层等地质条件下要降低转速。
其次， 钻压：选择合理的钻压是提高钻进效率，降低钻头磨损，延长钻头寿命的重要措施。在钻进过程中，钻头的压力达到或超过所钻岩石抗压强度时，金刚石才能有效破碎岩石。钻进速度随钻压增加而相应增加。当钻压超过金刚石的抗压极限时金刚石即被破损而脱落，钻速下降。相反金刚石不能切入岩石，钻头打滑而不进尺。同时钻压应根据钻头类型规格、金刚石质量和数量，以及所钻岩石性质等因素来确定，最优的钻压应该是回次进尺多，时效高，钻头磨损量小。钻头钻压的确定是给予钻头唇面以每平方厘米20～50kg为适宜，在钻进给压时要考虑钻压损失。金刚石钻具与井壁摩擦阻力随钻孔加深而加大；转速越快，钻压损失也越大；钻杆与孔壁间的间隙很小，泵压较大，使钻具承受一定的反作用力。实际钻探操作中，要科学分析注意钻压损失，（金刚石钻头单位压力推荐表见表2）。
④在金刚石钻进中，还有泵量和泵压这两个参数的选择也十分重要，钻进中必须有较大压力和足够的冲洗液，排掉岩粉，清洗孔底，润滑和冷却钻头，防止烧钻。正常钻进要求水泵具有较大的泵压，应在7～15公斤每平方厘米之间。泵量不须很大，实际钻探操作中应考虑钻具连接处的漏失现象。每次起钻后，要及时观察分析金刚石钻头的磨损形态，检查钻进参数是否合理，操作是否恰当，发现问题及时纠正。降低金刚石钻头消耗量，提高钻探技术经济效率。
3 合理使用金剛石钻头
①金刚石钻头与扩孔器要排队组合使用。根据岩层、钻孔结构、设计孔深等情况，确定需要钻头数量。钻头与扩孔器必须排队轮换使用，先用外径大、内经小的，后用外径小、内经大的，以保证钻头扩孔器都能正常下降到孔底。
②金刚石钻头与扩孔器必须合理配合使用 ，扩孔器外径应比外径大0.3～0.5mm，在坚硬岩层不得大于0.3mm。如扩孔器外径过大，将使扩孔量增加，磨损加剧，钻进效率低；扩孔器外径小，则起不到扩孔保径的作用。
③金刚石钻头与卡簧的自由内径必须合理配合，卡簧自由内径应比钻头内经小0.3～0.5mm，因此每次下钻前要注意检查钻头与卡簧的配合尺寸，同时机台应备几种不同的卡簧，以供选择。
④金刚石钻头钻进应具备良好的工作条件。金刚石性脆，遇强烈冲击易破裂，因此要求孔内清洁、孔底平整、孔径规则。如发现孔底有胎体碎屑，脱落岩芯等立即采用冲捞抓粘套磨等方法消除。凡是金刚石钻头钻进的钻孔禁止使用钢粒钻进。
⑤金刚石钻头钻进要保持钻头在孔底钻进的稳定性，要选择使用与钻头外径接近的钻杆及钻具。
⑥金刚石钻头钻进要尽量减少钻具与孔壁之间的环状间隙，限制钻杆，钻具的弯曲度。不得盲目增加钻压钻进，以减少钻具产生轴向振动。同时要保持机上钻杆运转平稳，防止晃动，不得用过大的泵量钻进，避免钻具产生浮动（脉动）。还要使用乳化冲洗液等减少钻具回转时摩擦阻力，以提高金刚石钻进效率[1]。
⑦金刚石钻进过程中对金刚石钻头要仔细检查，如果发现钻头出现石墨化现象、偏磨或变行、水口和水槽尺寸过小、钻头刚体变形及死扣损坏等，金刚石钻头必须更换，不得下入孔内。
⑧金刚石钻进过程中发现“打滑”现象，不准盲目加压强迫钻进，应立即提钻检查分析，寻找原因，解决问题。
⑨新金刚石钻头初次使用必须进行初磨，即磨去钻头虚伪尺寸及棱角，使孕镶钻头磨出刃口等。同时不能用新金刚石钻头进行扫孔、扫残留、扫脱落、扫掉块、扫探头石等作业，以提高金刚石钻进寿命和效率。
4 结语
随着钻探技术装备和钻进方法的不断进步和创新，钻探已广泛应用于地质调查、矿产勘查、工程地质勘察、水文水井钻探以及石油天然气、页岩气、地热钻探等领域。科学选择钻探设备不仅要技术先进且经济，即生产效率高，质量保证度好，生产安全性稳，钻具配套性多，操作维修方便，对环境影响小。金刚石钻进已广泛应用，金刚石钻头的科学选择和合理使用能够提高钻探效率，降低钻探成本，降低劳动强度，真正实现最优技术经济效果，实现地质钻探绿色勘查。
【参考文献】
【1】温妹静.试谈如何提高金刚石钻进的效率[J].西部探矿工程，2011，23（4）：69-72.
