孕镶金刚石钻头在围山城矿区钻探施工中的应用研究

程 成，陈 涛，吴国皎

（1.河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450000；2.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450000）

勘探深度已经从浅部和中部转变为深部勘探，其主要目标是在“第二勘探空间”中发现隐藏和深部的矿物。使用钻探工具直接从地下深处进行岩心钻探是估算矿物储量的直接方法[1]。为了有效地获得岩心，钻头必须具有优异的性能，并且特定的地层需要钻头的更高性能。河南省桐柏县围山城金银矿深部及外围普查项目的地层特点为：岩石硬度大，部分石英含量高；岩石弱研磨性，岩粉少且细；岩石强度高，造岩矿物细。

围山城矿区岩石的研磨性主要为3～4 级，可钻性为7～9级。影响钻头寿命的主要因素是钻深和钻头速度。通过参考先前的研究，针对该矿区的岩性特征，整合和分析2019 年至2020 年在该矿区收集的钻探数据和矿体样品，检查该矿区的孕镶金刚石钻头的钻探效果，选择合适的钻头和钻进参数，提高本矿区的钻进效率，并推广到其他矿区的钻探施工中，具有良好的生态效益和经济效益。

1 工程概况

1.1 项目来源与位置

“河南省桐柏县围山城金银矿深部及外围普查”是根据《河南省自然资源厅关于下达2019 年度省财政地质勘查项目工作任务的通知》（豫自然资发[2019]22 号）文件而开展的地质勘查项目。钻探工作由河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院承担[2]。工作区位于河南省南部桐柏县朱庄至陈庄一带，面积约28.74 平方公里。

1.2 自然地理概况

工作区距桐柏县城35 公里，有柏油公路直达，工作区内村村通硬化公路纵横交错，交通条件十分便利。

工作区位于桐柏山北麓，属丘陵—低山区。本区属温带气候，四季分明，雨量充沛，植被发育，本区属非地震活动区。

1.3 地质背景概况

工作区由在不同构造条件下形成的多个构造地层体组成，它们具有各自独立的结构特征以及变形，变质和构造演化的序列。出露地层主要为下古生界大栗树组、上古生界歪头山组和第四系。

工作量及成果情况：

围山城矿区2019-2020 年度钻探工作量为：15000m。工作区内累计获得(333)+(334)?金属资源量金6884 千克、银402 吨、铅71793 吨、锌69625 吨。

2 孕镶金刚石钻头选择

2.1 孕镶金刚石钻头的优选方法

2.1.1 现场对比试验选择

根据目的和需要，选择不同技术参数的钻头在矿区或同一地层进行钻头适应性、时效、寿命等指标的对比试验，探讨各钻头参数对钻探成本效益的贡献率，求证合适的钻头性能参数或钻头品种。

2.1.2 统计分析选择

通过对钻头历史使用资料进行统计分析，结合地层岩石可钻性合理选择钻头类型，从而更好地用好钻头，达到提高钻速、降低成本的目的。

2.2 围山城矿区钻头的优选结果

金刚石钻头的性能结构参数有镶嵌类型、胎体性能、金刚石的质量和粒度、金刚石浓度、水口形状及其数量和大小、底唇形状等。根据岩石的硬度，研磨性和完整性等规格，以高效率，长寿命，低消耗以及安全性为标准，结合围山城矿区的地层岩性特征，确定适合的钻头类型。金刚石钻头的主要性能和结构参数，见表1。

表1 孕镶金刚石钻头主要性能结构参数表

3 孕镶金刚石在本项目的应用实例与研究

3.1 围山城矿区的设备和地层情况

围山城矿区各钻孔结构、地层情况及常用钻头基本相同，调研的钻孔ZKYW3204、ZKYW2802 钻进地层主要为黑云变粒岩（大部分硅化）、构造角砾岩，选择的主要钻探设备XY—44A 型。

3.2 钻进参数对机械钻速的影响

3.2.1 钻速对机械钻速的影响

金刚石钻进时，转速越高，则机械钻速也越高。在不同岩石中金刚石钻进时机械钻速随转速的变化而变化，只是由于岩石性质不同，随钻头转速增加机械的增幅不同而己，越是软的岩石，增幅越大，岩石越硬增幅越小[3]。

通常以圆周线速度来规定钻头的转速。以孕镶金刚石钻头为例。由于所用金刚石粒度很小，一般为30～60 目，金刚石的出刃微小，可以利用的切入量较小，因此其主要依靠较高转速来获得较高的机械转速。

确定孕镶金刚石钻头以圆周速度来衡量比较合理和直观，孕镶金刚石钻头的圆周速度应依据钻进不同的岩石和条件在1.5m/s～3.0m/s 之间选择。

3.2.2 钻压对机械钻速的影响

金刚石钻进的机械钻速与钻压有密切关系，在一定范围内机械钻速是随着钻压的增大而增加的，但因孔底碎岩机理的不同而不同的。当钻压很小时，达不到破碎岩石的强度极限，破碎过程主要依靠金刚石与岩石间的摩擦力引起岩石表面磨损而实现，为表面研磨破碎。当钻压增大到岩石抗压入强度时，机械钻速大大提高，并随钻压的增大约呈直线增长。此时，岩石碎屑以体积破碎带的形式表现出来，其中机械钻速随着钻头重量的增加而迅速增加，但与此同时，每米单位的钻石消耗也随着钻头重量的增加而增加。

3.2.3 现场钻进参数对机械钻速的影响

在围山城矿区现场统计的不同钻速和钻压对机械钻速的影响如下：

（1）钻压为5MPa 时，钻速达到1.87m/s 之前，机械钻速随钻速的增加而增加，当钻速超过1.87m/s 后，机械钻速随钻速的增加而减小。究其原因，当钻速超过1.87m/s 时，由于钻压低，较为新鲜的金刚石不能进行出刃不，从而不能有效地破碎岩石，降低了机械钻速；

（2）钻压为8MPa，11MPa 时，机械钻速基本随钻速的增加而呈直线增长关系。钻压为11MPa 时，机械钻速最大；

（3）当钻压为14 MPa 时，钻速随着钻井速度的增加而降低。研究原因，当钻头上的重量达到14MPa 时，随着钻孔速度的增加，将会重复磨损，并且孕镶金刚石钻头的磨削效率将大大降低。

当钻孔速度恒定时，随着钻头承受重量的增加，总的机械钻速首先增加，然后减少。当钻压小于11MPa 时，机械钻速随着钻压的增加而增加。

3.3 钻压对孕镶金刚石钻头的出刃高度影响

围山城矿区钻进试验的钻头基本性能为：钻头的胎体硬度为HRC30，金刚石的百分比浓度为75%；钻头水口8个，钻头的底店面面职10cm2。围山城矿区对钻压对钻头出刃高度的影响进行了研究，在转速一定（1.26m/s）的情况下分别采集钻压为5MPa、8MPa、11MPa、14MPa 时相同型号、批次的孕镶金刚石钻头各20 个，并据此计算出金刚石刀片高度的测量值，计算出平均值[4]。平均间隔为20μm，分别计算各个间隔中的金刚石数量，以获得金刚石边缘高度分布规律，并进一步研究孕镶金刚石钻头的平均金刚石边缘高度与钻头寿命和钻速之间的关系。

通过分析结果得出以下结论：钻头边缘的菱形边缘的高度呈现出相似的正态分布趋势，“两侧较低，中间较高”，这种趋势在正常钻探条件下更为明显，5MPa，1.26m/s 下金刚石出刃平均值为103.35μm，8MPa，1.26m/s 下金刚石出刃平均值为90.5μm，11MPa，1.26m/s 下金刚石出刃平均值为104.7μm，14MPa，1.26m/s 下金刚石出刃平均值为71.6μm。不同钻进参数下的金刚石出刃平均值分布规律：随着钻头承受重量的增加，金刚石钻头的平均切削刃高度首先增加，然后会逐渐减小。因此，钻头的金刚石边缘的平均高度在一定程度上反映了钻孔效率和机械钻速大小。

4 研究结论和现场验证

4.1 研究结论

通过前期钻孔调研，围山城矿区的岩石研磨性为3-4级，岩石的可钻性为7～9 级。

根据现场数据和本文的论证与分析，在围山城矿区，JS75 系列孕镶金刚石钻头的最佳钻井压力为8MPa～11 MPa，最加钻速在1.26m/s～1.87m/s 之间。

孕镶金刚石钻头的金刚石出刃高度反应了每转的切入量，一定程度上可以反映钻进效率和机械钻速的大小。

4.2 现场验证

在后续的钻孔施工中根据本文结论进行了验证，显著提高了纯钻月效率，新的钻进参数对提高钻进效率效果显著，具有良好的经济效益和生态效益。