孕镶金刚石钻头选择及高效钻进实践探讨

苏力才，李永卫，李明星，苏福长

（广西第一地质工程公司，广西 南宁 530031）

在矿区内相邻的钻孔，钻遇地层基本相同，采用同一批次参数相同的孕镶金刚石钻头钻进，不同的机台所采用的钻进参数不同，钻头寿命与小时效率差别较大。在细砂岩、粉砂岩与泥岩混层的地层中，采用金刚粒径60～80目适用于坚硬岩钻进的孕镶金刚石钻头钻进，钻头寿命较低，钻遇泥岩层时，钻头小时效率较低，表现为“打滑”。钻头小时效率及寿命是绳索取芯钻进必须首先面对的课题，从钻探成本考虑，小时效率更为重要[1-4]，浅孔段需要追求更高的小时效率，深孔段追求小时效率的同时，还应获得适宜的寿命。孕镶金刚石钻头的性能主要取决于钻头的金刚石参数、胎体耐磨能力和钻进参数等[5]，金刚石参数、胎体耐磨性及包镶能力是钻头出厂时固有的指标。钻头使用效果指标与机械钻速、寿命、孔深有关，探讨每转进尺[6]与金刚石粒径的关系，探讨钻进参数对孕镶金刚石钻头小时效率及寿命的影响关系，对孕镶金刚石钻头选择及为实现高效钻进，具有实用性、指导性及可操作性。

1 钻进参数及机械钻速与金刚石粒径的关系

1.1 钻探实践观测数据

在可钻性为5～7 级的较完整的细砂岩、粉砂岩类地层中，CS14型全液压动力头钻机N口径绳索取芯钻进，控制给进量一般为：回次进尺3m 耗时20～25min，换算小时效率为7.2～9m/h；根据国内同行介绍，回次进尺3m 耗时为16min，换算小时效率达11.25m/h。包括国产CSD1800A型全液压动力头钻机及XY-4系列立轴钻机，能获得的小时效率都不低于9m/h。

在可钻性为8～9 级的较完整的硬岩地层中，采用孕镶金刚石钻头的金刚石目数以40/45目为主，金刚石颗粒通径在0.355～0.425mm 之间[7]，按最小通径0.355mm计算，根据现场回次小时效率观测，不同的地层、不同的钻进参数获得的机械钻速与金刚石粒径关系见表1。

表1中，序号1为扶绥县罗维银铅锌多金属矿区观测的结果。序号2、3为岑溪市佛子冲铅锌矿区相邻的两个钻孔同一时间段观测的结果，序号2钻头胎体硬度编号为HRC20～25，序号3钻头标称为广谱型，因钻头真实的胎体硬度不明，选择的钻头胎体硬度偏高，钻进前需要投砂研磨钻头，或回次钻进前轻压慢转干钻数圈研磨钻头，使金刚石出刃。

序号4为资源县某铀矿区观测的结果，采用在地表粗粒花岗岩地层中用过的旧钻头钻进，此钻头胎体硬度为HRC30～35，因钻头采用硬质合金保径，钻头内径磨损偏大，底出刃状况良好，金刚石为金黄色，晶形棱角较钝，近似球形，金刚石品级比序号2高，小班钻进5个回次进尺15m，钻进参数不变，钻速均匀，回次平均小时效率均为3.00m/h。之前，此孔段采用与序号2同一厂家生产的钻头钻进，出现“打滑”不进尺，此钻头胎体硬度编号为HRC18～22，金刚石晶形近似长轴状，棱角较锋利，金刚石品级比序号2差；钻头烧结温度过高，少数金刚石出现碳化变黑现象；此钻头出现“打滑”不进尺还与扩孔器外径稍大、出现微台阶有关。

1.2 单位钻压、每转进尺与金刚石粒径关系

孕镶金刚石钻头单位钻压[8]为0.50～1.0kN/cm2，按不同的岩性单位唇面钻压标准[9]：中硬岩0.50 ～0.70kN/cm2，硬 岩 0.70～0.90kN/cm2，坚 硬 岩 0.90～1.0kN/cm2。在可钻性5～8级的中硬—硬岩中，每转进尺超过金刚石粒径的1/2，获得较高的小时效率。在可钻性9级的花岗岩类硬岩中，采用单位钻压的中值，绳索取芯钻进获得的每转进尺接近金刚石粒径的1/5，而绳索取芯液动锤钻进则大于1/3，在较小的转速下获得较高的小时效率；采用单位钻压的高值，绳索取芯钻进获得的每转进尺接近金刚石粒径的1/3。

表镶金刚石钻头要求金刚石不易被折断，胎体包镶牢固，确保金刚石不脱落，中硬—硬岩允许出刃值为金刚石粒径的25%～30%[10]。而孕镶金刚石钻头的出刃值，是依靠胎体不断地被磨蚀，使金刚石不断出露。钻头每转1圈切削量是同一径向上的金刚石共同切削叠加的结果[11-12]，金刚石的平均出刃值比每转进尺低，实现高效钻进，每转进尺应不低于金刚石粒径的1/3。

对可钻性为9级的花岗岩或类似的硬—坚硬岩，因岩石压入硬度较高，采用较大的钻压，每转进尺仍较小。为预防钻头“打滑”，利于钻头自锐出刃，应依托岩层钻进获得的机械钻速，选择适合的金刚石目数，使每转进尺大于金刚石粒径的1/3。

1.3 岩石对钻头寿命的影响

在上林县童汝山铅锌矿区，采用与表1中序号4同生产厂家、同性能参数的孕镶金刚石钻头钻进，获得较高的钻头寿命，钻遇地层为石灰岩，岩层破碎，部分孔段弱硅化。在石灰岩或类似弱研磨性地层钻进，钻屑较粗，但是，对钻头胎体磨蚀弱；岩石对金刚石磨耗弱，钻头表现为高寿命。在资源县某铀矿区花岗岩或类似地层钻进，钻屑较细，对钻头胎体表现为中等磨蚀，但是，主要成分为石英的钻屑具有强研磨性质，当每转进尺较高或采用较小金刚石粒径时则为强磨蚀；岩石对金刚石磨耗强，与石灰岩地层相比，钻头寿命低6～8倍。

金刚石品级、胎体硬度等性能参数相同的钻头，在石灰岩、花岗岩钻进均能自锐出刃，不同岩石的钻屑对胎体的磨蚀，与岩石对碎岩工具的磨耗一样具有可比性。石灰岩钻屑对钻头胎体磨蚀的影响，按钢杆研磨法2 级研磨性等级，石灰岩对金刚石的磨耗的影响，按金刚石杆研磨法1级研磨性等级；花岗岩钻屑对钻头胎体磨蚀的影响，按钢杆研磨法6级研磨性等级，花岗岩对金刚石的磨耗的影响，按金刚石杆研磨法4级研磨性等级。石灰岩、花岗岩对钻头寿命的影响见表2。

表2 岩石对钻头寿命的影响

在硬—坚硬的花岗岩地层钻进，当钻头金刚石品级较差时，胎体硬度偏高则钻头容易出现“打滑”不进尺；当钻头金刚石品级较高时，胎体硬度偏低则钻头没有发挥应有的寿命。胎体硬度与地层、钻进参数相适应的孕镶金刚石钻头，金刚石被磨耗滞后于胎体被磨蚀，则金刚石保持出刃良好，金刚石被磨耗的同时，胎体则随之被磨蚀，相对而言，金刚石的抗磨耗性能对钻头寿命起主导作用。用于强研磨性地层或硬—坚硬岩的钻头，要求钻头获得较高的寿命，对金刚石的抗压强度及冲击韧性、热冲击韧性要求更高，对金刚石品级要求更高[13-15]。

2 钻进参数与机械钻速配合

2.1 转速与机械钻速配合

孕镶金刚石钻头的每转进尺，可以依托钻遇岩层的特性，用与金刚石粒径的关系确定。每转进尺是优化钻头寿命和小时效率的重要因素，与地层岩性适应的每转进尺，可确保金刚石一直出露在外，钻头磨损均匀、速度可控。如果每转进尺过高，金刚石则很可能过早地从胎体上脱落，导致钻头低寿命。相反，如果每转进尺过小，金刚石则很有可能被抛光，小时效率也将下降。

2.2 钻压与转速的配合

钻压是优化钻头寿命及获得理想的每转进尺的重要因素。钻压必须足够，以保持钻进效率与转速之比，并使钻头不断地钻进。如果钻压过大，会导致金刚石过快脱落。如果钻压过小，则可能导致钻头上的金刚石被抛光，使胎体停止磨蚀而不能出露新的金刚石。

小时效率与钻压、转速的配合，具有对岩层的依托性，存在一个合适的范围。在合适的钻压范围内，小时效率随着转速的增大而提高，当钻压低于合适的范围时，增大转速而小时效率并没有提高。

在坚硬岩中钻进，钻压不足，或金刚石品级差、胎体硬度偏高时，过高的转速追求小时效率，易造成钻头的金刚石被抛光。

2.3 泵量

泵量必须能有效地冷却钻头，清除钻头切面的钻屑，并携带钻屑上返地面。如果泵量过大，则会引起泵压抬升，从而严重影响实际的钻头压力。如果泵量过低，钻头会因钻屑的磨蚀作用而过早地受到磨损。

对坚硬致密“打滑”地层，适当地减小泵量，从而增加胎体的磨蚀，使新的金刚石出刃。对研磨性较强的地层，适当地增大泵量，可减小钻屑对钻头胎体磨蚀。对泥岩层，应采用较大的泵量，可减小“岩粉垫”的影响。

3 雒容1井钻探实例分析

3.1 钻头寿命及机械钻速与金刚石粒径关系分析

雒容1井采用CSD1800A型钻机NQS绳索取心液动锤钻具钻进，自孔深421.59～960.65m 采用钻头1 钻进，钻头寿命539.06m，钻进钻压12～13kN，回次平均钻压12.019kN；转速400～800r/min，回次平均转速594.90r/min；泵 量 80～100L/min，回 次 平 均 泵 量87.60L/min；平均回次进尺2.59m/回次，平均岩矿芯采取率99.72%。自孔深996.10～1315.35m采用钻头2钻进，钻头寿命319.25m，钻进钻压12～15kN，回次平均钻压13.837kN；转速300～410r/min，回次平均转速335.97r/min；泵量 60～80L/min，回次平均泵量72.64L/min；平均回次进尺2.47m/回次，平均岩矿芯采取率98.54%。

钻头1及钻头2钻遇地层均为大埔组（C2d）的白云岩，钻头均为同厂家、同批次生产，金刚石目数为40/45目，胎体硬度、浓度等钻头参数一样。按金刚石颗粒最小通径0.355mm进行分析，钻头寿命、机械钻速与金刚石粒径关系见表3。

表3 钻头寿命及机械钻速与金刚石粒径关系

追求钻头最大寿命，每转进尺应不大于金刚石粒径的1/2。钻头1 使用寿命为539.06m，平均小时效率为5.86m/h，平均每转进尺为0.164mm，为金刚石粒径的0.462倍，接近金刚石粒径的1/2，钻头获得较高的小时效率及较高的寿命。钻头2使用寿命为319.25m，平均小时效率为4.29m/h，钻头平均每转进尺为0.213mm，为金刚石粒径的0.599 倍，大于金刚石粒径的1/2，在钻进转速为300～410r/min的条件下，钻头获得较高的小时效率，以较小的转速采用较大的钻压追求较高的时效，降低了钻头使用寿命。

3.2 钻头使用效果指标分析

钻探人员费、燃油费等直接成本，与每钻进1m 所需要的钻探时间有关，采用钻头每钻进1m 纯钻、起下大钻的总时间，评价钻头使用效果指标。纯钻时间与小时效率有关，起下大钻时间与钻头寿命、孔深有关，每钻进1m纯钻、起下大钻的总时间，按下式计算：

式中：Tm——每钻进1m的总时间，h/m；

Txg——平均每根立根下大钻时间，CSD1800A 钻机取Txg=2min/立根；

Ttg——平均每根立根提大钻时间，CSD1800A 钻机取Ttg=2.5min/立根；

H——计算孔深（钻头使用寿命的最大孔深），m；

V——钻头小时效率，m/h；

S——钻头寿命，m；

L——立根长度，CSD1800A钻机取L=9m。

假设钻头每转进尺相同，则钻头寿命相同。根据雒容1井1200～1500m孔段钻进转速均为300r/min，按钻头1及钻头2钻遇相同地层的平均每转进尺，分析钻头使用效果率指标见表4。

表4 钻头使用效果指标分析

增大钻压，使钻头每转进尺适当大于金刚石粒径的1/2，为金刚石粒径的0.599倍，追求钻头获得较高的时效及适宜的使用寿命，节约了每钻进1m 纯钻、起下大钻的总时间，时间节约率17.15%～18.28%。钻进转速相同时，时间节约率随孔深的增加而小幅度递减。

深孔钻进，由于孔内阻力大，不能采用较高的转速钻进时，在钻孔弯曲度满足地质或合同要求的条件下，从燃油费、人员费等经济效益考虑，应采用较高的钻压，追求较高的时效及适宜的钻头寿命。

4 结语

（1）在弱研磨性中硬岩钻进，追求钻头获得较高的使用寿命及适宜的小时效率，每转进尺应为金刚石粒径的1/3～1/2；追求钻头获得较高的小时效率及适宜的使用寿命，每转进尺应不大于金刚石粒径的0.6 倍。对于强研磨性地层或硬岩、坚硬岩，建议参考应用确定。

（2）金刚石粒径应依托钻遇岩层获得的机械钻速确定。在可钻性5～8 级的中硬—硬岩钻进，钻头金刚石粒径应不低于40/45 目。在可钻性9 级的花岗岩类硬岩钻进，采用金刚石目数为40/45 目的钻头，更有利于提高钻头使用寿命；对于容易出现“打滑”的花岗岩类硬—坚硬岩，采用较小的金刚石粒径，如60/70 目或60/80目，更利于钻头自锐出刃。

（3）用于强研磨性地层或硬—坚硬岩的钻头，要求钻头具有较高的寿命，应选择锯切用SMD35高强度级品及以上的金刚石，建议选择修整用DMD高档强度级品金刚石；用于中等研磨性中硬岩的钻头，应选择锯切用SMD25、SMD30高级品金刚石。

（4）钻头胎体硬度应与金刚石品级、金刚石粒径相适应。金刚石品级较高、粒径较小，采用钻头胎体硬度应更高，反之亦然。