深部钻探关键技术

1、深部矿产资源勘探钻进关键技术问题张晓西摘要：最新的成矿理论表明在我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，因此，开展深部找矿工作已经成为地质找矿工作的重点。而必须强调的是，在深部找矿过程中，除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外，最终还需要使用钻掘（探）技术来取心取样，证实推断和探测的正确性。勘探深度的增加，对钻探技术提出了更高的要求，特别是对钻探设备、钻探机具、泥浆技术等关键技术提出了新的要求，这就需要创造必要的研究条件对那些关键技术进行攻关研究，同时重视对专业技术人员的培训，只有如此，钻探技术才能满足深部矿产资源勘探钻进的需要。关键词：深部矿产资源 钻探关键技术

2、人才培养 基础研究由于采矿技术水平的限制，过去我国的固体矿产勘探深度很少超过1500m，800-1000m孔深对于地质勘探取心钻进来说都算是深孔，而绝大多数矿山的勘查深度还不足500m。全国危机矿山接替资源找矿规划纲要（20042010年），决定在有资源潜力和市场需求的老矿山周边或深部开展找矿工作，以延长矿山服务年限。由于相当一部分危机矿山的深部和外围有许多未经充分勘查的成矿远景区，而最新的成矿理论表明在我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，因此，开展深部找矿工作已经成为地质找矿工作的重点。而必须强调的是，在深部找矿过程中，除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外，

3、最终还需要使用钻掘（探）技术来取心取样，证实推断和探测的正确性。第一节 取心钻进方法取心钻进长期以来是人们获取地球内部准确信息的唯一方法与手段。虽然随着科学技术的发展与进步，地球物理方法也可用于获取地球内部信息，但由于地球物理方法检测的是一个物性参数的集合，其解释依赖于大量地层或岩石物理参数的标定，并且其解释结果包含着大量的主观推测与判断，不能完全反应原位岩石的客观组成与存在，而且解释者不同，其解释结果可能截然不同，即通常所说的地球物理数据的多解性。岩心既能反映地层物质的矿物组成、化学成份，又能表征地层的空间结构、地质构造等。通过观察、分析、研究岩心，可全面地推断出岩心所在深度的原位状况，这也

4、是油气井钻探在关键层位还需要进行取心钻进作业的主要原因。因此，我国地质勘探多采用取心钻进方法，仅在一些煤田等沉积矿床勘探工作中结合部分地球物理评价工作。国内外取心钻进技术主要可分为石油钻进取心技术、地质勘探钻进取心技术两大类。由于工作的对象都是地层或岩石，工作的目的都是从地球深部钻取岩心，上述两大类技术间存在许多共性。但是，取心目的不同，钻进地层各异，因而其间也存在一些差异。一、 国内外石油取心钻进技术概况石油取心钻进的目的主要是了解地层的生油指标、油层的孔隙度、渗透率、含油气饱和度以及油气层的有效厚度等。由于石油钻井一般口径较大，取心成本很高，所以石油钻井中取心钻进比例相对较低。在石油钻井中

5、，最常用的取心方法为提钻取心法。绳索取心方法由于要使用专门的绳索取心钻杆，在取心比例很低（一般不超过5%）的石油钻井中，在全面钻进和取心钻进的转换过程中倒换钻杆即费时也不方便，且钻杆成本很高，因此绳索取心钻进方法在石油取心钻进中很少采用。石油钻井中，为了在不同的地层中实现不同的取心目的，研制出了不同的取心工具，常用的取心工具有：自锁式取心工具、加压式取心工具、保压密闭取心工具、密闭取心工具、海绵取心工具、橡皮筒取心工具。由于石油钻井中普遍采用提钻取心，因此在取心钻进工艺上有一套独特的长筒取心技术。二、 国内外地质勘探取心钻进技术概况与石油钻井不同，地质勘探钻进主要采用取心钻进方法。取心的目的是

6、通过对岩心的观察与分析，了解岩心母本的化学成份、含矿品位、结构及赋存状态等特性，最终对取心母本的情况作出全面、客观、正确的评估。国内外取心钻进技术种类较多，分类各异。按取心方式可分为绳索取心和提钻取心；按取心管（或岩心管）的结构型式可分为单管取心、双管取心和三层管取心，其中双管取心又分双动双管和单动双管取心；按碎岩工具可分为金刚石取心钻进、硬质合金取心钻进和牙轮取心钻进；按碎岩方式可分为回转取心钻进和冲击回转取心钻进；按循环方式可分为正循环取心钻进和反循环取心钻进，其中反循环取心钻进按循环介质又可进一步分为无泵反循环、喷射反循环、水利反循环、空气反循环和气举反循环等。对取心钻进的研究，无论国内

7、还是国外，都把注意力集中如何提高取心质量、如何提高取心效率、如何提高岩心采取率、以及如何在取心困难的地层获取尽量多的岩心上。具体来说主要进行了碎岩材料与工具、取心工具、取心工艺等方面的研究，集中表现在金刚石绳索取心钻探技术上。三、 我国深部取心钻探技术定位毫无疑问，取心钻进依然是我国地质勘探钻进的主流方向，而对于深部取心钻探技术来说，绳索取心钻探技术必然是在可以预见的一段历史时期内占据主导地位的技术方法。而对于深部绳索取心钻探技术来讲，其核心技术关键应该是钻探设备、钻探机具、泥浆技术等。同时，还应该重视定向钻进技术的应用，自上世纪80年代，勘探技术研究所研究、推广应用受控定向钻探以来，不仅在安

8、徽铜陵冬瓜山铜矿勘探工作中取得了极大成功，还成功应用于我国的盐卤矿、芒硝矿等水溶性矿产的开采领域。在普通钻孔难以到达的勘探部位和坑道内以及陡斜矿体的勘探中，利用高精度受控定向（取心）钻探技术可以明显减少钻探工作量和施工费用。四、 金刚石取心钻进技术一、金刚石钻头的选择与使用(一)选择金刚石钻头的原则(1)软至中硬和完整均质岩层，一般宜用天然表镶钻头、复合片钻头、聚晶钻头，部分可用烧结体钻头。(2)硬至坚硬致密的岩层(分级表中712级)，一般宜用孕镶钻头，尖环槽同心圆或交错尖环槽钻头，或细粒表镶金刚石钻头。(3)在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，如煤系地层，宜用尖齿型广谱钻头或耐磨性好的

9、、补强的电镀孕镶钻头。(4)根据岩石的研磨性、风化程度和破碎程度选择胎体耐磨性的原则是：强研磨性岩层，选用高耐磨性的胎体；中等研磨性岩层，选用中等耐磨性的胎体；弱研磨性岩层，选用低耐磨性的胎体。(5)复杂岩层，研磨性越强、越硬，选用金刚石品级好、粒度相对细的钻头。(6)强研磨性、较破碎的岩层，在保证金刚石包镶良好的条件下，选用金刚石浓度较高的钻头。反之，均质致密、弱研磨性的岩层，选用金刚石浓度较低的钻头。(7)岩层软，排粉多，选用复合片钻头或聚晶钻头，易冲蚀的岩矿层取心，应采用底喷式钻头。俄罗斯常用的天然和人造金刚石钻头的应用范围见表9-25。表1 俄罗斯常用的天然和人造金刚石钻头应用范围钻头

10、类型用途应用范围规定应用范围的文件01A3单层岩心管用钻头可钻性89级(rm=15.234.1)的弱研磨性、细粒、致密、完整的岩性TY2-037-79-8001A4可钻性89级(rm=15.234.1)的弱研磨性、中粒、裂隙岩层TY2-037-79-80023可钻性912级(rm=22.8115.2)的弱研磨性、很坚硬、致密、细粒到隐晶质的完整岩层TY2-037-79-80024可钻性10和12级(rm=34.0115.2)研磨性、细和中粒、极坚硬、致密和裂隙岩层TY2-037-79-8004A3可钻性79级(rm=10.234.1)的弱研磨性、细和中粒的岩层TY2-037-79-8007A3

11、可钻性79级(rm=10.234.1)的弱研磨性、细和中粒的岩层TY2-037-79-8014A3可钻性810级(rm=15.251.2)的裂隙性岩层TY2-037-79-80A4可钻性810级(rm=15.251.2)的致密和微裂隙岩层TY2-037-79-804可钻性912级(rm=22.876.8)的微裂隙和裂隙层交错的研磨性岩层TY2-037-313-81023可钻性711级(rm=10.2115.2)的弱研磨性、研磨性岩层OCT2477-4-7515A3可钻性67级(rm=6.815.1)的岩层TY037-216-7716A3可钻性67级(rm=4.610.1)的岩层TY037-21

12、6-77024可钻性912级(rm=22.876.8)的研磨性、细和中粒极坚硬致密和裂隙性岩层TY2-037-79-8018A3双层岩心用钻头可钻性811级(rm=15.234.2)的致密和弱裂隙性岩层TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)193()YT型可钻性911级(rm=34.276.8)的致密和弱研磨性岩层TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)可钻性89级(rm=15.234.2)的致密和弱研磨性岩层TY41-01-189-8110A3H-2和2型可钻性89级(rm=15.234.2)的弱研磨性、细粒、裂隙与致密岩层TY2-037-79-80

13、113可钻性1012级(rm=34.276.8)的弱研磨性、细粒隐晶质、裂隙与致密岩层TY2-037-79-8012A3定向钻进用钻头可钻性89级(rm=15.234.2)的弱研磨性岩层TY2-037-79-80133可钻性911级(rm=22.876.8)的弱研磨性岩层TY2-037-79-8008A3无岩心钻进用钻头可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-80083可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-8009A3可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-8001A

14、3CB和01A4CB型人造金刚石钻头可钻性达8级(rm=15.222.8)的完整和弱裂隙性岩层TY2-037-302-80023CB和024CB可钻性达8级(rm15.2)的致密和弱裂隙性岩层TY2-037-302-8015A3CB可钻性56级(rm=4.510.1)的岩层2-037-255-8015A3KC可钻性56级(rm=4.510.1)的岩层2-037-255-8003P(KCAB)可钻性58级(rm=4.522.8)的不同研磨性的岩层TY48-19-344-8016A3CB可钻性68级(rm=6.815.2)的岩层2-037-255-8001镶有斯拉乌季契的钻头可钻性710级(rm=

15、10.151.2)的完整和弱裂隙性岩层88乌克兰CM725-8002可钻性58级(rm=4.522.8)的完整和弱裂隙性岩层88乌克兰CM725-8003可钻性811级(rm=15.276.8)的裂隙性岩层88乌克兰CM725-8004，05可钻性911级(rm=22.876.8)的坚硬、完整、研磨性岩层88乌克兰CM725-8006，-7可钻性810级(rm=15.251.2)的完整岩层(二)合理使用金刚石钻头选择钻头类型之后，为了取得最优的技术经济指标，必须采取以下8项技术措施。1金刚石钻头、扩孔器要排队轮换使用(1)根据岩层、设计孔深等情况，钻头、扩孔器应排队轮换使用，先用外径大的，后用

16、外径小的。同时亦应先用内径小的，后用内径大的。在轮换过程中，应保证使排队的钻头、扩孔器都能正常下到孔底，以避免扫孔、扫残留岩心。(2)提钻后必须用游标卡尺，精确测量钻头和扩孔器的外、内径，以及孕镶钻头的高度，并做好记录，以作为下个回次选择钻头尺寸的依据。2钻头与扩孔器必须合理配合(1)扩孔器外径应比钻头外径大0.30.5mm，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。扩孔器外径过小，则起不到扩孔保径的作用。(2)钻头内径和卡簧的自由内径必须合理配合。卡簧自由内径过大，则取不上或卡不牢岩心，造成中途脱落或残留岩心过多；卡簧自由内径过小，易造成岩心堵塞。因

17、此，每次下钻前，要注意检验钻头尺寸与卡簧的配合尺寸。机场应备2至3种尺寸的卡簧以供选配。3为金刚石钻头创造良好的工作条件(1)金刚石性脆，遇冲击载荷易碎裂，因此要求孔内清洁，孔底平整，孔径规矩。(2)发现孔底有硬质合金碎屑、胎块碎屑、脱落的金刚石颗粒、金属碎屑、脱落岩心、掉块等，要立即采用冲、捞、捣、抓、粘、套、磨、吸等方法清除。(3)凡用金刚石钻进的钻孔，禁止采用钢粒钻进。当新钻头下孔前，要进行磨孔处理。(4)换径和下套管前，必须做好孔底的清理和修整工作。换径和下套管后，用锥形钻头将换径台阶修成锥形，并取净孔底异物，方可钻进。4改善钻具稳定性钻进过程中，因受钻进技术参数选择不当、孔斜严重、钻

18、具级配不合理、钻孔超径等因素的影响，钻具会产生不同程度的振动。虽不能全部消除振动，但采取相应的下列预防措施，是可得到改善的。(1)采用圆断面、直的、与钻杆同级的机上钻杆和高速轻便水龙头、轻型高压胶管，以消除偏重现象，保持机上钻杆运转平稳，防止晃动；不使用弯曲度超过规定的钻杆和粗径钻具。(2)采用级配合理的钻具，以减少钻具与孔壁或套管内壁的环状间隙，从而减少钻具的“径向”振动。(3)不得采用过大钻压和泵量钻进。(4)可采用减振器、扶正器或稳定接头。(5)在强研磨性、破碎、软硬互层的岩层中，禁止盲目用高转速。(6)使用乳化冲洗液、润滑膏，以减少钻具回转时的摩擦阻力和振动。(7)钻机与柴油机的传动轴

19、中心线要对准，机身要周正水平，基础要牢固。5防止岩心堵塞(1)应采用单动双管钻进。在节理发育、破碎、倾角大的岩矿层，应设计专用取心工具。(2)吸水膨胀、节理发育等易堵岩层应采用内径较小、补强较好的钻头，使岩心顺利地进入内管。3)为保证较破碎岩心能平滑顺利地进入内管，内管壁可以涂适宜的润滑脂或喷涂塑料、镀铬。(4)采取相应的减振措施，减少由于振动造成岩心、矿心破碎引起的堵塞。(5)钻进过程中，不允许任意提动钻具，开、关车要平稳，钻压、泵量要均匀。6防止烧钻烧钻指金刚石钻头在钻进过程中，因操作不当或孔内情况复杂，造成钻头被烧毁，无法再用的简称。烧钻轻者使钻头报废，钻头费用剧增；重者，钻头胎体熔化，

20、且和岩粉、残留岩心烧结在一起，甚至发生连同岩心管一起烧毁的事故，致使被迫终孔或报废。烧钻将引起卡钻事故，往往伴随有钻孔弯曲。因此，烧钻是金刚石钻进最易发生的事故之一，应严格采取预防措施。(1)保证冲洗液循环畅通。金刚石钻进一般采用高转速钻进。由于钻头、钻具与孔壁间隙小，一旦孔底冲洗液补给不足或循环中断，致使钻头冷却不良，排粉不及时，瞬间即可把钻头烧毁。因此，在钻进过程中，始终要保持循环畅通。(2)控制合理的钻进速度。在金刚石钻进过程中，切忌盲目加压，追求进尺。钻速过快，造成孔内岩粉淤积，排粉不及时，会产生烧钻，甚至钻孔弯曲。要力求避免这种恶性连锁反应。还应再次强调金刚石钻进工艺3要素的有机配合

21、。在钻进中硬至硬岩层时，转速是提高孕镶钻头钻速的主要因素；钻进硬岩层时，则应以提高钻压为主。随钻速增长，泵量亦应相应增加。然而，切忌单纯靠盲目加压取得高转速。一般在中硬均质岩层中，钻速应适当控制，并配以适当泵量。(3)集中精力，精心操作。钻进过程中要精心操作，观察各种仪表显示的数据，以及机械、传动皮带、胶管等的运转和动态变化。一般钻头由硬岩钻人软岩层，钻速突然变快，泵压增高、钻机回转吃力，都是烧钻的预兆。此刻，应立即限制钻速，降低钻压和转速，增大泵量或停止钻进；提动钻具并冲孔；待水路畅通，判断无误时，方可继续钻进。处理无效时，应立即提钻。泵压下降，胶管会由突然跳动趋于平稳；钻具回转吃力，是泥浆

22、泵汲水不良，钻柱中途或孔底严重失水的征兆，有发生卡钻的危险，应及时处理。金刚石钻头外径小于规定尺寸，不得下孔使用；采用磨孔钻头磨孔时，一次进尺不宜过多，要用大泵量冲洗。要严格按规程配置卡簧座与钻头内径尺寸，防止岩心堵塞。一旦遇到岩心堵塞，应立即提钻，进行妥善处理。下钻离孔底0.2m左右，要开泵冲孔，待循环畅通后，用慢转速下到孔底，开始小压力、低转速、初磨钻进，待正常后再快速钻进。切忌用金刚石钻头扫孔。发现烧钻预兆时，严禁关车，应迅速上下活动钻具。待隐患清除后，应立即提钻检查，弄清烧钻起因，采取相应的技术措施。7孕镶钻头的初磨和修磨(1)新的孕镶钻头下孔后，采用轻压慢转，大致钻进0.20.3m后

23、，使金附石刃出露，并与孔底磨合，再进行正常钻进。(2)采用喷砂方法，促使金刚石出刃。喷砂方法是利用携带硬质粒子的高速流体束，对旋转中的钻头唇面进行喷射，使钻头唇面的金刚石刃出露并锐化，以实现钻头有效钻进。当孕镶钻头出现打滑时，均可采用此方法。(3)孕镶钻头水口小于3mm，要用砂轮或锉刀修磨加深，并尽量保持一致，以免冲蚀不均，造成钻头偏磨。二、金刚石钻进规程的论证与确定钻头选定后，金刚石钻进的效率有赖于钻进规程的选择。钻进过程包括：钻压、转速和冲洗液量3个参量。影响钻进规程参数的因素很多，主要有：岩层的性质和特点、钻头的类型、所用设备和钻具的性能、钻孔的直径和深度，其他工艺技术条件等。现用表镶和

24、孕镶金刚石钻头的特点，决定了它们必须采用以高转速为主体的钻进规程。特别是孕镶式钻头，由于其粒度小，可采用的切人量有限，故为了获得有效的钻进速度必须依靠钻头的高转速，否则钻速低就达不到实用的目的。同时，考虑到金刚石性质较脆和不耐高温等弱点，必须配合采用适当的钻压和足够的冲洗液量，以使钻头既不过量磨耗又得到充分的冷却。评定金刚石钻进规程(钻压、转速、冲洗液量)是否合理，主要依据钻速、钻头的总进尺和单位进尺金刚石的耗量3个方面的指标来衡量。(一)钻压图1 钻压对钻速和金刚石磨耗的影响决定钻压既有钻进所需的一面，又有所用设备和钻具可能施加其上的一面。一般来说，在一定范围内钻速是随着钻压的增大而增加的，

25、但钻压因孔底碎岩机理的不同而不同。图1表示钻压对钻速和金刚石耗量的影响。金刚石钻进也分为3个不同的区域：()为表面研磨破碎，虽也呈线性正比关系，但钻速极低；()为疲劳破碎区，这是一个过渡带，依靠多次重复，裂纹扩展而碎岩；()为钻刃切入岩石的体积破碎区。该区内钻速随钻压增长很快。但与此同时，单位进尺金刚石的耗量也随钻压的增长而增大。过大的钻压使金刚石耗量急剧增大，并且还会导致钻速下降。对二者权衡，决定钻压最佳区域。1钻压的确定具体确定钻压值时，可根据岩石的压人硬度、抗压强度和金刚石的抗压强度，同时也应考虑到钻速、钻头类型和钻头结构等因素。(1)根据岩石压入硬度确定钻压。作用于钻头上的钻压，应使每

26、粒工作金刚石与岩石接触应力大于岩石的抗压入硬度。其关系式为：Py-mFsc (1)式中：Py临界钻压，(N)；F一单粒金刚石与岩石接触面积，(mm)；m工作金刚石粒数；sc岩石压人硬度，(Pa)。(2)根据金刚石的强度确定钻压。作用于钻头上的钻压，应使每粒工作金刚石的接触压力小于金刚石的强度，其关系式为：Py-mFsD (2)式中：sD金刚石的抗压强度，(Pa)。(3)根据岩石抗压强度确定钻压。在一般情况下，为保证金刚石有效地破碎岩石，必须使金刚石接触面上的单位压力大于，岩石的抗压强度，单位压力值应小于金刚石的抗压强度。3者之间的关系可用下式表达：srspsD (3)式中：sp金刚石与岩石接触

27、面上的单位压力，(Pa)；sr岩石抗压强度，(Pa)。人们通过理论推导和实践经验，总结出不同类型切削具计算钻压的公式：(1)对于表镶金刚石钻头，所施钻压可根据经验公式(4)求出：Py=ksrmF (4)式中：Py施加于钻头上的钻压，(N)；k工作金刚石的调整系数，一般为2/33/4；m钻头唇面金刚石的镶嵌量；F单粒金刚石与岩石的接触面积，(mm2)。(2)对于聚晶或复合片钻头，所施钻压可根据经验公式(5)求出：Py=fsrQF (5)式中：f调整系数，0.50.7；Q钻头唇面镶嵌聚晶或复合片数量，粒。(3)对于孕镶金刚石钻头，所施钻压可根据经验公式6计算：Py=pA (6)式中：p推荐的单位压

28、力，(Pa)；A钻头工作唇面与岩石的接触面积，(mm2)。孕镶钻头的自锐工作原理，决定了恒钻速钻进的特点。孕镶钻头是否处于恒速状态，是鉴别正常钻进的主要标志。在一定的地层和技术条件下，孕镶钻头能否实现恒速钻进，很大程度上取决于钻压的选择是否合理。钻头维持恒速钻进的最低钻压；称为恒钻速最小钻压。钻压小于恒钻速最小钻压时，将出现钻速下降现象，即钻头处于打滑状态。此时，应及时调整，增大钻压，使之处于新的恒钻速状态。(4)根据合理钻速确定钻压。金刚石钻进中的关键问题之一是使工作唇面的金刚石切入岩石保持合理深度。钻头中的金刚石出刃量是非常微小的。表镶钻头大致是几百mm；孕镶钻头只几十mm。当金刚石切入岩

29、石深度过大时，孔底排粉间隙太小，恶化孔底和冷却条件，引起岩粉堵塞，钻头磨损和钻速下降，甚至发生烧钻事故。当金刚石切人岩石深度过小时，则钻头易打滑、抛光、钻速降低，影响正常钻进。要通过对钻速快慢的分析，确定出金刚石合理的切人岩石深度，以达到既有适当的高钻速，又有较小的钻头磨损率。2影响钻压的有关因素(1)使用新钻头时，切削单元锋利，初磨阶段应轻压慢转，待钻头与孔底之间以及内径同岩心之间磨合后，再调整到正常的钻压和转速值。在正常钻进过程中，切勿随意变更压力。在确认切削具磨钝后，方可适当增大钻压。(2)钻压对压力的影响。在钻进过程中，施于钻头上的轴向载荷，主要来自岩心管上部钻柱的重量。在孔深100m

30、以内钻进时，多采用钻机加压；孔深大于100m，则用减压钻进。施加于钻头上的轴向载荷可用公式(7)计算：Py=WL+W (7)式中：W钻杆单位长度重量，(N/m)；W钻机油缸施加的轴向压力，(N)。在利用钻杆自重加压的条件下，施加于钻头上的压力可用(8)式计算：Py=WL (8)式中：L钻杆总长，(m)。图2 钻杆旋转时与孔壁磨擦示意图在减压钻进的条件下，施加于钻头上的压力可用(9-10)式计算：Py=WL-P (9)式中：P钻机提升力，(N)。(3)转速对钻压的影响。由于钻轴与钻孔不同心，钻杆高速旋转所产生的离心力对孔壁存在侧向压力Fn(见图2)，它与转速的平方成正比。当钻柱向下移动时，钻柱与

31、孔壁之间存在摩擦，必然产生一个向上的摩擦力Fm。其大小与Fn、钻杆与孔壁间的摩擦系数m有关。摩擦力Fm抵消部分钻柱重量，造成压力损失。根据公式推导和实测转速所造成的钻柱重量损失，大致见表2所列数值。表2 转速对压力补偿值转速(r/min)压力补偿(规程规定值)6001/48001/310001/212001/3(4)泵压对钻压的影响。因为金刚石钻进的孔壁间隙小，粗径钻具在孔内尤如活塞，必然被冲洗液的反作用力往上推，抵消部分钻柱压力。综合上述，影响钻压的因素很多，又很复杂，难于用准确的公式推算出来。但有了全面的了解，就能作出正确判断。从实践中总结出的经验是采用控制钻速的办法来控制钻压，原则是，钻

32、头磨损正常，钻速平稳。不同金刚石钻头的钻压见表3。表3 不同金刚石钻头的钻压(dN)钻头直径(mm) 钻 头 类 型3646597591表镶钻头初始压力5010050100100200100200250常压20040030060040075060010008001100孕镶钻头25045040070045085060011008001500图3 转速与钻速的关系1一细砂岩；2一灰岩；3一花岗岩(二)转速转速亦是影响金刚石钻进效率的主要因素之一。研究转速与机械钻速(简称钻速)和钻头磨损之间的关系，对正确选择转速具有重要意义。(1)在细砂岩、灰岩、花岗岩中钻进，转速和钻速的变化规律，呈线性关系，如

33、图3所示。(2)在不同钻压条件下，转速与钻速的变化规律，如图9-36所示。图中表明：在较高的钻压下，转速对钻速的影响更为显著，呈正比线性关系；钻压偏低未达到碎岩应力时，钻头反而有被抛光的趋势，钻速随转速增加而下降。(3)转速与钻头的磨损关系。一般情况下，随转速的提高，钻头相对磨损降低。这是因为随钻头线速度的提高，单位时间内的磨损量虽然有所增加，但是其单位时间内的进尺量亦随转速增加而增加；钻头磨损的增长低于破岩效率的提高，因而相对磨损量下降。图4 不同钻压下转速与钻速的关系12.94MPa；25.88MPa；37.84MPa；411.76MPa(4)关于转速的选择，大体遵循以下几个原则：在中硬至

34、硬、中等研磨性的完整岩层中钻进，一般可采用较高转速；在坚硬致密的岩层中钻进，主要靠钻压破碎岩石，宜采用较低转速；在复杂地层中钻进，宜采用较低转速；转速与切削具磨损之间的关系比较复杂，其间存在一个合理值，即在一定的转速下，切削具的磨损量最小，钻速适中，钻头进尺最佳。转速过快或过慢，切削具的磨损量都会增加，钻速虽高，但钻头进尺量减少。钻头转速一般根据其圆周线速度计算，由于镶嵌在其上的金刚石出刃只有几十mm至几百mm，因此，要获得较好的钻进效率，主要靠提高单位时间内的切削岩石的次数。一般孕镶钻头采用的线速度为24m/s，推荐转数见表4；而表镶钻头，一般采用的线速度为13m/s。推荐转数见表5。表4

35、金刚石孕镶钻头适用推荐转数钻头直径(mm)3646597591适用转数(r/min)1000200075015006001200400850350700表5 表镶金刚石的适用推荐转数钻头直径(mm)3646597591适用转数(r/min)65013005001000400800300550250500(三)泵量泵量系指将冲洗介质，如清水、泥浆等泵人孔底的量。在金刚石钻进过程中，冲洗液起冷却切削具、排出岩粉、保护孔壁、润滑和减震作用。因此，泵量对金刚石钻进具有特殊的意义。1. 金刚石钻进对冲洗液量的特殊要求(1)金刚石钻头唇面排粉漫流间隙小，极易形成岩屑重复破碎、岩粉堵塞，甚至形成坚实的岩粉垫

36、，使孔底排粉和冷却条件恶化，故对钻头水力学提出了特殊要求。(2)金刚石热稳定性差，温度过高将导致金刚石石墨化，胎体变形，机械性能降低。(3)钻孔环状间隙小，约23mm，水力损失大，无用循环功耗大，亦影响钻头水马力的利用。有必要研究孔内水力能量的有效利用。(4)表镶钻头钻进时，靠漫流通道冷却唇面金刚石和排粉。因此，调整水口和漫流水路断面之间的关系，是保证提高水力效果、冷却和冲洗效果的关键。(5)孕镶钻头钻进时，钻头漫流通道小，冲洗液对金刚石冷却和清除岩粉的效果差，加强水口的水力作用是水路设计的主要研究对象。在钻进过程中，钻头与岩石摩擦，导致钻头唇面温度升高。图5是花岗岩和粉砂岩在不同规程钻进时，

37、钻头温升的变化规律。图5 (a)一钻压对钻头温升的影响；(b)一转速对钻头温升的影响1一花岗岩；2一粉砂岩上述结果表明：(1)温升随钻压、转速的增加而增高，基本上呈正比线性关系；(2)在正常钻进规程条件下，胎体温度大致在20120左右；(3)当采用较强的钻进规程时，钻头结构和水马力设计是降低胎体温升的重要因素。2泵量对钻速的影响如图6所示，在粉砂岩和花岗岩中钻进，泵量对钻速的影响是：(1)当泵量减少到一定程度后，对钻速产生明显的影响；图6 泵量对钻速的影响(a)一在粉砂岩中：vm一钻速(b)一在花岗岩中：v一钻速；W一磨损量(2)泵量和岩石种类亦有关系。在细砂岩中钻进，泵量降至5l/min，钻

38、速才下降；而花岗岩泵量降至1l/min，钻速才发生明显变化。3冲洗液的返流速度冲洗液排粉和冷却钻头的效率，与返流速度有关。虽无法准确算出将岩粉从孔底送到地表所需冲洗液量，但可以返流速度为依据。一般按公式10)计算：Q6vA (10)式中：Q冲洗液量，(l/min)；v环状间隙上返流速，(m/s)，对金刚石钻进，0.4v0.7m/s甚至1.0m/s；A钻孔环状断面，(cm2)。可用(11)式计算液体返流中岩粉悬浮时的最大颗粒直径。R0.0055v2g1(g1-g)-1 (11)式中：R最大颗粒直径，(mm)；v液体返流速度，(cm/s)；g1颗粒相对密度；g冲洗液相对密度。影响冲洗液量的因素较多

39、，具体选择时，还应考虑下列因素：(1)岩层的完整度。钻进坚硬致密岩层，钻速低、岩粉少、颗粒细，液量可小些。这尤其适应孕镶钻头，因尚需用岩粉作自锐介质。(2)钻进软、中硬的岩层，钻速较高，或易糊钻的岩层，为了快速排粉，液量宜大一些。(3)钻进研磨性岩层，由于转速高，摩擦产生的热量较多，液量应大一些。(4)钻进漏失地层，为了补偿损失部分，液量应大于正常情况。(5)钻头类型。孕镶钻头由于金刚石出刃量小，唇面与孔底岩石接触面积大，过水条件差，又多采用高转速钻进，为及时冷却金刚石和胎体，避免金刚石石墨化和重复破碎岩粉，应采用较大水量。对表镶钻头，金刚石出刃量比孕镶钻头大，排粉和冷却条件较好，冲洗液量可稍

40、小一些。根据经验，金刚石钻进常用的冲洗液量见表6。建议根据上述因素和钻速高低，结合实际情况，适当调整冲洗液量。表6 金刚石钻进常用的冲洗液量推荐值钻头直径(mm)3646597591冲洗液量(l/min)20302540304540605070在金刚石钻进过程中，观察泵压变化，可以发现孔内某些变化的征兆。根据实践经验，一般在直径46或59mm、孔深300m左右，采用清水钻进硬岩层，正常泵压约5.01l051.01106Pa(泥浆钻进时略高一些)；钻进软岩层，约8.081051.212106Pa。之后，孔深每增加100m，约增加2.03105Pa。在钻进过程中，泵压产生小幅度的升高或下降，系孔底

41、换层征兆。泵压突然大幅度升高，伴随钻速下降或不进尺，可能发生岩心堵塞。因此，当发现泵压异常时，须采取相应技术措施，以防烧钻、断钻杆、脱扣等事故的发生。(四)临界钻进规程钻压、转速和泵量这3个规程参数，虽然各自有其作用和特点，但在钻进过程中3者是相互配合和互相制约的。为了进一步提高金刚石钻进的效率，必须优化钻进规程，使钻进在最优状态下工作。通过对钻进时热物理过程的试验研究，获得了有关钻进规程参数与钻头胎体温度、功率消耗、机械钻速、胎体磨损之间的进一步认识，并提出了金刚石钻进的正常钻进规程和临界钻进规程的见解。在正常钻进规程时，只要冲洗液量适当，胎体温度正常，功率消耗平稳，则钻头磨耗轻微。而到达临

42、界钻进规程以后，则胎体温度急剧上升，功率消耗急剧增大，钻头磨损严重，甚至发生烧钻。1胎体温度与轴向压力户和钻头转速的关系乌克兰超硬材料研究所曾用孕镶人造金刚石(粒度为200400mm)钻头在花岗岩中进行了钻进试验，获得胎体温度()与轴向压力(P)和转速(n)间的函数关系，如表7所列。表7 钻头胎体温度()与轴向压力(P)和转速(n)的关系钻头转速n(r/min)项目胎体温度轴向压力P(N)10002000300040005000600070008000900010000600601601901905607501007010059095070808062065067011809012064015

43、005070120550图7 胎体温度及功率消耗与Pn值的关系1一胎体温度；2一功率消耗由表知：当轴向压力(P)和转速(n)达到某一值时，胎体温度急增，由100200的常规温度而升达600700的高温。从钻进规程而言，这时是由正常规程变为临界规程。此时，Pn的值达到了临界值。对于某一岩石来说，Pn值的临界值基本上是一个常数。对某地的花岗岩来说，Pn临界值(61.13.8)105Nr/min。表7中的黑体字与深色背景表示临界规程区域及其与正常规程的分界线。胎体温度及钻进时的功率消耗与Pn值的关系见图7所示。图中斜线部分为Pn临界值的范围。2功率消耗与钻进规程的关系通过钻进试验发现：钻进时功率消耗

44、与轴向压力及转速有直接的关系。表8表示了钻进同一花岗岩时钻进的功率消耗与Pn值的关系，它们与胎体温度的升高完全一致。当Pn值达到600104Nr/min时，胎体温度急增，同时功率消耗也大增，达到临界规程状态。表中黑线和深色背景表示临界规程区域及其与正常规程的分界线。3. 机械钻速与钻进规程的关系在同一试验中，获机械钻速与轴向压力及转速的关系，示于表9。表8 钻进功率消耗与轴向压力P及转速n的关系钻头转速nr/min项目轴向压力P(N)10002000300040005000600070008000900010000600Pn(103)36004200480054006000功率kW1.711.

45、861.922.325.34750Pn(103)3750450052506000功率kW1.801.862.045.67950Pn(103)380047505700665076008550功率kW1.952.312.795.376.566.911180Pn(103)354047205900功率kW2.162.645.521500Pn(103)1500300045006000功率kW0.481.442.165.54表9 机械钻速(mm/min)与轴的压力P及转速n的关系钻头转速n(r/min)项目机械钻速轴向压力P(N)10002000300040005000600070008000900010

46、000600202530364075030353744.59503032374482581180303545150027353747.5由表9知，钻进该花岗岩的临界机械钻速也发生在同一条件下。表中粗线表示正常规程与临界规程的分界线。在此情况下，机械钻速的临界值约为44mm/min左右。十分明显，用该孕镶金刚石钻头钻进该花岗岩时，其最高钻速不得超过正常规程下的最高值即37mm/min，且不得越过分界线，否则会产生严重的不良结果。4胎体温度与冲洗液的关系实际试验表明，冲洗液量对于冷却钻头是有某种限度的，如表10所示。表10 冲洗液量的影响指标冲洗液量(l/min)152030胎体温度，725640

47、550钻进功率消耗，kW5.675.225.13由表可知：当冲洗液量由151/min增加到301/min时，胎体温度和功率消耗都有某些降低。虽然冲洗液量已经增大一倍，但未能达到把钻进过程由临界状态变为正常状态的程度。因此，要想单纯依靠增加冲洗液量来改变钻进的非正常状态和解决烧钻问题，是不可能的。所以，在金刚石钻进中，在某一条件下必须有适中的(高于最低的)冲洗液量来作为冷却钻头和冲洗孔底的保证。但若超过该量，或过多增大冲洗液量，效果并不显著。5钻头磨损与钻进规程的关系钻头的磨损通常以相对磨损来衡量常采用单位进尺钻头的重量磨损，也采用单位破碎功的体积磨损等指标。胎体磨损与钻进规程间的关系，经试验研

48、究，其结果示于表11和图9-40中。表11 胎体磨耗与钻进规程的关系钻头的圆周速度m/s轴向力N破碎功103Nm胎体的磨损10-4cm3胎体磨耗cm3/Nm1.81600065007000750061062086059016.416.424.616.40.00270.00270.00230.0028800085009000950087098055062098.0131.082.0105.00.01130.01340.01500.01712.30400050006000650067501060105077099049032.832.824.632.816.40.00310.00310.00320

49、.00330.003470007500800085001210730660870147.0106.0115.0175.00.01220.01460.01740.02012.853000400045004750510102050050016.432.816.416.40.00320.00320.00330.0033500055006000650070008306905409001180123.0116.0100.0183.0131.00.01460.01670.01850.02030.0234表9-35中以黑线表明正常规程和临界规程的分界。十分明显，临界规程引起钻头磨损的急剧增大。在图8中a线表

50、示正常规程；b线表示临界规程。无论是在实验室条件下还是在生产条件下，当由正常规程转向临界规程时，钻头磨损都具有突变性质并急剧增大。由图9-40可看出，钻头的磨耗在生产条件下要比实验室条件下高出3倍。这可能是由于生产条件下钻头上作用着大的动载和冲击的缘故，或由于进入临界规程，钻头上出现高温，降低了金刚石的强度和胎体的硬度所引起的。由前可知，对某一种岩石，其临界规程的Pn值基本是一常数，此值可通过实验确定。在实际钻进中，应根据岩层特性和设备能力对钻进过程进行调整和优化。Pn值必须小于临界值，以免钻头过分磨损或发生烧钻；但Pn值也不能过小。规程过小，不仅直接影响钻进效率，而且会使钻进失稳。此外，由于

51、胎体温度、钻进功率消耗以及钻头磨耗都与规程参数有关，并且它们同正常规程和临界规程的分界线也相一致。所以，在实际工作中，常以钻进功率的变化来判断孔底胎体温度和钻头磨损的变化和状况。因此，可以说钻头胎体温度和钻进功率消耗是表征钻进过程的两个参数，也是衡量钻进规程正常与否的重要依据。图8 钻头磨耗与轴向压力及圆周速度乘积的关系I一实验室条件下；一生产条件下三、金刚石钻头的磨损和钻具的振动(一)金刚石钻头的磨损与预防钻进过程中钻头克取岩石，钻孔不断加深。同时岩石也磨损钻头，导致钻头磨损。金刚石钻头的磨损分为正常磨损和非正常磨损。1. 金刚石钻头的正常磨损(1)孕镶钻头的正常磨损。孕镶钻头的工作原理是：

52、胎体金属组分与金刚石之间存在磨耗差，使金刚石不断出露，产生自锐，克取岩石。孕镶钻头的正常磨损形态是，金刚石出露量约占粒径的1/31/4左右。在钻头旋转尾部形成后支撑，如蝌蚪状，产生有效工作区。这表明胎体耐磨性与岩石研磨性相适应。在中等研磨性的岩层中钻进，表现尤为明显。(2)表镶钻头的正常磨损。表镶钻头的正常磨损比孕镶钻头的正常磨损容易观察。凡是下列情况都属正常磨损：金刚石、聚晶、复合片无断裂、崩落现象；胎体冲蚀正常；切削具随进尺的增加，磨损量逐渐增大。2金刚石钻头的非正常磨损金刚石钻头的非正常磨损形态有下列几种情况：底唇面被抛光。原因是：岩石坚硬、致密、研磨性低；选用的钻头胎体太硬，金刚石品级

53、较低；金刚石浓度太高；钻压不足、转速偏高。胎体端面轻微烧钻。原因是：由于金刚石品级太低，很快磨平；钻压过大、冲洗液量不足，胎体表面与岩石强烈摩擦，产生较高温度，导致轻微烧钻。胎体端面形成沟槽。原因是：由于孕镶钻头出刃小，压入岩石后，冲洗液难于通过；钻压过大，冷却又不良，排粉困难，重复研磨胎体，端面温度升高，出现微烧，恶性循环的结果，出现拉槽；如系天然表镶金刚石钻头，则因金刚石覆盖不完全，或金刚石脱落所致；孔底有金属或硬岩碎块。钻头磨出内、外台阶或锥形。原因是：在硬岩层中扩孔钻进，造成外缘磨损；在硬、碎岩层中钻进，钻头内外缘金刚石掉粒或剪断；发生岩心堵塞和重复破碎；用钻头扫探头石、脱落岩心或残留岩心，或松