砂卵石地层金刚石钻头的研究与应用

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摘要：针对金刚石钻头在砂卵石地层钻进存在效率低和寿命短的问题，研究适合砂卵石底层钻进的金刚石钻头，提高钻进效率和钻头寿命。

关键词：金刚石钻头；砂卵石地层；金刚石钻进

中图分类号：P619.24+1文献标识码： A

1.概述

砂卵石地层分布较为广泛，是水利勘察中常见地层，但其地层极其复杂，在钻进过程容易出现塌孔、掉块、漏失等一系列影响钻进的问题[1] [2]。目前砂卵石地层主要的钻进技术有金刚石钻进厚壁或薄壁套管护壁[3]、潜孔锤钻进[4]等技术。取芯钻进通常以金刚石钻进技术为主。而常规金刚石钻头存在钻进速度缓慢，钻头易损坏等问题，并导致取芯质量低等一系列问题。虽然厂商和技术人员从强化钻头保径、突出水口设计、采用不同粒度金刚石搭建工作层等方面研究设计，取得了一定的成果，但由于砂卵石地层的复杂性，效果不甚理想。

2.钻头磨损及原因分析

金刚石钻头的磨损包括正常磨损和非正常磨损。正常磨损就是金刚石出露量合适，无脱落、胎体冲蚀正常等。而金刚石钻头的非正常磨损通常包含以下几种情况：

（1）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，金刚石品级较低；金刚石浓度太高；钻压不足、转速偏高。

（2）钻头胎体表面轻微烧结。原因是金刚石品级太低，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。

（3）胎体断面形成沟槽。原因是钻头出刃小，压入岩石后，冲洗液难以通过；钻压过大，冷却不良，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；或金刚石覆盖不完全，或金刚石脱落；孔底有金属或硬岩碎块。

（4）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；发生岩芯堵塞或重复破碎；用钻头扫探头石、脱落岩芯或残留岩芯，或脱落的套管接头。

（5）胎体严重损坏。原因是下钻碰到钻孔换径台阶、探头石、脱落的岩芯；钻头在缩径孔段受到挤压；在裂隙发育地层钻进，钻压过大，转速过高，冲洗液量不足，使胎体产生裂纹，进而发展成掉块。

（6）胎体出现裂纹。原因是压力过大，岩芯自卡。

（7）钢体严重磨损。原因是钻孔坍塌、掉块、或孔底岩屑过多，严重磨损钢体；卡簧座与钻头胎体之间的间隙太大，磨断钢体，使胎体留于孔内。

（8）水口严重冲蚀。原因是岩层研磨性特别高；冲洗液中含砂量及流速过高；胎体耐磨性偏低。

砂卵石地层结构疏松、粒径不均、软硬不均、孔隙大、破碎、漏失。钻进中极易出现各种问题，且这种地层特性对钻头造成的损耗更大。金刚石钻头在钻进这类地层时窜动比较厉害，钻头胎体受冲击较大，钻头磨损快，寿命短，掉块现象严重，造成大量金刚石钻头非正常磨损。在砂卵石地层钻进中常出现的非正常磨损是（3）～（8）。

3.钻头应用及问题分析

3.1 工程概况

工程位于青海某工区，地层主要为砂、卵砾石和砂层，局部夹有厚度小于1m的粘性土透镜体，松散堆积物厚度可达300m。卵石成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、辉绿岩等深色火成岩，卵石粒径多在20mm以上，含量达80%以上。

3.2 钻头参数

在该工区主要应用了市面上常见的两种金刚石钻头A和B。其共同点是采用碳化钨为胎体材料，硬度为52，底唇面性状为平面形，其它不同参数如表1所示。

表1 A和B金刚石钻头参数

规格（mm） 内/外出刃（mm) 水口数目（个）

/宽度（mm） 内/外保径

数目（个）

/高度（mm） 工作层高度(mm) 金刚石粒度（目） 金刚石浓度（％） 钢体厚度（mm） 钢体长度（mm）

A/94/68 1.5/2.0 8/5 3/3/5 7.3 80－100 110 7.75 121

B/94/70 2.25/2.0 10/5 4/3/5 11.2 40－80 120 5.15 80

3.3 钻头应用情况

A钻头平均钻进效率1.88m/h，平均寿命24.2m，机械磨损和研磨磨损严重，胎体出现拉槽，钻头端面与内外径磨损情况不同步，钻头提前报废。其中内出刃磨损后剩余0.3～1.0mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作层高度剩余0～4.5mm。分析原因是整体结构设计不合理，以及胎体材料和加工工艺上存在一定的问题，导致A钻头整体性能存在较大缺陷。

B钻头平均钻进效率2.45m/h，平均寿命40.2m，胎体出现拉槽，胎体出现崩裂掉块，水口冲蚀。其中内出刃磨损后剩余0.2～0.8mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作层高度剩余3.5～5mm。出现2次掉钻头事故。B钻头相对于A钻头各方面性能有所提高，但其寿命相对也较短，主要是胎体材料和加工工艺的原因。钢体厚度较薄，导致胎体与钢体连接不牢固，使得胎体出现崩裂掉块。钢体长度较短，钻进过程中，硬质颗粒反复研磨丝扣位置，导致2次掉钻头的事故发生。

4.钻头的改进与应用

通过对A和B钻头的应用情况对比分析，在心钻头的改进方面主要集中在以下几个方面。

（1）内外出刃。B钻头内外出刃的设计较好地保证了钻头的钻进效率和使用寿命，因此在新钻头上沿用B钻头参数。

（2）水口方面。水口数量与宽度对钻头冷却与排粉效果影响很大，间接影响钻进效率与钻头寿命。通过对A、B钻头水口损坏情况分析，其水口宽度较为合适，但数量相对较少。水口数量的减少导致钻头唇面尺寸增加，与岩石接触面积增大，影响使用效果。因此，新钻头的设计上采用增加水口数量。

（3）内外保径。其数目、排列方式和保径材料的尺寸对钻头性能影响很大。内外保径设计的合理会有效提高钻头使用寿命和钻进效率。新钻头保持保径材料高度不变，采用增加内外保径数目提高钻头性能。

（4）工作层高度。通过对比，A钻头的工作层高度较低，影响了钻头寿命。而B钻头的工作高度较高，但由于其他方面的原因，工作层高度的增加并没有给B钻头带来高的寿命。因此，新钻头的工作层高度采取了折中的方式，高度为9mm。

（5）金刚石参数。A钻头金刚石粒度范围较小，对金刚石出刃有一定的影响，并且不适合在砂卵石地层使用，相对较低的浓度也影响钻头的性能。B钻头的金刚石粒度范围较大，但材料单一，也影响了钻头的性能。因此，新钻头在提高金刚石浓度的基础上，采用粒度为40的金刚石颗粒作为主磨料，并加80目的金刚石辅料。

（6）钢体厚度和高度。较低的厚度和高度影响了B钻头性能的发挥。因此新钻头采用相对较高的厚度和高度。

（7）胎体材料。A、B钻头胎体材料为碳化钨，机械强度相对较弱。新钻头材料中添加TiC，提高胎体机械强度。

新改进后的钻头，在该地区应用，钻头平均钻进效率2.8m/h，平均寿命80m，非正常磨损情况相对较少。内出刃磨损后剩余1.2mm，外出刃剩余2.6mm，工作层高度剩余4.5mm。应用效果非常好。

6.总结

在砂卵石地层钻进，应根据地层情况以及试钻的情况去进行金刚石钻头的选择或设计，采用最合适的金刚石钻头能够取得最理想的钻进效果。

参考文献

鲁慎吾，任德昌.深厚覆盖层建坝研究成果综述[J].四川水利发电，1988，12：11－21.

阮海卫，等.针对复杂地层金刚石钻头的改进与应用[J].探矿工程，2010，37（1）：67－69.

黄小军，贺修安，陈晨. 多级跟管钻进工艺在苏哇龙水电站贡扎滑坡体工程勘察中的应用[J]. 水利水电技术，2009，40（3）：47－69.

付兵，邱大宝，成体海.潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石地层中的应用[J].探矿工程，2006，33（1）：42－43，49.

作者简介

葛字家（1982.3－）男，河南省新乡人，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，从事勘探工作。