06-金刚石钻探技术

金刚石钻进工艺
（三）冲洗液泵量
2、泵量对钻速的影响
右图是钻进粉砂岩和花岗岩时，泵量对 钻速的影响
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
（1）随着泵量的增加，钻速增加，到一
定程度时，钻速趋于稳定； （2）随着泵量的增加，金刚石磨损量减
小，到一定程度时，磨损量趋于稳定；
（3）在泵量较小的情况下，随着泵量的 减小，钻速急剧减小，磨损量急剧增大 。
金刚石钻进工艺
二、金刚石钻进规程参数
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
（三）冲洗液泵量
1、金刚石钻进对冲洗液量的特殊要求 （ 3 ）钻孔环状间隙小，约 2—3mm ，水力损失大，故 金刚石钻进时，冲洗液循环应具有较高的泵压。 （ 4 ）孕镶钻头钻进，岩粉较细，加之孔底需有一定 的岩屑帮助金刚石自磨出刃，故泵量相对较小（冷却 作用的泵量较小，每厘米钻头直径只需 0.2~0.3L/min 就能达到较好的冷却效果）。
金刚石钻进工艺
二、金刚石钻进规程参数 （二）转速
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
1、转速与机械钻速、钻头磨损间 的关系
（1）金刚石钻头与硬质合金钻头不
同，金刚石出刃小，是以多刃切削、研 磨破碎岩石，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。其变化规律基本呈线性正比关系。
通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕 镶金刚石钻头的周速应达到 1.5-3m/s。表镶钻头所用 的金刚石粒度较大，在钻进中允许有较大的切入量。 所以，要求的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大， 在回转中容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般 为1-2m/s。
选择合理的转速还应考虑以下：
1 、岩层 的性质， 在中硬完整的岩层中
金刚石钻进的临界规程
金刚石钻进存在正常规程和临界规程。
在正常规程中，钻头胎体温度正常，功率 消耗平稳，同时钻头磨损轻微；
而在临界规程下，钻头胎体温升急剧上升， 功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。 1、胎体温度与钻压和转速的关系 2、功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系 3、胎体温度与冲洗液的关系
破碎、体积破碎。随钻压的增加，单位
进尺的金刚石耗量也增长很快。过大的 钻压使金刚石耗量急剧增大，并导致钻 速下降，因此，钻压值应选择在图中的 最优区内。具体选择钻压时，可根据岩
石硬度、金刚石的抗压强度和钻头的类型等因素确定。
金刚石钻进工艺
1、表镶金刚石钻头的钻压P
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
具体确定钻压时，应分别对待:
1、岩石性质：
2、钻头类型： 3、金刚石： 4、克取岩石的面积： 5、施加钻压的阶段性（磨合和正常钻进） 6、有关孔内压力的传递问题（钻孔深度、冲洗 液、转速对钻压的影响）
转速
转速：影响金刚石钻进的另一个重要因素。 在一定条件下，转速越快，钻速越高。转速与金刚石 的磨损关系比较复杂。若其它条件正常，二者之间存 在一个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量为最 小。转速过大或过小，金刚石的磨损量都较小。
金刚石钻进工艺
1、转速与机械钻速、钻头磨损间的关系
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
（2）不同钻压条件下，转速与钻速的 变化规律如右图。图中表明：在较高的 钻压下，转速对钻速的影响更显著，
呈正比线性关系（时间效应很小）；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）转速与切削具磨损之间的关系比
较复杂，存在一个最优合理值，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。
金刚石钻进工艺
（二）转速
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2、转速的确定
（1）表镶金刚石钻头的线速度
表镶金刚石钻头所用的金刚石粒度较大，出刃量也较大， 允许有较大的切入量，所以转速应低于孕镶钻头。推荐的 线速度为1～2m/s。 （2）孕镶金刚石钻头的线速度 孕镶金刚石钻头的金刚石粒度很小，出刃量微小，主要靠 高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为1.5～3m/s。
4、钻头磨损与钻进规程的关系
金刚石钻进工艺
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
金刚石钻进工艺包括合理的选择金刚石钻头和确定金 刚石钻进规程参数两个方面。 一、合理选择金刚石钻头 理论上金刚石钻头可以钻进各类岩石，但在实践中往 往出现一些反常现象：如在某些地层中，钻头金刚石耗量大 而进尺少；在另一些地层中，钻头的钻速很低，甚至出现钻 头“打滑”不进尺的情况；一种钻头在这个地区钻效很高， 而在另一个地区却效果很差。这些现象归结起来说明一个问 题，金刚石钻进中所选用的钻头必须和所钻的岩性相适应。
金刚石钻进工艺
一、合理选择金刚石钻头
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
选择金刚石钻头其原则为：
（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。 （2）硬至坚硬致密的岩层（7~12级），一般宜用 孕镶钻头，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，宜用尖齿型广谱钻头或耐磨性好的、补强的电镀 孕镶钻头。
（6）强研磨性、破碎的岩层，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。
金刚石钻进工艺
二、金刚石钻进规程参数
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
金刚石钻进规程参数包括：钻压、转速、冲 洗液量三个参数。
根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压：钻压P 应使每粒 工作金刚石与岩石接触应力大于岩石的抗压入硬度 σ P 刚 C D
C
,小于金
石的强度σ
D
。
mF
上式确定钻压应以后者为基本原则，因此，表镶金刚石钻头的钻 压P： P = m p （N） p——单粒金刚石允许的压力（与粒度、品级有关），N/粒 F——单粒金刚石与岩石接触面积，（mm2）
金刚石钻进工艺
（二）转速
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2、转速的确定 （3）转速选择的一般原则 ① 在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中， 一般可采用较高转速； ② 在坚硬致密的岩层中，主要靠钻压破碎岩 石，宜采用较低转速； ③ 在复杂地层中钻进，宜采用较低转速；
金刚石钻进工艺
金刚石钻进规程参数
评定金刚石钻进规程的主要依据：钻速、钻头总进尺和单 位进尺的金刚石耗量三个指标。（钻压）
不同钻压下转速与钻速的关系
表镶金刚石钻头的钻压P
P=Gp （kg or dN）
式中 G—钻头上的金刚石粒数； p—单位金刚石上允许的压力，Kg/粒。 对细粒金刚石： p约1-1.5 Kg/粒;对中粒: p约1-1.5 Kg/粒; 对粗粒金刚石: p约2-3 Kg/粒; 粒; 特优级金刚石: p约5 Kg/
二、金刚石钻进规程参数
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（三）冲洗液泵量
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，使孔底排粉和冷却条件恶化， 故对钻头水口和冲洗液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（高转速缺水 1~2min 就可“烧钻”）。故冲洗液应具有较好的冷却效果。
金刚石取心钻探技术
金刚石钻头 金刚石扩孔器 金刚石钻进工艺
金刚石取心钻具
金刚石钻进工艺
Diamond drilling techniques
合理选择金刚石钻头（To choose diamond bit
properly）
金刚石钻进规程参数（Diamond drilling
regime）
金刚石钻进的临界规程（Critical condition of drill50-100 50-100 100-200 100-200 100-200 常压
250
200-400 300-600 400-750 500-880 600-1000800-1100
孕镶钻头
250-450 400-700 450-850 500-1000600-1100800-1500
q——单位底唇面面积上推荐的压力。中硬岩石取4～ 5 N/mm2；坚硬岩石或金刚石质量高取6～7 N/mm2。
金刚石钻进工艺
3、选择和施加钻压时还应注意以下几点：
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
（1）岩石性质。软岩层或破碎、非均质岩层宜选下限钻压； （2）金刚石。金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限 钻压，反之，则取下限钻压； （3）钻头类型。钻头直径大、壁厚、岩石接触面积大时，宜选 用上限钻压。 （4）注意新钻头与孔底的磨合。在磨合阶段应使用低钻压、低 转速，使钻头唇面形状与孔底及岩心根部逐渐相吻合。 （5） 孔底实际钻压。钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成 钻具振动，使孔底实际的瞬时动载可能是地表仪表指示钻压的0～ 3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。
金刚石钻进工艺
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（三）冲洗液泵量
3、冲洗液量的确定 金刚石钻进冲洗液泵量Q一般是根据液流上返速度来确定的
Q = 6 vF
(L/min)
式中： v——环隙空间的上返流速，金刚石钻进要求 v≥0.3～0.5m/s； F——钻孔的环空面积， cm2。
金刚石钻进工艺
由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间 隙小，冲洗液的流动阴力很大，所以金刚石钻进基本是以 不大的泵量和较高的泵压来工作的。另外，泵压是反映孔 底工况的敏感参数之一。
防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。 试验表明：当转速为 800r/min ，钻头唇面压力为 10Mpa 时， 钻头每转一圈，胎体温度升高1.73℃。所以钻进中若冲洗 液停止循环1-2min，便可能造成烧钻的恶性事故。
影响钻进规程参数的因素有：岩层的性质、
钻头的类型等。
评定金刚石钻进规程的主要依据是：钻速、
钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标。
金刚石钻进工艺
二、金刚石钻进规程参数 （一）钻压 金刚石钻进，根据钻压的不同，同样 分三个破碎阶段：表面研磨破碎、疲劳
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式中：m——钻头上工作金刚石的粒数，一般为总粒数的 2/3~3/4 ；
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（一）钻压 2、孕镶金刚石钻头的钻压W
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
孕镶钻头上的金刚石颗粒多、出刃量小，可以认为是胎体唇 面与岩石全断面接触，钻压对金刚石的抗压强度的影响降为次要 因素，主要应根据岩石的性质确定钻压W W=Fq （N） 式中：F——钻头实际工作唇面面积，mm2；
金刚石钻进工艺
选择金刚石钻头其原则为：
钻孔弯曲与测量 Deflection&Logging
（4）根据岩石的研磨性、风化和破碎程度选择胎体耐磨性的原 则：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，选用金刚石晶级好、粒 度相对细的钻头。
孕镶金刚石钻头的钻压
P=Sp（kg or dN） 式中: S---钻头实际的工作唇面面积, cm2; p—单位底唇面积允许的压力，Kg/ cm2 。 对中硬岩石,推荐: p约40-50 Kg/ cm2 ;对坚硬岩石或金刚石 质量高者p约60-70 Kg/ cm2 。
不同金刚石钻头的比压
直径 类型
36 (36) 46 (46) 59 (56) (66) 75 (76) 91
钻进，可采用高转速；如果岩层破碎、裂隙发育、 软硬不均、孔壁不稳、不均，宜采用低转速。 2 、钻孔的结构和深度， 钻孔结构简单、 环空间隙小，孔深不大，宜采用高转速；反之，
应降低转速。
3、机械设备、钻杆柱及钻具的能力。
冲洗液量
冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数。一 般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q： Q=6SV（L/min), (6是由单位换算所产生的系数 ) 式中：V不小于0.3-0.5m/s; S-钻孔的环空面积,cm2.