深部钻探关键技术

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》（2004~2010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，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。

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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，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
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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7~12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、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
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(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0.3～0.5mm，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。

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(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，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。

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。

①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。

②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。

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③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。

④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。

⑤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0.2~0.3m后，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。

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8 (一)钻压
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，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：(Ⅰ)为表面研磨破碎，虽也呈线性正比
关系，但钻速极低；(Ⅱ)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；(Ⅲ)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：
P y -mF ≥σc (1)
式中：P y ——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；
σc ——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：
P y -mF ≤σD (2)
式中：σD ——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：
σr <σp <σD (3) 式中：σp ——金刚石与岩石接触面上的单位压力，(Pa)；
σr ——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=k σr mF (4)
式中：P y ——施加于钻头上的钻压，(N)；
k ——工作金刚石的调整系数，一般为2/3~3/4；
图1 钻压对钻速和金刚石磨耗的影响
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=fσr QF (5) 式中：f——调整系数，0.5~0.7；
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：
P y=pA (6) 式中：p——推荐的单位压力，(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μm；孕镶钻头只几十μm。

当金刚石切入岩石．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：
P y=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：
P y=WL (8) 式中：L——钻杆总长，(m)。

9
10 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：
P y =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F n (见图2)，它与转速的平方成正比。

当钻柱
向下移动时，钻柱与孔壁之间存在摩擦，必然产生一个向上的摩擦力F μ。

其大小与F n 、钻杆与孔壁间的摩擦系数μ有关。

摩擦力F μ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
(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)
(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2 钻杆旋转时与 孔壁磨擦示意图
图3 转速与钻速的关系
1一细砂岩；2一灰岩；3一花岗岩
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。

(4)关于转速的选择，大体遵循以下几个原则： ①在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中钻进，一般可采用较高转速；
②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；
⑧在复杂地层中钻进，宜采用较低转速；
④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μm 至几百μm ，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2~4m/s ，推荐转数见表4；而表镶钻头，一般采用的线速度为1~3m/s 。

推荐转数见表5。

表4 金刚石孕镶钻头适用推荐转数
表5 表镶金刚石的适用推荐转数
(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。

图4 不同钻压下转速与钻速的关系 1—2.94MPa ；2—5.88MPa ；3—7.84MPa ；4—。