合理使用金刚石钻头的几点方法

合理使用金刚石钻头的方法
李林森
（安徽省水利水电勘测设计院233000）
[摘要] 近年来金钢石钻头在水利水电勘探中得到了广泛的应用，由于对金钢石钻头特性认识的不够，钻进的过程中时常会出现一些影响钻头使用功效的问题。

本文在总结以往实际钻探经验的基础上，分析出现问题的原因，探讨提高金钢石钻头使用功效的方法，以提高金钢石钻头使用功效。

[关键词]金钢石烧钻转速泵压
金钢石由碳元素组成，是碳在高温高压下的结晶体，它在莫氏硬度中列为最高硬度——10级。

金刚石不仅硬度高，强度大，导热率较高，而且容易吸收热量，又能使热量很快散失。

小口径金刚石钻进是目前水利工程岩石钻探的主要方法之一。

近年来我院进行了大量的中小型水库除险加固勘探，由于缺乏对金钢石钻头性能、特性的认识，钻探过程中时常会出现烧钻和非正常磨损等情况出现，影响了正常的钻进。

为了提高钻进功效、降低金钢石钻探成本，需要提高对金钢石钻头性能的认识、掌握正确使用方法，以减少钻头的非正常磨损，提高金刚石钻头寿命。

1.金刚石钻头的特性
1.1金刚石钻头的强度与热稳定特性
金刚石具硬度高，强度大，导热率高的特点，但存在性脆与热稳定性差等缺点，受冲击易破碎，在高温条件下，易于氧化和石墨化。

温度对金刚石强度影响很大，金刚石随着温度升高强度就下降。

金刚石钻头在空气中加热到300℃时开始氧化，到800℃时重量开始减轻，晶体颜色发生变化；当温度达到900℃时，金刚石质量发生明显变化，表现疏松，易破碎；在1000℃时金刚石燃烧干净，燃烧后形成二氧化碳。

1.2金刚石钻头的适应性
金刚石钻头对地层的适应性是很强的。

只要根据不同的地层选用相应的钻头，就能达到金刚石钻头的长寿命、高效率的使用。

当岩石在8—9级时，采用胎体硬度HRC34—42，金刚石粒度为60—100目的孕镶式或电镀式钻头，就比较合适。

但遇到比较坚硬的花岗岩脉或石英脉时，这种钻头就不适应了，应采用胎体硬度较软、金钢石粒度较细的钻头。

2.金刚石钻头钻进中主要问题
2.1金刚石钻头的烧钻
烧钻是金刚石钻头钻进中出现最为严重的问题。

严重烧钻可使钻头胎体全部烧毁，甚至将钻头钢体、扩孔器、内管短节或岩心管全部烧毁或烧掉一部分，或使钻具与岩心烧在一起，造成卡钻事故，处理十分困难。

发生严重烧钻后，整个钻头就会报废。

有的金刚石钻头只打了几厘米或几米进尺就造成烧钻事故，其损失很大。

轻度烧钻的钻头仍可使用，但钻头的强度会出现大幅的下降，在每回次进尺中金刚石钻头磨损几个、十几个丝，钻头寿命的会下降60%左右。

2.2金刚石钻头的非正常磨损
非正常磨损主要是由孔内有异物或坚硬岩石颗粒所造成，部分是由于轻烧所造成的。

金钢石钻头钻进时胎体中心部位散热条件差，金刚石冷却不良，易造成局部轻烧，导致金刚石强度降低，磨损加剧，从而引起拉槽。

沟槽一旦形成，沟槽内岩粉也不易排出，金刚石冷却困难，石墨化现象加剧，造成钻头报废。

近年来在孕镶金刚石钻头的使用上经常出现拉槽现象，钻头胎体上常出现沟槽，
缩短了钻头的使用寿命。

3.金刚石钻头烧钻与非正常磨损原因分析
3.1钻进方法原因
金钢石钻头一般需要在较高的转速下才能充分发挥功效。

若立轴转速过高，泵量达不到要求，冲洗液供给不足，就会造成钻头轻烧，加剧钻头磨损。

另外在软弱或破碎地层，加压过大，使金刚石切入岩石过深，阻挡了水体的循环，岩粉不能及时排除，水循环条件变差，钻头没有能够得到有效的冷却，就会发生烧钻。

3.2循环水路方面原因
冲洗液在钻进的过程中起到排除岩粉和冷却钻头的作用，保持水路的通畅对发挥钻头效能十分重要。

若金刚石钻头内外径磨损过多，钻头水口变小，就会影响对钻头的冷却作用；有时钻头内径过大，岩心变粗，或外径过小，钻头与孔壁环状间隙变小，都将影响冲洗液对钻头的冷却效果。

另外钻杆或双管接头水路被堵塞或钻杆因丝扣磨损连接不严都会引起孔底冲洗液供给不足，引起钻头轻烧。

下钻时将钻头一下到底，钻头水口在下落冲击力的作用下被岩粉堵死，未等孔口返水就急于开钻，亦会引起钻头冷却不良而烧毁。

4.金刚石钻头的使用体会
4.1正确安装机械，合理设计钻孔结构
小口径金刚石钻进一般转速高，扭力较大，因此钻机安装应做到周正、水平、稳定。

机械安装场地应做到平坦、牢固，天车、立轴、钻孔的中心应在一条直线上，不能马虎开钻。

钻进时应对钻孔的倾斜度进行控制，钻孔弯曲较大，会造成金刚石钻头剧烈震动，影响钻头的使用寿命。

合理的钻孔结构设计对发挥钻头的功效十分重要。

一般在风化层中钻进，宜采取下三层套管，三层套管分层保护，确保钻机周正、稳固，只有钻头在高速转动下处于比较稳定的状态，才能取得良好的钻头使用效果。

4.2合理选择金钢石钻头
目前金刚石钻头的类型众多，不同类型的钻头具有不同的特性，因此钻进时应根据地层岩性的变化合理地选择钻头。

我省境内砂岩分布较为普遍，多具有全、强、弱、微四种风化带，在全、强风化层，一般不宜采用金刚石钻头，普通或针状硬质合金头较适；在弱风化层、微风化层和新鲜岩层宜采用人造孕镶金刚石钻进。

另外应根据岩石的可钻性、研磨性与完整度来选择不同胎体硬度和粒度的金刚石钻头，才能获得较好的效果。

如在10～11级花岗岩钻进中，宜采用胎体硬度HRC36～38的金刚石钻头，金刚石粒度80～100目，这样金刚石钻头可达到较高的钻进效率和钻头使用寿命。

如果金刚石钻头选择不适应地层条件，就会引起钻头打滑、磨损加剧、钻进效率低和钻头寿命短等问题。

4.3合理的钻进参数
①立轴转速：金刚石钻进应保持在一定的立轴转速下才能达到较高的钻进效率。

但不能认为转速越高越好，转速过高，送水量跟不上就会发生烧钻；虽然台时效率提高了，但是钻头寿命却显著降低。

目前钻探中一般要求立轴转速不超过1000r/min，正常钻进多在500~800r/min。

实践中一般每回次开始钻进时，起始转速以200～300r/min为宜，经过几分钟磨合后，再提高到正常转速，这样能够提高钻进效率和延长钻头寿命。

②钻压：加压要适当、均匀，不能忽大忽小，更不能过大。

钻压过大，金刚石切入岩石过多，
就会堵塞水路，造成金刚石冷却不良，导致烧钻。

一般初压为1～2kN，正常压力一般为4～8kN。

在对破碎岩层或岩石松软破碎带钻行钻进时，应适当降低转速，减小压力，增加送水量，因为压力过大，金刚石切入岩石过深，则会引起水路堵塞，影响金刚石钻头的冷却。

③泵量：金刚石钻进时泵量必须均匀、连续，合理地掌握泵量、泵压，不能过大过小。

一般泵量应控制在30～50L/min之间，并根据岩层钻进快慢适时调整泵量。

及时调整钻头水口大小，确保冲洗液返回流速大于0.3m/s，这样才能有效冷却钻头、排除岩粉和保持孔内清洁。

下钻时，在离孔底0.5m以上，应先开泵冲洗，待孔口返水后方可轻压慢转扫孔到底。

4.4科学管理与经验总结
加强金刚石钻头的使用和管理对延长金刚石钻头使用寿命十分必要。

机长应深入钻场，了解和检查各班钻头使用情况，对每个钻头能做到心中有数。

坚持回收钻头，并对钻头使用情况进行综合分析和评价，总结经验教训，适时改进钻探工艺。

班组成员应有良好的钻头保护意识，能做到精心操作，各岗位人员应明确分工，密切配合，形成整体。

钻头每用一个回次，记录员应认真测量高度、内外径，把磨损情况作详细的记录，若每回次磨损超过2丝，就应及时找出原因，以便采取改进措施。

5. 结语
近年来我院在对金钢石钻头的使用上取得了一定的成功经验，但和先进单位相比还有一定的差距，如何拓宽金刚石钻头的使用范围、延长使用寿命尚须继续努力探索和总结。

作者：李林森，男，高级钻探技术工，从事外业地质钻探工作20多年，参加过长江中下游重要堤防中的和县江堤、枞阳江堤勘探，淮河综合治理19项工程中的涡河、沙颖河、临淮岗3项工程勘探，10多座中小型水库治理工程勘探，撑握了在各类复杂地质环境下的钻探取芯技术，多次受单位领导的好评。