在砂卵石地層應用金剛石鉆頭的研究

　　砂卵石地層分布較為廣泛，是水利勘察中常見地層，但其地層極其復雜，在鉆進過程容易出現塌孔、掉塊、漏失等一系列影響鉆進的問題。目前砂卵石地層主要的鉆進技術有金剛石鉆進厚壁或薄壁套管護壁、潛孔錘鉆進等技術。取芯鉆進通常以金剛石鉆進技術為主。而常規金剛石鉆頭存在鉆進速度緩慢，鉆頭易損壞等問題，并導致取芯質量低等一系列問題。雖然廠商和技術人員從強化鉆頭保徑、突出水口設計、采用不同粒度金剛石搭建工作層等方面研究設計，取得了一定的成果，但由于砂卵石地層的復雜性，效果不甚理想。
　　鉆頭磨損及原因分析
　　金剛石鉆頭的磨損包括正常磨損和非正常磨損。正常磨損就是金剛石出露量合適，無脫落、胎體沖蝕正常等。而金剛石鉆頭的非正常磨損通常包含以下幾種情況：
　　（1）底唇面被拋光。原因是巖石堅硬、致密、研磨性低；選用的鉆頭胎體太硬，金剛石品級較低；金剛石濃度太高；鉆壓不足、轉速偏高。
　　（2）鉆頭胎體表面輕微燒結。原因是金剛石品級太低，很快磨平；鉆壓過大、沖洗液量不足，胎體表面與巖石強烈摩擦，產生較高溫度，導致輕微燒鉆。
　?。?）胎體斷面形成溝槽。原因是鉆頭出刃小，壓入巖石后，沖洗液難以通過；鉆壓過大，冷卻不良，排粉困難，重復研磨胎體，端面溫度升高，出現微燒，惡性循環的結果，出現拉槽；或金剛石覆蓋不完全，或金剛石脫落；孔底有金屬或硬巖碎塊。
　　（4）鉆頭磨出內、外臺階或錐形。原因是在硬巖層中擴孔鉆進，造成外緣磨損；在硬、碎巖層中鉆進，鉆頭內外緣金剛石掉粒或剪斷；發生巖芯堵塞或重復破碎；用鉆頭掃探頭石、脫落巖芯或殘留巖芯，或脫落的套管接頭。
　?。?）胎體嚴重損壞。原因是下鉆碰到鉆孔換徑臺階、探頭石、脫落的巖芯；鉆頭在縮徑孔段受到擠壓；在裂隙發育地層鉆進，鉆壓過大，轉速過高，沖洗液量不足，使胎體產生裂紋，進而發展成掉塊。
　?。?）胎體出現裂紋。原因是壓力過大，巖芯自卡。
　　（7）鋼體嚴重磨損。原因是鉆孔坍塌、掉塊、或孔底巖屑過多，嚴重磨損鋼體；卡簧座與鉆頭胎體之間的間隙太大，磨斷鋼體，使胎體留于孔內。
　?。?）水口嚴重沖蝕。原因是巖層研磨性特別高；沖洗液中含砂量及流速過高；胎體耐磨性偏低。
　　砂卵石地層結構疏松、粒徑不均、軟硬不均、孔隙大、破碎、漏失。鉆進中極易出現各種問題，且這種地層特性對鉆頭造成的損耗更大。金剛石鉆頭在鉆進這類地層時竄動比較厲害，鉆頭胎體受沖擊較大，鉆頭磨損快，壽命短，掉塊現象嚴重，造成大量金剛石鉆頭非正常磨損。在砂卵石地層鉆進中常出現的非正常磨損是（3）～（8）。
　　鉆頭應用及問題分析
　　(1) 工程概況
　　工程位于青海某工區，地層主要為砂、卵礫石和砂層，局部夾有厚度小于1m的粘性土透鏡體，松散堆積物厚度可達300m。卵石成份主要為砂巖、花崗巖、石英巖、輝綠巖等深色火成巖，卵石粒徑多在20mm以上，含量達80%以上。
　　(2) 鉆頭參數
　　在該工區主要應用了市面上常見的兩種金剛石鉆頭A和B。其共同點是采用碳化鎢為胎體材料，硬度為52，底唇面性狀為平面形，其它不同參數如表1所示。
　　表1 A和B金剛石鉆頭參數
　　規格（mm） 內/外出刃（mm) 水口數目（個）
　　/寬度（mm） 內/外保徑
　　數目（個）
　　/高度（mm） 工作層高度(mm) 金剛石粒度（目） 金剛石濃度（％） 鋼體厚度（mm） 鋼體長度（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) 鉆頭應用情況
　　A鉆頭平均鉆進效率1.88m/h，平均壽命24.2m，機械磨損和研磨磨損嚴重，胎體出現拉槽，鉆頭端面與內外徑磨損情況不同步，鉆頭提前報廢。其中內出刃磨損后剩余0.3～1.0mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作層高度剩余0～4.5mm。分析原因是整體結構設計不合理，以及胎體材料和加工工藝上存在一定的問題，導致A鉆頭整體性能存在較大缺陷。
　　B鉆頭平均鉆進效率2.45m/h，平均壽命40.2m，胎體出現拉槽，胎體出現崩裂掉塊，水口沖蝕。其中內出刃磨損后剩余0.2～0.8mm，外出刃剩余0～0.5mm，工作層高度剩余3.5～5mm。出現2次掉鉆頭事故。B鉆頭相對于A鉆頭各方面性能有所提高，但其壽命相對也較短，主要是胎體材料和加工工藝的原因。鋼體厚度較薄，導致胎體與鋼體連接不牢固，使得胎體出現崩裂掉塊。鋼體長度較短，鉆進過程中，硬質顆粒反復研磨絲扣位置，導致2次掉鉆頭的事故發生。
　　鉆頭的改進與應用
　　通過對A和B鉆頭的應用情況對比分析，在心鉆頭的改進方面主要集中在以下幾個方面。
　?。?）內外出刃。B鉆頭內外出刃的設計較好地保證了鉆頭的鉆進效率和使用壽命，因此在新鉆頭上沿用B鉆頭參數。
　　（2）水口方面。水口數量與寬度對鉆頭冷卻與排粉效果影響很大，間接影響鉆進效率與鉆頭壽命。通過對A、B鉆頭水口損壞情況分析，其水口寬度較為合適，但數量相對較少。水口數量的減少導致鉆頭唇面尺寸增加，與巖石接觸面積增大，影響使用效果。因此，新鉆頭的設計上采用增加水口數量。
　　（3）內外保徑。其數目、排列方式和保徑材料的尺寸對鉆頭性能影響很大。內外保徑設計的合理會有效提高鉆頭使用壽命和鉆進效率。新鉆頭保持保徑材料高度不變，采用增加內外保徑數目提高鉆頭性能。
　　（4）工作層高度。通過對比，A鉆頭的工作層高度較低，影響了鉆頭壽命。而B鉆頭的工作高度較高，但由于其他方面的原因，工作層高度的增加并沒有給B鉆頭帶來高的壽命。因此，新鉆頭的工作層高度采取了折中的方式，高度為9mm。
　　（5）金剛石參數。A鉆頭金剛石粒度范圍較小，對金剛石出刃有一定的影響，并且不適合在砂卵石地層使用，相對較低的濃度也影響鉆頭的性能。B鉆頭的金剛石粒度范圍較大，但材料單一，也影響了鉆頭的性能。因此，新鉆頭在提高金剛石濃度的基礎上，采用粒度為40的金剛石顆粒作為主磨料，并加80目的金剛石輔料。
　?。?）鋼體厚度和高度。較低的厚度和高度影響了B鉆頭性能的發揮。因此新鉆頭采用相對較高的厚度和高度。
　?。?）胎體材料。A、B鉆頭胎體材料為碳化鎢，機械強度相對較弱。新鉆頭材料中添加TiC，提高胎體機械強度。
　　新改進后的鉆頭，在該地區應用，鉆頭平均鉆進效率2.8m/h，平均壽命80m，非正常磨損情況相對較少。內出刃磨損后剩余1.2mm，外出刃剩余2.6mm，工作層高度剩余4.5mm。應用效果非常好。
　　總結
　　在砂卵石地層鉆進，應根據地層情況以及試鉆的情況去進行金剛石鉆頭的選擇或設計，采用最合適的金剛石鉆頭能夠取得最理想的鉆進效果。