金剛石鉆進技術參數的優選

8.3.1 孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機理

孕鑲金剛石鉆頭是巖心鉆探中主要使用的鉆頭，它所用的金剛石顆粒小，且埋藏于胎體之中。為達到碎巖鉆進和鉆速恒定，必須同時具備以下兩個條件：

1）有一定的壓力和扭矩（轉速）使唇面上多而小的金剛石對孔底巖石進行刻劃、磨削或微壓碎、微剪切，其碎巖機理類似于砂輪磨削工件。

2）包裹金剛石的胎體隨著金剛石的逐漸磨鈍、磨損而適度磨耗，使新的金剛石良好出露、碎巖，即保持良好的自磨出刃（“自銳”）。

因此，孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機理可認為是：回轉切削、磨削碎巖，兼有壓碎、壓皺、剪切作用。

8.3.2 金剛石鉆進技術參數的選擇與調整原則

（1）鉆壓

確定合理的鉆壓是提高鉆進效率，降低成本的重要措施之一。應根據巖石可鉆性、研磨性、完整程度、鉆頭底唇面積、金剛石粒度、品級和數量選擇鉆壓。為保證鉆頭有效碎巖和合理壽命，鉆壓選擇應重點把握以下幾點：

1）應使每粒工作金剛石與巖石接觸應力大于巖石的抗壓入硬度，小于鉆頭胎體材料的抗壓入硬度。

2）應使每粒工作金剛石的接觸應力小于金剛石的強度。

3）必須使金剛石接觸面上的單位壓力大于巖石的抗壓強度，而小于金剛石的抗壓強度。

4）使工作唇面的金剛石切入巖石的合理深度。

鉆頭中金剛石出刃量是非常微小的。當金剛石切入巖石深度過大時，孔內排粉間隙太小，惡化孔底和冷卻條件，引起巖粉堵塞，鉆頭磨損和鉆速下降，甚至發生微燒事故；當金剛石切入巖石深度過小時，則鉆頭易打滑，鉆速降低，影響正常鉆進。在鉆進過程中，可通過對鉆速快慢的分析，確定金剛石合理的切入巖石深度，以達到既有適當高鉆速，又有較低金剛石鉆頭消耗量。

（2）轉速

轉速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素。應根據巖石性質、鉆孔結構及設備能力等因素選擇轉速，即考慮獲得較高的鉆速，也要保證合理的鉆頭壽命。

1）由于孕鑲鉆頭所用的金剛石粒度很小，出刃量微小，主要靠高轉速來獲取鉆進效率。在一定條件下，轉速越快，鉆速也越高。

2）轉速與金剛石磨損的關系比較復雜。在其他條件不變，鉆頭轉速存在臨界值，即在某一轉速下金剛石磨損量最小。

（3）泵量

泵量的大小既必須保證沖洗液完成排除巖粉、冷卻鉆頭等功能需求，也應能實現鉆頭金剛石自銳、防止復雜地層孔壁遭受沖刷破壞等要求。應視巖石性質、環狀間隙、鉆頭類型、金剛石粒度、胎體性能等因素進行選擇與適當調整。

（4）泵壓

泵壓反映一定泵量的情況下，沖洗液在特定鉆進環境中的流動阻力。泵壓的大小受鉆桿內徑及其密封、取心鉆具過水斷面、鉆頭水口、鉆孔環狀間隙、鉆孔漏失情況等因素的影響，是反映孔內狀況的敏感參數之一（如：泵壓發生小幅度的上升或下降，一般是孔底換層的征兆；泵壓猛然大幅度增高，伴隨鉆速下降或不進尺，可能發生巖心堵塞或燒鉆現象；如果泵壓突然大幅度下降，多是鉆具折斷或脫扣）。鉆進過程中，應設法降低泵壓，保證鉆進所需泵量的實現（如：隨著鉆頭胎體消耗，進行鉆頭水口修磨，修磨后鉆頭水口高度不得小于3mm；加大鉆孔環狀間隙等）。

金剛石鉆進技術參數的影響因素及其綜合選擇見表8.8。

表8.8 金剛石鉆進技術參數的影響因素及其選擇表

8.3.3 鉆進技術參數組合的優選

金剛石鉆進技術參數主要包括鉆壓、轉速、泵量，三者是互為因果且相互制約的，存在著最優化的配合關系。鉆進中應根據巖層性質和其他技術條件，結合實踐經驗，選擇最優化的鉆進技術參數組合，以達到優質、高效、長壽、低耗、安全的目的。

8.3.3.1 最優化鉆進技術參數組合的評價標準

鉆進技術參數最優組合的標準是：在保證鉆孔質量的前提下，獲得最佳的鉆速和最低的成本。當鉆進規程達到最優值時，鉆進技術參數的組合也是比較合理的。

8.3.3.2 鉆進技術參數最優組合的確定方法

（1）鉆進技術參數的優化選擇方法

根據“金剛石鉆探規程參數的優選”（石昆山，1989）方法，以提高鉆進機械效率為主要目的，探討鉆進技術參數之間的相關性規律，提高鉆探技術經濟效益：選擇鉆頭回轉線速度（轉速n）、比壓、流量Q為自變元，以金剛石鉆探的平均機械鉆速為因變元，采用直觀分析、回歸分析以及方差分析相結合的方法。

（2）鉆進技術參數優化的約束條件

鉆進技術參數優化組合的確定受到眾多的因素制約。除了受鉆遇巖石的物理力學性質、鉆頭類型及其結構參數、鉆孔直徑、孔身結構和深度、鉆探設備的性能、沖洗液類型、工人技術水平等的約束外，還受參數選擇后果的約束，如：

——對鉆速提高而言，調高轉速比增大鉆壓明顯。在一定的轉速范圍內，高的轉速將取得更高的鉆速。但是，轉速愈高，對鉆頭、工具、設備及油料等的消耗也愈大。

——大壓力、高轉速是可獲得高鉆速，但鉆頭磨損加劇、壽命縮短和成本增加。這需要在實踐中給予平衡。

——在石英含量很高的巖石中鉆進，若用高轉速，可能導致鉆頭唇面的磨光而不進尺；若選用適當的較低轉速，可能因鉆頭唇面與巖石接觸時間的增加，促進巖石深部缺陷的發育和擴大，反而會有較好的鉆速。

8.3.3.3 不同巖層鉆進技術參數組合的選擇思路

（1）較軟的均質、完整、強研磨性的巖層

由于其抗壓強度較小，易于體積破碎，一般鉆速高，巖粉顆粒大且數量多，多具粘性，易于糊鉆、堵塞。鉆進中主要解決的是排渣、冷卻和保證沖洗液暢通的問題。因此，可采用低鉆壓、高轉速和大泵量鉆進。

（2）完整的強研磨性巖層

鉆進時排渣、冷卻不存在問題，可采用大鉆壓、大泵量和高轉速鉆進，以求高鉆速。泵量的選擇在保證排渣和冷卻及時的前提下，也應保證孔壁不被沖蝕失穩。

（3）堅硬、破碎、非均質、裂隙發育的巖層

為了延長鉆頭壽命，宜采用輕壓力、慢轉速，泵量要相應減少。若孔底有滲漏，則確定返漿量還應包括補充的滲漏量。