金刚石钻进规程：工程钻探与取样技术

7.3.2.1　钻压

随着钻压加大，机械钻速将增大。然而过大的轴向载荷使金刚石切入岩石深度加大，胎体紧贴孔底，与岩石的间隙减小，使钻头下的岩粉很难排出，钻头冷却状况恶化，导致机械钻速下降。当轴向载荷低于临界值时，金刚石切入量不足，胎体几乎不能有效地被磨损，出现金刚石表面磨损并被抛光，岩石破碎过程也非常低效。所以，为了实现体积破碎，必须针对不同类型的钻头选择最优钻压值。

图7-7　钻压对钻速和金刚石耗量的影响

钻压与钻速和金刚石耗量的关系曲线如图7-7所示，可分为3个区：Ⅰ区为表面研磨破碎，钻速极低；Ⅱ区为疲劳破碎，依靠多次重复使裂纹扩展才能破碎岩石；Ⅲ区为体积破碎区，钻速随钻压增长很快，但单位进尺的金刚石耗量也增长很快。过大的钻压将导致钻速有所下降，因此建议取钻压值在图中的最优区内。

1）表镶金刚石钻头的钻压P

式中：G——钻头上的金刚石粒数，粒；

p——单粒金刚石上允许的压力，kN/粒，对细粒金刚石p=0.010～0.015kN/粒，中粒金刚石p=0.015～0.020kN/粒，粗粒金刚石p=0.020～0.030kN/粒，特优质级金刚石p=0.050kN/粒。

2）孕镶金刚石钻头的钻压P

式中：q——单位底唇面面积上允许的压力，kN/cm2；

S——钻头工作端面的面积，cm2；

D1、D2——钻头的外、内径，cm；

m——钻头上水路通道的数量；

b——水路通道的宽度，cm；

a——胎体厚度，cm。

我国《地质岩心钻探规程》推荐孕镶钻头单位底唇面压力值q=0.4～0.8kN/cm2，《地质钻探手册》推荐对中硬—硬地层q=0.5～0.7kN/cm2，硬地层q=0.7～0.9kN/cm2，坚硬地层q=0.9～1.0kN/cm2。而俄罗斯规定q=0.7～1.3kN/cm2。

表7-5列出了不同类型金刚石钻头推荐采用的钻压值，可供选择时参考。

表7-5　不同规格金刚石钻头钻进时适用的钻压值　单位：kN

选择和施加钻压时还应注意以下几点：

（1）在钻进过程中需要均匀调整轴向载荷，不允许急剧增大或减小载荷，因为这样可能引发孔内事故。不允许采用大于临界值的轴向载荷。过大的载荷会导致金刚石急剧崩裂并极大地增加金刚石耗量。过小的比压同样是不容许的，因为这样可能引起金刚石在完整的弱研磨性岩石中被抛光，并造成金刚石无法切入岩石。

（2）应根据岩石性质来选择钻压。对表镶钻头，在岩石坚硬完整的情况下可采用较高的单粒压力；反之，应采用较低的单粒压力。对孕镶钻头，钻进中硬的弱研磨性或破碎、非均质岩层时，宜选下限钻压，在完整、中硬—坚硬或强研磨性岩层中应取上限。

（3）应根据金刚石来选择钻压。钻头上的金刚石质量好、数量多、粒度大时宜选用上限钻压，反之亦然。

（4）确定轴向载荷时必须考虑由于钻柱与孔壁摩擦和冲洗液上举力引起的钻头载荷下降。根据孔底传感器的数据，实际的轴向载荷几乎只有地表仪表读数值的1/2。用新钻头钻进时，在前5～10min钻头接触孔底时应选大约2～3kN的小钻压和150～200r/min的转速。当钻头与孔底磨合之后可逐渐把钻探规程参数加到优化值。即注意施加钻压的阶段性。

（5）孔底实际钻压。一般地表测得的钻压值都是钻具自重加上或减去油压的指示值，而由于钻孔弯曲、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钻压可能是地表仪表指示钻压的1～3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。

7.3.2.2　转速

由金刚石钻进的机理可知，转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，在一定的条件下，转速越快，钻速也越高。转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最小。随着钻孔加深，功率消耗和加在钻杆柱上的载荷增大，岩石的研磨性和裂隙性增大，应降低金刚石钻头的转速。

选择回转速度时，通常是根据钻头线速度的经验推荐值v0来估算。

1）表镶金刚石钻头的线速度v0

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。我国《地质岩心钻探规程》和《地质钻探手册》推荐的表镶钻头线速度v0=1～2m/s，而俄罗斯规定v0=1～3m/s。

2）孕镶金刚石钻头的线速度v0

孕镶金刚石钻头所用的金刚石粒度很小（一般粒径0.2mm左右），出刃量微小，主要靠高转速来获取钻进效率。我国《地质岩心钻探规程》和《地质钻探手册》推荐的孕镶钻头线速度v0=1.5～3m/s，而俄罗斯规定v0=2～4m/s。

转速的计算公式：(www.xing528.com)

式中：v0——钻头的回转线速度，m/s；

D——钻头的平均直径，m，D=（D1+D2）/2，其中D1、D2为钻头的外径和内径。

推荐的各类表镶和孕镶钻头的适用转速如表7-6所列。

表7-6　各类金刚石钻头的适用转速推荐表　单位：r/min

选择合理的转速时，还应考虑以下几点：

（1）岩石性质。选择钻头转速时必须考虑岩石的硬度、研磨性和裂隙性。如果岩层较破碎、软硬不均、孔壁不稳时，宜选用下限转速。

（2）钻孔。如果钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大，应尽量选用高转速，反之亦然。小口径钻孔取上限，大口径钻孔取下限。

（3）设备和钻具。采用高转速的限制是钻机动力机的功率和钻柱的强度。

7.3.2.3　冲洗液泵量

金刚石钻头的出刃量很小，如果孔底积聚大量岩屑将减少金刚石的切入深度。因此，金刚石钻进过程中快速清除孔底岩屑有助于提高机械钻速。冲洗液在金刚石钻进中除了完成排粉、冷却、护壁功能外，还将起到润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。

一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q：

式中：v——环隙空间的上返流速，m/s；

F——钻孔的环空面积，cm2。

还可以按每米钻头直径上的推荐泵量q来估算合理的冲洗液消耗量：

式中：q——每厘米钻头直径上的单位泵量，L/min；

D——钻头外径，cm。

我国《地质岩心钻探规程》和《地质钻探手册》推荐的金刚石钻进上返速度为0.3～0.7 m/s，而俄罗斯规定每厘米钻头直径上的冲洗液耗量取4～8L/min。钻进软岩石时机械钻速大，岩粉量多，所以q应取大值，而钻进致密的坚硬岩石时应减小。

由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙很小，冲洗液的流动阻力很大，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。但泵压过大会导致钻头被举离孔底，抵消钻压，甚至可能冲蚀胎体和岩心。冲洗液的压力脉动还会增大钻柱的附加振动。另外，泵压是反映孔底工况的敏感参数之一，必须密切加以注意。例如，钻进中钻速突然降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或“烧钻”的预兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。

表7-7中的数据可供选择金刚石钻进泵量时参考。同时还应综合考虑下述内容：

（1）岩层性质。钻进坚硬致密的岩层时，单位时间产生的岩粉量少，可选择下限泵量，反之亦然。钻进强研磨性岩层时，需要较大泵量吸收摩擦产生的热量，但携带岩粉磨粒的高速液流会严重冲蚀胎体，诱发金刚石颗粒过早脱落。因此，应权衡利弊选择合理的泵量。

（2）钻头类型。孕镶金刚石钻头出刃微小，钻头唇面与岩面间只存在漫流区，主要靠多个水口循环，加之常以高转速钻进，因此宜用较大的泵量，以防止发生烧钻。而表镶钻头的出刃较大，排粉和冷却条件也较好，故可选用较小的泵量。

（3）防止烧钻。试验表明，用于冷却钻头所需的泵量并不大，只需泵量达每厘米钻头直径0.2～0.3L/min就可满足胎体迅速散热的需要。但当转速为800r/min，钻头唇面压力为10MPa时，钻头每转一圈，胎体温度将升高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。

（4）钻头水口的大小，直接影响钻头内外的冲洗液压差，保持适当的压差，有利于钻头底部岩粉的排出和冷却。随着钻头胎体消耗，钻头水口要进行修磨，修磨后其高度不得小于3mm。

（5）金刚石钻进时最好的冷却液是水、乳化液和聚合物溶液。应限制使用黏土冲洗液，只有在钻进不稳定的风化复杂岩层时才使用。

表7-7　金刚石钻进适用泵量　单位：L/min

7.3.2.4　防治钻柱振荡

在金刚石钻进过程中转速过高将引起钻柱振荡。在扭矩和轴向载荷的作用下，钻柱呈现一定螺距的螺旋形。在回转过程中，螺距的大小随着振幅变化而变化。当外界的强迫振荡频率与钻柱自身的固有频率重叠时，将出现共振现象，振动加剧。振动将破坏正常的钻进过程，引起金刚石耗量增大，降低机械钻速，增大钻柱和地表设备的磨损，急剧增长钻探功率消耗。

引起振动的原因与地质因素、技术和工艺因素有关。属于地质因素的有岩石的裂隙、空洞、粒度不均匀和岩石的软硬互层。造成振动的技术因素包括：钻柱与孔壁之间的间隙较大，钻杆弯曲，钻杆接头、主动钻杆和立轴的同轴性差，钻机地基的刚性差和钻机部件被磨损而间隙较大等。可能引发振动的工艺原因：在钻杆柱未调平衡条件下开高转速钻进，使用与岩石物理力学性质不匹配的金刚石钻头，在已经出现岩心自卡的情况下钻进等。

防治振动的措施：①找出并排除发生振动的原因；②正确选择钻杆柱及其接头类型，金刚石钻进的钻柱与孔壁间隙应不大于1.5～2mm，推荐使用轻合金钻杆；③加入专用润滑剂：稠油和乳浊液。

涂抹在钻杆上的防振润滑脂可减少它们与孔壁的摩擦并减少纵振和扭振，吸收钻柱与孔壁撞击的能量并降低横向振荡。润滑脂还能被挤入岩石的裂纹，填满裂纹并防止冲洗液的漏失。