金刚石钻探临界规程：工程钻探与取样技术

随着金刚石钻进的普及与推广，科研人员不满足于前述传统的规程问题定性结论，而是通过分析钻进中的热物理过程，对钻进规程参数与胎体温度、破岩功率消耗、机械钻速、胎体磨损之间的关系进行了定量研究，并在此基础上提出了金刚石钻进的正常规程和临界规程的见解。正常规程下，钻头胎体温升正常，功率消耗平稳，同时钻头磨损轻微；而临界规程下，钻头胎体温升将急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。

1）胎体温度与钻压P和转速n的关系

用人造金刚石（粒度200～400μm）孕镶钻头钻进花岗岩时，测得的胎体温度和P、n之间的关系如表7-8所列。当钻压P和转速n达某一值时，胎体温度由100～200℃急剧升至600～700℃的高温。这时的钻进规程已由正常规程转入了临界规程。对于具体的岩石而言P·n的临界值基本上是个常量。表7-8中的粗体字+灰底色划出了正常规程与临界规程的分界线。胎体温度和功率消耗与P·n值的关系如图7-8所示，图中斜线部分为P·n临界值的范围。

表7-8　钻头胎体温度（℃）与轴向压力P和转速n的关系

图7-8　胎体温度和功耗与P·n值的关系

1—胎体温度；2—功率消耗

2）功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系

试验还发现，钻进时的功率消耗、机械钻速也与临界规程有直接关系。表7-9中功率消耗的规律与胎体温度升高的趋势完全一致。即当胎体温度急剧升高时，功率消耗也由2.04～2.64kW突然增至5.3kW以上，功率消耗与胎体温升同步进入临界状态。钻进花岗岩的钻速也发生在同一P·n临界值的条件下，即用该孕镶金刚石钻头钻进该花岗岩时，其最高钻速不得超过临界值37mm/min，否则将出现胎体温度剧增的严重后果。

3）胎体温度与冲洗液的关系

试验表明，当钻进过程进入临界状态后，冲洗液的冷却效果也是有限度的。由表7-10的数据可知，当泵量由15L/min增至30L/min时，胎体温度和功率消耗虽有某种程度的降低，但泵量增大一倍并不能使钻进过程从临界状态转化为正常规程。也就是说，若P·n已达临界值，想单纯依靠增大泵量来解决防止烧钻的问题，是不可能的。(www.xing528.com)

表7-9　钻进功率消耗（kW）与钻压P和转速n的关系

表7-10　泵量对胎体温度和功率消耗的影响

4）钻头磨损与钻进规程的关系

图7-9示出了钻头胎体相对磨损量（量纲为单位破碎功的体积磨耗）与钻进规程（钻头轴压与回转线速度的乘积）间的关系。图中a线为正常规程，b线为临界规程，无论在实验室还是在生产条件下，当由正常规程转入临界规程时，钻头磨耗都是突然急剧增大。图中显示，曲线Ⅱ的磨耗量要比曲线Ⅰ高3倍，这可能与野外条件下孔内的动载，进入临界规程后钻头上的高温持续时间长使金刚石强度和胎体硬度明显降低有关。

图7-9　钻头磨耗与钻压及线速度乘积的关系

Ⅰ—实验室条件下；Ⅱ—生产条件下

综上所述，可以得出两点结论：

（1）金刚石钻进每种岩石都存在着临界规程，其P·n值基本是个常数。也就是说，钻压P和转速n两个参数之间存在着明显的交互影响，必须同时考虑它们的取值。进入临界规程的主要表现是胎体温度急剧升高，钻头严重磨耗，虽然此时钻速也很高，但可能导致烧钻事故。因此，必须保证钻进工艺处在小于临界规程的状态下。

（2）钻进过程中的胎体温度和钻头非正常磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功率消耗便于在地表检测，又与上述二指标同步进入临界规程，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程正常与否。一旦出现功耗突变，便可发出进入临界规程的报警。这是由凭经验打钻走向科学钻进的一个重大进步。