金刚石钻头的合理使用

提高金刚石钻进效率的重要措施是遵守岩石破碎工具的合理使用准则。

合理使用金刚石钻头的准则包括:

(1)根据岩石物理力学性质正确选择和使用其结构特性与之适应的金刚石钻头;

(2)严格遵守金刚石破岩工具的操作规程;

(3)根据钻探规程确定的工艺进行钻进，并保证高的生产率，使金刚石耗量不超过该钻探条件下的额定值。

(4)当钻头寿命达到合理的报废水平时应及时把它从钻具中换掉。

在钻头使用过程中应记住，金刚石是相当脆的矿物，它对微弱冲击都很敏感。因此，涉及金刚石破岩工具的全部作业都必须谨慎认真地进行。钻头应存放在木质盒子或塑料盒子里。金刚石钻头与钻柱的连接需用专门的管钳，而不能用普通牙钳。带钻头的钻具只有其内部没有岩心时才能下入孔内。下放钻具要谨慎，尤其在孔径变化的孔段和孔底附近。钻头到达孔底时不能用力下墩，开始时要用低转速和小泵量。只有当孔底残留岩心长度不超过4～5cm时，才允许下入钻具。否则，应先用牙轮钻头或其他专用钻头破碎掉孔底的残留岩心。每次起钻之后，应用游标卡尺测量钻头和扩孔器的直径和胎体高度。带扩孔器钻进时应保证扩孔器直径总比钻头直径大0.2～0.3mm。旧扩孔器与新扩孔器的外径之差不能超过0.1～0.2mm。

不带扩孔器钻进时，要精确测量各钻头的内外径，并确定它们的下孔顺序。首先下入外径最大和内径最小的钻头。当钻头直径磨损达0.05～0.1mm时应更换。在向孔内顺序下入钻头时应确认，上一个回次的岩心可以自由地通过将下孔钻头的内径。

禁止往存在“狗腿弯”的孔内下入新钻头。当孔身被磨成锥形，直径差超过0.1～0.15mm时必须用由孕镶钻头和扩孔器组成的专用钻具下去扩孔。当钻孔停工相当一段时间后，应采用由孕镶钻头和两个扩孔器组成的钻具，两个扩孔器都应安装在岩心管的下部。配置钻具时应保证下部扩孔器和上部扩孔器外径比钻头外径大0.1～0.2mm。根据岩石性质的不同，扩孔钻进的速度不能超过5～20cm/min。

钻进过程中没有特殊情况不允许把钻头提离孔底，因为这样可能导致卡岩心装置启动，而且岩心碎屑落在孔底会造成胎体和钻头上的金刚石破坏。

在钻进过程中，需要均匀改变轴向载荷，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。对表镶钻头而言每粒金刚石的允许载荷为140～160N，而孕镶钻头为1200～1300N/cm2。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(对表镶钻头40～60N/粒和对孕镶钻头300～500N/cm2)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产生抛光，并造成金刚石无法切入岩石。

选择钻头转速时必须考虑岩石的硬度、研磨性和裂隙性。

通过分析机械钻速的变化也可判断金刚石钻头的使用是否合理。各种类型钻头机械钻速的变化速率是不同的。在正确选择规程参数组合的条件下，孕镶钻头的机械钻速应变化不大。表镶钻头的初始机械钻速增长，达到一定的最大值后将开始下降。但是，根据已有的准则来确定起钻换钻头的准确时间点是很困难的。通常是结合机械钻速的变化特征，靠经验来判断钻头的磨损情况。据全俄勘探技术研究所的调研，生产单位总结出在下列情况下应结束钻头回次作业并更换新钻头:

(1)胎体的外径、内径和高度磨损严重。根据保径金刚石粒度不同，胎体的内外表面磨损量已达0.5～0.7mm。

(2)正常的胎体剖面已经被改变，在内外表面已出现了锥度。以及在胎体端部外缘或中部已出现了深度超过0.5mm的拉槽和倒角。

(3)金刚石出刃过大(超过了其线性尺寸的1/3)，可能导致金刚石脱落和破坏。

(4)胎体冲蚀严重，使其强度下降，可能导致某个扇形块脱落或整个包镶金刚石的胎体层脱落。

(5)胎体和钻头钢体存在机械损伤(胎体出现鼓包、被磨圆、裂纹，钻头钢体或螺纹被磨损等)。

(6)孕镶钻头胎体内外侧面出现的倒角深度超过了孕镶层厚度时。

(7)由于胎体硬度与岩石的研磨性或钻探规程参数、所钻岩石的性质不匹配，造成钻头上的金刚石被抛光。

对于颗粒较大的金刚石单晶或聚晶钻头，允许的最大磨损量Δhmax如表7－1所示。

表7－1 金刚石单晶或聚晶钻头允许的最大磨损量

应采用千分表实时测量钻头和金刚石的磨损情况。将近有40%的金刚石钻头因胎体磨成斜面而提前结束回次。造成这种情况的原因可能是:钻头的制造质量不高，金刚石质量差，钻进裂隙岩石和钻进中伴有剧烈的振动等。

造成金刚石烧钻的原因在于破坏了正常的钻进工艺过程，最常见的原因是冲洗液不足和轴向载荷过大。

发生钻头金刚石和胎体被抛光的情况，通常出现在轴向载荷不足，泵量过大和转速过高的情况下。在生产实践中采用称为“干磨”的办法让钻头在孔底出刃，这时停止供给冲洗液10～15s。运用该方法将导致胎体的快速磨损，因此最好采用电化学帮助出刃的办法。