"打滑层"钻进时的常用方法和钻头设计原则

[摘要]孕镶金刚石钻头在钻进坚硬致密岩层时，经常出现"打滑"现象。所谓"打滑"就是指机械钻速很低，甚至不进尺，钻头唇面光滑无磨损的现象。这类岩层的共同特点是：岩石组分坚硬，颗粒细、结构致密，胶结强。其最主要的力学指标是：岩石抗压强度大，硬度高，研磨性低。除采取一般的钻进工艺措施外，钻头设计是解决此类难题的最好方法。

[关键字]打滑层 孕镶钻头 设计原则

[中图分类号] P634.4+2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-5-120-1

应当明确机械钻速低不是“打滑层”判定的唯一标准，钻进参数选择不当也会造成机械钻速过低，这种情况应当排除。即在使用正常钻头，采用正常参数钻进而机械钻速很低的岩层才能称之为“打滑层”。遇到这类地层往往要采取一些非常规的技术措施以克服其带来的不利影响。而实践证明，从钻头设计出发，采用特定钻头是对付此类地层的最佳选择。

1 “打滑层”钻进常见的应对措施

一般按“大钻压，低转速，低泵量，孔底适当研磨”的原则进行，主要有：

1.1 在尽可能的情况下选择大钻压钻进。由于“打滑层”岩石抗压强度高，硬度大，钻头必须有较大钻压才能克入岩石，完成微切削，按单位唇面面积计算钻头压力时应当取高值，如Φ75mm绳钻钻头，钻压一般在15KN以上才能得到较经济地钻速。但应根据钻机负载、钻具受力有适度选用，防止发生意外。

1.2 转速不宜过高。“打滑层”钻进转速不宜过快。这是因为：一方面转速过快会对切削刃的冷却产生不良影响，加剧切削刃的提前磨损、磨纯甚至出现出刃抛光，发生人为打滑现象；另外有关实验还发现，在坚硬岩层中钻进时，过高的转速将会导致钻头与破碎面产生“相对打滑现象”，对碎岩无益，却对钻头寿命和进尺大大不利。

1.3 泵量要小。“打滑层”钻进产生的岩粉本来较少，岩粉适度积存有助于胎体磨耗和金刚石锐化，这对钻进是有利的，因此在满足钻头冷却的前提下泵量取小值是有好处的；另外大泵量会加剧孔内钻具运转的不稳定性，将会对钻进参数的传递尤其是钻压带来很不利的后果，所以“打滑层”宜用小泵量钻进。

1.4 钻头预出刃。一般采用旧的、出刃较好的钻头（外径要保持）钻进。当发生打滑不进尺时，可采取孔内投碎石研磨、孔口修磨出刃甚至采取腐蚀胎体出刃等方法使钻头保持适当出刃来完成后续进尺。

1.5 钻具级配调整。绳索取心钻头唇面面积大，相应地需要更大的钻压才能取得有效进尺。在坚硬岩层钻进时，岩心采取率一般问题不大，可将双管钻进换成单管钻进，钻头采用薄壁钻头，效果往往比较明显。扩孔器外径与钻头外径间隙要取小值，一般取0.2-0.3mm，扩孔器优先使用电镀单晶细粒金刚石扩孔器，不宜使用聚晶扩孔器。

1.6 冲洗液。冲洗液性能调整主要从降低粘度、减少性、降低固相颗粒分散度等几方面着手，综上所述清水是最经济适合的冲洗液，因为清水的冷却能力最强，粘度很低，对固相无分散能力，有利于金刚石出刃，因此在孔内条件满足的情况下，清水钻进是“打滑层”钻进常用的方法之一。

2 “打滑层”钻头的设计原则

以往在钻进“打滑层”时，往往选用细粒到特细粒金刚石，软胎体，低浓度钻头，金刚石品级要高一些，但在实际使用中存在寿命问题：当采用软胎体钻头时，在大钻压参数下，胎体对金刚石颗粒的支撑不够，很多脱掉，无法发挥有效碎岩作用（从钻头唇面可以清晰看到），钻头寿命很低。因此要克服钻头寿命问题必须对钻头重新设计，摒弃原先方法，才能达到标本兼治的目的。

2.1 选用高品级人造金刚石。常用钻头选用MBD8品级金刚石，在“打滑层”钻进应选用MBD12（SMD25）级以上的高品级人造金刚石，具有晶形好，单粒抗压强度高，热稳定性好等特点。高品质金刚石能在大钻压参数下有效切入岩石并保持自身性能稳定（不易被钝化或折断），较易保持机械钻速的均衡性并获得较高的寿命。

2.2 粒度适当增大。广谱钻头常用40/60目数的钻头，“打滑层”钻进金刚石粒度应大一些，原先使用细粒到特细粒的做法欠妥，但金刚石粒度也不能太大，主要原因：一是大颗粒金刚石合成技术复杂，成本高且晶体缺陷多，质量不稳定；二是粒度增大后单粒金刚石需要更大的钻压才能刻入岩石，这在坚硬岩层中因钻头制造工艺以及设备钻具能力限制往往达不到理想效果。通过我队在某工地试验，坚硬打滑层钻进选用高品级、中粒度35/50目左右的金刚石取得了很好地试验效果，由于混粒比单粒具有更好的切削作用，在“打滑层”钻进宜用混粒搭配，金刚石最小粒度不要大于50目，常用30/40目为好。

2.3 金刚石浓度要低。金刚石浓度低，唇面上单位面积内金刚石颗粒就少，在同样的钻压条件下，作用在每粒金刚石的钻压就会增加，有利于金刚石切入岩石，从而提高机械钻速。

2.4 选用中等硬度胎体。以往选用软胎体钻头目的是为了金刚石颗粒能适时出刃，但过软胎体将不能对金刚石颗粒形成有效支撑，造成金刚石颗粒的过早脱粒，这是软胎体钻头低寿命的根本原因。采用高品级金刚石，就要求胎体硬度不能太低，并且粒度增大的前提下，就必须选用硬度较大的胎体材料，金刚石颗粒才能被包裹牢固，与胎体一起形成整体性能良好的工作层。

2.5 钻头水口设计。因金刚石钻头内外径线速度不同造成内外径磨损不同，金刚石钻头水口通常采用内小外大的扇形水口，以平衡钻头唇面磨损。为了提高唇面单位面积压强，水口断面面积适当增大对提高机械钻速是有利的，但为了能保证胎体有足够的环状面积来支撑钻压，水口面积又不宜过大，并应考虑冷却和排粉要求。

2.6 钻头唇面形状设计。在钻进此类地层时，往往采用较多自由面的唇面形状如梯齿型、锯齿型、尖齿型等钻头，较大的钻压集中作用在较小的唇面面积上，利于金刚石切入岩石；同时也能形成较多自由面的破碎面，有利于岩石破碎，提高钻速。为了平衡唇面磨损的均匀性，提高钻头寿命，胎体唇面上金刚石颗粒的布置应有针对性，比如在磨损较大的钻头外径处选用更高等级的金刚石或增加金刚石浓度等都是具体的应对措施，在具体采用时应考虑胎体唇面形状、硬度等，保证胎体工作层的整体性。

2.7 采用金刚石单晶保径。由于“打滑层”岩石特别坚硬，使用针状合金或聚晶保径往往会严重影响进尺，而金刚石单晶对于坚硬的井壁有磨削作用，有利于提高钻速。

3 结语

本文从钻头设计和采用的常用方法两方面来阐述“打滑层”钻进的一些技术措施，供业内同行借鉴和参考，促进经验交流，使钻探技术不断向前发展，为国民经济做出更大的贡献。

参考文献

[1]EJ/T 1052-1997.放射性矿产资源钻探规程[S].

[2]张祖培等.碎岩工程学[M].北京：地质出版社，1995.