岩土工程硬质合金钻进技术探讨

范崇满,底朝龙,郭林

摘要 本文就岩土工程的钻头压力的选择、钻头转速的选择及其冲洗液泵量及其性能的选择进行了分析，并对P、n、Q参数间的合理配合和最优回次钻程时间的确定进行了详细的阐述。

关键词 岩土工程；钻头；选择；技术

中图分类号P64 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0078-02

1 钻头压力的选择

钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图1中，a点继续增加钻压，其钻速将呈直线增长。

不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。

硬质合金钻进工艺应充分发挥切削具初刃的切入优势。硬质合金钻进开始时就应以允许的最大初始钻压钻进。等切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得好的钻效。

从两个方面分析增加钻压的意义：

岩石方面：钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加钻压对提高钻速更为有效；

在切削具方面：初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。

但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较大差距。

实际生产中首先选择每颗切削具上的压力值p，然后根据钻速的变化情况适时调整。岩石越硬、研磨性越强，p值取上限；粘性软岩取小值；裂隙地层也应取小值。钻头上的总压力为 P总=p×m。

YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值

2 钻头转速的选择(必须考虑岩性和时间因素的影响)

由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学，

（m/s）

钻软岩转速的效果最显；而另两类岩石由于破岩时间效应影响显著，故钻速随转速而增大的趋势下降。

时间效应：岩石在切削具作用下，从发生弹性变形-形成剪切体-跳跃式吃入一定深度，需要一短暂时间。切削具要在岩面停留短暂时间Δt，使裂隙发育至自由面形成剪切体。

如果转速超过临界值（n＞n0） 切削具作用于岩面时间＜Δt，裂隙尚未发育载荷便移走了，造成表面破碎。

3 冲洗液泵量及其性能的选择

冲洗液的排粉、冷却、润滑和护壁诸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此为依据来选择泵量。

液流的阻力与流速平方成正比，如泵量过大引起的孔底脉动举离力将抵消一部分钻压；造成在岩心管内、外环间隙中流速过高，可能冲毁岩心或孔壁。

合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。

孔内岩屑颗粒的上返速度主要取决于液流的上返流速、冲洗液的性能、岩屑颗粒尺寸及其密度。

清水冲洗时，液流上升速度取0.25m/s~0.6m/s；

泥浆冲洗液时，液流上升速度取0.20m/s~0.5m/s。

为提高钻速，在可能的条件下应尽量选用清水作冲洗液；若用泥浆其粘度和密度值宜小不宜大，并尽量用低固相不分散泥浆。

4 P、n、Q参数间的合理配合

在实际钻进中P、n、Q都不是单独起作用，存在交互影响。

软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；

研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；

中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。

定性分析的原则是：钻进Ⅳ~Ⅴ级及以下岩层，以较高转速为主；钻进Ⅴ~Ⅵ级 及以上岩层，应以较大的钻压为主。

5 最优回次钻程时间的确定

5.1 思路原理

磨锐式钻头的瞬时钻速随切削具磨钝而递减。确定最佳回次钻程时间的标准是回次钻速达最大值。

钻头在t时间内的累计进尺H为：

代入到回次平均钻速计算公式中，可以得到：

令，可求出最优回次钻程时间：，代入上式得最优回次钻速为：

据瞬时钻速vm与进尺H的关系（），代入t0，可求出此时的瞬时钻速为：

在t0时刻，瞬时钻速与回次钻速正好相等。这便为在现场用绘图法确定最佳钻程时间t0提供了理论依据。

5.2 作图法确定最优回次钻程时间

利用瞬时钻速vm-t 和 vR-t 两曲线的交点来确定t0 。在钻进中，随时计算vm=△H/△t ，vR=H/（t+T）。当两者相等时，此时间即为最优钻程时间t0 。

用回次进尺曲线的切点来确定t0 。起下钻时间为T，令OA=T。当斜率直线AB与H-t相切时，tgθ为最大值，即vR为最大值。切点对应的时间为t0 。

5.3 自动确定最佳钻程时间的方法

在有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每7s由微机计算一次瞬时钻速和回次钻速，按不等式 vR /vm＜Cm（Cm取值1.1~1.2） 判断是否需要终止回次钻程。

为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察5min。这时微机系统给一个钻压增量ΔP，观察瞬时钻速vm 是否继续增大而重新满足不等式，同时每秒测算一次Cm 值，如果不满足不等式的次数达60%，则发出“起 钻”的命令。应用该方法曾使回次钻速提高了10%~20%。

6 结论

总之，钻探作为找矿勘探的重要手段，正面临着更加复杂的地区施工和钻孔深度增加的挑战，这就意味着应用新的钻进方法和设备，加大地质钻探技术的研究势在必行。

参考文献

[1]耿瑞伦.中国现代地质钻探技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，1996(4).

[2]章兼植.对我国地质钻探技术发展的思考[J].中国地质，1991(12).

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”