大口径孕镶复合体金刚石取芯钻探技术及其应用

王书豪

摘 要 随着我国综合国力的提高，在经济和技术领域都有了更高的追求，科学技术水平的发展能够为国家的发展铸就基石。深入研究科学的钻探技术是人类获取地球内部情况的最佳途径，对人类了解自己生活的环境有很大的作用。大口径孕镶复合体金刚石取芯钻探技术是钻探领域的新兴技术，对地质勘探水利工程等都有很大的帮助。文章介绍了金刚石钻探技术的发展历程，对大口径孕镶金刚石复合体的钻头设计进行探讨，并通过实例研究大口径孕镶金刚石取芯钻探技术的应用。

关键词 大口径孕镶复合体金刚石；金刚石取芯钻探；钻探技术应用

中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0101-02

1 大口径金刚石钻探技术概述

1.1 金刚石取芯钻探技术的发展

金刚石钻探技术已有一百多年的历史，是钻探技术中很重要的一部分。1862年，瑞士工程师J.R.李舒特研制出了金刚石钻头并用之钻出一些爆破孔，随后金刚石钻探技术被推广开来，金刚石钻探技术钻进速度快及钻孔质量高的特点令其成为大多数矿产种的主要勘探手段。

随着其他高新技术的发展，金刚石钻探技术的步伐也逐渐被带动起来，在水电、铁路及交通建设等工程项目的勘查中，要求金刚石钻头的直径越来越大，因此，大口径金刚石钻头的设计规范逐渐得到完善从而满足工程需求，例如俄罗斯的薄壁取芯金刚石转筒等在技术深化的同时带来了良好的经济效益。

1.2 国内大口径金刚石钻探技术现状

金刚石钻探技术于20世纪60年代出现在我国，并通过40年的深入探究达到了发达国家的水平，甚至有些技术点已成为世界先进水平。我国的金刚石钻探发展经历了三个时期：我国的金刚石钻探技术从1957年到1970年间开始起步；从1971年到1980年的10年期间，金刚石钻探技术在我国大力推广；1980年至今，我国的金刚石钻探技术已赶超世界水平。

在我国，第一次涉及到大口径取芯钻探技术是在建立在宜宾的水利水电工程中，而后葛洲坝、三峡、万安等地的坝址都沿用了大口径取芯钻孔技术，且钻孔深度超过50米。大口径金刚石取芯钻探同样可以应用到大陆科学钻探工程中，其钻头直径最大可达到25厘米。而在1999年青岛流清河水库项目中，金刚石钻头直径已超过60厘米。

2 大口径孕镶金刚石钻头研究

2.1 金刚石钻头胎体性能

胎体性能是大口进孕镶金刚石钻头的一个基本参数，胎体硬度、耐磨性、岩层岩性、研磨性记者之间相协调才能保证钻头的使用。尤其在孕镶钻头的钻进过程中，胎体的磨损应在金刚石之前，否则会因金刚石不易出露儿时的钻进效率得不到保障，甚至出现钻进打滑的可能。但如果孕镶钻头的磨损太快，会使得金刚石因出露太快而出现过早脱落或崩刃的情况，这样会大大影响钻头的使用寿命。

孕镶金刚石钻头技术性能的主要指标就是胎体的耐磨性，但由于胎体耐磨性难以测定，因此在实际操作中人们常常用胎体硬度情况代替耐磨性的测定。在实践过程中不难发现，很多硬度相同的胎体并不具备相同的耐磨性，所以胎体硬度并不能完全将耐磨性囊括在内。技术人员在长期研究后发现胎体硬度与耐磨性之间存在一定的联系，由此胎体耐磨性能更好地测定出来。运用不同的胎体配方能使胎体的耐磨性达到不同的钻探需求，同样，钻头的类型不同对胎体的性能要求也会改变，所钻岩层的岩性不同决定了对孕镶金刚石钻头的胎体性能的不同要求。

2.2 大口径孕镶金刚石复合体钻头设计

在孕镶金刚石复合体的设计过程中，做到理念创新、思路创新以及突破性从而完成工作层复合、复合块保径复合以及聚晶金刚石与硬质合金复合三个层次的工作。工作层复合指的是在工作层设计磨料的复合，其中有人造金刚石磨料与硬质柱状合金的复合，也有金刚石磨料中不同粒径的金刚石复合；复合块保径复合是将不同保径材料的人造聚晶与柱状合金体的复合，另外还有保径不同位置的复合；聚晶金刚石和硬质合金复合是一种金刚石复合片的烧结工艺，其一是实现金刚石与基体间的微晶无间隙结合，其二是人造细颗粒金刚石与金刚石之间的结合。

2.3 金刚石钻头破岩机理

岩石破碎机理非常复杂，因而国内外专家都对此做出了大量研究，并在一定程度上取得了相应的成果。不同的岩层所表现出的破碎形式是不一样的，其破碎形式受到了矿物成分、胶结物质、胶结类型以及组成结构等方面的影响。脆性均质岩层一般会出现微压裂压碎或体积破碎，塑性岩层的破岩往往表现为微切削和微翠削，而隐晶玻璃质岩层会形成抓擦式或磨削式的表面破碎现象。

孕镶金刚石钻头主要钻探物质一般为岩体坚硬、密度极大且具有脆性的岩层，而且这些岩层普遍是由不同的组织结构、不同成分、不同矿物组成及不同特性构成的非均质岩层。各矿物组成间因强度和硬度上存在很大的差别而产生了薄弱面，因此孕镶金刚石钻头在工作过程中其胎体金刚石在压入岩层的薄弱部位时产生作用，其剪切应力使得岩石颗粒脱落从而实现了优质高效的钻进目的。

3 金刚石取芯钻探技术的应用

以黄河某水利枢纽为例，根据其勘探情况概述金刚石取芯钻探技术的应用。在黄河水利枢纽的勘探中，所运用的钻头为直径615毫米的大口径孕镶金刚石复合体钻头，此钻头目前在国内是最大口径的钻头。

施工中分别用大口径孕镶金刚石复合体钻头钻进了直径615毫米深60米的孔1，并用钢粒钻头同时钻进了同直径切同深度的孔2。孔1的完成时间为27天，其钻进时间为143.5小时，取芯时间为185小时，平均每天钻进2.26米，工程消耗280元。孔2的完成时间为51天，其钻进时间为322.4小时，取芯时间为417小时，平均每天钻进1.18米，工程消耗630元。

孕镶金刚石复合体钻头节约了近40%的时间，平均每天钻进深度提高了近一倍，而与钢粒钻头相比其所需成本节约了一半。由此可见，大口径孕镶金刚石复合体钻头应该广泛投入使用当中。

4 结束语

大口径孕镶金刚石复合体钻头的使用开创了金刚石取芯钻探工程中的新大陆，实现了金刚石钻头的技术跨越及规格跨越。将大口径孕镶金刚石复合体钻头透雨水利水电工程地质勘探及沿途挖掘中有能有效提高工程进度，并降低工程成本，应该大力推广。

参考文献

[1]杨道合.科学超深钻井过程中碎岩方法与孕镶金刚石取心钻头的预研究[D].中国地质大学，2012.

[2]郭明，周晓，杨裕恩，等.Φ615 mm大口径金刚石取心钻进技术研究[J].地质与勘探，2010（06）.

[3]谭刚.高胎体孕镶金刚石钻头试验研究[D].中国地质大学（北京），2010.

[4]徐良.硬岩钻进用仿生耦合金刚石取心钻头研究[D].吉林大学，2009.endprint