特异形钻头在地质钻探中的应用

摘要：近年来，我国经济和社会迅速发展，地质矿产勘查、建筑、水文勘查、桥梁道路工程施工等各行业也都有了令人瞩目的发展。钻探行业作为上述行业的前期基础性服务行业，其发展速度更是一日千里。文章主要介绍了几种特殊热压金刚石钻头的特点，并对其钻进原理、应用范畴、应用中的优势及不足进行了分析。

关键词：特异形钻头；地质钻探；钻探施工；地勘工程

中图分类号：P634 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0044-02

从19世纪50年代第一个真正义意上的金刚石钻头被设计出来并投入使用，到如今，金刚石钻头已经经过了近两百年的衍化与改进。钻头设计的目的性与特异性也悄然发生着改变。

1 具体钻头的种类及介绍

1.1 斜齿同心圆式钻头

在地质钻探中，斜齿形钻头比平底型、圆弧型及普通尖齿型唇面的金刚石钻头拥有较高的机械钻速。因为斜齿式钻头的唇面拥有一条自上而下的倾斜度唇面（其倾斜度约为15°～20°），所以在钻进过程中会大大减小钻头与岩石的接触面积，约为普通平面钻头的30%～40%。因其钻进接触面小，因而有较高的钻进速度，另其特殊的斜面为其提供了较大过水断面，为钻进中的冷却和携带岩粉提供了良好的帮助，能够很好地保护钻头，减免其因为温度过高而引起烧钻等问题。

斜齿钻头的缺点是：因为其钻进接触面较小，它没有办法像平唇面钻头那样保持很好的稳定性，在破碎岩石中钻进会引起钻进过程中钻头的跳动，这就对操作人员的操作水平提出了更高要求。稳定性因素自然也会引起钻头保径效果的降低，从而无法对孔径做出精确的控制。另外，由于其唇面是自上而下的倾斜面，位于低处的唇面有时会无法发挥全部的钻进效能，从而影响钻头的使用寿命，同时也在一定程度上增加了钻进成本。

1.2 高胎体金刚石钻头

高胎体金刚石钻头是有效钻进工作层达15～20mm的特殊金刚石钻头。

现在市场上的钻头其有效钻进工作层普遍为5～10mm之间。随着1000m左右的深孔钻探越发普及，钻进效率及成本越来越被人们所关注。但钻头的使用寿命及有效钻进时间严重制约了钻进的效率。这是因为钻孔越深，提取岩芯、取下钻等辅助工序会占用近70%的钻探时间。绳索取芯工艺虽然能缩短一些时间，但仍无法满足当下对效率的追求。这就需要一种长寿命钻头与绳索取芯钻具相配合来提高钻探的经济效益。而高胎体金刚石钻头就是在这样的情况下被研制出来的。在湖南某一工地中，高工作层单个钻头钻进总尺寸达450多米。

高胎体金刚石钻头外形如图1所示：

图1 高胎体金刚石钻头

由于此种钻头有效工作层达17～20mm，是传统金刚石钻头的两倍。理论上其使用寿命可达普通金刚石钻头的两倍，大大节约了钻进过程中的辅助时间，实现了可观的经济效益。另外，由于高胎体金刚石钻头胎体较长，在钻进过程中钻头与钻进孔壁的接触面积较普通钻头要大，大大减轻钻头在钻进过程中的涡动、左右摇晃等复杂振动，可以很好地保护钻头，提高钻头保径效果，并使孔壁尺寸更精准，为钻孔的维护有很大的帮助。最重要的一点，就是实用的高胎体钻头解决了钻探行业耐磨钻头效率低、高效率钻头寿命短的难题，较好地实现了钻头寿命与效率的统一。

1.3 齿轮钻头

齿轮式钻头比一般普通钻头的唇面多出了一半的排渣排水槽，因此与钻进面的接触面积比普通钻头小很多，在相同轴心压力的作用下，孕镶其中的金刚石颗粒所受的压力大，可以增加吃入岩石的深度，于是它会有更高的钻进速度；而且由于它的水槽比普通钻头要多，所以在钻进过程中钻头的冷却条件比一般钻头要好得多，并有利于岩屑及渣子排出。这样就不容易引起烧钻，减少孔内事故。

其缺点是，由于水口多，接触面积小。虽然可以提高钻进速度，但磨损速度要较之普通钻头快。同时由于齿和齿之间的空隙较大，所以在钻进较软的地层时，泥屑及岩粉会很快地塞实其间，会对钻进过程有一定的影响。但是在硬质地层、进齿缓慢的地层中，齿轮式钻头会发挥很有效的作用。

1.4 多阶梯式防斜钻头

多阶梯式防斜钻头如图2所示：

图2 多阶梯式防斜钻头

从图2中我们可以看到，这种钻头的唇面是由上而下由一层一层的阶梯组成，像一个宝塔形状。钻进时，顶部最高唇面最先入岩，迅速嵌入地层，很快创出自由面，有效减少了钻头横向振动。顶部入齿后，下一级的台阶进入第一级阶梯所钻出的自由面，类似于扩孔功能，使岩层的阻力向斜下传导，有效地减少钻进过程中所受的阻力，而且由于是层步钻进，顶部的层齿具有很好的导向作用，其后的层齿又具有很好的纠正作用。综合起来，这种形式的设计就具有了很好的防斜功能，在钻进中具有很好的稳定性，它所钻出的钻孔垂直度高，岩芯的采取率很高。它所具有的层齿结构，使得它在钻进中始终保持着与钻进面很小的接触面积，因而它的钻进速度很快。长直而整齐内部结构也使得它对岩芯起到很好的保护作用，進一步提高岩芯的采取完整度。

防斜式钻头适用性很广泛：其适用于完整的中硬、中硬-硬质岩层。它既能在高转速下有高进尺，而且在较低转速上仍能有较好的钻进效果。由于其独特的导向性作用，它也被很广泛地应用在斜孔钻进工程中。在江西一个易斜、软硬互层工地，钻孔为85°的斜孔，使用硬度为15/20的多阶梯防斜钻头，很好地解决了钻孔易斜、孔位偏移等问题，并且钻进时效及钻头寿命都有不错的表现。但是此类型的钻头却不能应用于破碎地层，因为在破碎地层钻头在钻进过程中容易受力不均，加之此种钻头顶面唇面与地层接触面很小，所以会在钻进过程中出现断齿、胎体掉块等情况。

1.5 底喷式钻头

所谓底喷式金刚石钻头就是指在钻头胎体端面水口处有通水孔，而钻头内部没有内水槽，胎体端面的底水口也不与内侧相连通。底喷式钻头如图3所示：

图3 底喷式钻头

我们可以看到，底喷式钻头内部通水是由不与内壁相连通的通水孔中排出，出水眼喷出的冲洗液主要经由外水槽排出，大大减少了冲洗液对岩芯的冲蚀。底喷式金刚石钻头主要用于解决诸如粉状岩矿层、遇水粉化或膨胀地层、软硬互交地层、煤层及容易受冲洗液干扰的硬脆碎地层难以采取岩芯的问题。由于它内管通水是经由水口上的通水孔排出，不仅冷却效果很好，还可以防止岩屑、泥渣等阻塞水口。因此它在松软地层、破碎或煤系地层，是一种必不可少的钻头类型。

2 结语

从文中我们可以看到，随着现代地勘工程不断发展，钻探施工中遇到的各种各样的问题也会逐步增加，越来越需要有特异性、专用适应性的钻头类型来解决实际问题。但到今天还是有许多复杂多变的地层尚未找到其适用的钻头来配合其钻进。这就需要我们投注更多的目光与努力，设计研究出更多更新的钻头品种来处理这些问题。同时希望本文能对钻探行业尤其是从事钻头生产的厂家和使用者起到一点启发，在钻头研发的道路上能走得更远、想得更深，为我国的钻探行业投注新的活力，创造新的辉煌。

参考文献

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作者简介：高玉彬（1985-），男，湖南状元金刚石制品公司助理工程师，研究方向：热压孕镶金刚石生产及研发。