浅谈绳索取芯适岩钻头的选用

侯健　李飞

摘要：钻探是地质勘探的重要工作方法，是取得地下岩矿层资料的最主要手段。许多地质勘探项目中，钻探工作占用大量的人力、物力和财力，它的质量和效率直接影响地质报告的质量和勘探成本。

关键词：绳索取芯;钻头;选用

我国于1973年开始研究绳索取芯钻进（简称“绳钻”，即利用带绳索的打捞器，以不提钻方式经钻杆内孔取出岩芯容纳管的钻进技术），目前已在岩芯钻探中广泛使用。目前，国内在大力推广这种钻进技术，并日益显出了优越性，被誉为“四高、三低、两好”（工程质量高、时间利用率高、钻进效率高、钻头寿命高;停钻事故低、劳动强度低、设备材料消耗低;地质效果好、经济效益好）的先进钻进方法。

1、钻头的选择

采用绳钻，首先要选择与地层相适应的钻头。它要求钻头不仅时效要高，易破碎岩石，还要有较长的使用寿命。如果钻头时效很低，直接影响钻进效率，如果钻头寿命很短，不得不经常起下钻更换钻头，从而降低钻进效率，增加成本，不能充分发挥绳钻的优越性。因此，必须根据岩石的物理力学性质，包括岩石的可钻性、硬度、强度、研磨性和完整度，同时也应考虑经济效益与施工队伍的实际情况，选择好钻头。其选择包括金刚石的粒度、强度和浓度、钻头的胎体性能、镶嵌类型、钻头水口等。

1.1  金刚石粒度、强度和浓度的选择

选择金刚石时，一般首先考虑钻速问题，然后考虑钻头寿命;在硬、脆、碎地层中，则应将钻头寿命放在首位;在坚硬致密地层中，则钻速和钻头寿命同时考虑。

1.1.1  钻进较完整中硬及以下岩层

粒度选择：因岩石对金刚石的磨损较弱，施加在单颗金刚石上的压力不需很大便可以体积破碎的形式刻取岩石，因而金刚石不易破裂，应选较粗粒度金刚石，以同时获得较高钻速和钻头寿命。

强度选择：因岩石抗压强度较低，用较小的钻压便可获得较高的钻速，可选较低强度金刚石。

浓度选择：钻头寿命一般较高，而钻速显得特别重要，故金刚石浓度不宜过高。

1.1.2  钻进坚硬致密和硬、脆、碎地层

粒度选择：金刚石不仅承受较大的轴向压力和剪切力，还要承受较大的冲击力，必须选较细粒度金刚石以延长钻头寿命。

强度选择：金刚石不仅承受较大的轴向压力和剪切力，还要承受较大的冲击力，必须选较细粒度金刚石以延长钻头寿命。

浓度选择：为延长钻头寿命和提高钻速，必须选较高强度的金刚石。

1.2  胎体性能的选择

胎体的耐磨性是影响钻头寿命的重要因素之一。胎体的耐磨性应与所钻岩石的研磨性相适应，即在进尺的同时让孔底岩石和磨粒对胎体金属产生适度磨损，使胎体中的金刚石保持良好的出刃状态。影响胎体耐磨性的因素较多，如胎体合金的成分及其自身的硬度、胎体中金刚石的浓度、钻进中孔底的磨损状态等。合理选择适岩胎体至关重要。一个钻头，其胎体的耐磨性只适应于某几种地层。适应中硬以下完整地层的钻头，在强研磨性和破碎地层中钻进，则表现为胎体的耐磨性不足而磨损过快，使金刚石破裂、脱粒。崩落下来的金刚石碎粒和高研磨性岩粉在钻头的回转压持下与钻头、岩石形成三体磨粒磨损，又加快胎体磨损，加剧钻头上金刚石的脱粒，严重缩短钻头的使用寿命。但胎体硬度高的钻头在中硬以下地层中钻进则表现为自锐性差，钻进效率低。遇坚硬且研磨性弱的地层（俗称“打滑”地层），在这类地层钻进时，若胎体硬度太高，金刚石浓度太大，粒度太细，则胎体不容易磨蚀，金刚石不容易出露，这样就影响了钻进效率;反之，若胎体硬度太低，虽然金刚石更易出露刻取岩石，但由于胎体磨蚀太快而影响了钻头寿命。可见，胎体硬度太高或太低都会因换钻头而缩短提钻间隔。

1.3  镶嵌类型的选择

天然表镶、聚晶表镶钻头，金刚石颗粒大，易受外界损伤，钻进中尤其怕震和冷却不良，故取适当钻压使出露的金刚石有效而不过多地切入岩石，辅之以足够水量冷却排粉，以压裂、磨削方式快速磨损、破碎岩石，最适合钻进中硬完整岩层。为提高时效，应在“中速、适压、足水量”的规程原则下，依钻头不同磨损段情况略加调整规程参数。

1.4  水口的选择

在松软破碎、易被冲蚀地层中钻进，宜选用底喷或侧喷式钻头来保证其岩矿芯的采取。在中硬及以下岩层中钻进，因岩石强度不高，钻速和钻头寿命主要取决于排粉和冷却条件，选用多水口的圆弧形（包括平底形）钻头，能获较高钻速和钻头寿命。而在坚硬致密的岩石中钻进，良好的排粉条件或底唇接触面积过大易导致打滑，选用底唇接触面积为18～20cm²的热压平底拉槽、单阶拉槽钻头，可使孔底岩粉局部富集，增强岩粉对胎体的磨损，使金刚石连续出露。

2、钻头的使用

钻头选择固然重要，但对其正确使用和合理操作也应重视，必须把二者有机结合起来，要充分发挥各种型式钻头自身技术性能和结构特点，搞好钻头分层和定期交替使用，以达到预防孔斜超差和提高钻进效率之目的。绳钻过程中钻头使用应重点注意的事项如下：

2.1 钻头磨损和更换的判断

在正常钻进无事故的前提下，要准确判断钻头磨损情况，合理确定提钻间隙。若频繁提钻观察钻头磨损情况，不利于提高钻进效率，且往往因提钻操作不当而引发种种事故，况且绳钻的本质之一就是尽量少提钻从而增加钻进效率，故此法不可行。实践中主要按以下三方面来判断钻头磨损程度。据钻速变化判断钻头底唇磨损：一般钻头选择得当，钻进技术参数稳定，钻速下降表示岩芯堵塞或钻头磨损。前者引起钻速下降幅度大，后者引起钻速下降幅度小。若打捞岩芯后比打捞前钻速高，说明钻速降低是岩芯堵塞造成;若打捞岩芯前后钻速相差不多，说明钻速降低由钻头磨损造成。据岩芯直径变化判断钻头内径磨损：绳索取芯钻头内径采取了牢固补强措施，正常情况下岩芯直径几乎没变化。但当内径磨损时，岩芯直径变大（接近或等于钻头内径），钻进时会频繁发生堵塞，可通过测量岩芯直径来确定钻头内径是否磨损以保证岩芯顺利进入内管并保证其采取率。据泵压变化判断钻头底唇及水口磨损：钻进过程中，钻头底唇磨损较大，水口变小或磨平，会造成泵压比正常泵压高;但岩芯堵塞或冲洗液循环通道受阻也会造成泵压升高。

2.2 更换新钻头注意事项

2.2.1每一次更换新钻头时，要量准上一回次使用的扩孔器外径，必需比新钻头外径稍大才能下入新钻头;上一回次使用的扩孔器外径比新钻头外径小时，不能下新钻头，此时必须下新的扩孔器扩孔到底或打一回次，方能下入新钻头。

2.2.2  每一次更换新钻头时，堅持现场使用游标卡尺准确测量其内、外径和高度，并对钻头采取初磨措施。

2.2.3  如果孔底有硬质合金或其它金属残留物，而岩石较软，不要勉强磨孔，最好用针状合金钻头钻进，钻到岩石变硬时，进尺几百毫米后提钻，这时才磨孔，然后采用金刚石钻头钻进。

2.3 钻头的排队使用

绳索取芯钻头的特点是孔底连续工作时间较长，只有当钻头磨损到一定程度时才提钻检查更换，故钻头排队很重要。为保持孔径一致，充分发挥钻头效能，应在每次钻进前量准所有钻头与扩孔器内外径并分组排队后轮流使用。先用外径大、内径小钻头，后用外径小、内径大钻头，使更换的新钻头顺利下到孔底，以免发生挤夹钻事故和岩芯堵塞。若不注意钻头排队使用，如把外径大、内径小钻头放在后面使用，就很易出现大孔段扩孔，更换的新钻头下不到孔底，增加钻孔工作量，甚至损坏钻头或造成孔内事故。

3、结束语

严格实施钻进规则，一丝不苟地执行操作规程，细致谨慎地使用钻头，继续加强研究和试验适合不同岩性、不同硬度、不同地质条件下的钻头，对扩大绳索取芯钻进使用范围，进一步提高绳索取芯钻进的经济技术效益仍具有重要的现实意义。