不同类型地质环境下金刚石钻头的选择与效果

周东富，刘佳宾，张 晶，张立亚

（1.吉林省地质勘探技术研究所，吉林 长春 130000；2.吉林省纺织工业设计研究院，吉林 长春 130000；3.吉林大学，吉林 长春 130000；4.中国石油化工集团有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

钻探是地质勘察、矿产开发、工程施工等领域必不可少的作业之一，而不同类型的地质环境需要选择不同种类的金刚石钻头[1]。如何在不同地质环境下，选择最适合的金刚石钻头，对提高钻进效率和降低钻进成本起到了关键作用，为此结合相关实践经验，深入探讨不同类型地质环境下金刚石钻头的选择与效果评估。

1 金刚石钻头类型

1.1 按用途分类

矿用金刚石钻头，主要用于矿山开采和勘探领域。工程用金刚石钻头，主要用于公路、铁路、水利、建筑等工程领域。地质勘查钻头，主要用于地质勘查和调查领域。石油钻头，主要用于石油钻探领域。

1.2 按结构分类

三翼钻头，外形呈三角形，每侧有一条长边和两个短边，主要用于深井钻探。四翼钻头，外形呈正方形或矩形，主要用于灰岩、砂岩等软质地层[2]。六翼钻头，主要用于硬质地层，例如花岗石、玄武岩等。刀齿钻头，外形呈圆柱形，钻头表面有许多小齿，主要用于砂、砾等松散固体地层。

1.3 按金刚石颗粒尺寸分类

粗颗粒金刚石钻头，适用于硬质地层。细颗粒金刚石钻头，适用于软质地层。

1.4 按结构形式分类

焊接金刚石模块，金刚石模块通过焊接固定在钻头上，适用于软质地层。压制金刚石钻头，将带有金刚石颗粒粉料通过高温高压压制固定形成钻头，适用于硬质地层。

2 金刚石钻头破岩钻进工作机制

2.1 破碎机制

在破岩时，钻头上的金刚石颗粒通过撞击和压力作用下，将岩石表面的颗粒破碎掉。随着钻进深度的不断增加，岩石表面不断被破碎，同时钻头不断向前推进[3]。由于岩石的抗拉强度较小，当受到拉力时会发生裂纹的形成，这些裂纹会逐渐扩展并将岩石表面分解成小颗粒，最终形成一个圆形的钻孔。

2.2 磨削机制

当钻进遇到较硬的岩石时，破碎机制的效率往往不太理想。这时会出现另一种机制，即磨削。钻头上的金刚石颗粒作为刀具，对岩石表面进行磨削[4]。由于钻头转动时会产生摩擦力，因此钻头磨削下来的岩石颗粒在钻孔中会形成泥浆。

3 不同类型地质环境下金刚石钻头的选择

3.1 火山喷发类地质环境

火山喷发类地质环境下的岩石种类比较多样，包括玄武岩、安山岩、流纹岩等，岩石硬度较大。选择钻头通常需要考虑到岩石硬度、韧性等因素，常用的钻头有六翼钻头、焊接金刚石钻头等。

六翼钻头是一种常用于钻探坚硬岩石的工具。它具有六个切削面，每个面上都有多个齿刃，可以提供更多的钻探力和切削效率。焊接金刚石钻头的刀具表面镶嵌有金刚石颗粒，金刚石是目前已知的最硬的天然物质，具有很强的耐磨性和切削性能。

通过选择六翼钻头或焊接金刚石钻头，可以在火山喷发环境中更好地实现钻探作业，提高钻探效率，缩短工期。这些钻头具有更好的切削性能和耐磨性，能够适应岩石硬度较大的情况，减少钻头磨损和更换的频率，降低工程成本和人力资源的消耗。

3.2 沉积型地质环境

沉积环境下形成的岩石种类也比较多，常见的包括砂岩、泥岩、页岩等，岩石硬度较小。这类场景下一般采用四翼钻头、刀齿钻头等金刚石钻头，可以将松散的岩石表层进行磨削或者破碎。

四翼钻头是一种适用于钻取松散地层、高强度土和软岩等场合的工具。它的刀具表面具有4 个切削面，每个面上都有多个齿刃，能够提供更多的切削力和效率，而且不容易在破碎、崩落的岩石中被钳住[5]。刀齿钻头是一种装有齿轮或刀齿的钻头刀具，主要用于钻取松散的地质层、软岩和泥岩等环境。它的刀齿通过旋转运动和斜向进给的方式，对松散的岩石进行破碎和磨削，使得采样更加精确，可以在样品保持完整的前提下提高钻探速度。

通过选择四翼钻头和刀齿钻头等金刚石钻头，可以在沉积环境中更好地实现钻探作业，提供更大的切削力和效率，并且不容易被钳住。这些钻头能够对松散的岩石表层进行破碎和磨削，保证采样精度的同时可以提高钻探速度，缩短工程周期并减少工程成本。

3.3 构造运动类地质环境

构造运动环境下常见的岩石类型包括花岗岩、片麻岩等，岩石的硬度、韧性都比较大。常用的钻头有三翼钻头、焊接金刚石钻头等，可以通过钻孔中央的龙骨部分对岩石进行破碎。

此沥青混合料的拌制与摊铺和普通沥青混合料大致相同，然而，因这一沥青混合料的级配比普通沥青混合料粗，并且摊铺厚度相对较厚，所以在拌制、摊铺与碾压过程中，又存在一定差别，具体表现为以下几点：其一，在混合料拌制过程中，干拌时间相对较长，一般在普通沥青混合料基础上要延长2～5s；其二，鉴于摊铺厚度相对较大，所以应放慢摊铺机行驶速度，通常为1.5～2.0m/min，最快不能超出2.5m/min[1]。

三翼钻头是一种适用于构造运动环境下的工具，它的刀具表面具有3 个切削面，通过旋转运动和斜向进给的方式对岩石进行破碎。三翼钻头的设计使得它能够在具有较大硬度和韧性的岩石中提供足够的切削力，快速破碎岩石并完成钻探作业。

焊接金刚石钻头的刀具表面镶嵌有金刚石颗粒，金刚石是目前已知的最硬的天然物质，具有很强的耐磨性和切削性能。在构造运动环境中，焊接金刚石钻头可以通过钻孔中央的龙骨部分对岩石进行破碎，充分利用金刚石的硬度和耐磨性，提高钻探速度和效率。

通过选择三翼钻头和焊接金刚石钻头，可以在构造运动环境中更好地实现钻探作业，提供足够的切削力和效率。这些钻头能够破碎具有较大硬度和韧性的岩石，快速完成钻探作业，并且具有较长的使用寿命和更高的工作效率。在构造运动环境中选择适合的钻头，可以提高钻探的质量和效率，减少工程成本和人力资源的消耗。

3.4 岩溶型地质环境

岩溶环境下形成的岩石类型主要是石灰岩、大理岩等，岩石硬度较小，不均匀性较大，容易形成空洞和裂隙。因此，在这种地质环境下需要使用比较特殊的钻头，如螺旋钻、牙形钻等，能够通过旋转和抖动的方式进行破碎。

螺旋钻是一种适用于岩溶环境的钻头，它的设计使得钻头能够通过旋转和抖动的方式对岩石进行破碎。螺旋钻的刀齿呈螺旋状排列，能够有效地抓住岩石表面，提供较强的切削力和稳定性，同时避免被岩石空洞或裂隙卡住。这种钻头适用于岩溶环境下的钻探作业，可以快速破碎岩石并完成钻探任务。

牙形钻是另一种适用于岩溶环境的钻头，它的刀齿呈牙形排列，能够更好地咬住岩石表面，提供稳定的切削力和抗卡住的能力。牙形钻在旋转的同时可以进行轻微的抖动，有助于进一步破碎岩石和填充空洞。这种钻头适用于岩溶地质中具有不均匀性和空洞的岩石，可以提高钻探效率和成功率。

通过选择螺旋钻和牙形钻等特殊设计的钻头，可以在岩溶环境中更好地实现钻探作业。这些钻头能够通过旋转和抖动的方式破碎岩石，克服岩石的不均匀性和空洞问题，并提供稳定的切削力和抗卡住的能力。在岩溶环境中选择适合的钻头，可以提高钻探效率和成功率，确保钻孔的质量和完整性。

4 不同类型地质环境下选择金刚石钻头的效果评估方法

4.1 物理特征评估

在选择钻头之前，需要对目标地层的物理特征进行评估，包括硬度、密度、压缩强度、磨耗性等指标。这些指标将决定何种类型的金刚石钻头最为适宜。

地层密度指的是单位体积内的质量。某些地层的密度较高，如矿石，可使用高密度金刚石钻头，因其具有较强的穿透力和抗磨损能力。

地层压缩强度是指地层在受到压力时的抗压能力。对于具有较高压缩强度的地层，如构造岩层，需要选择抗压性能好的金刚石钻头，如钻具外层带有金刚石切削齿的压路机钻头。

地层的磨耗性是指地层在钻孔过程中的磨损情况。如果目标地层磨耗性较高，如含有硬颗粒或砂砾层，需要选择具有耐磨损能力的金刚石钻头，如带有金刚石切削齿的旋转锤钻头[6]。

4.2 钻探效率评估

在使用金刚石钻头进行钻探时，需要评估其钻探效率，并通过钻孔深度、钻孔速度、能耗等指标来衡量。不同类型的金刚石钻头在不同地质环境下的钻探效率也可能存在差异。

钻孔深度是评估钻探效率的重要指标之一。不同类型的金刚石钻头对于不同地质环境的钻孔深度可能存在差异。例如，对于较硬的地层，如花岗岩，使用高硬度和耐磨性强的金刚石冠齿钻头能够提供更大的钻孔深度。

钻孔速度也是评估钻探效率的重要因素。不同类型的金刚石钻头在不同地质环境下的钻孔速度可能会有所不同。例如，针对较软的地质环境，如沉积岩，使用具有较高切削能力的碳化钨钻头可能能够实现更快的钻孔速度。

能耗是评估钻探效率的另一个关键指标。不同类型的金刚石钻头在钻探过程中的能耗水平可能会有所不同。例如，某些特殊设计的金刚石钻头可能通过减少能耗来提高钻探效率，从而延长钻头的使用寿命。

4.3 取样质量评估

金刚石钻头钻取的样品质量将影响后续地质研究的结果，因此需要对样品质量进行评估。钻孔直径、钻孔壁面光洁度、岩芯完整度等指标均可用于评估取样质量。

钻孔直径是评估取样质量的重要指标之一。较大的钻孔直径有助于获得更大的岩芯样品，从而提供更多的地质信息。根据需要，可以选择具有适当直径的金刚石钻头来满足取样要求。

钻孔壁面光洁度是评估取样质量的另一个关键因素。光洁的钻孔壁面有助于保持岩芯的完整性，并减少样品污染和干扰。高质量金刚石钻头通常能够提供较好的钻孔壁面光洁度，确保岩芯的质量。

岩芯完整度是评估取样质量的重要评价指标。完整的岩芯能够提供更准确的地质信息，并有利于后续的分析和研究。使用合适类型的金刚石钻头可以在钻探过程中最大程度地保持岩芯的完整，减少断裂和碎裂。

4.4 钻头磨损评估

金刚石钻头具有一定的耐磨性，但在使用过程中仍会出现磨损。因此，需要对钻头的磨损情况进行评估，并根据磨损情况来调整和更换钻头。在评估钻头磨损时，可以考虑以下指标。

钻孔直径变化方面，钻头磨损会导致钻孔直径的变化。通过定期测量钻孔直径，可以评估钻头磨损情况。如果钻孔直径超出了预设范围或明显变化，可能需要考虑更换钻头。

钻头刀片磨损方面，金刚石钻头通常由多个刀片组成，刀片上的金刚石颗粒用于破碎地层。定期检查钻头刀片的磨损情况，如金刚石颗粒的剥落和磨损程度，可以评估钻头的磨损程度。

钻头性能下降方面，随着钻头的使用时间增加和磨损累积，钻头的性能可能会下降。例如，钻探速度可能减慢，能耗可能增加，或者在特定地质环境下的效果不佳。通过观察钻头的工作表现，可以初步评估钻头的磨损情况。

4.5 钻探成本评估

不同类型的金刚石钻头价格可能存在差异，同时其寿命和使用寿命也会影响钻探成本。因此，可以对钻头的价格、维护成本以及钻头的使用寿命进行评估，以确定其在经济上的可行性。

钻头价格方面，不同类型的金刚石钻头价格可能存在差异。可以通过市场调研或询价等方式获取钻头的价格，并结合自身需求选择性价比较高的钻头产品。

维护成本方面，金刚石钻头在使用过程中需要进行维护和保养，例如定期清洗、磨削，以延长使用寿命。钻头维护所需的材料和人力成本也是钻探成本的一部分。

使用寿命方面，金刚石钻头的使用寿命与其材料质量、设计结构以及地质环境等因素有关。通过监测和记录钻头的工作时间、钻孔数等数据，可以初步评估钻头的使用寿命。较长的使用寿命将减少更换钻头的频率，从而降低钻探成本。

5 结语

综上，通过物理特征评估、钻探效率评估、取样质量评估、钻头磨损评估和钻探成本评估等方法，可以综合考虑不同地质环境下选择金刚石钻头的效果。物理特征评估可以根据目标地层的硬度、密度、压缩强度和磨耗性等指标选择最适宜的钻头类型。钻探效率评估则可以通过钻孔深度、钻孔速度和能耗等指标衡量钻头在不同地质环境下的钻探效率。取样质量评估可以从钻孔直径、钻孔壁面光洁度和岩芯完整度等方面评估金刚石钻头取样质量的优劣。钻头磨损评估可通过钻孔直径变化、钻头刀片磨损和钻头性能下降等观察钻头磨损情况。最后，钻探成本评估可以考虑钻头价格、维护成本和使用寿命等因素，以确定经济上的可行性。通过综合考虑这些评估方法，可以选择最合适的金刚石钻头来提高钻探效果并降低成本。