巖心鉆探操作講座-巖心鉆探工藝（第三講）

第三講 巖心鉆探工藝

第一部分：鉆進基本知識

一、鉆孔結(jié)構(gòu)

1、定義：指由開孔至終孔，孔身口徑及長度的變化。亦即鉆孔的技術(shù)剖面。

2、內(nèi)容：包括鉆孔口徑、換徑次數(shù)、下套管層數(shù)、管徑、長度及換徑深度、套管底部止水封固方法等。

3、要求：在保證鉆孔質(zhì)量和安全的前提下，盡可能采用優(yōu)質(zhì)泥漿、水泥漿或化學(xué)漿液護壁堵漏，力爭少換徑，少下或不下套管，最大限度地簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。

4、下套管的目的：隔離復(fù)雜地層。

5、在下列情況下，往往需要換徑和下入套管：

①鉆進松散的砂礫石層、流砂層，受地下水影響泥漿護孔無效時。

②穿過較厚的節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎帶，坍塌掉塊嚴(yán)重，采用泥漿或其它護孔方法無效時。

③鉆孔遇到含水構(gòu)造與大裂隙貫通，嚴(yán)重漏水，用其它方法止水無效時。

④鉆孔達到一定深度后，為了適應(yīng)設(shè)備負荷的能力可換徑鉆進。

6、鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇因素

巖石性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、終孔口徑、鉆孔深度、鉆進方法、鉆孔用途、護孔措施、施工設(shè)備等。

7、鉆具級配：鉆桿直徑與鉆孔直徑（鉆頭直徑）的配合關(guān)系。它反映了孔壁間隙的大小，對鉆桿的工作狀態(tài)、沖洗液的流動、鉆具回轉(zhuǎn)阻力的大小都有重要影響。

二、鉆進基本方法

1、鉆進方法：向地下鉆孔時，破碎孔底巖石的方法和技術(shù)措施的總稱。

2、鉆探工藝：如何利用一定的設(shè)備和工具來破碎巖石（土層），在地層中造成一個有一定直徑和深度的圓滑規(guī)則的鉆孔，并采取一定的技術(shù)措施以保證鉆進工作順利進行的全部工作。

3、鉆進方法分類

①根據(jù)破碎巖石的外力和方式不同，分為回轉(zhuǎn)鉆進、沖擊鉆進和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進等；

②根據(jù)碎巖工具（磨料的材質(zhì)）不同，分為硬質(zhì)合金鉆進、鋼粒鉆進、金剛石鉆進等；

③根據(jù)沖洗循環(huán)方式不同，分為正循環(huán)、反循環(huán)和孔底局部反循環(huán)鉆進。

④根據(jù)是否取心分為取心鉆進和全面鉆進。

4、如何選擇鉆進方法：主要根據(jù)巖石的物理機械性質(zhì)選擇鉆進方法。

①軟的和部分中硬巖層，選用硬質(zhì)合金鉆進；

②部分中硬至硬的巖層，選用針狀合金、金剛石復(fù)合片或鋼粒鉆進；

③中硬至堅硬巖層，選用金剛石、鋼?；驖摽族N鉆進。

5、開孔鉆進前應(yīng)作好哪些準(zhǔn)備

①開孔鉆進前應(yīng)備好足夠數(shù)量的鉆桿、套管、定向管、鉆頭、鋼粒、油料、沖洗液、擰卸工具、專用取心工具、必要的短巖心管、巖心箱及各種報表等。

②必須對鉆探設(shè)備及安裝質(zhì)量進行全面檢查，不合要求時應(yīng)進行修理、調(diào)整。必要時可重新安裝，決不能湊合。

③深孔鉆進開孔時，為防止孔斜，必要時可以在孔口挖一坑，埋入定向管，鉆進到基巖后再下入套管。淺孔開孔應(yīng)使用泥漿護孔，如坍塌嚴(yán)重，可采用人工造壁的方法鉆進，鉆到基巖后下入套管。

6、開孔鉆進時應(yīng)注意事項

開孔鉆進時應(yīng)逐步加長巖心管，并采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、適當(dāng)泵量鉆進。換徑時應(yīng)使用綜合式導(dǎo)向鉆具，以防止鉆孔彎曲。

開孔鉆進時往往是覆蓋層，沖洗液易漏失，降低孔壁的穩(wěn)定性，要注意防止卡鉆、埋鉆、糊鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故發(fā)生。

套管應(yīng)下在完整的基巖上。下套管之前，先向孔內(nèi)投入粘土球并搗實，使套管插入粘土中，以封閉套管底部。套管上端應(yīng)用木楔固定，并用粘土封閉，必要時可用水泥封閉。在固定套管前，將主動鉆桿與套管連接，用以檢驗套管是否端正以及鉆孔中心是否與套管中心對正。

三、鉆進技術(shù)參數(shù)（鉆進規(guī)程）

1、定義：影響鉆進效率和鉆頭使用壽命的一些可控制的技術(shù)參數(shù)以及它們之間的配合關(guān)系。

2、內(nèi)容：一般鉆進方法的鉆進技術(shù)參數(shù)包括鉆壓（P）、轉(zhuǎn)速（n）和泵量（Q），鋼粒鉆進方法還包括投砂量和投砂方法，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進方法還包括沖擊間隔、沖擊頻率和沖擊功大小等。

3、理解：

①鉆進技術(shù)參數(shù)直接影響著鉆進效率和鉆頭使用的壽命，所以它很重要；

②根據(jù)鉆進地層情況和鉆進方法，可人為調(diào)控鉆進技術(shù)參數(shù)，改變它們的數(shù)量大小及它們之間的配合關(guān)系；

③鉆進技術(shù)參數(shù)之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互配合的。

4、分類：

①最優(yōu)鉆進規(guī)程：指在一定的技術(shù)條件下，確定能達到最好技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的鉆進參數(shù)值。一般所說的鉆進規(guī)程即是指最優(yōu)鉆進規(guī)程。

②強力鉆進規(guī)程：指鉆進時采用比一般鉆進參數(shù)為高的鉆進參數(shù)值，以達到更高鉆進速度。有時也稱快速鉆進規(guī)程。

③特殊鉆進規(guī)程：為了某一或某些特殊的目的和要求而采用的特殊技術(shù)措施和特殊的受限制的且合理的鉆進參數(shù)值。

5、如何控制和調(diào)整鉆進技術(shù)參數(shù)：

①根據(jù)孔內(nèi)情況：包括孔底巖石性質(zhì)、孔壁情況、孔深、孔徑、角度、鉆頭類型及磨損情況、鉆具條件、沖洗液性質(zhì)等；

②操作人員不能直接觀測孔內(nèi)情況，要控制鉆進參數(shù)，必須勤于觀察，善于分析，積累知識和操作經(jīng)驗。

四、鉆探破碎巖石的方式

1、三種碎巖方式：

①表面研磨破碎。鉆壓過小，切削具不能壓入巖石；

②疲勞破碎。鉆壓稍大，但仍不足以壓入巖石，只能使巖石表面產(chǎn)生裂紋，經(jīng)反復(fù)作用才能產(chǎn)生效率很低的碎巖方式；

③體積破碎。鉆具能保證切削具壓入巖石，在回轉(zhuǎn)力的共同作用下產(chǎn)生剪切破碎。

2、體積破碎的過程： ①壓入、②剪切

第二部分：硬質(zhì)合金鉆進

一、概述

1、概念：利用鑲焊在鉆頭體上的硬質(zhì)合金切削具在給進力和回轉(zhuǎn)力共同作用下破碎孔底巖石，同時，用沖洗液來冷卻鉆頭并將破碎下來的巖石顆粒排出孔外的鉆進方法。

2、特點：鉆進操作簡單，在中硬以下地層鉆進效率高，質(zhì)量好，鉆探材料消耗少，成本低，鉆探方法靈活，適應(yīng)范圍廣。

3、硬質(zhì)合金鉆進適應(yīng)范圍

適用于巖石可鉆性1~6級及部分7~8級弱研磨性的巖層鉆進，鉆孔直徑46~150mm，鉆孔角度任意。

4、硬質(zhì)合金鉆具：單管硬質(zhì)合金鉆具。

二、影響硬質(zhì)合金鉆進的主要因素

1、巖層性質(zhì)：包括硬度、研磨性、裂隙性、不均勻性及巖層的硅化程度等。

2、鉆頭方面：

①硬質(zhì)合金的質(zhì)量：如硬度、強度、韌性和抗磨性能等；

②硬質(zhì)合金切削具的形狀、規(guī)格等；

③切削具在鉆頭體上的排列形式及數(shù)量；

④鑲焊的方法及鑲焊的質(zhì)量。

3、鉆進時的操作技術(shù)和鉆進規(guī)程。

三、硬質(zhì)合金鉆進原理

脆性巖石碎巖過程、塑性巖石碎巖過程、切入和切削同時作用下的碎巖過程

四、硬質(zhì)合金

1、鉆探用硬質(zhì)合金的特點：①硬度大，耐磨性好；②有一定的抗彎強度和抗沖擊韌性，能夠承受一定的彎矩和沖擊；③熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好；④成型性好，便于鑲焊在鉆頭體上。

2、硬質(zhì)合金成份

地質(zhì)礦山用硬質(zhì)合金主要成份是碳化鎢（WC）和鈷（CO），其中碳化鎢粉末為骨架，鈷的粉末為粘合劑，這類硬質(zhì)合金統(tǒng)稱為鎢鈷合金，代表符號為YG。

3、硬質(zhì)合金牌號

①牌號：YG4X（Y－碳化鎢、G－鈷、4－鈷的百分含量、X－細粒）

②鈷含量對合金性能的影響：隨著鈷含量的增加，抗彎強度增高，韌性增大，硬度和耐磨性降低；含鈷量減少，則抗彎強度降低，韌性變小，硬度增高。

③碳化鎢粉末粗細對合金性能的影響：粉末愈粗，硬質(zhì)合金抗彎強度增加，硬度下降；粉末愈細，硬度增高，抗彎強度降低。

4、地質(zhì)勘探用硬質(zhì)合金形狀

①硬質(zhì)合金形狀有：薄片形、柱形、針狀和八角形等。

②磨銳式硬質(zhì)合金的形狀及特性

A、磨銳式合金都具有刃尖角（或修磨成刃尖角），鉆進時隨合金磨損，刃尖角斷面積逐漸增大，幾何形狀有薄片形合金和柱狀合金。

B、薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片，這類合金切削性能好，易切入巖石較深，但強度和耐磨性較差，多用于鉆進1~4級軟巖層。

C、柱狀合金：有方柱狀、八角柱狀和錐片狀三種，這類合金鉆進時與巖石接觸面積大，但其強度和耐磨性都較大，多用于鉆進4~7級中硬巖層，其中八角柱狀合金可用于較硬巖層，錐片樁柱狀可用于液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。一般情況下，八角柱狀合金比方柱狀合金鉆進時，具有易于破碎巖石，便于排除巖粉，抗磨能力強和便于焊牢等優(yōu)點。

③自磨式硬質(zhì)合金的形狀及特性：自磨式硬質(zhì)合金有圓柱狀（針狀）和片狀兩種，鉆探現(xiàn)場針狀合金用的較多。在鉆進中，它沒有刃尖角，磨損后合金斷面不增加，能維持原有克取效率，適用于鉆進6~7級和部分8級地層。

五、硬質(zhì)合金鉆頭

1、鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

鉆頭體、切削具數(shù)量、切削具出刃、切削具在鉆頭底面的排列方式、切削具的鑲焊角、水道形式及數(shù)量等稱為鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)。

①鉆頭體：鑲嵌切削具的基體，長度85~100mm；

②合金數(shù)量（切削具數(shù)量）：取決于鉆頭直徑和巖石的研磨性；

③切削具出刃：切削具鑲焊好后超出鉆頭體的部分；分為底出刃、內(nèi)出刃和外出刃，目的是保證切削具切入巖石和沖洗液暢通；

④切削具排列方式：分為單環(huán)和多環(huán)，單環(huán)適用于軟巖石，多環(huán)適用于中硬巖石；

⑤切削具的鑲焊角：分為直鑲、正斜鑲和負斜鑲；

⑥水口及水槽數(shù)：目的是保證沖洗液暢通冷卻鉆頭和排粉。

2、硬質(zhì)合金鉆頭分類

①取心式鉆頭：包括磨銳式和自磨式兩種。

②全面式鉆頭：包括翼片式、矛式和環(huán)翼式等。

3、常用硬質(zhì)合金鉆頭類別及適應(yīng)地層

①螺旋肋骨鉆頭：適用于鉆進2~4級松軟、塑性、易膨脹堵水的巖層；

②階梯式肋骨鉆頭：適用于鉆進3~5級膠結(jié)不緊密的巖層；

③普通硬質(zhì)合金鉆頭：適應(yīng)于鉆進2~5級均質(zhì)巖石；

④單雙粒鉆頭：適用于鉆進4~5級較硬、研磨性巖石；

⑤品字形鉆頭：適用于鉆進4~6級范圍內(nèi)的巖石；

⑥三八式硬質(zhì)合金鉆頭：適用于鉆進5~7級多裂隙巖層；

⑦負前角階梯式鉆頭：適用于鉆進5~7級較硬、研磨性、節(jié)理發(fā)育的巖石；

⑧自磨式針狀硬質(zhì)合金鉆頭：適用于鉆進6~7級及部分8級地層。

4、對鉆頭加工質(zhì)量的要求

①保證有高的同心度，鉆頭底唇面應(yīng)與軸線垂直；

②硬質(zhì)合金在鉆頭底唇面上的定位要準(zhǔn)確；

③鑲焊硬質(zhì)合金的槽穴要略大于略大于合金，保證有一定的間隙，以便于焊接銅液充填，鑲焊要牢固；

④底出刃要平齊，內(nèi)外出刃應(yīng)保持一致；硬質(zhì)合金的切削刃要一致；

⑤不要用鐵錘直接敲擊硬質(zhì)合金，焊接時要先預(yù)熱，加熱時噴槍火焰不能直接對著硬質(zhì)合金，焊好后放入灰箱中緩慢冷卻并進行修磨；

⑥水口、水槽加工要符合設(shè)計要求。

六、硬質(zhì)合金鉆進技術(shù)參數(shù)

1、鉆壓

①表示方法：鉆頭上的總鉆壓（總壓力）和單位鉆壓（每顆合金上的鉆壓）。

②鉆壓對鉆速的影響：切削具作用在巖石上的單位壓力必須大于巖石的抗壓強度，才能以體積破碎方式進行工作，從而獲得較高鉆速和減少切削具的磨損。但壓力過大則易產(chǎn)生下列危害：

A、切削具切入巖石過深，容易引起崩刃或加大磨損，導(dǎo)致鉆頭壽命和鉆進效率降低；

B、易造成鉆孔彎曲，影響鉆孔質(zhì)量；

C、鉆桿彎曲，易磨損和斷裂，彎曲的鉆桿刮磨、敲打孔壁，影響孔壁穩(wěn)定并使回轉(zhuǎn)阻力增大；

D、在軟巖鉆進中沖洗孔底跟不上破碎巖石速度，容易造成燒鉆事故。

E、鉆具受力條件惡化，容易出現(xiàn)鉆具斷、脫等孔內(nèi)故障，掃孔時還可能出現(xiàn)夾鉆事故。

③合理確定鉆壓的原則：保證切削具能壓入巖石，產(chǎn)生體積破碎，即P≧σ·S

σ－巖石抗壓入能力，取決于巖石性質(zhì)；

S－切削具與巖石接觸面積，取決于切削具的類型和數(shù)量。

④確定鉆壓的步驟：按鉆進需要計算鉆壓，然后根據(jù)具體加以修正和調(diào)整。

軸向總鉆壓＝每顆切削具所需鉆壓×切削具數(shù)

⑤實際操作時鉆壓選擇應(yīng)注意的事項

A、鉆進較硬巖石和強研磨性巖石應(yīng)適當(dāng)增大壓力，否則光磨切削具，進尺少；鉆進軟巖或弱研磨性的巖石可采用中等壓力，如壓力過大，進尺過快，會造成重復(fù)破碎或糊鉆現(xiàn)象，也會降低效率；鉆進裂隙地層或軟硬不均地層時，應(yīng)適當(dāng)減少壓力，以防合金崩刃或造成孔斜。

B、在實際生產(chǎn)中，開始接觸孔底時的初鉆壓，應(yīng)比正常壓力小1/3~1/4，鉆進5~10分鐘再轉(zhuǎn)為正常壓力。初壓小，主要防止合金崩刃和消除鉆頭鑲焊質(zhì)量造成的出刃誤差，以適應(yīng)孔底條件。在鉆進中，要隨切削具的磨損與巖石接觸面積增大，而增大鉆壓，以保證使巖石產(chǎn)生體積破碎時所需鉆壓。

C、采用針狀合金鉆頭時，因鉆頭上針狀合金胎塊的截面積大于同徑的普通合金鉆頭切削具刃部截面，又因有一部分鉆壓要消耗于胎體的磨損，因此需要較大鉆壓，一般比同徑普通合金鉆頭所需壓力大20%左右。

2、轉(zhuǎn)速

①定義 ②表示方法：轉(zhuǎn)數(shù)（n）和轉(zhuǎn)速（V）；

關(guān)系：n＝60v/πD。n－轉(zhuǎn)/分鐘、v－米/秒、D－米（鉆頭直徑）、π－3.1416

③轉(zhuǎn)速對鉆進效率的影響5 ④鉆進中如何選擇轉(zhuǎn)速

3、沖洗液量

①定義：指鉆進時送入孔內(nèi)的沖洗液流量，有時也稱泵量或送水量。

②沖洗液量對鉆進的影響

③沖洗液量的計算

A、計算公式：Q＝6VF（L/min）

式中：Q－沖洗液流量L/min

V－沖洗液上返流速，取V＝0.3~0.45 m/s

F－鉆孔與鉆桿環(huán)狀間隙，F(xiàn)＝π（D2－d2）/4 cm2

D－鉆頭直徑 cm

d－鉆桿直徑 cm

B、經(jīng)驗公式：Q＝KD（L/min）

式中：Q－沖洗液流量L/min

K－送水系數(shù)，K＝6~15L/cm·min

D－鉆頭直徑 cm。

巖石軟、研磨性大，K取大值；巖石松散，易沖蝕，K取小值。

④鉆進中如何合理選擇沖洗液量：沖洗液量應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭直徑、單位時間內(nèi)產(chǎn)生巖粉量等因素確定。鉆進軟巖石時，因進尺快，產(chǎn)生巖粉多，沖洗液量應(yīng)大些；巖石顆粒粗，比重大，應(yīng)適當(dāng)增加沖洗液量；鉆頭直徑大，孔深、孔壁滲漏多，沖洗液量應(yīng)大些；在松軟破碎的地層鉆進，為防止沖毀巖礦心，沖垮孔壁，應(yīng)用較小沖洗液量。

4、鉆進參數(shù)的合理配合P56

5級以下軟巖：采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、大沖洗液量；巖石松散，易沖蝕：采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量；研磨性巖石中：采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、大泵量。

七、硬質(zhì)合金鉆進操作方法及注意事項

（一）、硬質(zhì)合金鉆進操作方法及注意事項

1、新鉆頭下人孔底前，要嚴(yán)格檢查鉆頭的鑲焊質(zhì)量，分組 (5~6個鉆頭為一組) 排隊輪換修磨使用，以保持孔徑一致。分組排隊的順序是：外徑由大到小，內(nèi)徑由小到大。

2、下鉆時，對孔內(nèi)情況要心中有數(shù)，如孔內(nèi)有探頭石、大掉塊和硬的脫落巖心時，不要下鉆過猛，防止墩壞鉆頭。擰卸鉆頭時，不宜用管子鉗，以免夾扁鉆頭，使用自由鉗也不能咬在合金上，以防壓傷壓裂硬質(zhì)合金。

3、鉆具下人孔內(nèi)，接上主動鉆桿后，應(yīng)開泵送水，使孔底沉積巖粉處于懸浮狀態(tài)，然后邊沖邊下。當(dāng)鉆具不再繼續(xù)下行，表明鉆頭已經(jīng)接觸孔底或碰到殘留巖心，這時應(yīng)將鉆具提起0.3m左右，采用輕壓、慢轉(zhuǎn)的參數(shù)掃至孔底。如下鉆過猛，很可能發(fā)生鱉水、碰碎合金及巖心堵塞等故障。

4、開始鉆進時，先采用輕莊、慢轉(zhuǎn)和適量的沖洗液鉆進3~5min，待鉆頭適應(yīng)孔底情況后，可將鉆壓、轉(zhuǎn)速增加到需要值。倒桿時，應(yīng)使鉆具呈減壓狀態(tài)開車，以防鉆桿折斷或壓壞合金。

5、正常鉆進時，給壓要均勻，不得無故提動鉆具，以免碰斷巖心或發(fā)生堵塞。在卵石層中鉆進，無故提動鉆具，也會使已經(jīng)進人巖心管內(nèi)的卵石脫出，影響鉆進速度。隨著合金切削具的磨鈍需要增大鉆壓。發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有異狀，如糊鉆、鱉水或巖心堵塞時，應(yīng)立即處理，處理無效，立即提鉆。

6、保持孔內(nèi)清潔，孔內(nèi)殘留巖心在0.5m以上或有脫落巖心時，不得下入新鉆頭；孔底有崩落合金時，或由鋼粒改為合金鉆進時，必須將碎合金或鋼粒撈盡磨滅后，才能下入合金鉆頭鉆進。

7、在松軟、塑性地層使用肋骨鉆頭或刮刀鉆頭鉆進時，為消除孔壁上的螺旋結(jié)構(gòu)或縮徑現(xiàn)象，每鉆進一段后，應(yīng)及時修整孔壁。

8、合理掌握回次提鉆長度。每次提鉆后，要檢查鉆頭的磨損情況，以改進下回次的鉆進技術(shù)參數(shù)。

9、嚴(yán)禁投鋼粒卡心，卡心過程中加壓不宜過大，也不宜猛墩。提鉆、卸管要穩(wěn)，退心時不能用大錘敲擊鉆頭。

（二）、硬質(zhì)合金鉆進最優(yōu)回次鉆程時間的確定

1、機械鉆速=回次進尺/純鉆進時間 （米/小時）

2、回次鉆速=回次進尺/（純鉆進時間+輔助時間） （米/小時）

3、回次鉆速的最大值就是合理的提鉆時間，這時應(yīng)該提鉆，更換或修磨鉆頭。過早，起下鉆所占時間比重過大，純鉆時間少，影響鉆進效率；過晚，雖然增加了純鉆時間，但機械鉆速太低，也同樣影響鉆進效率提高。

（三）、硬質(zhì)合金鉆進采心操作

1、卡料規(guī)格：通常用鉛絲。鉛絲股數(shù)根據(jù)巖心直徑確定，巖心直徑不夠均勻時，可考慮長、短、粗、細卡料結(jié)合。

2、投料方法：投卡料時鉆具應(yīng)略提離孔底，邊投邊敲震主動鉆桿，投完后用大泵量沖送卡料。

3、采心操作：采心時宜大壓力、低轉(zhuǎn)速、并不時活動鉆具，方式是慢提快放。必要時還可操縱離合器一開一停，注意減少鉆壓，防止蹩斷鉆桿。

4、鉆進層理發(fā)育和破碎地層時，常使卡料不能到底，巖心采取率降低或根本采不上巖心時可采取的措施：A、早投卡料；B、改用碎石卡料；C、用卡料效果不可靠時，可換用噴射式反循環(huán)鉆進或改用卡簧取心。

5、用干擰法取心時，因加壓干擰稍不注意即可能燒鉆，因而應(yīng)由有經(jīng)驗的工人操作，并隨時注意機械運轉(zhuǎn)情況。

八、硬質(zhì)合金鉆進在各類地層中的應(yīng)用

1、松軟至較軟巖土層（1~4級）。該類地層鉆進的特點是：破碎巖石容易，巖石研磨性小，鉆進效率高；相應(yīng)地是孔內(nèi)巖粉多，巖粉顆粒大，有時孔壁易坍塌；易產(chǎn)生糊鉆、蹩水、縮徑等。鉆進時，要防止蹩水、糊鉆，保持孔內(nèi)清潔和保護孔壁等。采用高轉(zhuǎn)速、大泵量、較小鉆壓的規(guī)程參數(shù)。

2、中硬巖層（5~6級）。該類地層鉆進的特點是：鉆進效率不高，巖石有一定的研磨性，護壁問題不大。鉆進時要設(shè)法提高鉆進效率，盡量選用階梯鉆頭和各種小切削具的高效鉆頭。采用大鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大泵量的鉆進規(guī)程參數(shù)。

3、硬巖層（7級及部分8級）。該類地層鉆進的特點是：巖石硬、有研磨性、合金磨損較嚴(yán)重，鉆進效率低。鉆進時在延長鉆頭壽命的前提下提高鉆進效率，采用大鉆壓、中轉(zhuǎn)速、中泵量的鉆進規(guī)程參數(shù)。

4、裂隙及研磨性巖層。該類地層鉆進的特點是：合金崩刃和合金磨損嚴(yán)重。鉆進時要防止合金崩刃，減少合金磨損，延長鉆頭壽命。在裂隙發(fā)育地層鉆進時選用較低鉆壓、中等轉(zhuǎn)速和中等泵量；在研磨性大的地層應(yīng)選用大鉆壓、較大泵量和適當(dāng)小的轉(zhuǎn)速的鉆進規(guī)程參數(shù)。



第三部分、金剛石鉆進

一、概述

1、金剛石鉆進概念：用金剛石鉆頭在一定軸心壓力下，以回轉(zhuǎn)方式破碎孔底巖石的鉆進方法。

2、金剛石鉆進的優(yōu)越性：

①鉆進效率高（工藝恰當(dāng)時，能提高一倍以上）；

②鉆孔質(zhì)量好（鉆孔彎曲小、采取率90%以上）；

③裝備輕，勞動強度低（常采用小口徑）；

④事故少（孔壁間隙小，鉆具回轉(zhuǎn)穩(wěn)定）；

⑤成本低（效率高、質(zhì)量好、事故少，綜合成本低）；

⑥適用范圍廣（可施工不同角度、不同孔徑、孔深及不同用途的鉆孔，鉆進1~12級巖石）。

3、金剛石鉆進的原理：金剛石碎巖是通過研磨、磨削、刮削、剪切、切削、壓皺、壓入、壓碎等綜合作用，加上高轉(zhuǎn)速帶來高頻率的作用。

4、金剛石鉆進適應(yīng)范圍

①巖石可鉆性：1~12級；

②孔徑及孔深：不限?？讖?8~300mm，孔深可達4000m；

③鉆孔方向：不限。可施工垂直孔、斜孔、水平孔和仰孔等；

④在嚴(yán)重坍塌的漏失地層中鉆進，鉆進、護孔堵漏困難；

⑤鉆進堅硬致密巖層，會出現(xiàn)鉆頭不進尺的“打滑”現(xiàn)象；

⑥在石英破碎帶及研磨性很強的地層中鉆進，鉆頭壽命短；

⑦金剛石鉆進還需要較好潤滑性能的沖洗液沖洗潤滑。

5、金剛石鉆具

二、鉆探用金剛石

1、金剛石的分類：金剛石按成因分為天然金剛石和人造金剛石兩大類，人造金剛石分為單晶、聚晶和孕鑲塊三種。

2、人造金剛石聚晶：由十分細小的金剛石微粒組成的多晶金剛石，可根據(jù)需要加工成各種形狀。

3、人造金剛孕鑲塊：人造金剛石粉末和胎塊金屬粉末一起經(jīng)壓制燒制而成。

4、人造金剛石聚晶復(fù)合片：是在高溫高壓條件下將金剛石聚晶層和硬質(zhì)合金機體燒結(jié)一起的，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性和可焊性的復(fù)合材料，簡稱PDC。適應(yīng)于鉆進軟~中硬地層。

5、金剛石的特性：

①硬度大、強度高，耐磨性好；

②化學(xué)穩(wěn)定性好。不與酸反應(yīng)，與堿反應(yīng)緩慢；

③親油疏水性，適合于用乳化沖洗液沖洗鉆孔；

④熱穩(wěn)定性差。在空氣中，300℃開始氧化，800℃開始石墨化，900℃質(zhì)量變化，1000℃完全消失。

⑤性脆，抗沖擊韌性差。

三、金剛石鉆頭

（一）、鉆頭組成：鉆頭由金剛石、胎體、鉆頭體（鋼體）三部分組成。

1、金剛石：切削巖石的切削具。

①表鑲鉆頭用大顆粒金剛石鑲嵌于胎體表面，按鑲嵌位置及作用不同分為底刃、邊刃和側(cè)刃。

②孕鑲鉆頭：細粒金剛石均勻分布于胎體工作層內(nèi)。

③金剛石復(fù)合片：PDC復(fù)合片按要求均勻鑲嵌鉆頭體上。

2、胎體：

①作用：包鑲金剛石。

②成份：骨架材料WC，粘結(jié)劑Cu、Ni等。

③要求：能調(diào)整性能以適應(yīng)不同巖性，既保證本身完整又能保證自磨出刃。

3、鉆頭體（鋼體）

①單管鉆頭鋼體長75mm，端部車外扣。

②雙管鉆頭鋼體長115mm，端部車內(nèi)扣。

③下端形狀：三棱、方形、階梯形、螺紋等，目的是加強與胎體的連接，便于胎體壓實和傳遞較大扭矩。

（二）、鉆頭類型及規(guī)格

1、鉆頭類型：表鑲金剛石鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭、金剛石復(fù)合片鉆頭。

3、我國地質(zhì)用金剛石鉆頭品種代號

3、鉆頭規(guī)格

（三）、金剛石擴孔器

1、金剛石擴孔器的作用

修整孔壁、保持孔徑；扶正鉆頭及鉆具；減輕鉆頭負擔(dān)、延長鉆頭壽命；單管鉆進中起卡簧座和卡簧限制器的作用。

2、擴孔器的結(jié)構(gòu)

擴孔器由金剛石、胎體和鋼體組成。兩端有螺紋連接巖心管和鉆頭。胎體高28mm，鑲有金剛石的部分叫工作帶，寬20~30mm，并開有條帶槽以流通沖洗液。鋼體長140mm。

（四）、金剛石鉆頭品種及適用條件

1、單管金剛石鉆頭適合于下列條件：A、鉆進各種硬度和研磨性完整地層；B、在裂隙發(fā)育而采用雙管易出現(xiàn)巖心堵塞嚴(yán)重的地層；C、在上述情況下巖心不易被沖洗液沖蝕的巖層；D、在坑道鉆探水平孔和垂直孔；E、用于取樣鉆機鉆探；F、小直徑工程中淺鉆孔。

2、天然金剛石表鑲單管鉆頭：按巖層硬度，分別選用粒度15~100粒/克拉的表鑲鉆頭，適用于中硬（4~6級）、硬（7~9級）的弱至強研磨性的完整巖層。

3、人造金剛石孕鑲單管鉆頭：適用于中硬、硬和堅硬的弱至強研磨性巖層。

4、加固型單硬質(zhì)合金管鉆頭：鋼體表面鑲有長條硬質(zhì)合金，保護鋼體免遭磨損。胎體后方有硬質(zhì)合金補強，防止水口沖蝕，保護胎體。唇面天然金剛石密布，鉆頭耐磨性高。適用強研磨性中硬~硬地層。

5、天然金剛石表鑲普通雙管鉆頭適合于下列條件：A、可用于中硬（4~6級）、硬（7~9級）并具有各種研磨性的完整巖層；B、適應(yīng)于高、低轉(zhuǎn)速，在深孔中鉆進具有明顯優(yōu)勢；C、采用優(yōu)質(zhì)細粒天然金剛石雙管鉆頭鉆進堅硬（10~12級）地層和深孔“打滑”地層。

6、孕鑲普通雙管鉆頭：A、廣泛用于鉆進各種硬度和研磨性巖層，特別是鉆進中硬、中硬－硬巖層具有良好鉆進效果，在鉆進破碎巖層時是一種主要的鉆頭品種；B、在鉆進堅硬巖層時，改用唇面結(jié)構(gòu)具有掏槽和擠壓碎巖作用的鉆頭。

7、人造金剛石尖齒孕鑲雙管鉆頭：A、適用于中硬、硬和堅硬的弱至中等研磨性巖層，特別在硬、堅硬的弱研磨性巖層－中等研磨性互層及塑性巖層有很好的適應(yīng)性。不適應(yīng)于強研磨性、裂隙和硬脆碎地層；B、對鉆孔易彎曲的地層，有較好的防斜作用，可用作防斜鉆頭。

8、人造金剛石電鍍普通雙管鉆頭：可用于鉆時弱至中等研磨性的中硬，在鉆進堅硬“打滑”巖層效果不錯。

9、人造金剛石聚晶表鑲雙管鉆頭：適應(yīng)于鉆進中硬、弱和中等研磨性巖層。

10繩索取心金剛石鉆頭：A、天然金剛石表鑲鉆頭適用于鉆進較完整的軟~硬的各種研磨性巖層和互層，但不宜鉆進破碎地層；B、天然金剛石表鑲多階梯鉆頭適用于鉆進完整的中硬、中硬~硬的巖層，但不能在破碎地層中使用；C孕鑲平底人造金剛石鉆頭適應(yīng)于中硬、硬巖層，完整的或破碎的巖層，強研磨性或中等研磨性巖層，特別適應(yīng)于硬脆碎巖層鉆進，但在堅硬的弱研磨性巖層不宜選用，在深孔低轉(zhuǎn)速條件下效果不好；D、人造孕鑲金剛石單階梯鉆頭適用于各種弱至中等研磨性的中硬、硬巖層，并具有較好的工作穩(wěn)定性；由于鉆頭超前唇面的掏槽作用并增加碎巖的自由面，鉆頭既有磨削，又有擠壓碎巖作用，具有較粗的巖粉，有利于保持鉆頭的出刃狀態(tài)。對于鉆進打滑巖層有一定效果；并對裂隙性巖層有較好的適應(yīng)性；E、電鍍?nèi)嗽旖饎偸@頭適用于弱至中等研磨性的中硬、硬地層，但不太適用于強研磨性地層；F、尖齒孕鑲金剛石鉆頭適用于完整的弱至中等研磨性的中硬、硬和堅硬巖層；具有低鉆壓特性，特別對胎體壁厚的繩索取心鉆探效果更好；具有防止鉆孔彎曲的作用；該類鉆頭不宜用于強研磨性地層、裂隙發(fā)育地層和硬脆碎地層，因為容易使尖齒劇烈磨耗和損壞，導(dǎo)致鉆頭壽命太短；G、唇面交錯孕鑲鉆頭主要應(yīng)用于繩索取心硬巖鉆進，但不能用于鉆進破碎巖層，是一種低鉆壓特性鉆頭（比平底孕鑲鉆頭低1/3~1/4）。

11、底噴式金剛石鉆頭：主要用于解決粉狀巖礦層、遇水粉化或膨脹地層、軟硬互層、煤層、容易受沖洗液擾動的硬脆碎等地層的取心問題。鉆頭切削磨料有單晶人造金剛石、天然金剛石、人造金剛石復(fù)合材料等；其鑲焊方法有表鑲、孕鑲和鑲嵌式等。適用的地層有：

①當(dāng)煤層、軟硬互層取心時可采用表鑲或孕鑲尖齒底噴式鉆頭；②當(dāng)鉆進粉狀巖礦層，遇水粉化和遇水膨脹地層取心時，可采用表鑲圓弧底噴鉆頭、表鑲底噴鉆頭、尖齒孕鑲底噴式鉆頭等；③當(dāng)鉆進硬脆碎地層取心時，可采用平底孕鑲底噴式鉆頭；④當(dāng)鉆進易糊鉆的巖礦層時，可采用超前底唇的階梯底噴鉆頭，可避免水眼被堵；⑤當(dāng)鉆進煤層及粉狀礦層取心時，還可采用復(fù)合片或聚晶底噴式鉆頭。

12、金剛石全面鉆頭：①天然金剛石表鑲雙錐形全面鉆頭適用于較完整、弱至中等研磨性的軟~中硬巖層；②聚晶或復(fù)合片雙錐形全面鉆頭適用于較完整中等研磨性的軟~中硬巖層。

13、水力反循環(huán)金剛石鉆頭：①天然金剛石表鑲鉆頭適用于不同研磨性的中硬、中硬~硬地層，鉆速較快，鉆頭壽命較長；②人造金剛石孕鑲尖齒鉆頭適用于鉆進完整的弱至中等研磨性硬巖層和塑性巖層，可以取得較高的鉆速；③復(fù)合片反循環(huán)鉆頭適用于弱至中等研磨性，軟~中硬巖層、塑性巖層，具有較高的鉆速；④聚晶反循環(huán)鉆頭在中等以上研磨性的中硬巖層中，具有較高鉆還速。

14、新型金剛石切磨材料鉆頭：①金剛石復(fù)合片鉆頭適用于較完整的弱至中等研磨性的軟~中硬巖層和塑性巖層，鉆速高，鉆頭壽命長；②人造金剛石柱狀聚晶鉆頭適用于中等至強研磨性的軟~中硬巖層；孕鑲聚晶鉆頭也可用于裂隙較發(fā)育的軟~中硬巖層；③人造金剛石三角形聚晶鉆頭適用于弱至中等研磨性的軟、軟~中硬巖層，但不宜用于裂隙發(fā)育巖層；④勘探奈特鉆頭，適用于弱至中等研磨性的中硬、硬和堅硬巖層，特別在堅硬弱研磨性巖層可以克服鉆頭“打滑”，并具有均衡的較高鉆速。但不宜鉆進強研磨性和破碎巖層。

（五）、金剛石鉆頭的選擇

1、鉆頭選擇原則：

①軟的、中硬和完整均質(zhì)較硬的巖層一般宜選用表鑲鉆頭（包括聚晶、復(fù)合片和孕鑲塊鉆頭）；硬的、堅硬的和破碎的、軟硬不均的、節(jié)理發(fā)育和裂隙巖層，宜選用孕鑲鉆頭；

②巖層研磨性強或硬度低、顆粒粗、破碎程度厲害的選用偏硬胎體；反之，巖層研磨性弱，均質(zhì)完整、硬度大、顆粒細的（如“打滑”巖層）選用偏軟的胎體；如遇研磨性強和硬度大的巖層時，應(yīng)選用特硬胎體的鉆頭；

③巖層研磨性越強、硬度越高，選用的金剛石品級應(yīng)越好、金剛石的顆粒應(yīng)越細，最好用孕鑲鉆頭；

④巖層硬度越高或研磨性弱，則鉆頭金剛石深度應(yīng)越低；巖石研磨性越強，硬度低，則鉆頭金剛石深度應(yīng)越高；

⑤一般中硬中研磨性巖層，宜選用平底唇面或弧邊形唇面；堅硬且研磨性高巖層，可用半圓形唇面；復(fù)雜、破碎不易取得巖心的地層，可選用階梯底噴式唇面；堅硬、致密易出現(xiàn)打滑巖層，可選用鋸齒形或單雙塊形唇面。

2、鉆頭的具體選擇：

①1~4級軟巖層，排粉多，選用復(fù)合片鉆頭或聚晶鉆頭；

②6~7級完整均質(zhì)的巖層選用有造聚晶和粗粒表鑲金剛石鉆頭，粒度為10~20粒/克拉，胎體硬度應(yīng)在HRC45左右；

③7~8級上等研磨性、較完整巖層，選用粒度20~40粒/克拉的中粒表鑲鉆頭或60目以粗的孕鑲鉆頭，胎體硬度為HRC40左右；

④9級以上中等研磨性、較完整的巖層選用80目以細的孕鑲鉆頭，或者品級好、粒度為40~60粒/克拉的細粒表鑲鉆頭，胎體硬度應(yīng)在HRC35~40左右；

⑤研磨性強的巖層應(yīng)選用胎體硬度大，金剛石濃度高，粒度細的孕鑲鉆頭；

⑥鉆進節(jié)理發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜的裂隙破碎巖層，應(yīng)選用胎體硬度大的雙管孕鑲鉆頭；

（六）金剛石鉆頭及擴孔器的合理使用

1、金剛石鉆頭使用注意事項：

使用金剛石鉆進，必須精心操作，精心管理。操作時必須提高鉆具工作的穩(wěn)定性，盡量采用乳化沖洗液和潤滑沖洗液，并防止沖洗不足或間斷。

2、金剛石鉆頭的合理使用

①鉆頭與擴孔器及卡簧之間要合理配合。A、擴孔器外徑應(yīng)比鉆頭外徑大0.3~0.5mm，巖層堅硬時應(yīng)采用下限數(shù)值；B、卡簧的自由內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭內(nèi)徑小0.3~0.4mm。

②鉆進時，應(yīng)按鉆頭和擴孔器外徑的大小，排好順序輪換使用，即先使用外徑大的，后使用外徑小的；對于鉆頭，還應(yīng)考慮先用內(nèi)徑小的，后用內(nèi)徑大的。

③新鉆頭到達孔底后，必須進行“初磨”，即輕壓（正常壓力的1/3左右）、慢轉(zhuǎn)（100轉(zhuǎn)/分左右）鉆進10 分鐘左右，然后再采用正常參數(shù)繼續(xù)鉆進。新鉆頭鉆進的第一個回次進尺不宜過長，應(yīng)及時提鉆檢查鉆頭的磨耗情況。

④減壓鉆進倒桿時，必須先用升降機將孔內(nèi)鉆具拉緊（但不得孔底），倒桿后用油缸減壓并在小于正常鉆壓的情況下平穩(wěn)開車。

⑤掌握“五不掃”，即不用金剛石鉆頭掃孔、掃殘留巖心、掃脫落巖心、掃掉塊和探頭石。

⑥掌握“三必提”，即下鉆遇阻輕轉(zhuǎn)無效、巖心堵塞、鉆速驟降時必須提鉆。

⑦鉆頭出現(xiàn)下列情況不能再下孔使用：A、表鑲鉆頭內(nèi)外徑磨耗超過標(biāo)準(zhǔn)尺寸0.2mm以上，出刃超過粒徑的1/3；B、有少數(shù)金剛石脫落、擠裂或剪碎；C、孕鑲鉆頭內(nèi)外徑磨耗超過標(biāo)準(zhǔn)尺0.4mm以上，及出現(xiàn)石墨化的；D、鉆頭明顯偏磨，水口水槽小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸；E、胎體有明顯裂紋、掉塊、溝槽或嚴(yán)重沖蝕，鉆頭體變形及絲扣損壞的。

⑧避免鉆頭非正常損壞的措施：A、孔底應(yīng)保持清潔，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有硬質(zhì)合金、胎塊、金剛石、金屬塊、脫落巖心及孔壁掉塊時，應(yīng)采用沖、撈、抓、粘、套、磨、吸等方法加以清除；B、不準(zhǔn)在同一鉆孔中交替采用金剛石鉆進和鋼粒鉆進；C、鉆具通過換徑、探頭石、孔壁掉塊等部位以及在斜孔和干孔中下鉆時，必須放慢下降速度；D、換徑后應(yīng)用錐形鉆頭修整換徑臺階；E、地層由硬變軟時應(yīng)減壓并控制鉆進速度；F、鉆進過程中應(yīng)有專人定時觀察沖洗液消耗情況。

3、PDC鉆頭的合理使用：①復(fù)合片在750℃以上溫度時，復(fù)合片內(nèi)的金剛石成份易發(fā)生炭化，應(yīng)盡量將工作溫度控制在700℃以下。②復(fù)合片和金剛石層很脆，應(yīng)避免沖擊及重擊。③PDC鉆頭的最佳適應(yīng)地層是可鉆性≦8級軟~中硬巖層，不宜在破碎、堅硬和強研磨性巖層中使用。④復(fù)合片鉆頭應(yīng)盡量存放在干燥、干凈的環(huán)境中。

四、鉆進技術(shù)參數(shù)

1、鉆壓

①鉆壓對鉆進效率的影響

②鉆壓的確定

A、表鑲鉆頭：P＝15~25m（N） 式中：m－金剛石粒數(shù)，金剛石粒度大、質(zhì)量好、巖石完整取大值，否則取小值。

B、孕鑲鉆頭：P＝F·p（N）

式中：p－經(jīng)驗單位壓力，400~800N/cm2

F－鉆頭環(huán)狀克取面積，F(xiàn)＝π（D2－d2）/4 （ cm2）

D－鉆頭直徑 cm

d－鉆頭內(nèi)徑 cm

C、復(fù)合片鉆頭：P＝1000~2000m（N）

式中：m－金剛石復(fù)合片數(shù)量

③選擇鉆壓時應(yīng)考慮的因素

2、轉(zhuǎn)速

①轉(zhuǎn)速對鉆進效率的影響

②轉(zhuǎn)速的確定

n＝60v/πD。n－轉(zhuǎn)/分鐘（鉆頭轉(zhuǎn)動速度）、D－米（鉆頭直徑）、π－3.1416、

v－米/秒（鉆頭圓周線速度）、 孕鑲鉆頭：V=1.5~3.0m/s、

表鑲鉆頭：V=1.0~2.0m/s、 PDC鉆頭：V=0.75~2.0m/s.

③選擇轉(zhuǎn)速時應(yīng)考慮的因素

A、巖石性質(zhì)：中硬完整巖層應(yīng)采用高轉(zhuǎn)速；巖層破碎，裂隙發(fā)育，軟硬不均，鉆進時振動大，應(yīng)視破碎程度，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速；在軟巖鉆進效率很高時，為保證有效地排粉和冷卻，需要限制鉆速，即要合理控制轉(zhuǎn)速。

B、鉆孔深度：鉆孔越深，鉆具重量越大，受力情況越復(fù)雜，回轉(zhuǎn)阻力也就越大，就應(yīng)合理地限制轉(zhuǎn)速，否則消耗功率大，甚至因鉆具強度不夠而發(fā)生孔內(nèi)事故。在淺孔段則可采用較高轉(zhuǎn)速。

C、鉆孔結(jié)構(gòu)：鉆孔結(jié)構(gòu)簡單，鉆桿與孔壁間隙小，可用高轉(zhuǎn)速；鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換徑多，鉆桿與孔壁間隙大，鉆具回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，則不宜開高轉(zhuǎn)速。

D、金剛石粒度：粒度大，出刃量也大，為防止金剛石的崩刃和斷裂，粗粒鉆頭的轉(zhuǎn)速應(yīng)低于細粒鉆頭。

E、設(shè)備、鉆具和沖洗液狀況：設(shè)備性能好，功率大，鉆具強度高，沖洗液潤滑減阻作用好，則可采用較高轉(zhuǎn)速，否則應(yīng)降低轉(zhuǎn)速。

④鉆進操作中轉(zhuǎn)速的選擇：新鉆頭下入孔內(nèi)，須用低轉(zhuǎn)速試轉(zhuǎn)數(shù)分鐘，無異狀后，再轉(zhuǎn)入正常轉(zhuǎn)速。在鉆進中，轉(zhuǎn)速要與鉆壓配合使用，即轉(zhuǎn)速升高到一定限度時，勢必降低鉆壓，防止金剛石在激烈摩擦中損壞。

⑤金剛石鉆進轉(zhuǎn)速的分級：鉆頭轉(zhuǎn)速分為四級：高轉(zhuǎn)速一般在700~1000rpm、中轉(zhuǎn)速一般在400~600rpm、低轉(zhuǎn)速一般在200~300rpm、最低轉(zhuǎn)速為100rpm左右。

3、沖洗液量

①金剛石鉆進對沖洗液量的要求：沖洗液循環(huán)要求均勻連續(xù)，通過鉆桿柱不泄漏地送至孔底。因金剛石鉆進孔壁間隙小，沖洗液往返流速高，巖粉細，巖粉排出較快，需要較大泵壓才能克服流通阻力，因此，金剛石鉆進泵量要求不大，還應(yīng)適當(dāng)控制，但泵壓要求較高。

②沖洗液量的計算

計算公式：Q＝6VF（L/min）

式中：Q－沖洗液流量L/min

V－沖洗液上返流速，取V＝0.4~0.7m/s，甚至1.0m/s

F－鉆孔與鉆桿環(huán)狀間隙，F(xiàn)＝π（D2－d2）/4 cm2

D－鉆頭直徑 cm

d－鉆桿直徑 cm

③確定沖洗液量時應(yīng)考慮的因素

A、沖洗液上返速度：一般要求沖洗液上返速度為0.4~0.7 m/s，才能有效地冷卻鉆頭和排除巖粉。

B、巖石性質(zhì)：在堅硬、細顆粒巖層中鉆進，鉆速低，巖粉少而細，則送水量可小些；鉆進中硬、粗顆粒巖層，鉆速高，巖粉多而顆粒粗，應(yīng)加大送水量。鉆進裂隙、有輕微漏失的巖層、為補償漏失的一部分沖洗液，送水量應(yīng)稍大于正常情況。鉆進研磨性強的巖層，一方面由于摩擦熱增多，要較大的沖洗液量冷卻鉆頭；但由于巖粉研磨性強，在高速巖粉流的沖蝕下，胎體容易過早磨損，使金剛石過早過多暴露而崩刃脫落，因而沖洗液量要嚴(yán)格限制。

C、鉆頭類型：孕鑲鉆頭金剛石出刃小，轉(zhuǎn)速快，冷卻條件差，可用較大泵量；表鑲鉆頭出刃大，冷卻排粉條件好，可以用較小泵量。

D、胎體性能、金剛石粒度、鉆頭水口、鉆速、轉(zhuǎn)速、鉆壓等，都對沖洗液的選擇有影響，確定沖洗液量時應(yīng)綜合考慮。

④泵壓和鉆進的關(guān)系

鉆進過程中，泵壓發(fā)生小幅度上升或下降，一般是孔底換層的征兆，這時要注意進尺情況和鉆具的響聲，必要時可調(diào)整鉆進參數(shù)，以防巖心堵塞。若泵壓略升，鉆速加快，多為巖層變軟，這時應(yīng)控制鉆壓，限制鉆速，防止巖心堵塞，在鉆進效率突然降低或不進尺同時，泵壓突然大幅度增高，這是發(fā)生嚴(yán)重巖心堵塞的反映，要盡快將鉆具提離孔底，防止瞬間發(fā)生燒鉆事故。若泵壓大幅下降而不回升，這多半是鉆具折斷或脫扣，應(yīng)馬上停車檢查。

一般雙管鉆具（Φ46和Φ59）清水鉆進硬巖時，地表管路的泵壓損失為5~10個大氣壓（泥漿略高些）；鉆進軟巖層時，約8~12個大氣壓。每增加100米孔深將增加2個大氣壓。

⑤金剛石鉆進對沖洗液的選擇

在巖層條件允許的情況下，應(yīng)選用清水作沖洗液。因為清水冷卻效果好，巖粉凈化快，成本低；但開高轉(zhuǎn)速時，必須使用減振潤滑的乳狀沖洗液或潤滑沖洗液；如果巖層破碎，坍塌掉塊，應(yīng)選用有良好潤滑性能的優(yōu)質(zhì)低固相泥漿和無固相高聚物沖洗液海洗孔。但要特別加強泥漿管理，做好凈化工作，以利于提高轉(zhuǎn)速，提高回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，從而提高鉆速，延長鉆頭壽命，減少巖心堵塞，提高采心率。

五、金剛石鉆進操作

（一）、開孔

1、合理選擇鉆孔結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)條件允許的情況下，鉆孔結(jié)構(gòu)要盡量簡單，爭取一徑到底；

2、開孔時，根據(jù)覆蓋層、風(fēng)化層的巖性合理選擇開孔硬質(zhì)合金鉆頭和針狀合金鉆頭，防止合金崩刃掉入孔內(nèi)；

3、在松散或不穩(wěn)定巖層（掉塊、漏水、坍塌），應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)泥漿護孔，并用較低轉(zhuǎn)速和壓力鉆進；

4、開孔時用0.3~0.5m巖心管鉆進，并隨鉆孔加深，逐漸加長巖心管，以防孔斜；

5、鉆進到完整、較硬基巖1~2m 后，可下入套管護孔，下套管時應(yīng)采取有效保護套管措施，下好套管后，上下兩端對正封嚴(yán)，應(yīng)用稀泥漿鉆進1~2回次，然后進行沖孔，使之孔底清潔，為換用金剛石鉆進打好基礎(chǔ)。

（二）、換徑

1、換徑層位應(yīng)選擇在較硬而完整的巖層中；

2、換徑前清除孔內(nèi)殘留巖心，必要時用十字鉆頭將殘留巖心消滅，再用磨孔鉆頭磨平并清凈孔底；

3、換徑必須用變徑接頭帶導(dǎo)向巖心管，其長度應(yīng)大于4m。小徑巖心管第一回次長度不大于0.5m，隨孔深增加逐漸加長，鉆進5m后才能撤去導(dǎo)正；

4、換徑鉆頭應(yīng)采用針狀硬質(zhì)合金鉆頭或舊金剛石鉆頭，并用較小壓力和轉(zhuǎn)速鉆進，嚴(yán)防孔斜；

5、換徑后用錐形鉆頭將換徑臺階消滅，使其呈漏斗形，以防下鉆時碰撞金剛石鉆頭。

（三）、升降鉆具操作

1、下鉆前和下鉆過程中，應(yīng)認(rèn)真檢查鉆桿、接頭，巖心管的彎曲、變形和磨損情況，不合格者禁止下入孔內(nèi)。

2、鉆桿螺紋應(yīng)符合要求，下鉆時應(yīng)在絲扣上涂絲扣油，纏綿紗或加墊圈等，防止中途漏失沖洗液。

3、下鉆時，操作人員對孔內(nèi)情況要做到心中有數(shù)，鉆頭通過擰管機、套管口或換徑處、活石處，應(yīng)放慢下降速度，以防碰壞鉆頭。

4、下鉆過程中遇阻，可用管鉗慢慢回轉(zhuǎn)鉆具，無效時應(yīng)立即提鉆，采用其它方法處理。

5、機臺記錄人要正確掌握機上余尺，和升降機操作者緊密配合，當(dāng)離孔底0.5~1m時立即開泵送水，緩慢下放。離孔底0.2~0.3m時應(yīng)卡緊卡盤，以輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔，套心鉆進。

6、禁止在地面上拖拉金剛石鉆具，以免碰壞鉆頭、擴孔器。提鉆要穩(wěn)，不能猛剎車；擰卸鉆具要穩(wěn)，以防振動造成巖心脫落。

7、若采用纏棉紗，加墊圈等措施防止絲扣漏水，在卸開立根時，應(yīng)將母扣上的棉紗或破損墊圈清除。

8、在復(fù)雜地層中鉆進時，升降鉆具要慢，在提升鉆具時，應(yīng)向孔內(nèi)回灌泥漿。

9、起、放鉆頭巖心管時，嚴(yán)禁鉆頭拖地和沖撞硬物。擰卸鉆頭和擴孔器時，應(yīng)使用專用工具并避開金剛石的胎體部分。

10、使用雙管鉆具時應(yīng)注意檢查各部件的磨損情況，卸開雙管時，要輕拿輕放，不準(zhǔn)用鐵錘、鐵棒敲打雙管

（四）、鉆進操作

1、一個回次應(yīng)由一個人操作，以便正確掌握孔內(nèi)情況。操作人員操作時必須精力集中，隨時注意進尺速度、返水大小、泵壓變化及柴油機聲響；用電動機時則應(yīng)認(rèn)真觀察電流表和功率表，發(fā)現(xiàn)異常，立即停止鉆進；

2、地層變化時，要控制進尺速度，特別是由硬變軟時，要改變鉆進規(guī)程，否則進尺速度過快，易造成燒鉆現(xiàn)象；如進尺過快，會造成燒鉆事故；地層由軟變硬，鉆速變慢時，不得任意增大壓力，以免損壞鉆頭。

3、開車時要輕合離合器，并減輕鉆頭壓力，使鉆頭和鉆具在較輕的負荷下緩慢啟動，使其受力平穩(wěn)；回次開始時，看沖洗液返上地表或斷定沖洗液已送到孔底后方準(zhǔn)開車。先用輕壓慢轉(zhuǎn)幾分鐘，無異常時再轉(zhuǎn)人正常鉆進。

4、時刻保證鉆頭的充分冷卻，鉆進中要有專人管理沖洗液，注意泵入孔內(nèi)沖洗液的質(zhì)量，針對地層變化加強性能調(diào)整。經(jīng)常做好循環(huán)系統(tǒng)清理和除砂工作，保持孔底清潔，孔內(nèi)巖粉超過0.3m時，要立即撈取。

若采用泥漿和潤滑劑洗孔，則應(yīng)注意其質(zhì)量，及時更換，例如泥漿必須保持干凈，否則大顆粒雜質(zhì)就會堵住雙管水路而引起事故。

5、鉆進過程中不得提動鉆具，以免卡斷巖心造成堵塞。若發(fā)現(xiàn)巖心輕微堵塞，但泵壓和返水正常，可稍微上下活動鉆具處理。若處理無效應(yīng)及時提鉆；不允許高壓長時間硬磨，以免損壞和燒毀鉆頭；

6、倒桿一般要停車，深孔減壓鉆進時，倒桿前一定要先用升降機將鉆具拉緊 (不要提離孔底)，才能倒桿，以防鉆具的全部重量壓在鉆頭上，壓壞鉆頭和壓彎鉆具。

7、堅持 “三必提”、“五不掃”的正確操作方法，即巖心堵塞必提、鉆速驟降必提、下鉆遇阻、輕轉(zhuǎn)無效必提；不用金剛石鉆頭掃孔、掃殘留巖心、掃脫落巖心、掃掉塊、掃探頭石。

8、謹(jǐn)防“慢燒”（一邊進尺、一邊燒），高轉(zhuǎn)速鉆進時，孕鑲鉆頭胎體與巖石摩擦很大，如在冷卻不充足的情況下工作，會加快鉆頭的磨損速度，即發(fā)生“慢燒”；“慢燒”現(xiàn)象往往不為人們注意，在鉆進過程中也不容易發(fā)覺，危害很大；所以一般應(yīng)控制機械鉆速，在非均勻巖層中鉆進，要用下降閥限制速度，避免鉆進中突然遇到軟巖層進尺過快而造成“慢燒”。

9、鉆進中發(fā)現(xiàn)燒鉆跡象，不能立即停車，應(yīng)將鉆具頂離孔底至可能達到的高度，待回轉(zhuǎn)阻力減小后再關(guān)車提鉆。

(五)采心

1、金剛石鉆進采用卡簧卡心，采心操作程序是：關(guān)車、停泵+沉淀幾分鐘+用油缸緩慢上頂鉆具 (50~70mm)+吊緊鋼絲繩+松卡盤、提鉆。

2、采心后不轉(zhuǎn)、不試探。因為卡簧采心是利用軸向移動來完成的，徑向轉(zhuǎn)動無助于卡緊，甚至可能造成松動；由于上頂時有一定滑動，下放試探時，殘留巖心也可能將己卡緊的巖心頂松。

3、殘留巖心如超過0.2m，一方面要檢查卡簧內(nèi)徑是否偏大，另一方面要下?lián)菩钠鲹迫　，F(xiàn)場往往不愿專程撈取，而是下舊鉆頭打一回次，但應(yīng)注意：一是要限制回次進尺，二是所下鉆頭應(yīng)符合排隊輪換要求。

（六）、鉆進“打滑地層”的技術(shù)措施

1、地表預(yù)出刃：①地表人工出刃：噴砂、研磨、酸蝕；②采用細粒天然表鑲鉆頭。

2、使鉆頭能壓入巖石，產(chǎn)生巖粉：①縮小底唇接觸面積；②增加鉆壓；③適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速；④適當(dāng)減小金剛石粒度和濃度；⑤如為繩索取心鉆進，可暫時換用普通雙管鉆進。

3、增大鉆頭底唇的摩擦：①向孔內(nèi)投入巖粉或在沖洗液中加入巖粉；②降低沖洗液的潤滑性能；③使孔底巖粉滯留。

4、降低胎體抗摩擦能力。

5、采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，從根本上改變碎巖機理，是最有效而可靠的辦法。

（七）、金剛石鉆進防振減振主要措施

1、改進鉆孔結(jié)構(gòu)，采用合理的鉆具級配，減小鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙。

2、增加鉆桿的穩(wěn)定性。一般采用高強度的合金鋼管，并對鋼質(zhì)鉆桿表面高頻淬火，增加其剛性。提高鉆桿絲扣的加工質(zhì)量，不用彎曲、磨損嚴(yán)重的鉆桿。

3、增加粗徑鉆具的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。使用穩(wěn)定接頭和孔底機械減振器。

4、使用潤滑劑。常用的潤滑減振方法有混溶法和涂覆法。

①混溶法：混溶法是在沖洗液中加入適量可溶性或可分散的乳化劑或潤滑減阻劑，使沖洗液具有良好的潤滑性能?，F(xiàn)用的潤滑沖洗液有乳狀液、活性劑潤滑液及具有潤滑性的不分散低固相泥漿等。

②涂覆法：涂覆法是在鉆具表面上涂抹一層潤滑油脂達到減小鉆具和孔壁之間摩阻力的目的，起到防振減阻作用。

常用潤滑脂配方：機油60%、瀝青5~8%、松香粉30%、石臘2~5%，配制時將這些物質(zhì)加熱共熔即成。



第四部分、液動潛孔錘鉆進

一、概述

1、沖擊回轉(zhuǎn)（潛孔錘）鉆進實質(zhì)

將沖擊式鉆進和回轉(zhuǎn)式鉆進結(jié)合起來的一種鉆進方法。鉆頭在既有軸向壓力和回轉(zhuǎn)切削力、又有一定頻率的沖擊載荷的同時作用下破碎巖石。

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進一般是在普通回轉(zhuǎn)鉆進的粗徑鉆具上部加上一個沖擊器來實現(xiàn)。鉆機帶動鉆具回轉(zhuǎn)并通過鉆具施加給孔底巖石一定的軸向壓力，而沖擊器則產(chǎn)生連續(xù)不斷的、周期性的沖擊荷載。這種將沖擊作用和回轉(zhuǎn)作用結(jié)合起來的鉆進方法，改變了孔底巖石的破碎方式和破碎過程。

2、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進分類

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進分為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進和回轉(zhuǎn)沖擊鉆進兩大類。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進一般使用低頻率、大功型沖擊器，適應(yīng)于專門加工的合金鉆頭，鉆進時的轉(zhuǎn)速較低，是以沖擊為主，回轉(zhuǎn)為輔的一種鉆進方法；而回轉(zhuǎn)沖擊鉆進使用的是高頻率、低功型沖擊器，采用的鉆頭和普通回轉(zhuǎn)鉆進用合金或金剛石鉆頭基本相同，鉆進規(guī)程也和回轉(zhuǎn)鉆進基本接近，是以回轉(zhuǎn)為主、沖擊為輔的鉆進方法。

3、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進碎巖特點

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進碎巖主要依靠沖擊作用，回轉(zhuǎn)則起清除巖屑、改變沖擊刃具在孔底的相對位置的作用。而回轉(zhuǎn)沖擊鉆進時碎巖主要依靠切削、磨削等作用，沖擊則起提高切入巖石的深度，保證鉆頭切削刃的正常工作等作用。

4、液動潛孔錘鉆進的碎巖機理：沖擊+回轉(zhuǎn)切削

5、影響潛孔錘鉆進碎巖效果的因素

沖擊功、沖擊間隔、鉆孔直徑和鉆進參數(shù)。

6、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進適應(yīng)性

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進特別適應(yīng)于鉆進中硬以上地層，對硬或堅硬、致密、弱研磨性的打滑地層、軟硬交替頻繁的地層和易斜地層鉆進效果較好?？捎糜谟操|(zhì)合金鉆進、金剛石鉆進，也可用于金剛石繩索取心鉆進。

二、沖擊器分類

1、沖擊器按動力來源的分類

①液動沖擊器：以高壓沖洗液做為動力工作的介質(zhì)。

②氣動沖擊器：以壓縮空氣做為動力工作的介質(zhì)。

③機械式潛孔錘：利用某種機械運動使沖錘產(chǎn)生上下運動。

2、液動沖擊器分類：有閥（正作用、反作用、雙作用）和無閥（雙作用、射流式）。



第五部分、定向鉆探

一、概述

1、定向鉆探的定義 2、定向孔的分類

二、鉆孔自然彎曲及其影響因素

1、地質(zhì)因素

①巖石的各向異性；②軟硬不均勻的層狀巖石；③地層傾角。

2、鉆進工藝因素

①鉆探設(shè)備安裝不穩(wěn)、不同心等；②鉆具組合不良；③粗徑鉆具過細；④鉆具穩(wěn)定性差；⑤鉆進參數(shù)選擇不當(dāng)。

三、自然彎曲定向鉆探

1、自然彎曲定向鉆探原理：利用自然彎曲規(guī)律及常規(guī)工藝方法達到方向要求的。鉆進過程中不使用特殊工器具，而是“以斜就斜”，以目標(biāo)為起點，按造斜地層造斜規(guī)律推算孔口位置或開孔角度。因此，它實質(zhì)上是一種根據(jù)已知規(guī)律進行補償?shù)霓k法。

2、初級定向的幾種的方法：

①方位穩(wěn)定、頂角變化較大時：A、沿線移孔法；B、變角法：不移動孔位而改變開孔頂角。

②頂角變化小、方位角變化較大時：A、離線平移法：孔位移離勘探線；B、扭角法：孔位不動、改變開孔方位；C、離線扭移法：平移與扭角相結(jié)合。

③頂角與方位都有較大變化時：A、沿線移孔扭角法：沿線移動孔位并改變開孔方位；B、離線平移變角法：離線平移孔位并改變開孔頂角。

3、自然彎曲定向鉆探應(yīng)用條件

適用于地層造斜規(guī)律明顯的詳勘礦區(qū)，在礦區(qū)已施工一定數(shù)量的鉆孔并掌握了鉆進地層自然彎曲規(guī)律（頂角、方位角變化的方向和強度）。

4、自然彎曲定向鉆探使用中的注意事項

①設(shè)計要留有余地。就是不能預(yù)計偏多少就移動和扭變多少；

②鉆進中仍應(yīng)輔以一定的防斜、糾斜措施；

③工藝操作條件應(yīng)盡量與已施工鉆孔相同，工藝方法上如必須改變，應(yīng)考慮其影響；

④加密測斜點，及時掌握實際鉆孔軸線的空間位置，以便必要時采取適當(dāng)處理措施。

四、人工控制鉆孔彎曲的基本方法

初級定向孔、偏心楔導(dǎo)斜法、連續(xù)造斜器鉆孔人工彎曲法、螺桿鉆鉆孔人工彎曲法。

第六部分、反循環(huán)鉆探

1、反循環(huán)鉆進的優(yōu)越性及適用范圍

提鉆次數(shù)相當(dāng)少、沖洗液簡單，適用于600米以淺的孔。

2、反循環(huán)鉆探分類：全孔反循環(huán)、局部反循環(huán)（無泵、噴射式）。

3、固體礦產(chǎn)勘探常用反循環(huán)的鉆探方法

①氣舉反循環(huán)；②水力反循環(huán)；③CSR反循環(huán)；④泵吸和射流反循環(huán)。