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1、金刚石绳索取芯钻进技术 钻探工程的基本任务钻探破 碎 岩 石排除岩粉保持 孔壁 稳定保保保 证证证 钻钻钻 探探探 质质质 量量量 地层条件破 碎 岩 石岩石性质地层构造断层、裂隙、胶结、填充、溶洞强度、硬度、水理性质、可钻性碎岩工具钻进方法：金刚石、硬合金钻压、转数、泵量最有效的破碎岩石方法钻进 工艺增效措施保证钻 探质量：岩芯采取率和采 芯质量、钻孔弯曲度等排 除 岩 粉冲洗液类型配制和性能维护处理剂选择密度、粘度、切力、剪切稀释性泥浆、乳化液、高聚物地层构造断层、裂隙、胶结、填充、溶洞强度、硬度、水理性质、可钻性岩石性质冲洗液性能冲洗液处理冲洗液配制、 管理利于破碎岩石兼顾维护 孔壁稳定
2、维 护 孔 壁 稳 定增效措施操作技术工艺技术采用几种方法合用或交替使用提下钻速度、回灌等钻压、转数、泵量等强度、硬度、水理性质、可钻性断层、裂隙、胶结、填充、溶洞地层构造岩石性质护壁措施冲洗液、套管、水泥等钻进 效率与效益兼顾保保保 证证证 钻钻钻 探探探 质质质 量量量岩芯采取率钻孔弯曲度孔深校正原始记录简易水文观测封孔工艺、工具、方法、岩心编录工艺、操作、方法班报表、测量、平差真实、准确、完整按规定观测按规定封闭钻孔质量第一钻钻探用金刚刚石天然金刚刚石人造金刚石金刚刚石的主要物理机械性能硬度：特高硬度。金刚石由于晶形不同，其晶面硬度也不同。 强度：特高强度。金刚石的强度取决于金刚石的晶形
3、、完好程度、 杂质成及含量、晶体的组织结构及颗粒大小等。一般来讲，浑圆状 的、结晶完好的金刚石强度大；具有裂隙、含气泡和包裹体等内部 有缺陷的金刚石强度小；从晶形上看，金刚石的强度随晶形不同而 不同；对于相同晶形和质量的金刚石，其抗压强度一般随粒度的减 小而增加。其抗弯、抗冲击性能较差，表现出较大的脆性。在使用 时应避免金刚石受到较大的冲击和碰撞。 耐磨性：特高耐磨性。 热性能：金刚石在空气中加热到300则开始氧化；加热到800则 重量开始减轻，晶体颜色也发生变化；加热到900质量发生明显的 变化，表面疏松，且易碎。钻进工作时，钻头应得到充分的冷却，特别是在钻进铁、镍 等矿时，由于它们与金刚石
4、(碳素)的亲和力很强，钻进中冷 却稍有不良，金刚石工作点的温度升高，就会使金刚石溶于 铁中而迅速磨钝，失去钻进能力。 色泽：纯净的金刚石是无色透明的，常常含有微量元素而呈 现为浅蓝、蓝、黄、红棕、紫、黑、淡绿等色。 天然金刚石的量衡与品级：钻探用小颗粒金刚石常用一克拉 多少粒，或者用过筛网目数(每英寸长度内的网格数)“目”来 衡量。钻探用的金刚石粒度：粗粒每克拉520粒；中粒- -每克拉2040粒（粗、中粒多用于表镶钻头）；细粒-每克 拉40100粒；粉粒每克拉100400粒（细、粉粒多用于 孕镶钻头）。 人造金刚石的性能，由于合成的条件及技术方面的原因，有 的性能远远低于天然金刚石，不能用天
5、然金刚石的指标来衡 量。天然金刚石品级分类级 别代号特 征用 途 特级 (AAA)TT具天然晶体或浑圆状，光亮、质纯，无斑点及 包裹体，无裂纹，颜色不一，十二面体含量达 35%90，八面休含量达6510%钻进特硬地层 ，或制造绳索 取芯钻头优质级 (AA)TY晶体规则完整，较浑圆，十二面体达1520% ，八面体含量80%85，每个晶粒应不少于4 6个良好的尖刃，颜色不一，无裂纹，无包裹 体钻进坚硬和硬 地层；或制造 绳索取芯钻头标准级 (A)TB晶粒较规则完整，八面体完整晶粒达90%95 ，每个晶粒应不少于4个良好尖刃，由光亮透 明到暗淡无光泽，可略有斑点及包裹体钻进硬和中硬 地层低级(C)
6、TD八面体完整晶粒达30%40%，允许有部分斑 点包裹体，颜色为淡黄至暗灰色。或经过浑圆 化处理的合刚石钻进中硬地层等外级TX细小完整晶粒，或呈团块状的颗粒择优后用于制 造孕镶钻头TS碎片、连晶砸碎体，无晶形人造金刚石粒度分类粒 度 16/18 16/20 18/20 20/25 20/30 25/30 30/35 30/4035/40 (36)40/45 (46)40/50 (46)45/5050/60 (60)1180 /10001180 /8501000 /850850 /710850 /600710 /600600 /500600 /425500 /425425 /355425 /30
7、0355 /300300 /250粒 度60 /70 (7O)60 /8070 /80 (80)80 /100l00 /120 (100)120 /140 (120)140 /170 (150)170 /200200 /230 (180)230 /270 (240)270 /325 (28O)325 /400 (320)250 /212250 /180212 /180180 /150150 /125125 /106106 /9090 /7575 /6363 /5353 /4545 /38注：表中括号内的数据相当于旧标准中的“目”， 即每英寸长度内网孔的数目。钻钻孔碎岩常用人造金刚刚石品级级的分
8、类标类标 准（N/粒）粒 度 品种120/140100/12 080 l007080 6080 6070 5060 4550 4050 4045 3540MBD423.5228.4232.3239.2043.1246.0649.9863.70MBD636.2642.1449.9858.8064.6869.5883.3297.02MBD848.0256.8466.6478.4085.2692.12108.78MBD1271.5484.2899.96117.60 128.38 139.16 158.76SMD98.00105.84 125.44 147.98 161.70 174.44 205.8
9、0SMD25116.20 126.42 148.96 176.40 192.08 207.76 245.00SMD30140.14 151.90 179.34 210.70 230.30 248.92 294.00SMD35163.66 177.38 208.74 245.98 268.25 291.06 343.OOSMD40192.08 207.76 245.OO 289.10 315.16 341.04 401.80DMD338.10 368.48 398.86 470.40注：表中数据为人造金刚石的抗压强度（N/粒），分级时金刚石的抗压强度平均 值不低于表中值。金刚石钻头天然金刚石钻头
10、，人造金刚石钻头；单管金刚石钻头；双管 金刚石钻头，绳索金刚石钻头；取芯金刚石钻头，全面金刚 石钻头；矿山金刚石钻头，油井金刚石钻头等等。 依据其钻进过 程和碎岩特点的不同，可分为：表镶金刚石钻 头、孕镶金刚石钻头、聚晶体(包括复合片)金刚石钻头。表 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结构 参数金刚石的品级：一般采用大颗粒的天然金刚石TD 、TB、TY、TT类。所钻进岩石的硬度越高、或 研磨性越强，就应选用质量高的金刚石，如TT、 TY。边刃和底刃主要用来破碎孔底岩石，负担最 重，尤其是边刃，其受力复杂，应选用比侧刃质 量好的金刚石。 金刚石的粒度和出刃：表镶钻头的金刚石的粒度 应根据岩石的性质选
11、择，岩层越硬，越致密，选 用的粒度可越小。常用的粒度为1560粒/克拉表 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结 构参 数金刚石的出刃大小应考虑排粉、冷却、抗冲击性 及包镶金刚石的牢固性等，一般为粒径的1/3 1/4。岩石越硬或越破碎，则应选用小的出刃，反 之则相反。 金刚石在唇面的排列方式：金刚石在钻头唇面上 的排列方式有放射排列、螺旋排列和等距排列 等。金刚石在钻头唇面厚度方面多采用同心环分 列，并在径向必须有一定的重叠度，以保证钻进 中不会发生某环部因缺破碎岩石的刃而使孔底形 成凸起。 在钻头唇部究竟摆放多少金刚石为宜，也是一个 值得研究的问题。一般称此为钻头的充满度(或密 集度)。摆放的充满
12、度过小，在单位孔底碎岩面上 金刚石工作刃过少，相对金刚石负担过大，则钻 头寿命相对减短；相反，充满度过大，钻头成本 过高，还会影响冲洗孔底。一般钻进软岩，宜采 用小的充满度，钻进硬的岩石应增加充满度。金刚石在钻头唇面上的排列方式 （a）-放射状排列，（b）-螺旋式排列，（c）-等距式排列表 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结构 参数胎体的性能 表镶钻头胎体的主要作用是包镶金刚石和连结钢体，因此， 胎体必须满足足够的耐磨性、包镶金刚石和连结钢体的牢固 性及强度。 表镶金刚石钻头的唇部断面形状 表镶金刚石钻头的唇部断面有多种形状。它们随所钻岩石性 质，钻头的壁厚和工作稳定性的要求不同来选用。 钻头的
13、水口和水路 钻头的水路包括钻头的水口和水槽。水口的形式有直水口、 正螺旋水口、反螺旋水口及底喷式水口等。表镶金刚石钻头唇部断面形状及适应范围唇 部 断 面 适 用 范 围 圆 弧 形圆弧半径大于胎体厚度的一半可较好地保护钻头的内外 径，适合于钻进中硬和硬岩层，此形较易布置金刚石的定位 眼和摆放金刚石适用范围较广 半 圆 形圆弧直径等于胎体厚度，呈半圆形状，可布置较多的金刚石 ，缓解了规径刃的过份磨损。适用于钻进裂隙的、坚硬的、 软硬互层的研磨性地层。 多 阶 梯 形多用于钻头壁厚较大的，如绳索取芯钻头。适精于钻进中硬 硬岩层，有利于破碎岩石和导向，有时多采用单阶梯形内 锥 形适用于钻进研磨性强
14、的和破碎的岩层及容易引起钻头内边刃 过早磨损的岩层，也可钻进砾岩，用于厚壁钻头。如绳索取 芯钻头和泥浆钻头。外 锥 形适用于钻进较软和易碎的地层，多用于双管和绳索取芯钻头 孕 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结构 参数钢体： 金刚石的品级：金刚石品级应根据所钻岩石的 硬度和研磨性选择，岩石硬度越高或研磨性越 强，则应选用高质量的金刚石。孕镶钻头常用 MBD、SMD两类人造金刚石，抗压能力大于 等于28N/粒，或采用TX、TS类天然金刚石， 但国内还是广泛使用人造金刚石。 金刚石的粒度：岩石越硬，越破碎，金刚石的 粒度就应越细。但采用粗粒金刚石可获得更高 的钻速，在实际生产中也有采用不同粒度金刚
15、石混合使用的金刚石钻头。孕镶金刚石钻头金刚石粒度选择参考表岩石性质中硬硬硬坚硬金刚石粒 度（目）人造大于4646606080 80100天然203030404060 6080孕 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结构 参数金刚石在胎体中的浓度和含量：根据所钻岩层性质 来选择金刚石的浓度。岩层越坚硬、越致密、研磨 性越低，金刚石浓度相应要低些；而金刚石质量越 好、粒度越细，浓度也应越低。还要考虑胎体的耐 磨性和机械钻速。最合理的金刚石浓度为70120 。 孕镶金刚石钻头的胎体性能：孕镶金刚石钻头胎体 的主要作用是包裹金刚石、连结钢体和适时的被磨 蚀而使金刚石出露。因此，钻头胎体应满足各种钻 进条件下
16、必需的硬度、足够的抗冲击韧性、与钻头 钢体连接牢固性及合适的耐磨性等要求。其中胎体 的硬度和耐磨性必须与所钻岩层性质相适应，以保 证在钻进中胎体有适当的磨蚀，使胎体中的金刚石 适当地裸露出来，但磨耗又不得过快而使可用的金 刚石过早失效或脱落。相反，胎体不磨损或磨蚀很 慢，金刚石出刃甚微或很慢，也难于发挥其磨削碎 岩的作用，而使钻进效率很低。应根据所钻进岩石的硬度和研磨性来选择钻头 的胎体硬度。一般岩石的研磨性越强，则应选 择硬度高的胎体；岩石的硬度越高，则应选择 软的胎体，因为，钻头胎体的磨蚀主要是岩粉 流冲蚀的结果，岩石硬，破碎下来的岩粉就细 ，其冲蚀胎体的能力就差。 孕镶金刚石钻头的唇面形状：平底唇面；锯齿 状；梯齿唇面 钻头水路：直水口；螺旋形或底喷式水口 钻头的内、外径补强：多采用聚晶柱或针状合 金保径孕 镶镶 金 刚刚 石 钻钻 头头结构 参数孕镶金刚石钻头胎体的硬度与耐磨性代号级别胎体硬度HRC耐磨性适应岩层1软2030低坚
