金刚石钻进技术参数的优选

8.3.1 孕镶金刚石钻头的碎岩机理

孕镶金刚石钻头是岩心钻探中主要使用的钻头，它所用的金刚石颗粒小，且埋藏于胎体之中。为达到碎岩钻进和钻速恒定，必须同时具备以下两个条件：

1）有一定的压力和扭矩（转速）使唇面上多而小的金刚石对孔底岩石进行刻划、磨削或微压碎、微剪切，其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。

2）包裹金刚石的胎体随着金刚石的逐渐磨钝、磨损而适度磨耗，使新的金刚石良好出露、碎岩，即保持良好的自磨出刃（“自锐”）。

因此，孕镶金刚石钻头的碎岩机理可认为是：回转切削、磨削碎岩，兼有压碎、压皱、剪切作用。

8.3.2 金刚石钻进技术参数的选择与调整原则

（1）钻压

确定合理的钻压是提高钻进效率，降低成本的重要措施之一。应根据岩石可钻性、研磨性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量选择钻压。为保证钻头有效碎岩和合理寿命，钻压选择应重点把握以下几点：

1）应使每粒工作金刚石与岩石接触应力大于岩石的抗压入硬度，小于钻头胎体材料的抗压入硬度。

2）应使每粒工作金刚石的接触应力小于金刚石的强度。

3）必须使金刚石接触面上的单位压力大于岩石的抗压强度，而小于金刚石的抗压强度。

4）使工作唇面的金刚石切入岩石的合理深度。

钻头中金刚石出刃量是非常微小的。当金刚石切入岩石深度过大时，孔内排粉间隙太小，恶化孔底和冷却条件，引起岩粉堵塞，钻头磨损和钻速下降，甚至发生微烧事故；当金刚石切入岩石深度过小时，则钻头易打滑，钻速降低，影响正常钻进。在钻进过程中，可通过对钻速快慢的分析，确定金刚石合理的切入岩石深度，以达到既有适当高钻速，又有较低金刚石钻头消耗量。

（2）转速

转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。应根据岩石性质、钻孔结构及设备能力等因素选择转速，即考虑获得较高的钻速，也要保证合理的钻头寿命。

1）由于孕镶钻头所用的金刚石粒度很小，出刃量微小，主要靠高转速来获取钻进效率。在一定条件下，转速越快，钻速也越高。

2）转速与金刚石磨损的关系比较复杂。在其他条件不变，钻头转速存在临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最小。

（3）泵量

泵量的大小既必须保证冲洗液完成排除岩粉、冷却钻头等功能需求，也应能实现钻头金刚石自锐、防止复杂地层孔壁遭受冲刷破坏等要求。应视岩石性质、环状间隙、钻头类型、金刚石粒度、胎体性能等因素进行选择与适当调整。

（4）泵压

泵压反映一定泵量的情况下，冲洗液在特定钻进环境中的流动阻力。泵压的大小受钻杆内径及其密封、取心钻具过水断面、钻头水口、钻孔环状间隙、钻孔漏失情况等因素的影响，是反映孔内状况的敏感参数之一（如：泵压发生小幅度的上升或下降，一般是孔底换层的征兆；泵压猛然大幅度增高，伴随钻速下降或不进尺，可能发生岩心堵塞或烧钻现象；如果泵压突然大幅度下降，多是钻具折断或脱扣）。钻进过程中，应设法降低泵压，保证钻进所需泵量的实现（如：随着钻头胎体消耗，进行钻头水口修磨，修磨后钻头水口高度不得小于3mm；加大钻孔环状间隙等）。

金刚石钻进技术参数的影响因素及其综合选择见表8.8。

表8.8 金刚石钻进技术参数的影响因素及其选择表

8.3.3 钻进技术参数组合的优选

金刚石钻进技术参数主要包括钻压、转速、泵量，三者是互为因果且相互制约的，存在着最优化的配合关系。钻进中应根据岩层性质和其他技术条件，结合实践经验，选择最优化的钻进技术参数组合，以达到优质、高效、长寿、低耗、安全的目的。

8.3.3.1 最优化钻进技术参数组合的评价标准

钻进技术参数最优组合的标准是：在保证钻孔质量的前提下，获得最佳的钻速和最低的成本。当钻进规程达到最优值时，钻进技术参数的组合也是比较合理的。

8.3.3.2 钻进技术参数最优组合的确定方法

（1）钻进技术参数的优化选择方法

根据“金刚石钻探规程参数的优选”（石昆山，1989）方法，以提高钻进机械效率为主要目的，探讨钻进技术参数之间的相关性规律，提高钻探技术经济效益：选择钻头回转线速度（转速n）、比压、流量Q为自变元，以金刚石钻探的平均机械钻速为因变元，采用直观分析、回归分析以及方差分析相结合的方法。

（2）钻进技术参数优化的约束条件

钻进技术参数优化组合的确定受到众多的因素制约。除了受钻遇岩石的物理力学性质、钻头类型及其结构参数、钻孔直径、孔身结构和深度、钻探设备的性能、冲洗液类型、工人技术水平等的约束外，还受参数选择后果的约束，如：

——对钻速提高而言，调高转速比增大钻压明显。在一定的转速范围内，高的转速将取得更高的钻速。但是，转速愈高，对钻头、工具、设备及油料等的消耗也愈大。

——大压力、高转速是可获得高钻速，但钻头磨损加剧、寿命缩短和成本增加。这需要在实践中给予平衡。

——在石英含量很高的岩石中钻进，若用高转速，可能导致钻头唇面的磨光而不进尺；若选用适当的较低转速，可能因钻头唇面与岩石接触时间的增加，促进岩石深部缺陷的发育和扩大，反而会有较好的钻速。

8.3.3.3 不同岩层钻进技术参数组合的选择思路

（1）较软的均质、完整、强研磨性的岩层

由于其抗压强度较小，易于体积破碎，一般钻速高，岩粉颗粒大且数量多，多具粘性，易于糊钻、堵塞。钻进中主要解决的是排渣、冷却和保证冲洗液畅通的问题。因此，可采用低钻压、高转速和大泵量钻进。

（2）完整的强研磨性岩层

钻进时排渣、冷却不存在问题，可采用大钻压、大泵量和高转速钻进，以求高钻速。泵量的选择在保证排渣和冷却及时的前提下，也应保证孔壁不被冲蚀失稳。

（3）坚硬、破碎、非均质、裂隙发育的岩层

为了延长钻头寿命，宜采用轻压力、慢转速，泵量要相应减少。若孔底有渗漏，则确定返浆量还应包括补充的渗漏量。