淺析金剛石鉆頭在礦山地質(zhì)鉆探中的發(fā)展趨勢(shì)

李迎東

（云南錫業(yè)股份有限公司老廠分公司，云南 個(gè)舊 661000）

金剛石鉆頭在發(fā)展過程中要緊跟時(shí)代發(fā)展潮流，滿足社會(huì)發(fā)展需求，在材料、工藝和技術(shù)方面不斷應(yīng)用提升，從而提高金剛石鉆頭的使用壽命和期限，滿足油氣井鉆探、海洋深水鉆探、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域的發(fā)展要求，繼而最大化的為資源開發(fā)服務(wù)，提高金剛石鉆探技術(shù)和水平，對(duì)國(guó)外在技術(shù)方面的壟斷這一現(xiàn)象進(jìn)行打破，走在世界發(fā)展前沿，并在激烈的世界競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位，從而為社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)深化發(fā)展做貢獻(xiàn)[1]。

1 礦井鉆探金剛石鉆頭的發(fā)展現(xiàn)狀

從目前發(fā)展情況來看，礦井鉆探金剛石鉆頭在選擇時(shí)基本以礦層為依據(jù)來對(duì)其進(jìn)行合理選擇，通常情況下復(fù)合片鉆頭在軟礦層中使用廣泛，而復(fù)合片鉆頭和牙輪鉆頭則在軟一中硬礦層中使用較多，在硬礦層中也會(huì)使用牙輪鉆頭，基本上鑲嵌齒輪。但是在實(shí)際情況中遇到硅化白云礦、花崗礦等情況時(shí)，牙輪鉆頭也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步的鉆探工作。因此，為了使這一問題得以有效解決，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在不斷研究，從而將技術(shù)層面的難關(guān)得以攻破[2]。從當(dāng)前發(fā)展情況來看，在技術(shù)研究層面上取得一定的進(jìn)展，在一定程度上推動(dòng)了鉆探工作的開展。

1.1 礦井鉆探硬礦層所具有的特征

從全國(guó)范圍來看，礦井鉆探硬地層所具有的特征具體表現(xiàn)為石英含量相對(duì)較高，高研磨性也較強(qiáng)，礦層中也含有砂礫石等成分。可鉆探性能的難易程度與井鉆深度息息相關(guān)，也就是說，當(dāng)井鉆深度增加時(shí)，上部壓力作用也會(huì)進(jìn)一步增大，在這一發(fā)展情況下，礦井鉆探地層可鉆性也將會(huì)隨之變差，這一特性則在川東北的自流井底部珍珠沖含礫礦層、高研磨性須家河礦層中都有體現(xiàn)并表現(xiàn)得尤為明顯。

1.2 礦井硬礦鉆頭的研究歷程

結(jié)合礦井硬礦層的特點(diǎn)，國(guó)家工作人員對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。具體表現(xiàn)如下:①使胎體合金化程度進(jìn)一步提高，對(duì)胎體預(yù)合金粉進(jìn)行了研制，從而將各種金屬元素蘊(yùn)含在胎體粉末中。②為了使金剛石的強(qiáng)度得以有效保護(hù)，對(duì)粉末煉制的技術(shù)進(jìn)一步提高，并將其提煉到微米級(jí)，粉末顆粒結(jié)構(gòu)以開口狀展現(xiàn)出來，燒結(jié)活性高，燒結(jié)溫度也相對(duì)較低。③對(duì)金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，也對(duì)水路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。④將表、孕鑲兩種結(jié)構(gòu)有機(jī)融合起來。⑤并將具有高耐磨性和高抗沖擊韌性的復(fù)合片放置在金剛石鉆頭的中心位置，避免金剛石鉆頭在使用過程中被磨損，從而形成O形圈，阻礙其正常使用。

1.3 硬礦層礦井鉆頭的應(yīng)用成效

從當(dāng)前發(fā)展情況來看，渦輪+孕鑲這一模式的金剛石鉆頭和螺桿+孕鑲這種模式的金剛石鉆頭的使用，在很大程度上改變了傳統(tǒng)的鉆進(jìn)工藝方法和模式，從而使可鉆性差的地層難題得以有效克服和解決。金剛石鉆頭壽命不斷增加，使用期限更為延長(zhǎng)，這一性能在四川元壩氣田元陸702井表現(xiàn)得尤為明顯，首先要對(duì)這一井位難鉆進(jìn)地層的主要組從成分進(jìn)行分析，其中包括自流井組珍珠沖段，由細(xì)砂礦、泥礦等構(gòu)成，井田深度在4180m～4245m之間，從以往發(fā)生情況來看，基本上使用國(guó)產(chǎn)的牙輪鉆頭，其工作效率為0.33m/h，進(jìn)尺則為7.32m，但是在改進(jìn)鉆頭以后，其鉆進(jìn)效率大幅提升，由當(dāng)初的0.33m/h提升為0.61m/h，鉆頭壽命也隨之增加，具體表現(xiàn)為65.7m。

從總體發(fā)展情況來看，硬礦層油井鉆頭使用效果甚佳，成效顯著，在很大程度上縮減了施工期限，為油井開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，而使其更好的為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。針對(duì)堅(jiān)硬致密地層，通過在胎體中添加稀土和自銳材料、低壓鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在可鉆性小于11級(jí)的堅(jiān)硬致密“打滑”地層中，鉆進(jìn)速度可達(dá)1.5m/h～2.0 m/h，鉆頭壽命達(dá)30m～300m；針對(duì)堅(jiān)硬研磨性地層，通過超高金剛石工作層和優(yōu)化的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超細(xì)預(yù)合金化粉末以及超耐磨胎體性能，使機(jī)械鉆速同比提高20%～70%。

2 地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的發(fā)展概況

2.1 國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的概述

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭屬于國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的主要組成部分，這兩種鉆頭在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用推廣，具有快速鉆探等特點(diǎn)，很大程度上滿足了地質(zhì)鉆探對(duì)金剛石鉆頭鉆探速度的要求。但是其在發(fā)展過程中也受到諸多因素的影響，阻礙其鉆探效率的提升，其中包括堅(jiān)硬致密地層、堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層等，使其鉆探難度進(jìn)一步加大，為鉆探工作開展帶來諸多負(fù)面影響。

2.2 堅(jiān)硬致密礦層所具有的特征

堅(jiān)硬致密礦層中礦石的造礦物硬度相對(duì)較大，石英含量也相對(duì)較高。堅(jiān)硬致密礦層具有抗壓強(qiáng)等特性，因其造巖礦物顆粒比較細(xì)致，因而，結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)密，顆粒間具有極強(qiáng)的結(jié)合力，正是因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)特性，使得堅(jiān)硬致密礦層具有抗壓性強(qiáng)等特點(diǎn)。堅(jiān)硬致密地層具有研磨性差等特點(diǎn)，因此，金剛石鉆頭在對(duì)其進(jìn)行鉆探時(shí)容易發(fā)生鉆頭和礦層之間的打滑現(xiàn)象，從而使鉆探工作無法進(jìn)一步開展。

2.3 地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的對(duì)策

針對(duì)勘探開發(fā)中鉆遇的難鉆進(jìn)地層，需從鉆頭結(jié)構(gòu)、胎體配方及制造方法等方面對(duì)孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行分析研究。在對(duì)胎體進(jìn)行使用時(shí)在其內(nèi)部添加稀土等材料，從而提高胎體的扛彎強(qiáng)度，也使得其抗沖擊韌性得以提升。通過改變胎體材料的勻稱度，將胎體對(duì)金剛石的把持力得以有效提升，從而延長(zhǎng)金剛石鉆頭的使用壽命。

3 結(jié)語

近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異。社會(huì)經(jīng)濟(jì)在發(fā)展過程中對(duì)能源礦產(chǎn)資源需求也不斷增多，為了確保地質(zhì)鉆探、礦井鉆探、海洋鉆探工作進(jìn)一步開展，需要對(duì)金剛石鉆頭進(jìn)行探討，金剛石鉆頭的成本在很大程度上影響著鉆頭的鉆進(jìn)效率和使用壽命，在鉆探過程中要根據(jù)不同的鉆探情況金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)、品種等進(jìn)行擇優(yōu)選擇，從而使其性能進(jìn)一步提升，打破壞技術(shù)壟斷的局面，將金剛石鉆頭與鉆探礦層結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來，從而為鉆探工作進(jìn)一步發(fā)展服務(wù)。