周東富，劉佳賓，張 晶，張立亞

（1.吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.吉林省紡織工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130000；4.中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

鉆探是地質(zhì)勘察、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、工程施工等領(lǐng)域必不可少的作業(yè)之一，而不同類(lèi)型的地質(zhì)環(huán)境需要選擇不同種類(lèi)的金剛石鉆頭[1]。如何在不同地質(zhì)環(huán)境下，選擇最適合的金剛石鉆頭，對(duì)提高鉆進(jìn)效率和降低鉆進(jìn)成本起到了關(guān)鍵作用，為此結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入探討不同類(lèi)型地質(zhì)環(huán)境下金剛石鉆頭的選擇與效果評(píng)估。

1 金剛石鉆頭類(lèi)型

1.1 按用途分類(lèi)

礦用金剛石鉆頭，主要用于礦山開(kāi)采和勘探領(lǐng)域。工程用金剛石鉆頭，主要用于公路、鐵路、水利、建筑等工程領(lǐng)域。地質(zhì)勘查鉆頭，主要用于地質(zhì)勘查和調(diào)查領(lǐng)域。石油鉆頭，主要用于石油鉆探領(lǐng)域。

1.2 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)

三翼鉆頭，外形呈三角形，每側(cè)有一條長(zhǎng)邊和兩個(gè)短邊，主要用于深井鉆探。四翼鉆頭，外形呈正方形或矩形，主要用于灰?guī)r、砂巖等軟質(zhì)地層[2]。六翼鉆頭，主要用于硬質(zhì)地層，例如花崗石、玄武巖等。刀齒鉆頭，外形呈圓柱形，鉆頭表面有許多小齒，主要用于砂、礫等松散固體地層。

1.3 按金剛石顆粒尺寸分類(lèi)

粗顆粒金剛石鉆頭，適用于硬質(zhì)地層。細(xì)顆粒金剛石鉆頭，適用于軟質(zhì)地層。

1.4 按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

焊接金剛石模塊，金剛石模塊通過(guò)焊接固定在鉆頭上，適用于軟質(zhì)地層。壓制金剛石鉆頭，將帶有金剛石顆粒粉料通過(guò)高溫高壓壓制固定形成鉆頭，適用于硬質(zhì)地層。

2 金剛石鉆頭破巖鉆進(jìn)工作機(jī)制

2.1 破碎機(jī)制

在破巖時(shí)，鉆頭上的金剛石顆粒通過(guò)撞擊和壓力作用下，將巖石表面的顆粒破碎掉。隨著鉆進(jìn)深度的不斷增加，巖石表面不斷被破碎，同時(shí)鉆頭不斷向前推進(jìn)[3]。由于巖石的抗拉強(qiáng)度較小，當(dāng)受到拉力時(shí)會(huì)發(fā)生裂紋的形成，這些裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展并將巖石表面分解成小顆粒，最終形成一個(gè)圓形的鉆孔。

2.2 磨削機(jī)制

當(dāng)鉆進(jìn)遇到較硬的巖石時(shí)，破碎機(jī)制的效率往往不太理想。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)另一種機(jī)制，即磨削。鉆頭上的金剛石顆粒作為刀具，對(duì)巖石表面進(jìn)行磨削[4]。由于鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力，因此鉆頭磨削下來(lái)的巖石顆粒在鉆孔中會(huì)形成泥漿。

3 不同類(lèi)型地質(zhì)環(huán)境下金剛石鉆頭的選擇

3.1 火山噴發(fā)類(lèi)地質(zhì)環(huán)境

火山噴發(fā)類(lèi)地質(zhì)環(huán)境下的巖石種類(lèi)比較多樣，包括玄武巖、安山巖、流紋巖等，巖石硬度較大。選擇鉆頭通常需要考慮到巖石硬度、韌性等因素，常用的鉆頭有六翼鉆頭、焊接金剛石鉆頭等。

六翼鉆頭是一種常用于鉆探堅(jiān)硬巖石的工具。它具有六個(gè)切削面，每個(gè)面上都有多個(gè)齒刃，可以提供更多的鉆探力和切削效率。焊接金剛石鉆頭的刀具表面鑲嵌有金剛石顆粒，金剛石是目前已知的最硬的天然物質(zhì)，具有很強(qiáng)的耐磨性和切削性能。

通過(guò)選擇六翼鉆頭或焊接金剛石鉆頭，可以在火山噴發(fā)環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提高鉆探效率，縮短工期。這些鉆頭具有更好的切削性能和耐磨性，能夠適應(yīng)巖石硬度較大的情況，減少鉆頭磨損和更換的頻率，降低工程成本和人力資源的消耗。

3.2 沉積型地質(zhì)環(huán)境

沉積環(huán)境下形成的巖石種類(lèi)也比較多，常見(jiàn)的包括砂巖、泥巖、頁(yè)巖等，巖石硬度較小。這類(lèi)場(chǎng)景下一般采用四翼鉆頭、刀齒鉆頭等金剛石鉆頭，可以將松散的巖石表層進(jìn)行磨削或者破碎。

四翼鉆頭是一種適用于鉆取松散地層、高強(qiáng)度土和軟巖等場(chǎng)合的工具。它的刀具表面具有4 個(gè)切削面，每個(gè)面上都有多個(gè)齒刃，能夠提供更多的切削力和效率，而且不容易在破碎、崩落的巖石中被鉗住[5]。刀齒鉆頭是一種裝有齒輪或刀齒的鉆頭刀具，主要用于鉆取松散的地質(zhì)層、軟巖和泥巖等環(huán)境。它的刀齒通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和斜向進(jìn)給的方式，對(duì)松散的巖石進(jìn)行破碎和磨削，使得采樣更加精確，可以在樣品保持完整的前提下提高鉆探速度。

通過(guò)選擇四翼鉆頭和刀齒鉆頭等金剛石鉆頭，可以在沉積環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提供更大的切削力和效率，并且不容易被鉗住。這些鉆頭能夠?qū)λ缮⒌膸r石表層進(jìn)行破碎和磨削，保證采樣精度的同時(shí)可以提高鉆探速度，縮短工程周期并減少工程成本。

3.3 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)類(lèi)地質(zhì)環(huán)境

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境下常見(jiàn)的巖石類(lèi)型包括花崗巖、片麻巖等，巖石的硬度、韌性都比較大。常用的鉆頭有三翼鉆頭、焊接金剛石鉆頭等，可以通過(guò)鉆孔中央的龍骨部分對(duì)巖石進(jìn)行破碎。

此瀝青混合料的拌制與攤鋪和普通瀝青混合料大致相同，然而，因這一瀝青混合料的級(jí)配比普通瀝青混合料粗，并且攤鋪厚度相對(duì)較厚，所以在拌制、攤鋪與碾壓過(guò)程中，又存在一定差別，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：其一，在混合料拌制過(guò)程中，干拌時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般在普通瀝青混合料基礎(chǔ)上要延長(zhǎng)2～5s；其二，鑒于攤鋪厚度相對(duì)較大，所以應(yīng)放慢攤鋪機(jī)行駛速度，通常為1.5～2.0m/min，最快不能超出2.5m/min[1]。

三翼鉆頭是一種適用于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的工具，它的刀具表面具有3 個(gè)切削面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和斜向進(jìn)給的方式對(duì)巖石進(jìn)行破碎。三翼鉆頭的設(shè)計(jì)使得它能夠在具有較大硬度和韌性的巖石中提供足夠的切削力，快速破碎巖石并完成鉆探作業(yè)。

焊接金剛石鉆頭的刀具表面鑲嵌有金剛石顆粒，金剛石是目前已知的最硬的天然物質(zhì)，具有很強(qiáng)的耐磨性和切削性能。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，焊接金剛石鉆頭可以通過(guò)鉆孔中央的龍骨部分對(duì)巖石進(jìn)行破碎，充分利用金剛石的硬度和耐磨性，提高鉆探速度和效率。

通過(guò)選擇三翼鉆頭和焊接金剛石鉆頭，可以在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)，提供足夠的切削力和效率。這些鉆頭能夠破碎具有較大硬度和韌性的巖石，快速完成鉆探作業(yè)，并且具有較長(zhǎng)的使用壽命和更高的工作效率。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)環(huán)境中選擇適合的鉆頭，可以提高鉆探的質(zhì)量和效率，減少工程成本和人力資源的消耗。

3.4 巖溶型地質(zhì)環(huán)境

巖溶環(huán)境下形成的巖石類(lèi)型主要是石灰?guī)r、大理巖等，巖石硬度較小，不均勻性較大，容易形成空洞和裂隙。因此，在這種地質(zhì)環(huán)境下需要使用比較特殊的鉆頭，如螺旋鉆、牙形鉆等，能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)和抖動(dòng)的方式進(jìn)行破碎。

螺旋鉆是一種適用于巖溶環(huán)境的鉆頭，它的設(shè)計(jì)使得鉆頭能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)和抖動(dòng)的方式對(duì)巖石進(jìn)行破碎。螺旋鉆的刀齒呈螺旋狀排列，能夠有效地抓住巖石表面，提供較強(qiáng)的切削力和穩(wěn)定性，同時(shí)避免被巖石空洞或裂隙卡住。這種鉆頭適用于巖溶環(huán)境下的鉆探作業(yè)，可以快速破碎巖石并完成鉆探任務(wù)。

牙形鉆是另一種適用于巖溶環(huán)境的鉆頭，它的刀齒呈牙形排列，能夠更好地咬住巖石表面，提供穩(wěn)定的切削力和抗卡住的能力。牙形鉆在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可以進(jìn)行輕微的抖動(dòng)，有助于進(jìn)一步破碎巖石和填充空洞。這種鉆頭適用于巖溶地質(zhì)中具有不均勻性和空洞的巖石，可以提高鉆探效率和成功率。

通過(guò)選擇螺旋鉆和牙形鉆等特殊設(shè)計(jì)的鉆頭，可以在巖溶環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)鉆探作業(yè)。這些鉆頭能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)和抖動(dòng)的方式破碎巖石，克服巖石的不均勻性和空洞問(wèn)題，并提供穩(wěn)定的切削力和抗卡住的能力。在巖溶環(huán)境中選擇適合的鉆頭，可以提高鉆探效率和成功率，確保鉆孔的質(zhì)量和完整性。

4 不同類(lèi)型地質(zhì)環(huán)境下選擇金剛石鉆頭的效果評(píng)估方法

4.1 物理特征評(píng)估

在選擇鉆頭之前，需要對(duì)目標(biāo)地層的物理特征進(jìn)行評(píng)估，包括硬度、密度、壓縮強(qiáng)度、磨耗性等指標(biāo)。這些指標(biāo)將決定何種類(lèi)型的金剛石鉆頭最為適宜。

地層密度指的是單位體積內(nèi)的質(zhì)量。某些地層的密度較高，如礦石，可使用高密度金剛石鉆頭，因其具有較強(qiáng)的穿透力和抗磨損能力。

地層壓縮強(qiáng)度是指地層在受到壓力時(shí)的抗壓能力。對(duì)于具有較高壓縮強(qiáng)度的地層，如構(gòu)造巖層，需要選擇抗壓性能好的金剛石鉆頭，如鉆具外層帶有金剛石切削齒的壓路機(jī)鉆頭。

地層的磨耗性是指地層在鉆孔過(guò)程中的磨損情況。如果目標(biāo)地層磨耗性較高，如含有硬顆?；蛏暗[層，需要選擇具有耐磨損能力的金剛石鉆頭，如帶有金剛石切削齒的旋轉(zhuǎn)錘鉆頭[6]。

4.2 鉆探效率評(píng)估

在使用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆探時(shí)，需要評(píng)估其鉆探效率，并通過(guò)鉆孔深度、鉆孔速度、能耗等指標(biāo)來(lái)衡量。不同類(lèi)型的金剛石鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆探效率也可能存在差異。

鉆孔深度是評(píng)估鉆探效率的重要指標(biāo)之一。不同類(lèi)型的金剛石鉆頭對(duì)于不同地質(zhì)環(huán)境的鉆孔深度可能存在差異。例如，對(duì)于較硬的地層，如花崗巖，使用高硬度和耐磨性強(qiáng)的金剛石冠齒鉆頭能夠提供更大的鉆孔深度。

鉆孔速度也是評(píng)估鉆探效率的重要因素。不同類(lèi)型的金剛石鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆孔速度可能會(huì)有所不同。例如，針對(duì)較軟的地質(zhì)環(huán)境，如沉積巖，使用具有較高切削能力的碳化鎢鉆頭可能能夠?qū)崿F(xiàn)更快的鉆孔速度。

能耗是評(píng)估鉆探效率的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。不同類(lèi)型的金剛石鉆頭在鉆探過(guò)程中的能耗水平可能會(huì)有所不同。例如，某些特殊設(shè)計(jì)的金剛石鉆頭可能通過(guò)減少能耗來(lái)提高鉆探效率，從而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。

4.3 取樣質(zhì)量評(píng)估

金剛石鉆頭鉆取的樣品質(zhì)量將影響后續(xù)地質(zhì)研究的結(jié)果，因此需要對(duì)樣品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。鉆孔直徑、鉆孔壁面光潔度、巖芯完整度等指標(biāo)均可用于評(píng)估取樣質(zhì)量。

鉆孔直徑是評(píng)估取樣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。較大的鉆孔直徑有助于獲得更大的巖芯樣品，從而提供更多的地質(zhì)信息。根據(jù)需要，可以選擇具有適當(dāng)直徑的金剛石鉆頭來(lái)滿(mǎn)足取樣要求。

鉆孔壁面光潔度是評(píng)估取樣質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素。光潔的鉆孔壁面有助于保持巖芯的完整性，并減少樣品污染和干擾。高質(zhì)量金剛石鉆頭通常能夠提供較好的鉆孔壁面光潔度，確保巖芯的質(zhì)量。

巖芯完整度是評(píng)估取樣質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。完整的巖芯能夠提供更準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，并有利于后續(xù)的分析和研究。使用合適類(lèi)型的金剛石鉆頭可以在鉆探過(guò)程中最大程度地保持巖芯的完整，減少斷裂和碎裂。

4.4 鉆頭磨損評(píng)估

金剛石鉆頭具有一定的耐磨性，但在使用過(guò)程中仍會(huì)出現(xiàn)磨損。因此，需要對(duì)鉆頭的磨損情況進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)磨損情況來(lái)調(diào)整和更換鉆頭。在評(píng)估鉆頭磨損時(shí)，可以考慮以下指標(biāo)。

鉆孔直徑變化方面，鉆頭磨損會(huì)導(dǎo)致鉆孔直徑的變化。通過(guò)定期測(cè)量鉆孔直徑，可以評(píng)估鉆頭磨損情況。如果鉆孔直徑超出了預(yù)設(shè)范圍或明顯變化，可能需要考慮更換鉆頭。

鉆頭刀片磨損方面，金剛石鉆頭通常由多個(gè)刀片組成，刀片上的金剛石顆粒用于破碎地層。定期檢查鉆頭刀片的磨損情況，如金剛石顆粒的剝落和磨損程度，可以評(píng)估鉆頭的磨損程度。

鉆頭性能下降方面，隨著鉆頭的使用時(shí)間增加和磨損累積，鉆頭的性能可能會(huì)下降。例如，鉆探速度可能減慢，能耗可能增加，或者在特定地質(zhì)環(huán)境下的效果不佳。通過(guò)觀察鉆頭的工作表現(xiàn)，可以初步評(píng)估鉆頭的磨損情況。

4.5 鉆探成本評(píng)估

不同類(lèi)型的金剛石鉆頭價(jià)格可能存在差異，同時(shí)其壽命和使用壽命也會(huì)影響鉆探成本。因此，可以對(duì)鉆頭的價(jià)格、維護(hù)成本以及鉆頭的使用壽命進(jìn)行評(píng)估，以確定其在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

鉆頭價(jià)格方面，不同類(lèi)型的金剛石鉆頭價(jià)格可能存在差異?？梢酝ㄟ^(guò)市場(chǎng)調(diào)研或詢(xún)價(jià)等方式獲取鉆頭的價(jià)格，并結(jié)合自身需求選擇性?xún)r(jià)比較高的鉆頭產(chǎn)品。

維護(hù)成本方面，金剛石鉆頭在使用過(guò)程中需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，例如定期清洗、磨削，以延長(zhǎng)使用壽命。鉆頭維護(hù)所需的材料和人力成本也是鉆探成本的一部分。

使用壽命方面，金剛石鉆頭的使用壽命與其材料質(zhì)量、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)環(huán)境等因素有關(guān)。通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄鉆頭的工作時(shí)間、鉆孔數(shù)等數(shù)據(jù)，可以初步評(píng)估鉆頭的使用壽命。較長(zhǎng)的使用壽命將減少更換鉆頭的頻率，從而降低鉆探成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)物理特征評(píng)估、鉆探效率評(píng)估、取樣質(zhì)量評(píng)估、鉆頭磨損評(píng)估和鉆探成本評(píng)估等方法，可以綜合考慮不同地質(zhì)環(huán)境下選擇金剛石鉆頭的效果。物理特征評(píng)估可以根據(jù)目標(biāo)地層的硬度、密度、壓縮強(qiáng)度和磨耗性等指標(biāo)選擇最適宜的鉆頭類(lèi)型。鉆探效率評(píng)估則可以通過(guò)鉆孔深度、鉆孔速度和能耗等指標(biāo)衡量鉆頭在不同地質(zhì)環(huán)境下的鉆探效率。取樣質(zhì)量評(píng)估可以從鉆孔直徑、鉆孔壁面光潔度和巖芯完整度等方面評(píng)估金剛石鉆頭取樣質(zhì)量的優(yōu)劣。鉆頭磨損評(píng)估可通過(guò)鉆孔直徑變化、鉆頭刀片磨損和鉆頭性能下降等觀察鉆頭磨損情況。最后，鉆探成本評(píng)估可以考慮鉆頭價(jià)格、維護(hù)成本和使用壽命等因素，以確定經(jīng)濟(jì)上的可行性。通過(guò)綜合考慮這些評(píng)估方法，可以選擇最合適的金剛石鉆頭來(lái)提高鉆探效果并降低成本。