第三章金剛石鉆進(jìn)第一節(jié)鉆探用金剛石第二節(jié)金剛石鉆探原理第三節(jié)金剛石鉆頭及擴(kuò)孔器第四節(jié)金剛石鉆進(jìn)規(guī)程第五節(jié)金剛石鉆探的操作及注意事項(xiàng)金剛石又稱“鉆石”，是大自然中最堅(jiān)硬的寶石。英文中鉆石一詞，源自希臘文“adnmas”，是“無法征服”的意思。長期以來，人類就利用金剛石特有的堅(jiān)硬性來鉆鑿巖石或切割瓷器等。但金剛石以切削具的形式用于鉆探工作，則是近百年來的事情。世界上第一臺金剛石手搖鉆機(jī)，出現(xiàn)于1862年，當(dāng)時(shí)用于隧道工程掘進(jìn)中的爆破孔。此后，金剛石鉆進(jìn)逐漸在一些發(fā)達(dá)國家中獲得應(yīng)用；由于當(dāng)時(shí)所用金剛石都是大顆粒的高級品，價(jià)值十分昂貴，所以它的發(fā)展受到了限制，后來隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)的細(xì)粒金剛石被應(yīng)用于鉆孔技術(shù)；從此，金剛石鉆進(jìn)才得到較大的發(fā)展。近年來隨著人造金剛石和金剛石復(fù)合超硬材料的應(yīng)用，更展示了金剛石鉆進(jìn)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，目前，金剛石鉆進(jìn)是礦山勘探中的主要鉆進(jìn)、探礦方法。我國金剛石鉆進(jìn)技術(shù)的研究工作，開始于1957年，1963年制成了表鑲天然金剛石鉆頭。與此同時(shí)，人造金剛石在我國也已開始制造；1972年制成了人造金剛石鉆頭并試用于生產(chǎn)實(shí)踐中；此后，金剛石鉆進(jìn)技術(shù)在我國迅速發(fā)展起來，人造金剛石廠和鉆頭制造車間大量興起，產(chǎn)品成倍增加，質(zhì)量不斷提高，品種亦不斷增多，制造鉆頭的新方法也相繼研究成功。在鉆探設(shè)備方面還研制出多種適用于小口徑金剛石鉆進(jìn)的新型鉆機(jī)；小口徑管材和工具亦形成系列；此外，還研制出各種適用的沖洗液及孔內(nèi)、地表用的各種儀表?，F(xiàn)今。金剛石鉆進(jìn)技術(shù)已推廣到全國各行業(yè)的礦山勘探中。金剛石鉆進(jìn)的常用鉆具由鉆頭1、擴(kuò)孔器2、巖心管3、異徑接頭4和鉆桿5等所組成，如圖3?1所示。鉆頭1鑲有作為切削具的金剛石以破碎巖石；擴(kuò)孔器2上也鑲有金剛石以修整孔壁；巖心管3以容納所鉆巖心，有單層與雙層之分。雙層巖心管應(yīng)用較為廣泛。單層巖心管如圖3?2(a)所示；卡簧2裝在鉆頭1上方的擴(kuò)孔器3內(nèi)，提鉆時(shí)，卡簧可把巖心卡住并隨鉆具提出孔外。單管鉆具只用于鉆進(jìn)完整地層。雙層巖心管如圖3?2(b)所示；內(nèi)管7是靜止不轉(zhuǎn)的，可容納巖心使之不受擾動(dòng)。外管6傳遞扭矩于鉆頭1。沖洗液經(jīng)內(nèi)外管間隙流向孔底，使巖心不受沖蝕。內(nèi)管下端裝有卡簧2的卡簧座，其作用與單層管相同。實(shí)踐證明，金剛石鉆進(jìn)比其它鉆進(jìn)方法有許多優(yōu)越性，它具有鉆進(jìn)效率高、鉆探質(zhì)量好、孔內(nèi)事故少、鋼材消耗少、成本低及應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。金剛石鉆進(jìn)的孔徑不受限制，最小為28mm，最大達(dá)300mm；孔深可超過4000m。因此，它廣泛地用于金屬和非金屬、煤田、石油等地質(zhì)勘探中，也用于石油、天然氣、地下水的開采及其它工程孔上。金剛石鉆進(jìn)的鉆孔傾角不受限制，它不僅能鉆垂直孔、斜孔，還能鉆水平孔和仰孔，因此，它可廣泛用于隧道掘進(jìn)工程及礦山坑道中鉆鑿爆破孔和追索礦體的勘探孔鉆進(jìn)中。第一節(jié)鉆探用金剛石一、金剛石的分類金剛石是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬的研磨切削材料，它在機(jī)械、采礦、冶金、光學(xué)儀器、電子等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)鉆探用金剛石約占世界工業(yè)金剛石用量的五分之一。(一)天然金剛石在國際上一般按其結(jié)晶形態(tài)和產(chǎn)地，可分為以下幾種：1、包爾茲(bortz)，即渾圓金剛石多呈不規(guī)則或放射狀結(jié)構(gòu)，顏色變化很大：無色、黃色、灰色和黑色等，呈透明或不透明狀，具有硬度高多邊緣等特征，且價(jià)格低廉，最適宜作鉆頭用。凡結(jié)構(gòu)異于“黑色金剛石”和“巴拉斯”的，又不能列到寶石級的，都屬于這一類。2．剛果(congo)，亦稱剛果包爾茲顏色有白、灰、黃、綠等，細(xì)品結(jié)構(gòu)，多數(shù)呈碎粒狀，硬度略低于包爾茲?？勺髟需傘@頭用，精選后也可作表鑲鉆頭用。3．卡邦納多(carbonado)．亦稱黑色金剛石產(chǎn)于巴西。顏色有黑、鋼灰，灰綠、灰褐和暗紅等，有樹脂光澤，呈細(xì)粒多孔結(jié)構(gòu)，無節(jié)理面，圓粒狀。密度為(3200～3400)kg/m。耐磨性和韌性都超過所有金剛石，是理想的鉆頭切削具。但因產(chǎn)品稀少，價(jià)值昂貴。所以很少用于鉆探。4．巴拉斯(ballas)產(chǎn)于巴西及非洲。顏色由透明到暗褐，多呈粒狀晶體或近似圓球體，外殼為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，外殼的強(qiáng)度、硬度都高于中心內(nèi)部，密度為3520kg/m。巴拉斯具有很高工業(yè)用途，但很少用鉆探作業(yè)。5．雅庫特(якут)，亦稱包爾茲產(chǎn)于俄羅斯的雅庫特．結(jié)晶似剛果。(二)人造金剛石1．單晶人造單晶是人造金剛石的基本品種。由于合成時(shí)使用的觸媒不同，因而具有不同的顏色。目前，生產(chǎn)的以不同深淺的黃綠色晶體及含硼黑色晶體為主，是我國金剛石鉆探使用的主要品種。2．聚晶是由細(xì)小的金剛石微粒(直徑大約在1～100μm之間)，在粘結(jié)劑參與下燒結(jié)而成的較大顆粒的多晶金剛石。聚晶的形狀可根據(jù)需要制成圓柱形、三角形或其它多邊形狀或立方形。3．金剛石復(fù)合片由一薄的金剛石多晶層和較厚的硬質(zhì)合金層復(fù)合而成(PDC)。一般呈圓片狀，也可以加工成各種所需形狀。粒度中等或偏粗的多晶金剛石的產(chǎn)品，適用于鉆探工程。4．人造卡邦用人工方法合成，具有與天然卡邦金剛石類似結(jié)構(gòu)的黑色金剛石多晶體顆粒，故稱人造卡邦。人造卡邦金剛石是一種子晶間主要形成金剛石－金剛石鍵（D－D鍵）界面特性的新型人造金剛石超硬材料，其硬度大、耐磨性好、強(qiáng)度高、韌性好、顯微結(jié)構(gòu)致密且各向同性，是在壓力P≥8Gpa、溫度T≥2200K的超高壓高溫條件下生長而成的，是一種具有納米級微結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量少、內(nèi)部應(yīng)力小、可生長成大尺寸的優(yōu)質(zhì)多晶體金剛石。人造卡邦金剛石可用于制作拉絲模、高壓噴嘴、地質(zhì)鉆頭、金剛石刀具、修正筆、金剛石軸承、硬度計(jì)壓頭等工具和器件。二、金剛石的化學(xué)成分和晶形(一)金剛石的化學(xué)成分金剛石的化學(xué)成分是碳(C)。但在生產(chǎn)過程中常滲入了其他微量元素，因而純潔的金剛石很少。最常見的雜質(zhì)是：氮(N)達(dá)0.2%。其次是鋁(AI)和一些其他元素，甚至無色晶體中也有包裹體?，F(xiàn)在查明的有鋁(AI)、硅(Si)、鈣(Ca)、鎂(Mg)等十三種元索。無色晶體中雜質(zhì)含量達(dá)0.02%～0.05%,不甚完美的晶體雜質(zhì)含量達(dá)5%，圓粒形的雜質(zhì)含量大于20%。對于人造金剛石，由于在合成過程中加入了各種觸媒劑，所以某些觸媒元素已成為該種人造金剛石的成分之一。(二)金剛石的晶形金剛石是碳(C)的結(jié)晶變體之一，屬于等軸晶體礦物，結(jié)晶架格如圖3?3所示。從圖上看出,晶格中碳原子排列具有高度對稱性，每個(gè)碳原子同周圍的4個(gè)碳原子排列在正四面體的錐角頂端，而四面體每一角頂為相鄰四個(gè)四面體所共有，即碳原子之間為共價(jià)鍵連接。因?yàn)楣矁r(jià)鍵具有飽和性與穩(wěn)定性，所以金剛石非常堅(jiān)硬。金剛石原生礦床都賦存在火山筒中，它是地下碳元素在火山筒內(nèi)高溫、高壓條件下生成的。因?yàn)樵谏L過程中的物理、化學(xué)條件不同，所以它的晶體形態(tài)是多種多樣的。金剛石的晶形大致可分為：單晶、連晶(連生)、多晶(集合)等形體。最常見的單晶為八面體，次為菱形十二面體，最少的為六面體．如圖3?4所示．這些統(tǒng)稱之為平面單晶體。與上述晶形相近的還有渾圓晶體。如凸八面體，凸十二面體和凸六面體等。這些統(tǒng)稱曲面單晶體。所謂連晶、多晶體，則是這些單晶聚合構(gòu)成的。應(yīng)指出，整晶形是少數(shù)。多數(shù)是不完整的如歪晶、碎粒、碎片和針狀等。人造金剛石在晶形生長發(fā)育良好的情況下，呈八面體、十二面體及它們的聚晶形，而且晶面完整、晶棱清晰。質(zhì)量較次的人造金剛石，其晶形不完整，常出現(xiàn)連晶、子晶以及晶面有蝕坑等，三、金剛石的性質(zhì)金剛石的性質(zhì)直接影響著鉆進(jìn)效率及鉆頭壽命，為此，對鉆探用金剛石的性質(zhì)有以下一些要求：(一)鉆探對金剛石的要求1．天然金剛石(1)硬度高，耐磨性強(qiáng)，強(qiáng)度高，沖擊韌性好，脆性??；(2)熱穩(wěn)定性好；(3)晶形完整，表面圓滑光亮，無蝕坑及松散表層；最好是近似球形、渾圓狀的八面體和十二面體；(4)內(nèi)部無裂紋和其它缺陷。2．人造金剛石除有些要求同天然金剛石外，還要求：(1)粒度的60目的單顆抗壓強(qiáng)度不低于85N．最好在100N以上；(2)晶形完整．最好是八面體、十二面體以及它們的聚形且呈渾圓狀、團(tuán)塊狀：(3)單晶要進(jìn)行磁選，剔除磁性強(qiáng)的部分；(4)聚晶磨耗比不低于30000；抗壓強(qiáng)度、耐熱性要符合一定要求。(二)與鉆探有關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)(1)硬度硬度是金剛石最重要的性能之一。金剛石的硬度極高，莫氏硬度為10級，研磨硬度是剛玉的150倍，是石英的1000倍。(2)強(qiáng)度金剛石具有極大的抗靜壓強(qiáng)度。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度大約8600MPa，約為剛玉的3.5倍，硬質(zhì)合金的1.5倍，鋼的9倍。用于鉆探的人造金剛石一般要求強(qiáng)度達(dá)2500MPa以上。(3)耐磨性金剛石的彈性模量極大（8800MPa），在空氣中與金屬的摩擦系數(shù)小于0.1，所以具有極高的耐磨性，是剛玉的90倍，硬質(zhì)合金的40～200倍，鋼的2000～5000倍。用于鉆探的人造金剛石聚晶體一般要求與中硬碳化硅砂輪的磨耗比在1∶30000以上。(4)熱性能金剛石是熱的良導(dǎo)體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。金剛石的線膨脹系數(shù)很低，僅為硬質(zhì)合金的1/4～1/5，鋼的1/8～1/10，但隨溫度的升高而增長較快，這對金剛石鉆頭的包鑲和使用產(chǎn)生不利影響。金剛石容易受到熱損傷，雖然溫度尚低于其燃燒溫度，但金剛石的強(qiáng)度、耐磨性已受到嚴(yán)重影響。所以鉆進(jìn)中必須充分冷卻，防止發(fā)生金剛石鉆頭燒鉆事故。四、金剛石的品級和量度(一)天然金剛石的品級和量度1．天然金剛石分級的依據(jù)鉆探用天然金剛石可根據(jù)以下幾方面進(jìn)行分級：(1)結(jié)晶形態(tài)：分四面體、六面體、八面體、十二面體及聚形等。質(zhì)量以菱形十二面、八面體為最好；(2)外形：外形呈圓的、渾圓的或近似球形的金剛石，強(qiáng)度高、質(zhì)量好；而片狀、針狀的金剛石較差，一般不能使用；(3)表面特征：表面光滑、發(fā)亮、有金剛石光澤的金剛石質(zhì)量較好；而表面發(fā)毛、有凹坑、有松散表層的質(zhì)量差；(4)透明度：透明程度越高的金剛石質(zhì)量越好；深色透明度不好的金剛石，質(zhì)量較差；(5)內(nèi)部結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)純而勻，無裂紋、無雜質(zhì)及缺陷的金剛石，質(zhì)量好。反之，較差；(6)按密度(比重)分：同一類中，密度愈大者質(zhì)量愈好；(7)按產(chǎn)地分：不同產(chǎn)地的金剛石，其性質(zhì)差異亦大。如南非的金剛石較好，而剛果的金剛石則較差。2．我國鉆探用天然金剛石的分級我國，按地質(zhì)系統(tǒng)DZ—2.1—87標(biāo)準(zhǔn)，制訂出天然金剛石品級分類標(biāo)準(zhǔn)，如表3?1所列3．鉆探用天然金剛石的量度金剛石的重量單位常用“克拉”，1克拉等于0.2g。國際單位為“克”(g)。金剛石的顆粒大小的量，稱為粒度，以粒/克拉表示。粒級分粗、中、細(xì)、粉四級。如表3?2。金剛石直徑小于1mm的粒度用“目”來表示。目是1英寸的網(wǎng)孔數(shù)，目數(shù)愈大，則顆粒愈小。所謂金剛石直徑，是把顆粒看成球形而言。不同粒度的金剛石直徑，列于表3?3及表3?4。4．鉆探用天然金剛石的粒度范圍及標(biāo)準(zhǔn)(1)礦山，地質(zhì)勘探用表鑲鉆頭：金剛粒度一般用80～100粒/克拉；(2)石油鉆井用表鑲金剛石鉆頭：其粒度一般在0.5～15粒/克拉；而更多地采用2～12粒/克拉的范圍；表鑲鉆頭用金剛石的粒度標(biāo)準(zhǔn)，見表3?5所示。(3)孕鑲鉆頭常用的金剛石粒度為150～400粒/克拉或20～100目；孕鑲鉆頭用金剛石粒度標(biāo)準(zhǔn)，見表3?6所示。(4)擴(kuò)孔器用的金剛石粒度比鉆頭用的金剛石粒度要大些．表鑲擴(kuò)孔器常用15～30粒/克拉；孕鑲擴(kuò)孔器同孕鑲鉆頭所用粒度。(二)人造金剛石的品級與粒度白1953年和1954年，瑞典和美國通用電氣公司分別宣布用人工方法成功地合成了單晶人造金剛石以來，世界各國人造金剛石業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，1963年我國自合成第一顆人造金剛石后，于1970年開始大量投產(chǎn)。1．人造金剛石的分級依據(jù)優(yōu)質(zhì)人造金剛石單晶應(yīng)具有完整的晶形和光滑的表而，且有金屬光澤、抗壓強(qiáng)度高為主要依據(jù)。(1)晶形特征：凡發(fā)育良好的六面體、八面體、十二面體及其聚形，均有較高的質(zhì)量品級。若系連晶、歪晶及不規(guī)則晶形，有缺陷的晶形，則其品級均較低。一般等積形單晶，具有中等的質(zhì)量品級。(2)強(qiáng)度：人造金剛石的強(qiáng)度，在一定程度上反映了金剛石單晶質(zhì)量的高低和使用時(shí)性能的優(yōu)劣。晶形與強(qiáng)度一起。構(gòu)成了判定人造金剛石品級的最主要依據(jù)。人造金剛石單晶按不同品級的要求，如表3?7所示。(3)磁性：人造金剛石一般都帶有磁性。故人造金剛分級時(shí)，一般均進(jìn)行磁選，磁性較弱的人選金剛石，才能列為較高的品級。2．人造金剛石分級標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)達(dá)到、并在鉆探工程上可采用的部分人造金剛石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，見表3?8所列五、鉆探用聚晶金剛石和復(fù)合片(一)聚晶金剛石二十世紀(jì)七十年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題。聚晶金剛石(PCD)又稱人造金剛石燒結(jié)體。是由90%左右微細(xì)的(或各種粒度組成的)微粉金剛石中，加人適量(10%左右)的粘結(jié)劑(如Ni、Si、B、Ti、Zr、Re等元素)，在高溫和超高壓條件下燒結(jié)而成。它具有耐熱性好(熱穩(wěn)定性達(dá)1200℃)，導(dǎo)熱性能接近單晶金剛石。抗壓強(qiáng)度高(3000MPa)且各向同性的特點(diǎn)，抗沖擊性能優(yōu)于單晶金剛石，克服了單晶金剛石體積小、有解理面、各向異性等缺點(diǎn)。又可以直接合成一定大小的片、塊、圓柱等形體(單體)，并可用于鉆進(jìn)中硬巖層及部分硬巖層。(二)聚晶金剛石的品級標(biāo)準(zhǔn)70年代初，我國開始聚晶的研制，是世界上最早獲得聚晶金剛石的國家之一。目前圓柱狀聚晶已獨(dú)成系列，其標(biāo)準(zhǔn)如下：1．代號JRS–Z

其中JR–人造金剛石；S–燒結(jié)體；Z–鉆探用。2．形狀與尺金剛石聚晶的主要形狀與規(guī)格，見表3?9，其中3，聚晶金剛石的磨耗比E在規(guī)定條件下，使人造金剛石聚晶和80#碳化硅陶瓷砂輪平行摩擦；以砂輪的磨耗量Ms，和聚晶磨耗量Mi之比，其值即為磨耗比E(見表3?10)。帶尖帶角的用于表鑲鉆頭。(三)金剛石復(fù)合片金剛石復(fù)合片是將較薄的聚晶金剛石層(0.5～1mm)附著在硬質(zhì)合金(含鈷量高的)襯底(基片)上的復(fù)合材料。它是將微細(xì)的金剛石粉末與硬質(zhì)合金基體同時(shí)置于超高壓高溫（6萬大氣壓，1400～1500℃）條件下燒結(jié)而制成。復(fù)合片金剛石層中金剛石含量高達(dá)99%，粘結(jié)金屬含量僅占1%左右。金剛石復(fù)合片兼有金剛石聚晶層極高的耐磨性，又有硬質(zhì)合金較高的抗沖擊切性。因而它在石油天然氣和地質(zhì)勘探行業(yè)中，廣泛地應(yīng)用于軟至中硬巖層中鉆探。金剛石復(fù)合片的主要性能及外形尺寸，見表3?11，表3?12所示。第二節(jié)金剛石鉆探原理關(guān)于金剛石鉆進(jìn)中的破碎巖石(如：研磨、剪切、切削、壓皺和壓入等方式)的原理，無論是國內(nèi)、國外尚無統(tǒng)一論點(diǎn)，我們認(rèn)為，金剛石在孔底工作情況比較復(fù)雜，與很多因素有關(guān)，其破碎巖石的方式很有深人研究的必要。一、粗粒金剛石破碎巖石過程巖石表面上的單粒金剛石，兩者接觸面是很微小的。在垂直載荷力Py，作用下，壓入巖石深度為h，同時(shí)加以水平力(回轉(zhuǎn)力)Px，圖3?5)。假如巖石塑性很大，則金剛石前面的棱面將以剪切方式破碎巖石，剪切體由小變大，與之相應(yīng)的水平分力Px。也由小到大，當(dāng)達(dá)到大剪切體a崩掉后，水平力Px，由最大而下降到零。繼之，金剛石又從小到大地切掉剪切體α，水平力Px，也相應(yīng)地脈動(dòng)，由小到大，直到再次大體積破碎，如此循環(huán)進(jìn)行。在金剛石滑過的槽溝面上也會(huì)出現(xiàn)微小裂隙，有助于破碎，這便是壓裂形式的出現(xiàn)。這樣的破碎巖石形式可以認(rèn)為是以剪切為主，壓碎為輔。圖3?5剪切方式破碎巖石過程在堅(jiān)硬巖石上，金剛石在垂直載荷(軸心壓力)Py作用下切人巖面，但深度極小。而在與金剛石接觸的輪廓線上產(chǎn)生裂隙并形成裂隙區(qū)，在水平力Px，作用下，金剛石前進(jìn)而隨之形成裂隙帶。圖3?

剪切方式破碎巖石過程金剛石前進(jìn)的后方巖石面產(chǎn)生張應(yīng)力更助長裂隙伸張，如圖3?6所示。重復(fù)的壓、張作用促使裂隙伸展、相交，造成體積分離。在全剛石前進(jìn)中，又會(huì)將破碎中殘留的凸起塊剪掉。按這樣過程破碎巖石則是以壓碎為主，剪切為輔的方式進(jìn)行的。金剛石以切削方式破碎巖石很少，只有在細(xì)密軟巖石上才會(huì)出現(xiàn)。總之，單粒金剛石的破碎巖石方式與巖石性質(zhì)有關(guān)。堅(jiān)硬脆性巖石則以壓皺、壓碎為主，其特點(diǎn)為“崩離”。對于較軟巖石，則以剪切、切削為主，其特點(diǎn)為“犁開”。另外，金剛石的破碎巖石方式還與其自身形狀有關(guān)。試驗(yàn)證明，經(jīng)過橢圓化和拋光處理的金剛石，破碎巖石則以壓皺壓碎為主要方式，同樣的其刻槽深度h1，大于金剛石切人深度h，刻槽寬度b1，大于金剛石切人寬度b(圖3?7)，槽底與金剛石之間為擠壓成的碎粉。未經(jīng)處理的有鋒刃的金剛石破碎巖石則以剪切、切削為主。作用在金剛石上的載荷Py，也會(huì)改變破碎巖石方式。如加在同一顆粒金剛石的力Py小會(huì)出現(xiàn)切削；力Py增大，會(huì)轉(zhuǎn)為剪切和壓皺、壓碎。二、細(xì)粒金剛石破碎巖石過程細(xì)粒金剛石用于制造孕鑲鉆頭。有人認(rèn)為，細(xì)粒金剛石的破碎巖石是以磨削方式實(shí)現(xiàn)的。如同砂輪磨削金屬材料一樣。由于磨痕微淺，所以屬于表面破碎。這樣說，若說它是細(xì)粒金剛石鉆頭的破碎巖石機(jī)理，是對的；若說它是金剛石的破碎巖石機(jī)理，就不一定確切了。關(guān)于細(xì)粒金剛石破碎巖石機(jī)理，還是以單粒金剛石來分析為宜。細(xì)粒金剛石破碎巖石過程與粗粒的相似，只是它破碎的深度淺些而已。對于硬脆性巖石，則以壓皺、壓碎方式為主；對于軟巖或塑性巖石，則以剪切、切削為主。都屬于微量的體積破碎。三、鉆探時(shí)孔底破碎巖石過程上述單粒金剛石破碎巖石機(jī)理的研究，基礎(chǔ)是把巖石看成均質(zhì)物體，加在金剛石上的載荷Py與水平力Px也都是均勻的。這顯然與鉆進(jìn)時(shí)孔底巖石破碎情況是不相符的?？椎讕r石是多種礦物組成的非均質(zhì)體，處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)中。加在金剛石上的載荷有激烈的脈沖振動(dòng)，加上沖洗液的沖洗和化學(xué)作用等，使巖石破碎過程更復(fù)雜化了。通過對鉆進(jìn)過程中的觀察與試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：被金剛石破碎下來的巖眉，其粒度、形狀與自身的礦物成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。非均質(zhì)巖石的破碎往往發(fā)生在顆粒邊界的膠結(jié)帶處，只有金剛石上的載荷增大時(shí)，礦物顆粒本身才會(huì)在其力學(xué)性質(zhì)薄弱處被壓碎。例如，鉆進(jìn)顆粒較粗的花崗巖，其巖屑顆粒也大，石英呈貝殼狀破裂，顆粒內(nèi)部很少被切開；長石表面產(chǎn)生微小裂隙，常沿節(jié)理發(fā)育方向破裂，破碎的不規(guī)則。砂巖則于弱膠結(jié)處破碎，形成很細(xì)的石英粉。對于特別弱的礦物(如云母)，破碎時(shí)則沿節(jié)理面分離成不規(guī)則的薄片，然后摻雜在其他礦物顆粒中再被粉碎。鉆進(jìn)時(shí)，金剛石是在不平的孔底上運(yùn)動(dòng)，破碎巖石勢必促成其自己振動(dòng)。振動(dòng)的幅度與巖石性質(zhì)有關(guān)：如巖石強(qiáng)度低、塑性大，則孔底巖面較平，金剛石的波動(dòng)幅度也小：巖石的強(qiáng)度、脆性大的，則孔底巖面不平，金剛石的波動(dòng)幅度也大。巖石愈粗糙，組成礦物硬度差別愈大，則孔底巖面愈不平，金剛石的波動(dòng)幅度也愈大。作用在金剛石上的脈沖振動(dòng)，對金剛石有疲勞破壞作用。金剛石破碎巖石時(shí)所刻劃的槽溝不是整齊的，不整齊程度隨巖石性質(zhì)而異。如脆性大而不均質(zhì)的花崗巖，破碎成的槽溝邊緣有明最的剪切、崩落痕跡，槽寬變化幅度也大。塑性和均質(zhì)的大理巖，旋槽邊只有呈放射狀的裂紋，而沒有明顯的剪切痕跡，槽寬變化也小。在堅(jiān)硬巖石中鉆進(jìn)(如鉆進(jìn)花崗巖、暗色巖等)，金剛石壓人巖石很淺，只有幾微米到幾百微米，而巖粉顆粒尺寸通常要達(dá)到幾十到幾百微米，即巖粉顆粒尺寸為壓入深度的幾至幾十倍。這說明金剛石對脆性巖石的壓皺、壓碎和剪切作用是主要破碎方式。而在塑性較大的巖層中鉆進(jìn)(如鉆進(jìn)大理巖、石灰?guī)r等)。巖面不形成裂隙，巖粉常呈鱗片狀，有時(shí)還能看到金剛石劃過的溝痕，這說明金剛石對于塑性巖石，切削是其主要破碎方式。由于運(yùn)動(dòng)的金剛石后方槽底上張應(yīng)力的存在，故而產(chǎn)生的巖屑往往多于刃前刻劃下來的巖屑，這又說明壓皺、壓碎作用是破碎巖石的重要方式。鉆進(jìn)效率愈高，則巖粉顆粒愈粗，這時(shí)體積破碎是以壓皺、壓碎和剪切為主要破碎方式。鉆速愈低，則巖粉顆粒愈細(xì)，這時(shí)表面破碎是以微量剪切為主要破碎方式。應(yīng)該指出，上述情況，仍是表面觀察和室內(nèi)試驗(yàn)分析所得的結(jié)果，它仍然表達(dá)不了孔底巖石破碎時(shí)的真實(shí)情況。這方面有待科研工作者進(jìn)一步研究解決。近年來，國外有些科研工作者準(zhǔn)備用“斷裂力學(xué)”來解釋金剛石破碎巖石的機(jī)理。他們把巖石看作一個(gè)近似均質(zhì)體，巖石破碎是由于應(yīng)力集中在其內(nèi)部和表面微小裂隙上所造成的。因?yàn)椋瑤r石的實(shí)際強(qiáng)度比用物理學(xué)計(jì)算的強(qiáng)度小得多，差值可達(dá)十至千倍。相信，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，用此來研究巖石破碎原理，將使金剛石破碎巖石機(jī)理得出更為正確的結(jié)論。第三節(jié)金剛石鉆頭及擴(kuò)孔器一、金剛石鉆頭的分類金剛石鉆頭按其制造方法不同，可分為燒結(jié)法和電鍍法兩種。其結(jié)構(gòu)和各部分的名稱如圖3?8，圖3?9所示。鑲有金剛石的胎體與鉆頭鋼體燒結(jié)(或電鍍)在一起而成。其下端絲扣可與鉆具組連接，上端面(鑲金剛石部分)稱為唇面，唇面與胎體內(nèi)外制有通水的水口。金剛石鉆頭按包鑲形式的不同，可分為表鑲鉆頭與孕鑲鉆頭兩種，如圖3?10，圖3?11所示。表鑲鉆頭金剛石分布在胎體表面上，如圖3?12(a)。當(dāng)其刃角磨鈍后可回收復(fù)用。鉆頭按金剛石粒度分粗、中、細(xì)三種：5～20粒/克拉的為粗粒鉆頭；20～40粒/克拉的為中粒鉆頭；40～100粒/克拉的為細(xì)粒鉆頭。一般情況下，細(xì)粒鉆頭適用于鉆進(jìn)致密、堅(jiān)硬地層。金剛石都是用天然品。（二）孕鑲鉆頭金剛石不只是分布在胎體表面上，而且，還分布于胎體內(nèi)部的一定層厚中，如圖3?12(b)所示。金剛石是10～80目的天然粉級品或60～129目JR4級的人造品。含金剛石的胎體層稱為工作層。鉆進(jìn)時(shí)，隨著胎體的磨損，金剛石切刃才不斷露出，舊切刃失去工作能力或脫掉，新切刃相繼出露參加工作。因此，孕鑲鉆頭可保持穩(wěn)定的鉆速，應(yīng)用范圍較廣。還有一種“多層鉆頭”，它是孕鑲鉆頭的變種形式，與孕鑲的區(qū)別是胎體內(nèi)部的金剛石分成幾層并有一定排列方式。鉆頭按金剛石成因分類，可分為天然金剛石鉆頭(表鑲)和人造金剛石鉆頭(都是孕鑲)。此外，還有一種聚晶金剛石鉆頭，如圖3?13所示。由圖看出金剛石的鑲焊屬于表鑲，但在工作時(shí)卻起孕鑲鉆頭作用。它用于鉆進(jìn)較軟和研磨性強(qiáng)巖層，可得到很高的鉆速。鉆頭按用途分類，可分為正常鉆進(jìn)的巖心鉆頭和專用的特殊鉆頭。上述的鉆頭都屬于巖心鉆頭。特殊鉆頭如圖3?14所示。圖中的1為全面鉆進(jìn)不取心鉆頭；2、3為下套管用的薄壁鉆頭和套管鞋：4為擴(kuò)孔用的擴(kuò)孔鉆頭，5為人工造斜彎曲用的錐形鉆頭。二、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)要素包括：鉆頭體、金剛石各參數(shù)、胎體性能和唇面形狀等。(一)鉆頭體鉆頭體也稱鋼體，為中碳鋼制成。單管用鉆頭體長75～100mm；雙管用鉆頭體長75～135mm。鋼體上端車制4mm方扣螺紋以與鉆具組接，下端制成嵌齒形(圖3?15)以增加與胎體的粘結(jié)強(qiáng)度、傳遞更大的扭矩。(二)胎體1．胎體材料胎體是金剛石與鉆頭體之間的膠結(jié)物質(zhì)。它的性能直接影響著鉆頭的質(zhì)量。因此對它的要求是：(1)有足夠的抗壓強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度和硬度，且硬度要適應(yīng)巖石的性質(zhì)。(2)對金剛石有良好的浸潤性，能把金剛石牢固地包鑲??；還要有一定的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫下與金剛石不起作用。(3)熔解溫度低，以減少對金剛石強(qiáng)度的影響。(4)線膨脹系數(shù)與金剛石的膨脹系數(shù)相接近，以減少金剛石的應(yīng)力。(5)易于成型，并能與鉆頭體牢固地焊接。現(xiàn)用的胎體材料由兩部分組成：一是做骨架的碳化鎢(WC)。它的特點(diǎn)是成型性好，對金剛石浸蝕性小，與多種金屬有較好的浸潤性且有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，有足夠的強(qiáng)度和硬度。如加入少量碳化鈦(TiC)、鈷(Co)、鎳(Ni)等粉料，可改變其性能。二是做粘結(jié)金屬的銅基合金。這種合金以銅(Cu)為主，外加鈷(Co)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、錳(Mn)、銀(Ag)，錫(Sn)等金屬合成。它具有熔點(diǎn)低、浸潤性高的性質(zhì)，其液態(tài)很容易浸入骨架空隙，把金剛石與鉆頭體膠結(jié)在一起。2．胎體硬度為了保證金剛石刃角在鉆進(jìn)時(shí)適當(dāng)出露，胎體硬度必須與巖石性質(zhì)相適應(yīng)。按巖石硬度來說，堅(jiān)硬巖石，巖粉顆粒小且量少，對胎體磨蝕輕，金剛石切刃不易出露，因此應(yīng)選用軟胎體；相反，軟巖石，巖粉顆粒大且量多，胎體易磨損，軟胎體使金剛石過多出露造成崩壞或過早脫落，因此宜選用硬胎體。按巖石的研磨性來說，巖石研磨性高，胎體易磨損，則胎體硬度宜高；研磨研性低，胎體不易磨損，則胎體硬度宜低。胎體硬度可由碳化鎢的加量來調(diào)節(jié)，碳化鎢的量大，胎體硬度則高，耐磨性也提高。適當(dāng)加入一些鎢、鉬等金屬會(huì)使硬度降低。增加粘結(jié)金屬中的銀、錫也會(huì)使胎體硬度降低。表鑲鉆頭對胎體硬度的要求，一般在Ⅲ～Ⅳ級之間(HRC35～45)。孕鑲鉆頭對胎體硬度要求很嚴(yán)，既要它可靠地把金剛石包鑲牢固，又要它保證在鉆進(jìn)中適量磨損讓金剛石出刃量在16～40μm。應(yīng)該指出，胎體性能只用硬度表示是不夠準(zhǔn)確的，有人提出，根據(jù)鉆頭工作情況用“耐磨性”來衡量胎體性能是比較合理的，胎體的耐磨性要與巖石的研磨性相適應(yīng)，即巖石的研磨性高，則胎體的耐磨性也應(yīng)高；巖石的研磨性低，則胎體的耐磨性也應(yīng)低。胎體的耐磨性可用加入適量的超硬材料(稱作“耐磨質(zhì)點(diǎn)”)的方法來調(diào)節(jié)。低溫電鍍法制造鉆頭的胎體材料是鎳、鈷等金屬，沒有骨架與粘結(jié)金屬之分，它具良好的膠結(jié)性，性能也是可調(diào)的。(三)金剛石排列與分布1．孕鑲鉆頭金剛石與胎體混合形成一定厚度的“工作層”，如圖3?16(a)所示。金剛石均勻分布在工作層中，無所謂排列。2．表鑲鉆頭金剛石按一定次序排列在鉆頭唇部表面上。排列形式是鉆頭質(zhì)量指標(biāo)之一，它影響自身壽命和鉆進(jìn)效率。因此，金剛石的排列應(yīng)遵循一定原則：(1)在鉆進(jìn)過程中，鉆頭外側(cè)的內(nèi)外邊刃金剛石負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)刃。所以制造鉆頭時(shí)須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作邊刃，用回收的金剛石作側(cè)刃，以求均衡磨損。(2)保證巖粉能暢通排除，避免巖粉重復(fù)破碎和磨損金剛石。(3)金剛石的運(yùn)行軌跡帶的總和必須全面覆蓋孔底，不留空隙，為此要求環(huán)形破碎帶互相重疊一些，重疊寬度s不小于金剛石直徑d的1/4～1/3。如圖3?17所示。(4)各顆金剛石工作量要相等。由于外邊緣較內(nèi)邊緣的刻劃線長，工作量大，因此，外緣要較內(nèi)緣多布幾顆金剛石。目前，常用的表鑲鉆頭金剛石排列形式有以下兒種：金剛石分布在幾個(gè)同心圓與徑線的交點(diǎn)上，相鄰徑線上的金剛石互相錯(cuò)開，如圖3?18(a)所示。這種形式稱為放射狀排列，排法簡單，定位精確，但各圓上的金剛石粒數(shù)相等，因此，金剛石的磨損，外圓的甚于內(nèi)圓。因而，各同心圓越外越密，顯然，這種排列形式是合理的。表鑲鉆頭的金剛石還有個(gè)定向問題。所謂定向就是其硬度高的晶面來承擔(dān)巖石的破碎面。晶形不規(guī)則的金剛石應(yīng)以其圓滑的邊緣做切刃，尖角嵌于胎體之內(nèi)，如圖3?20所示。(四)金剛石含量一個(gè)鉆頭包鑲的金剛石量，稱為金剛石含量(以克拉計(jì))。含量值是根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)、直徑及所鉆巖石性質(zhì)而定的。同徑同結(jié)構(gòu)鉆頭對研磨性強(qiáng)的巖層，金剛石含量應(yīng)大，以減少單粒金剛石的工作負(fù)擔(dān)，維持鉆頭壽命；研磨性弱的巖石，金剛石含量應(yīng)小，以利于出刃。常用鉆頭金剛石含量如表3?15所示。孕鑲鉆頭常用“濃度”來表示金剛石含量。所渭濃度是指胎體工作層單位體積中金剛石的量。我國采用的濃度制有兩種：一是“百分之百”制。若1cm3容積中被金剛石無間隙地所充滿，便為100%。因?yàn)榻饎偸挠?jì)算密度為3520kg/m3。所以，100%濃度的金剛石量為17.6carat/cm3。25%的濃度金剛石量為4.4carat/cm3。二：是“百分之四百”制，取金剛石體積為工作層體積四分之一為100%。濃度為100%時(shí)金剛石的量為4.4carat/cm3。這種濃度制為國外所通用，因此，也被我國所采用。以后凡涉及到濃度的時(shí)候，均按百分之四百算。試驗(yàn)證明，鉆頭的耐磨性與金剛石濃度有密切關(guān)系。鉆頭耐磨性以工作層消耗1mm所鉆進(jìn)米數(shù)來表示。金剛石濃度低，一般地機(jī)械鉆速也低，金剛石單位消耗量(carat/m)大，鉆頭很快報(bào)廢；這就是說，鉆頭的耐磨性是隨著金剛石濃度的增加而提高，如圖3?21所示。而金剛石的單位耗量卻隨著金剛石濃度的增加而降低，如圖3?22所示。但是，金剛石濃度超過120%時(shí)，鉆頭耐磨性反而降低，金剛石單位耗量反而提高，如圖3?21、圖3?22所示，這是由于金剛石周圍胎體變薄、支撐力變?nèi)?、金剛石提前脫落所致。試?yàn)得出，金剛石濃度為70%～120%時(shí)破碎巖石條件最佳，金剛石單位耗量最低。我國現(xiàn)用鉆頭所采用的濃度為：(五)金剛石的粒度金剛石粒度主要根據(jù)巖石性質(zhì)來選擇，一般來說，巖石越硬、越致密。則金剛石顆粒應(yīng)越小。表鑲鉆頭所用天然金剛石的粒度在10～100粒/克拉之間(常用粒度為25～50粒/克拉)，孕鑲鉆頭用的人造金剛石粒度在60～100目之間。表鑲鉆頭的金剛石出刃一般為其顆粒直徑的1/4～1/3，大約為0.1～0.5mm，有的專家認(rèn)為，出刃量為其鉆進(jìn)時(shí)每轉(zhuǎn)劃深度的3～4倍為宜。孕鑲鉆頭的金剛石出刃是在鉆進(jìn)時(shí)胎體被巖石、巖粉磨損后而裸露出來的，合理的出刃量在15～40μm之間。把金剛石品質(zhì)、排列分布、含量，濃度、粒度與出刃等，合稱為金剛石參數(shù)。(六)水口金剛石鉆頭的水口，是為流通沖洗液用，以冷卻金剛石和排除巖粉。表鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，唇面與巖石之間的間隙較大，沖洗液容易通過，可以達(dá)到冷卻金剛石排除巖粉的目的。而水口則是輔助水道。但當(dāng)切削刃磨損時(shí)，唇面和巖面間隙變小，這時(shí)的冷卻排粉工作要靠水口的通水來完成。孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，因?yàn)榇矫媾c巖石面之間的間隙很小，沖洗液不易流過。同時(shí)鉆頭唇面下的巖粉也不能通暢地排除，得靠水口流出的沖洗液來沖洗。就是說，金剛石的冷卻和巖粉的排除主要是鉆頭工作面前進(jìn)后由水口噴出沖洗液來完成。因此，孕鑲鉆頭的水口不宜太少，太小。鉆頭水口由內(nèi)側(cè)槽2、外側(cè)槽3和唇面糟1構(gòu)成，如圖3?23所示，內(nèi)外側(cè)槽多按軸向開，深2mm，寬4～8mm；唇面槽多按徑向開，把環(huán)狀工作層分割成數(shù)塊扇形體(圖3?24之1)，槽深4～6mm，寬2～4mm。有的唇面槽開成螺旋形(圖4?24之2)，這種槽利于沖洗液的流通，水壓損失小，但其銳角部分容易損壞。有的厚壁鉆頭，以軸向孔代替內(nèi)側(cè)槽，稱之為底噴式水口，如圖4?24之3。水口愈多，固然是會(huì)使冷卻、排粉愈充分，但水口愈多，扇形體也愈小，因此也愈容易損壞，經(jīng)驗(yàn)得知，扇形面平均弦長11～20mm為宜。據(jù)此得出水口數(shù)如表3?16所示(七)保徑、補(bǔ)強(qiáng)如果孕鑲鉆頭徑向磨損過多，鉆頭便報(bào)廢。為此，應(yīng)采用“保徑”措施來保護(hù)其內(nèi)外徑。方法是用硬質(zhì)材料置于胎體內(nèi)外緣上，增加其耐磨性，同時(shí)還起補(bǔ)強(qiáng)作用。保徑材料有硬質(zhì)合金、金剛石聚晶體、復(fù)合體及金剛石等。用針狀硬質(zhì)合金或金剛石聚晶體等塊狀材料保徑，是在鉆頭制造時(shí)把保徑材料和金剛石同時(shí)燒結(jié)在胎體上。其位置是分布在胎體內(nèi)外壁或水口處，如圖4?25(a)所示。金剛石保徑，是在鉆頭制造時(shí)把保徑金剛石鑲結(jié)在胎體內(nèi)外壁上，如圖3?25所示。(八)唇部形狀唇部形狀是金剛石鉆頭的特殊要素。唇部形狀是根據(jù)巖石性質(zhì)而定。形狀之所以復(fù)雜化，目的是為了提高鉆速、提高鉆具回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和提高自身壽命。常見唇部形狀有矩形、弧邊形，半圓形、階梯形，錐形和錐齒形等，多是以唇部斷面幾何形狀特征命名的。唇部形狀列于表4?17。矩形唇面又稱平底唇面(表3?17A)，是孕鑲鉆頭標(biāo)準(zhǔn)形。它加工方便，但在鉆進(jìn)時(shí)，內(nèi)外邊緣在應(yīng)力集中情況下很快磨損變成弧形，之后，在此形狀下進(jìn)行工作，因此，有的鉆頭直接把唇面制成弧形(表3?17B)，稱之為弧形唇面，弧半徑約等于壁厚。因?yàn)榛⌒谓咏匀荒p形狀，邊緣刃工作負(fù)擔(dān)均勻，可以保持原形長期不變，所以也被定為標(biāo)準(zhǔn)形，應(yīng)用較廣，表鑲鉆頭多用此形。適用于中硬(8～9級)中等研磨性巖石。弧邊形弧的半徑小到二分之一壁厚時(shí)，則變?yōu)榘雸A形唇面(表3?17C)，這樣的唇面，內(nèi)外邊緣刃部得到加強(qiáng)，適用于堅(jiān)硬(10～11級)、研磨性強(qiáng)的巖石。表3?17D、E所示的唇形呈階梯形，稱為階梯唇面。這種唇面可增加工作穩(wěn)定性。在階梯交界處巖石受擠壓作用易崩掉，有“自由切削”作用。適用于中硬(8～9級)不完整巖石。多階形唇面(表3?17E)的鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，邊緣刃很快磨損，于是階梯變?yōu)樾边叀＿@樣就產(chǎn)生了外斜邊唇面(表3?17F)。這樣唇形邊也叫錐形，也有良好穩(wěn)定性。錐形、階梯形的厚壁鉆頭都用于繩索取心的鉆進(jìn)技術(shù)上。鉆進(jìn)在堅(jiān)硬、致密(11～12級)的巖層上，會(huì)出現(xiàn)不進(jìn)尺的所謂打滑現(xiàn)象。為了攻破這類巖石，而試制了一種鋸齒形(表3?17G)鉆頭。此形鉆頭，有利于金剛石出刃，且造成多自由面孔底，利于切削、剪切相結(jié)合的方式破碎巖石。如相鄰扇形塊齒尖交錯(cuò)(齒尖對鄰齒根)則破碎巖石效果更好。表3?17H所示的唇面稱之為單雙塊形。薄壁的扇形塊單、雙的間隔排布，如圖3?26所示，這樣的扇形體對巖石有掏槽作用，增加自由面，冷卻排粉充分，并能長時(shí)間保持原形，適用于堅(jiān)硬、致密(11～12級)易打滑的巖層。表3?17I所示為單雙塊的另種變形，其扇形塊壁厚約為唇厚之半，且內(nèi)外交錯(cuò)分布，如圖3?27所示，稱之交錯(cuò)塊唇面，它的特點(diǎn)是：起薄壁鉆頭的作用而有普通鉆頭的破碎面積；在同等載荷情況下，單位破碎巖石的壓力值增大幾倍；且散熱充分，形狀持久。故可用于堅(jiān)硬，致密巖石。表3?17J所示為薄壁鉆頭，壁厚約為普通壁厚的三分之二，可接單層巖心管。用于完整中硬(8～9級)巖石可取得較高的鉆速。對于較易破碎的巖層，雖用雙層巖心管，但鉆頭內(nèi)唇壁處仍有急流沖洗液流過，對巖心尚有沖蝕作用，如用表3?17K所示的階梯形底噴式鉆頭，沖洗液從豎孔流出，巖心不受沖洗，便可取得滿意的取心率。表3?17L所示為喇叭口唇面，可用鉆堅(jiān)硬巖層，但很少使用。多作掃孔、撈取孔內(nèi)殘留巖心用。必須指出：多數(shù)復(fù)雜唇面形狀的孕鑲鉆頭很難持久，因此，它的特殊作用意義也就不大。另外，鉆頭工作層與非工作層的界面形狀應(yīng)與唇面相適應(yīng)，才能充分的使用(延長壽命)。例如，工作層與非工作層的界面是平的，而唇面卻呈弧形磨損，當(dāng)唇面磨損到與界面相交時(shí)(圖3?28a)則金剛石邊刃便迅速崩掉，鉆頭唇面由此而變形、作廢(圖3?28b)。因此說，這樣的界面是不合理的。合理的界面，如常用的平底面與弧形唇面，其工作層與非工作層的界面應(yīng)為弧形，如圖3?29(a)所示，且?guī)r石的研磨性越大，則弧半徑應(yīng)越趨向半壁厚。其他如階梯唇面，斜面唇面等，其工作層與非工作層的界面則應(yīng)為階梯形或斜邊形，如圖3?29(b)所示。三、擴(kuò)孔器擴(kuò)孔器是金剛石鉆進(jìn)中的特有工具，接于鉆頭、巖心管之間。其功用是：(1)修整孔壁，保證孔壁光滑整齊、孔徑均勻，不因鉆頭磨損而縮?。?2)導(dǎo)正鉆頭，保持其穩(wěn)定工作；(3)分擔(dān)鉆頭外側(cè)刃的工作量，既保證了足夠的孔壁間隙，又使鉆頭外出刃不太大。(一)擴(kuò)孔器的構(gòu)造、分類擴(kuò)孔器的構(gòu)造如圖3?30所示。它由金剛石1、胎體2和鋼體3構(gòu)成。兩端絲扣用以接鉆頭和巖心管。鑲金剛石部分稱為工作帶，帶寬20～35mm，并制成條帶槽，以通沖洗液。擴(kuò)孔器按所鑲金剛石的不同分為天然、人造兩種。天然金剛石的粒度為10～50粒/克拉為粗粒，60～200粒/克拉為細(xì)粒。因?yàn)樗墓ぷ髁窟h(yuǎn)小于鉆頭，所以金剛石都是次級品。人造金剛石的粒度約為60～100目。也可鑲直徑2～2.5mm的人造金剛石聚晶體。擴(kuò)孔器按金剛石的包鑲形式不同，也有表鑲、孕鑲之分。表鑲的金剛石是天然品粗粒；孕鑲的金剛石是天然品細(xì)?；蛉嗽旖饎偸?。金剛石含量如表3?18所示，單位為克拉。擴(kuò)孔器按所接用巖心管的不同，有單管、雙管之分(圖3?30)，單管擴(kuò)孔器內(nèi)壁呈錐形體(圖3?30a)，以便安裝采巖心的卡簧。擴(kuò)孔器工作帶水槽的形狀有多種形狀，常用的有密條狀(圖3?31a)寬條狀(圖3?31b)和螺旋條狀(圖3?31c)等。一般認(rèn)為，螺旋狀水槽排水阻力小，是合理的形狀。不論水槽是什么形狀，在鉆進(jìn)中，金剛石的工作量總是下端大干上端。因此，工作帶將隨著時(shí)間的增長逐漸變成錐形體。于是得出：錐形體工作帶是合理的形狀，全部金剛石的工作量相等。特制錐形工作帶的擴(kuò)孔器如圖4?31d所示，其錐角為0°35＇～0°40＇。擴(kuò)孔器的標(biāo)稱規(guī)格與鉆頭相同。而實(shí)際尺寸比鉆頭直徑大0.3～0.5mm。使用時(shí)必須與鉆頭精細(xì)配合才會(huì)發(fā)揮作用。配合關(guān)系表3?19所示。一般情況下，一個(gè)擴(kuò)孔器可配換3～5個(gè)鉆頭。第四節(jié)金剛石鉆進(jìn)規(guī)程金剛石鉆進(jìn)與其他鉆進(jìn)方法一樣。在正確選擇鉆頭的情況下，其鉆進(jìn)效率取決于鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，即：鉆壓、轉(zhuǎn)速與泵量。確定金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)時(shí)，除了考慮機(jī)械鉆速外，還要充分考慮鉆頭的壽命問題。因?yàn)?，鉆頭費(fèi)用在鉆進(jìn)成本費(fèi)用中占有很大部份，所以，判別規(guī)程參數(shù)的合理與否，主要看機(jī)械鉆速和金剛石的消耗量(carat/m)。一、鉆壓金剛石鉆進(jìn)中，鉆壓既要保證金剛石能有效地切入巖石，又要保證不超過每顆金剛石的允許承載能力。即：作用于鉆頭上的鉆壓，應(yīng)使每粒工作的金剛石與巖石的接觸壓力既要大于巖石的抗壓入強(qiáng)度，又要小于金剛石本身的抗壓強(qiáng)度。生產(chǎn)實(shí)踐證明，金剛石鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速與鉆壓有密切關(guān)系，如圖3?32所示。圖3?32鉆速與鉆壓的關(guān)系P–鉆壓；v–轉(zhuǎn)速當(dāng)鉆壓很小時(shí)(Ⅰ區(qū))，達(dá)不到破碎巖石的強(qiáng)度極限，破碎過程主要依靠金剛石與巖石間摩擦力引起表面研磨而實(shí)現(xiàn)的。在此情況下，機(jī)械鉆速低，鉆速隨鉆壓的變化幾乎呈直線關(guān)系。當(dāng)鉆壓增大到巖石抗壓強(qiáng)度值時(shí)(Ⅲ區(qū))，機(jī)械鉆速大大提高，并隨鉆壓的增大約呈直線增長，此時(shí)巖石破碎呈現(xiàn)為體積破碎。由表面破碎(I區(qū))過渡到體積破碎(Ⅲ區(qū))經(jīng)過Ⅱ區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，破碎速度的增長快于鉆壓的增大。脆性巖石，鉆壓在接觸面上達(dá)不到巖石破碎極限值，但沿接觸面外緣能產(chǎn)生裂隙或部分破碎。塑性巖石，則不足以引起接觸面積上的破碎。如鉆壓大大超出允許限度時(shí)(Ⅳ區(qū))，鉆速雖有提高，但隨之也出現(xiàn)一些不利因素，如：巖屑顆粒增大，胎體唇面與巖石面之間的間隙減小，大粒巖屑在間隙中再次破碎研細(xì)，致使金剛石、胎體無益磨損，引起金剛石過多出露和早期脫落。此外，巖粉量的增多，有礙于鉆頭唇下沖洗液的流動(dòng)，甚至堵塞通路。若鉆壓進(jìn)一步加大，會(huì)導(dǎo)致金剛石崩刃或壓碎。因此，在Ⅳ區(qū)內(nèi)，機(jī)械鉆速增長將小于鉆壓的增長，甚至鉆速下降。綜上所述，鉆壓應(yīng)有一個(gè)優(yōu)值區(qū)。1．表鑲鉆頭的鉆壓表鑲鉆頭的鉆壓可按巖石的抗壓強(qiáng)度計(jì)算：2，孕鑲鉆頭的鉆壓在孕鑲鉆頭上細(xì)粒的金剛石均勻地分布在工作層胎體中，鉆壓如按參加切削巖石的金剛石粒數(shù)來計(jì)算是比較困難的，因此，只能粗略的計(jì)算。3．聚晶金剛石鉆頭的鉆壓聚晶金剛石鉆頭的鉆壓，可用公式(4一1)求算，這里η=1。4．鉆壓的調(diào)節(jié)不論是計(jì)算鉆壓值或表列數(shù)字都是正常鉆進(jìn)的鉆壓，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)縣體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。巖石完整、硬度高、中等研磨性，宜采用大鉆壓：巖石較軟、研磨性強(qiáng)、裂隙發(fā)育、破碎、不均質(zhì)等，應(yīng)采用小鉆壓。金剛石晶形完整、橢圓化、拋光處理的。可采用大鉆壓：晶形有缺陷、品級低的應(yīng)選用小鉆壓，同樣濃度的鉆頭，金剛石顆粒大的用小鉆壓，顆粒小用大鉆壓。新鉆頭下孔，其唇部形狀與孔底形狀不適應(yīng)，其鉆壓需減輕到正常鉆壓的1/4～1/5，經(jīng)過一段時(shí)間磨合后，再增到正常鉆壓。在鉆孔彎曲、超徑的情況下，鉆壓要適當(dāng)降低?？變?nèi)發(fā)生異常，如：泵壓升高，轉(zhuǎn)矩增大等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，都應(yīng)減輕鉆壓觀察。鉆壓還要與鉆頭轉(zhuǎn)速相配合，一般情況下，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，鉆壓則須適當(dāng)降低。鉆進(jìn)中，鉆壓應(yīng)保持平穩(wěn)，不得大幅度調(diào)節(jié)。鉆速降低時(shí)，不許盲目地超額加壓。必須指出，這里所說的鉆壓是指純加在鉆頭上的力，至于沖洗液對鉆具的浮力、水壓反作用力以及鉆具摩擦阻力等都是應(yīng)在確定機(jī)械給進(jìn)壓力時(shí)加以考慮的。二、轉(zhuǎn)速圖3?33轉(zhuǎn)速v與轉(zhuǎn)數(shù)n關(guān)系1–人造金剛石孕鑲鉆頭，Ⅶ–Ⅷ級混合巖；2–人造金剛石孕鑲鉆頭，Ⅵ–Ⅷ級角閃片麻巖；3–人造金剛石孕鑲鉆頭，Ⅵ–Ⅸ級花崗巖；4–天然金剛石表鑲鉆頭，Ⅸ級條帶混合巖；5–天然金剛石表鑲鉆頭，Ⅶ–Ⅷ級斜長角閃巖。v–鉆速3×10-4m/s，n–轉(zhuǎn)數(shù)r/min金剛石鉆進(jìn)中，鉆頭轉(zhuǎn)速是決定鉆進(jìn)效率重要參數(shù)之一。在一定條件下，轉(zhuǎn)速愈高，則鉆速也愈高，這已被多種巖石試驗(yàn)所證實(shí)，如圖3?33所示。孕鑲鉆頭的金剛石顆粒細(xì)小，切人巖石淺，只有靠單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次破碎才能獲得高效。因此，要求轉(zhuǎn)速更高，以圓周線速度計(jì)，一般為1.5～3.0m/s。表鑲鉆頭因?yàn)榻饎偸鋈写?，受到振?dòng)易損傷，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)該相對較低，圓周線速度1～2m/s。根據(jù)轉(zhuǎn)速v求轉(zhuǎn)數(shù)n。不同直徑的鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)可從表3?23中選取。聚晶鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)，可參考表鑲鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)來選取。不論是計(jì)算或查表，都可以看出，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍是很大的。鉆進(jìn)中，要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。從巖石性質(zhì)來說，若巖層完整、質(zhì)均或較軟，可選用高轉(zhuǎn)速；若巖層破碎，層理發(fā)育或較硬，宜選用低轉(zhuǎn)速。從鉆頭質(zhì)量來說，鉆頭質(zhì)量好，金剛石品級高。宜采用高轉(zhuǎn)速：若鉆頭質(zhì)劣，金剛石品級低，宜采用低轉(zhuǎn)速。此外，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速還要考慮到金剛石的粒度：顆粒小選高轉(zhuǎn)速；顆粒大選低轉(zhuǎn)速。如金剛石粒度為10粒/克拉，直徑為2.1mm，鉆頭回轉(zhuǎn)線速度為1.5m/s。若換用粒度30粒/克拉、直徑為1.5mm金剛石的鉆頭時(shí)，允許圓周線速度為1.95m/s。當(dāng)穩(wěn)定性差、高速回轉(zhuǎn)振動(dòng)加劇時(shí)，圓周線速度可取小一些。新鉆頭下孔，須用低速試鉆數(shù)分鐘、無異狀后，再轉(zhuǎn)入正常轉(zhuǎn)速。正常鉆進(jìn)中，如發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有異常響聲、激烈振動(dòng)或轉(zhuǎn)矩增大等現(xiàn)象時(shí)，則須立即降低轉(zhuǎn)速仔細(xì)觀察。當(dāng)級配不合理(孔徑與鉆桿直徑差值大)、鉆孔彎曲等時(shí)，都不能用高轉(zhuǎn)速。由于機(jī)械鉆速是隨轉(zhuǎn)速呈直線變化的(圖3?33)。因此，在容許范圍內(nèi)盡量采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。但是，在鉆壓不變情況下，轉(zhuǎn)速升高到一定限度時(shí)，鉆速有不再增長的趨勢，這是由于金剛石在激烈摩擦中損壞所致。所以，轉(zhuǎn)速要與鉆壓配合運(yùn)用，即轉(zhuǎn)速升高到一定限度時(shí)，勢必降低鉆壓。三、沖洗液量(一)金剛石鉆進(jìn)沖洗的意義圖3?34鉆頭工作面下巖屑被擠壓的情況1–胎體；2–巖屑；3–金剛石金剛石在破碎巖石過程中，沿著移動(dòng)方向的功消耗于破碎巖石和克服摩擦上。試驗(yàn)證明，消耗在摩擦上的功是很大的。摩擦功轉(zhuǎn)化為熱能可使金剛石強(qiáng)度降低、石墨化而導(dǎo)致早期磨損。按能量轉(zhuǎn)換計(jì)算，鉆進(jìn)中在正常鉆壓、轉(zhuǎn)速情況下，如斷絕冷卻2min，鉆頭便燒毀。因此，金剛石鉆進(jìn)時(shí)必須充分冷卻鉆頭。鉆進(jìn)中的鉆頭，其工作面下的間隙很小，金剛石前面的巖石顆粒被壓皺凸起的巖石抬起，對胎體進(jìn)行削蝕，如圖3?34所示。部分巖屑顆粒被擠壓在金剛石下遭到重復(fù)破碎，無益地磨損金剛石。被擠壓的巖粉還會(huì)墊起鉆頭，阻礙其破碎巖石，這就需要強(qiáng)大的沖洗液把巖粉及時(shí)帶走并排出孔外。此外，高速回轉(zhuǎn)的鉆具與孔壁激烈摩擦，其摩擦阻力是很大的，這也需要沖洗液來潤滑。(二)沖洗液量的確定綜上所述，金剛石鉆進(jìn)的沖洗液量應(yīng)從以下三方面來考慮：保證鉆頭充分冷卻；保證把巖粉從鉆頭下帶走，和把巖粉排出孔外。1．冷卻鉆頭的需要量設(shè)送到鉆頭處的沖洗液溫度為t1，經(jīng)過鉆頭唇面吸收了摩擦熱而使溫度到t2。若沖洗液量Q維持溫度不再升高，則按熱量平衡可列出下式：由試驗(yàn)得知：若溫度t2與t1的差值不超過10K(開氏溫度標(biāo)度)，即可保證鉆頭的安全工作。因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)取t1–t2=10K。沖洗液比熱c取水的比熱值c=4.2×103J/kg·K。2．從鉆頭工作面下帶走巖粉所需的沖洗夜量沖洗液從鉆頭底面下流出，其中，從唇面、巖石面之間間隙流過者，因阻力大，流速低，稱為“緩流”；從水口流出者，因阻力小，流速高，故稱之為“急流”。表鑲鉆頭唇面、巖石面間的間隙較大，緩流沖洗液能夠直接起冷卻、排粉作用。孕鑲鉆頭，唇面、巖石面之間間隙小，緩流水幾乎不能起冷卻、排粉作用，這種情況下，金剛石的冷卻主要靠急流沖洗液，巖粉也靠這急流水排除。基于這種情況，如只按冷卻鉆頭的需要量供給沖洗液是不夠用的，還必須滿足急流水沖洗液量把鉆頭下面的巖粉沖出來。3．巖粉離開孔底沿孔壁、鉆具之間的環(huán)狀間隙上升所需的沖洗液量(上升速度應(yīng)不小于0.3～0.5m/s)。從沖洗液量的上述三種計(jì)算所得值中，選取最大值作為應(yīng)用量。因?yàn)榘磶r粉升速計(jì)算值為最大，且條件簡單，所以該式普遍用于生產(chǎn)中。應(yīng)該指出，這里所計(jì)算的沖洗液量乃是純送到孔底的量。但在實(shí)際生產(chǎn)中，送入孔內(nèi)泵量都遠(yuǎn)大于這個(gè)計(jì)算量，這是考慮到輸送管路中漏失的緣故。無論是計(jì)算沖洗量或表中所列泵量，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。如鉆速高、巖石粗糙或研磨性強(qiáng)等，應(yīng)采用大泵量；反之應(yīng)采用小泵量。此外，泵量還要隨著鉆孔的延伸適當(dāng)增加。泵量大，對冷卻鉆頭、清除巖粉都是有益的。但泵量太大，泵壓勢必升高，會(huì)促使鉆壓降低。高速液流有時(shí)對孔壁有沖刷作用，并對不穩(wěn)定地層會(huì)加劇其惡化。經(jīng)驗(yàn)證明，金剛石鉆進(jìn)對沖洗液量的要求并不是太嚴(yán)的，但是必須保證不斷供應(yīng)，鉆進(jìn)中不允許有片刻停水；鉆桿接頭嚴(yán)密不漏水，確保水泵工作良好，最好不用分流方式調(diào)節(jié)泵量。(三)泵壓鉆進(jìn)中，要時(shí)刻地注意泵壓的變化。鉆進(jìn)中，如發(fā)現(xiàn)泵壓突然降低，可以判斷為沖洗液在輸送途中漏失，沒有送到孔底，或水泵出現(xiàn)故障；如泵壓突然升高，可以判斷為水路堵塞，沖洗液流動(dòng)不暢。這些現(xiàn)象出現(xiàn)，都對冷卻排粉不利，須停鉆檢查，不許勉強(qiáng)鉆進(jìn)。為了減輕高速回轉(zhuǎn)鉆具與孔壁的摩擦阻力，沖洗液應(yīng)具有潤滑性，如采用乳狀液、加潤滑劑的低固相泥漿等。四、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的配合如前所述，金剛石鉆進(jìn)效率隨著鉆壓轉(zhuǎn)速的提高而增長。但是，鉆壓、轉(zhuǎn)速增加到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆頭強(qiáng)烈磨損甚至燒毀。實(shí)際鉆探工作中，如何掌握確定最優(yōu)規(guī)程參數(shù)值，是金剛石鉆進(jìn)的重要課題。國外鉆探科研工作者，為了求得金剛石鉆進(jìn)最優(yōu)規(guī)程參數(shù)值，設(shè)計(jì)了專用試驗(yàn)鉆具，在標(biāo)準(zhǔn)花崗巖上用直徑46mm的人造金剛石孕鑲鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)中測出以下數(shù)據(jù)：鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、沖洗液量、功率、電能消耗、鉆速及胎體溫度等。據(jù)試驗(yàn)，金剛石鉆進(jìn)存在著兩種規(guī)程參數(shù)：“正常規(guī)程”與“臨界規(guī)程”。在正常規(guī)程下，鉆頭胎體溫升正常，功率消耗平穩(wěn)，同時(shí)鉆頭磨損輕微；而在臨界規(guī)程下，鉆頭胎體溫升將急劇上升，功率消耗劇增，鉆頭磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)燒鉆。試驗(yàn)分析了胎體溫度與鉆壓P和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系；功率消耗、機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系；胎體溫度與沖洗液的關(guān)系和鉆頭磨損與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系。通過以上分析得出兩點(diǎn)結(jié)論：(1)對于金剛石鉆進(jìn)而言，每種巖石都存在著臨界規(guī)程，其P·n值基本是個(gè)常數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測得。也就是說，鉆壓P和轉(zhuǎn)速n兩個(gè)參數(shù)之間存在著明顯的交互影響，必須同時(shí)考慮它們的取值。進(jìn)入臨界規(guī)程的主要表現(xiàn)是胎體溫度急劇升高，鉆頭嚴(yán)重磨耗，雖然此時(shí)鉆速也很高，但可能導(dǎo)致燒鉆事故。因此，必須保證鉆進(jìn)生產(chǎn)工藝處在小于臨界規(guī)程的狀態(tài)下。(2)鉆進(jìn)過程中的胎體溫度和鉆頭非正常磨耗是重要的孔內(nèi)工況指標(biāo)，但不便于測量。而功率消耗便于在地表檢測，又與上述二指標(biāo)同步進(jìn)入臨界規(guī)程，因此可通過測量鉆進(jìn)功率來判斷鉆進(jìn)過程正常與否。一旦出現(xiàn)功耗突變，便可發(fā)出進(jìn)入臨界規(guī)程的報(bào)警。這是由憑經(jīng)驗(yàn)打鉆走向科學(xué)鉆進(jìn)的一個(gè)重大進(jìn)步。上述試驗(yàn)還是單一性的，但可以想象，不論什么巖石、什么類型和規(guī)格的鉆頭，都存在著“正常、臨界”兩種規(guī)程參數(shù)，故應(yīng)該進(jìn)一步推理、計(jì)算與充分試驗(yàn)，求得各種條件下的臨界參數(shù)值，以指導(dǎo)金剛石鉆進(jìn)?，F(xiàn)將金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的配合值，列于表3?25中，供在實(shí)際生產(chǎn)中參考選用。第五節(jié)金剛石鉆探的操作及注意事項(xiàng)一、金剛石鉆頭的選擇和使用金剛石的鉆進(jìn)成效，與管理密切相關(guān)。實(shí)踐證明，只有科學(xué)地選擇鉆頭、并合理地使用，才能提高鉆速，減少事故，增加純鉆時(shí)間和延長鉆頭壽命。(一)鉆頭的選擇金剛石鉆頭要求與巖石性質(zhì)相適應(yīng)，如選用得正確，才會(huì)得到好的效果；如選擇不當(dāng)，不但鉆進(jìn)效果不好，甚至引起其他方面的麻煩。我國目前的鉆頭品種繁多，能滿足要求。鉆頭選擇原則如下：(1)軟和較軟巖層，可選用聚晶金剛石鉆頭；軟的、中硬和完整均質(zhì)較硬巖層，可選用天然金剛石表鑲鉆頭；軟硬不均、節(jié)理發(fā)育和裂隙巖層，宜選用孕鑲鉆頭。

(2)按金剛石粒度來說，巖石的研磨性越強(qiáng)，硬度越高，則鉆頭的金剛石顆粒應(yīng)越小，最好用孕鑲鉆頭。巖石硬度越低，研磨性越弱，則鉆頭的金剛石顆粒應(yīng)越大，如選用天然金剛石鉆頭，聚晶金剛石鉆頭。(3)按金剛石鑲焊濃度來說，巖石硬度越高或研磨越弱，則鉆頭金剛石濃度應(yīng)越低；反之，巖石硬度越低或研磨性越強(qiáng)，則鉆頭金剛石濃度應(yīng)越高。(4)對胎體性能來說，巖石的研磨性越強(qiáng)或硬度越低，則鉆頭胎體的硬度應(yīng)越高；反之，巖石的研磨性越弱或硬度越高，則鉆頭胎體的硬度應(yīng)越低。但是，研磨性強(qiáng)且硬度高的巖石，不應(yīng)該選軟胎體鉆頭。免得其迅速磨損很快失去工作能力。按巖石的硬度、研磨性來選擇鉆頭參數(shù)，可參看表3?26與表3?27(5)選擇鉆頭時(shí)，還要考慮到與巖石性質(zhì)相適應(yīng)的鉆頭唇面形狀(參看表4?17)。一般地說，對中硬、中研磨性的巖層，宜選用平底唇面或弧邊形唇面；堅(jiān)硬且研磨性高的巖層，可用半圓形唇面。對復(fù)雜、破碎不易取得巖心的地層，可選用階梯底噴式唇面；堅(jiān)硬、致密易出現(xiàn)打滑的巖層，可選用鋸齒形或單雙塊等形唇面。一般巖層，都應(yīng)采用“雙層巖心管”鉆頭。只有在較堅(jiān)硬、完整的巖層用“單管”薄壁鉆頭?；谏鲜鲈瓌t和巖石物理力學(xué)性質(zhì)，鉆頭的選擇舉例如下：6～7級完整、均質(zhì)的巖石，可選用人造聚晶金剛石鉆頭或粗粒表鑲鉆頭，胎體硬度Ⅳ級(HRC40～50)。7～8級中等研磨性較完整巖石，可用20～40粒每克拉、Ⅳ級胎體(HRC40～50)的天然金剛石表鑲鉆頭；也可用50～75目、75%～100%濃度人造金剛石、Ⅳ級胎體的平底唇面或弧形唇面孕鑲鉆頭。9～10級中等研磨性較完整巖石，可用80目、50%～75%濃度人造金剛石、Ⅲ級胎體弧形或半圓形唇面的孕鑲鉆頭。10級以上堅(jiān)硬、致密、研磨性弱巖石，可用50%濃度、80目優(yōu)質(zhì)人造金剛石、Ⅲ級胎體、鋸齒形或單雙塊唇面的孕鑲鉆頭。應(yīng)該指出：孕鑲鉆頭具有鉆速均勻、應(yīng)用范圍廣和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。且金剛石可用人造品，價(jià)值低廉，原材料來源廣且均為國產(chǎn)。因此，建議在條件允許情況下，盡量選用人造金剛石孕鑲鉆頭。(二)鉆頭的使用由于金剛石鉆頭的精度高，所以鉆出的孔壁、巖心光滑完整，鉆頭在工作中，能使內(nèi)、外出刃均勻磨損。但若內(nèi)出刃的過度磨損，則會(huì)造成巖心直徑增大，外出刃磨損，則使孔徑變小，造成擴(kuò)孔器負(fù)擔(dān)過重，甚至新?lián)Q鉆頭有下不到孔底的可能，于是就增加了“擴(kuò)孔”的麻煩，且外刃在應(yīng)力集中情況下容易損壞。因此，鉆頭使用中提出了“分組”、“排隊(duì)”的方法。所謂分組排隊(duì)，就是把全孔預(yù)用的鉆頭類型、性能參數(shù)分成組，再把同類的鉆頭用游標(biāo)卡尺精細(xì)地測出內(nèi)外徑(精度到微米)。然后，按外徑由大到小、按內(nèi)徑由小到大進(jìn)行排隊(duì)。使用時(shí)，先用大號。每次鉆頭出孔，要精細(xì)測量它的磨損情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)直徑磨損到容許限度(軟巖石為0.05mm，硬巖石為0.02mm)時(shí)，換次一號鉆頭下孔。換下來的大號鉆頭，按它的外徑重新編入隊(duì)中相應(yīng)號位等待再用。當(dāng)次一號鉆頭又磨損到容許限度時(shí)，換再下一號鉆頭下孔，換下來的次一號鉆頭重新插隊(duì)待用。如是，每個(gè)鉆頭都要經(jīng)過幾次輪用。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某號鉆頭摩耗到最大限度時(shí)，就把它提出隊(duì)外，不論其唇部能否工作也不許再用，這個(gè)鉆頭的鉆進(jìn)總量便是它自身的“壽命”。所鉆地層鉆穿完了，而隊(duì)中鉆頭尚有可用者，那么就把它們排到另組隊(duì)中待用。為了掌握鉆頭的變化情況，所有的鉆頭都要建立“檔案”(卡片)，把每一回次的直徑變化、回次進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)、累計(jì)進(jìn)尺、所鉆巖石性質(zhì)及其他特殊情況等都記載在卡片上。鉆頭報(bào)廢時(shí)，可從卡片中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便更好地對鉆頭選擇、使用。(三)鉆頭磨損形態(tài)分析金剛石鉆頭的磨損表現(xiàn)為金剛石和胎體的磨損。關(guān)于金剛石磨損機(jī)理有幾種說法：有的認(rèn)為金剛石的磨損是在破碎巖石時(shí)摩擦發(fā)熱導(dǎo)致石墨化的結(jié)果；有的認(rèn)為金剛石磨損是多種形式的結(jié)合，其中起主要作用的則是“脆性破壞”。脆性破壞是由于金剛石晶體不規(guī)則凸起、凹坑和顯微裂隙，致使多數(shù)顆粒以碎裂方式磨損。其留下來的殘根，經(jīng)過一段時(shí)間而裸露出新刃參加破碎巖石工作。當(dāng)它在胎體中剩下50～70μm時(shí)便脫落下來，脫下來的微粒一方面磨蝕胎體(這有利于金剛石出刃)，同時(shí)也刻劃金剛石，加劇金剛石的磨損。此外，鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)不正常，孔底不清潔，鉆頭自身質(zhì)劣等都會(huì)促使鉆頭不規(guī)則的磨損。在金剛石鉆進(jìn)中，分析鉆頭磨損、變形原因是調(diào)節(jié)鉆進(jìn)技術(shù)的依據(jù)。例如，鉆頭選擇、鉆頭質(zhì)量和規(guī)程參數(shù)等是否合乎要求，這些都可從鉆頭磨損變形中分析出來。因此，每次提鉆后都要對鉆頭進(jìn)行細(xì)心地觀察。必須指出，這里所說的磨損變形是指鉆進(jìn)中所出現(xiàn)的。至于“沖擊”、“處理事故”等的損壞，不在此例。鉆頭磨損可分為正常磨損和非正常磨損兩種情況：所謂鉆頭的正常磨損是指唇部、內(nèi)外徑等都是輕微、均勻地磨損，沒有局部突出變化。表鑲鉆頭的正常磨損表現(xiàn)在：金剛石刃尖磨平，出刃量保持不變，內(nèi)、外徑棱部有磨平現(xiàn)象，尺寸變化很小，胎體磨損很輕，沒有崩裂、掉塊或局部損傷現(xiàn)象。孕鑲鉆頭的正常磨損表現(xiàn)在：內(nèi)、外徑和底唇面磨損得非常緩慢，胎體磨損率內(nèi)、外徑不超過0.02mm/m，底高不超過0.1mm/m。底唇面呈弧狀，唇面可出微小蝌蚪尾形，如圖3?35所示，用手摸扶，有粗糙感。鉆頭的正常磨損，說明鉆頭的選擇適當(dāng)，鉆頭質(zhì)量高，鉆進(jìn)參數(shù)正常，鉆頭可以繼續(xù)使用鉆進(jìn)參數(shù)可保持不變。所謂鉆頭的非正常磨損就是所說的“變形”，習(xí)慣地稱它為“變相”。變相的鉆頭，輕者鉆進(jìn)效能降低，重者就不能再用?，F(xiàn)將常見的變相分析如下1、底唇面光滑底唇面光滑(圖3?36b)多是孕鑲鉆頭鉆進(jìn)了致密堅(jiān)硬巖石時(shí)出現(xiàn)；鉆頭唇部工作面無蝌蚪紋，用手摸扶有光滑感。這種現(xiàn)象說明鉆頭選擇不當(dāng)，胎體過硬不磨損，金剛石不能出刃造成的。2、金剛石脫落金剛石脫落(圖3?36a)現(xiàn)象在表鑲鉆頭較為明顯，多屬鉆頭質(zhì)量問題，即包鑲不牢或胎體偏軟。從技術(shù)上分析，則是鉆頭選擇不當(dāng)或沖洗不充分、沖洗液中含砂量大等，使胎體過度磨損所造成。3、金剛石碎裂金剛石碎裂也叫崩刃，常出現(xiàn)于表鑲鉆頭。從技術(shù)上的原因來看，則是巖石破碎、裂隙發(fā)育，或鉆進(jìn)參數(shù)不當(dāng)，鉆壓過大，鉆具振動(dòng)激烈等所造成。從鉆頭質(zhì)量上來說。則是金剛石強(qiáng)度低，有裂紋或其內(nèi)應(yīng)力高等造成。4、胎體磨偏胎體磨偏純屬質(zhì)量問題。內(nèi)外壁磨偏(圖3?37之1)是胎體與鋼體或鋼體與擴(kuò)孔器不同心所致。這樣的鉆頭不能再下孔使用。底唇面磨偏(圖3?37之2)，是底唇面與鋼體軸線不垂直造成的。鉆頭工作時(shí)，只是高出的小部分與巖石接觸，沖洗液大部分從底部縫隙流出，而工作部分得不到充分冷卻，至使該部分磨損加劇5、喇叭形喇叭形是最常出現(xiàn)的鉆頭變形之一。其特征是內(nèi)邊緣處金剛石磨平甚至脫落，胎體呈光滑面，如圖3?37之3。很多鉆頭由此而作廢。這種現(xiàn)象，孔徑越小、鉆頭壁越厚越為嚴(yán)重。變形發(fā)生原因：從技術(shù)工藝方面來分析，則是孔底存在巖石碎塊脫落，殘留巖心等物體，從而在鉆頭內(nèi)刻落金剛石所致6、錐體形錐體形也是常見鉆頭變形之一，但比喇叭形卻出現(xiàn)的少。變形特征與喇叭形相反，也是因外邊緣金剛石脫落呈錐形體，如圖3?37之4所示。出現(xiàn)原因多半是孔底有硬巖碎塊在沖洗液作用下而擠于外邊緣，但又不能沖起致使胎體邊緣受到研磨，促使金剛石提前脫落而工作層被磨成錐形體。7、薄壁形胎體內(nèi)外壁磨損嚴(yán)重，壁變薄(圖3?37之5)是孕鑲鉆頭常見的變形。原因是孔底積存巖粉多，沖洗液量小，鉆壓小，內(nèi)、外壁受巖粉重復(fù)研磨所造成。非工作層的變薄，則是補(bǔ)強(qiáng)不佳所致。8、底唇面呈臺階、槽溝形底唇面出現(xiàn)臺階形(圖3?37之6、7及8)或槽溝(圖3?37之9)的原因，多屬鉆頭質(zhì)量問題。如：金剛石分布不均勻而回轉(zhuǎn)刻劃軌跡沒有覆蓋全孔底，或工作層與非工作層交界面形狀與唇面形狀不相符，至使局部刻劃線上金剛石負(fù)擔(dān)過重而提前崩掉，于是便造成臺、溝形狀。在技術(shù)方面是因孔底有較大的胎體碎塊或金屬塊。9、底唇磨損過快所謂底唇磨損過快，即每鉆進(jìn)1m工作層磨損超過0.1mm(圖3?37之10)。其原因從鉆頭質(zhì)量上分析，則是胎體過軟和金剛石濃度太低，即耐磨性弱所致。從技術(shù)上分析，可能是鉆頭在臨界參數(shù)下長時(shí)間工作所造成的。10、水口沖蝕水口沖蝕(圖3?37之11)的特征是水口變大，水槽處胎體棱角變圓，非工作層水槽呈螺旋形展寬。這種形狀的出現(xiàn)，說明沖洗液量過大，沖洗液中含砂量過多，水口在強(qiáng)烈沖刷下有變形。11、胎體損壞胎體裂縫(圖3?37之12)，掉塊(圖3?37之13)，工作層脫落(圖3?37之14)等都屬于胎體損壞。其產(chǎn)生的原因多屬鉆頭質(zhì)量問題，如胎體強(qiáng)度低，脆性大，或金剛石濃度過高。在技術(shù)上則是鉆頭遇到了裂隙硬脆碎巖層時(shí)用了大的鉆進(jìn)參數(shù)，鉆具發(fā)生激烈振動(dòng)所致。12、燒毀燒毀是最常見的鉆頭變形，是最嚴(yán)重的損壞。輕微燒毀時(shí)，金剛石石墨化變?yōu)楹诎瞪?，?qiáng)度大幅度降低；嚴(yán)重?zé)龤?，全部胎體曲卷變形，工作層全部毀壞(圖3?37之15)。變形原因純屬技術(shù)問題，即沖洗液量不足，或長時(shí)間的在臨界規(guī)程參數(shù)下鉆進(jìn)。必須指出。鉆頭變形是多種多樣的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以上的舉例。因此，要求操作者經(jīng)常分析原因，改進(jìn)技術(shù)措施。這樣，才會(huì)有提高效率、降低成本，更好地發(fā)揮金剛石鉆探的優(yōu)越性。(四)金剛石磨損這里所說的金剛石磨損，是指鉆進(jìn)過程中的純磨損，不包括崩壞和嚴(yán)重?zé)龤?。平時(shí)，人們只注意鉆頭的變形，而金剛石自身的磨損變化卻被人們所忽視。建議有條件的地方，應(yīng)該用顯微鏡觀察金剛石表面的磨損情況，分析原因，不斷提高鉆探技術(shù)。有關(guān)金剛石磨損分析的資料很少，常見的有下列幾種類型：1、平行紋平行紋如圖3?38(a)所示，是金剛石脫掉的細(xì)小微粒被混于巖粉中，及堅(jiān)硬的石英微粒隱于巖石微隙中，金剛石受其研磨而成的條紋。它是屬于正常磨損。2、附著巖粉在金剛石磨削面條紋中，有時(shí)出現(xiàn)鱗片狀巖屑碎片，如圖3?38(b)所示，這說明沖洗液量小或鉆頭結(jié)構(gòu)不合理，金剛石得不到充分的沖洗。3、擴(kuò)散形擴(kuò)散形是金剛石常見的磨損形，如圖3?38(c)所示。原因是由于破碎的巖石研磨性大，金剛石與之摩擦產(chǎn)生高溫而石墨化擴(kuò)散。這說明金剛石的冷卻不充分，或鉆進(jìn)參數(shù)接近了臨界參數(shù)。4、光滑面光滑面出現(xiàn)，可以判斷它屬于正常磨損，是金剛石輕微擴(kuò)散與氧化同時(shí)作用的結(jié)果，如圖3?38(d)所示。這說明鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)是合理的。5、凸起小塊在金剛石的摩擦面上有時(shí)出現(xiàn)了似乎沒有受到磨損的凸起小塊，如圖3?38(e)所示。它是金剛石含氮雜質(zhì)造成的局部硬塊，與鉆進(jìn)技術(shù)無關(guān)，也屬于正常磨損。應(yīng)當(dāng)指出：當(dāng)表鑲鉆頭和擴(kuò)孔器用到報(bào)廢程度時(shí)，金剛石實(shí)際消耗只達(dá)35%～50%，剩余的殘品還有再次利用的價(jià)值。粉末冶金法制造的鉆頭和擴(kuò)孔器，其粘結(jié)金屬都是以銅為主的銅基合金，只要把銅從胎體粉料中分離出來，金剛石就會(huì)自動(dòng)脫落。分離銅的方法，常用的有酸蝕法和電解法兩種。二、合理選擇鉆具的級配為了盡量減小鉆具與孔壁之間的環(huán)狀間隙，增加鉆具的穩(wěn)定性，提高鉆速，減少金剛石的消耗，避免金剛石鉆頭的異常磨損，合理選擇鉆具的級配是至關(guān)重要的。雙層巖心管和繩索取心鉆具的標(biāo)準(zhǔn)級配，見表3?28所列。三、鉆進(jìn)時(shí)鉆具的減振及穩(wěn)定措施金剛石鉆進(jìn)參數(shù)的特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)速高。然而，轉(zhuǎn)速高卻又帶來不利因索，即：鉆具高頻振動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生的原因很多，如鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)磨損過度，鉆具接配不同心，巖石不均和操作不平穩(wěn)等，都會(huì)造成鉆具振動(dòng)。但主要原因則是細(xì)長的彈性鉆桿柱在扭、壓應(yīng)力下呈螺旋狀繞孔軸回轉(zhuǎn)，與孔壁產(chǎn)生激烈摩擦，在高速回轉(zhuǎn)下而產(chǎn)生彈性振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)頻率與鉆頭破碎巖石脈沖阻力的頻率相吻合時(shí)，便引起共振，即“振動(dòng)”。鉆進(jìn)中，輕微的振動(dòng)是時(shí)刻不斷的，這對鉆進(jìn)和機(jī)