鉆探施工中金剛石鉆頭的非正常磨損淺析

趙 強

(川煤勘設地勘公司 攀枝花辦事處，四川 攀枝花617066)

0 引言

在金剛石鉆進中，正確分析鉆頭的磨損與變形，是保證正常鉆進，延長鉆頭壽命，提高鉆探操作技術水平的重要一環(huán)。本文通過對寶鼎礦區(qū)鉆探施工中金剛石鉆頭損壞的原因進行分析，總結(jié)出幾種現(xiàn)場常見的金剛石鉆頭出現(xiàn)的非正常磨損類型，以期能達到拋磚引玉的作用。

1 燒鉆變形

在鉆進時，由于水路不通或供水不良，形成沖洗液突然中斷，鉆頭在孔底繼續(xù)鉆進得不到及時冷卻，溫度驟升，而將鉆頭燒毀。按其燒鉆程度可分輕度燒鉆和嚴重燒鉆兩種。當燒鉆事故發(fā)現(xiàn)較早，及時提鉆。鉆頭損壞表現(xiàn)為唇面發(fā)黑，有些金剛石已石墨化，鉆頭鋼體下部呈灰黑色，與上部光亮的鋼體有明顯區(qū)別。鉆頭唇面形狀無顯著變形，尚未造成嚴重后果。當輕度燒鉆未及時發(fā)現(xiàn)，仍繼續(xù)以高速回轉(zhuǎn)時，鉆頭溫度持續(xù)升高，致使胎體熔化并與孔底巖石和巖心膠結(jié)在一起，造成嚴重燒鉆事故(如圖1)。

圖1 燒鉆變形

2 唇面溝槽變形

這類磨損變形在人造孕鑲金剛石鉆頭最常見，在寶鼎礦區(qū)鉆探中占所有損壞鉆頭的1/2 以上。其主要原因是:

1)由于人造孕鑲金剛石鉆頭經(jīng)長時間使用，當金剛石孕鑲層接近磨完時，唇面金剛石濃度漸小，唇部磨損加快，但鉆頭內(nèi)外側(cè)有聚晶補強，不易磨損，則鉆頭唇面形狀由弧形逐漸磨成平形(如圖2)。

圖2 溝槽變形

2)由于孕鑲金剛石鉆頭唇面較厚，在鉆進研磨性較強的巖石中鉆頭內(nèi)外刃由于有沖洗液循環(huán)而冷卻較好，唇面由于緊貼巖石在高速回轉(zhuǎn)中發(fā)熱量不能及時傳走而溫度升高，引起部分金剛石在高溫下物理性質(zhì)改變，使唇面中部硬度變低，在持續(xù)鉆進中逐漸比內(nèi)外刃先磨損而形成溝槽(如圖3)。

圖3 溝槽變形

3 胎體磨光變形

當鉆頭唇面產(chǎn)生溝槽變形以后，仍未及時提鉆，繼續(xù)鉆進時，由于剩下胎體強度薄弱及沖洗液冷卻不足和鉆具回轉(zhuǎn)震動沖擊，其溝槽的外緣受力較大，很快脫落(如圖4)。

圖4 胎體磨光變形

4 內(nèi)外臺階變形

因孔內(nèi)留有較多的殘留巖心，并橫置孔內(nèi)，同時所鉆巖石堅硬破碎，或巖心過粗，在套掃殘留巖心(或脫落巖心)時，易造成內(nèi)臺階變形(如圖5)。當孔徑變小，下入新鉆頭進行擴孔時則易造成外臺階變形(如圖6)。有時內(nèi)外臺階同時發(fā)生。

圖5 內(nèi)臺階變形

圖6 外臺階變形

5 喇叭狀變形

鉆進中巖心堵塞，仍繼續(xù)鉆進，則破碎的巖心易造成鉆頭內(nèi)側(cè)的早期磨損，形成喇叭狀變形。另外，因套掃孔內(nèi)殘留巖心或脫落巖芯時，也易造成喇叭狀磨損，并常造成胎體的崩落(如圖7)。

圖7 喇叭狀變形

圖8 胎體崩落

6 胎體崩落

在開始使用新鉆頭時，由于操作上的疏忽大意，升降鉆具時，使鉆頭受到猛烈墩撞、沖擊，或在掃巖心、活石時壓力過大，常造成胎體大塊崩落，損壞嚴重(如圖8)。有時在胎體脫落后未及時發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)回轉(zhuǎn)，則往往造成胎體的全部脫落。

圖9 胎體裂紋

7 胎體裂紋

鉆進時由于鉆具的強烈震動，產(chǎn)生較大的沖擊載荷，或升降鉆具中鉆頭受到碰撞，常使鉆頭胎體產(chǎn)生裂紋。另外，由于使用牙鉗擰卸鉆頭，也常將鉆頭夾裂，有時裂紋延伸至鋼體，并造成橢圓變形(如圖9)。

8 沖蝕變形

在鉆進磨擦性強的巖石或使用泥漿作沖洗液時，由予泥漿中細砂和巖粉較多，加之沖洗液量較大的情況下，沖洗液流經(jīng)鉆頭的速度很高，對鉆頭胎體產(chǎn)生強烈的沖蝕作用。表現(xiàn)在鉆頭內(nèi)外側(cè)面補強聚晶或金剛石的上下及迥轉(zhuǎn)前側(cè)面胎體金屬被沖蝕，聚晶或金剛石裸露過高，嚴重者則脫落(如圖10)。

圖10 沖蝕變形

圖11 內(nèi)徑磨損

9 鉆頭內(nèi)徑磨損嚴重

如果巖心已經(jīng)堵塞而不及時提鉆，鉆頭內(nèi)徑就會嚴重磨損。繩索取芯內(nèi)管松脫，內(nèi)管上部懸掛失靈，都易造成巖心堵塞和損壞鉆頭內(nèi)徑。需要注意的是巖心堵塞往往是燒鉆或卡鉆的起因(如圖11)。

10 結(jié)語

總之，正確判斷金剛石鉆頭在孔里的工作狀況，對出現(xiàn)的一些非正常磨損原因進行分析，在此基礎上有針對性的采取措施，才能改進操作，提高技術，從而降低生產(chǎn)成本，促進鉆探工作經(jīng)濟效益和社會效益的更大提高。

［1］ 李世忠.鉆探工藝學［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989.