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摘要：在矿产资源勘探中，准确的岩芯样本对于评估矿产资源的储量、品位和分布规律等具有重要意义。合理的钻进参数可以提高岩芯采取率和质量，为资源评价提供更准确的数据，从而提高资源评价的可靠性，为后续的矿产开发提供科学依据。

关键词：岩芯钻探；金刚石钻头；钻进参数；钻探效率；钻探安全性

0引言

岩芯钻探施工过程中钻进效率的高低，取决于采用的钻进技术参数，即钻压、转速、泵量。在一定条件下，这三者存在着最优的配合关系，不能孤立地去选择。

影响进技术参数的因素很多，诸如岩石的物理力学性质、钻头类型、钻孔孔径和深度、钻探设备和钻具等。实际钻进过程中，要根据上述情况具体选择合理的钻进参数。

1  钻压

1.1 钻压的理论分析

钻压是重要的钻进参数之一，钻压的大小，直接影响钻进的效果。钻压偏小，钻进效率很低，甚至不进尺；当钻压达到一定值时，岩石产生体积破碎，在高转速的配合下可以达到很高的钻进效率；钻压过高时效率虽有所增加，但是排粉、冷却等却比较困难，金刚石容易压碎或脱粒，钻头磨损急剧增加，钻进效率反而下降。因此具体确定钻压值时，应根据岩石的压入硬度、抗压强度和金刚石的抗压强度，同时也应考虑到钻速、钻头类型和钻头结构等因素。

①根据岩石压入硬度确定钻压。作用于钻头上的钻压，应使每粒工作的金刚石与岩石接触应力大于岩石的抗压入硬度。其关系式为；

Py /mF=σ r

式中：Py —临界钻压（N）；F—单粒金刚石与岩石接触面积（mm2）；m—工作金刚石粒数；σ r —岩石压入硬度（Pa）。

②根据金刚石的强度确定钻压，作用于钻头上的钻压，应使每粒工作金刚石的接触压力小于金刚石的强度，其关系式为：

Py /mF≤σD

式中：σD —金刚石的抗压强度（Pa）。

③根据岩石抗压强度确定钻压，在一般情况下，为保证金刚石有效地破碎岩石，必须使金刚石接触面上的单位压力大于岩石的抗压强度，单位压力值应小于金刚石的抗压强度。三 者之间的关系可用下式表达：

σr＜σp＜σD

式中：σp—金刚石与岩石接触面上的单位压力（Pa）。

④对于孕镶金刚石钻头，所施钻压可根据经验公式计算：

Py=P·A

式中：P—推荐的单位压力（Pa）；A—钻头工作唇面与岩石的接触面积（cm2）。对中硬岩石，取P≈0.4～0.5N/cm2；对坚硬岩石或高质量金刚石，取P≈0.6～0.7kN/cm2 。

孕镶钻头的自锐工作原理，决定了可以实现恒钻速钻进的理想状态。其是否处于恒钻速状态，是鉴别正常钻进的主要标志。在一定的地层和技术条件下，孕镶钻头能否实现恒钻速钻进，很大程度上取决于钻压的选择是否合理。钻压小于恒钻速最小钻压时，将出现钻速下降现象，即钻头处于“打滑”状态。此时，应及时调整增大钻压，使之处于新的恒钻速状态。此状况也叫“定切入量钻进”，是一种较为理想地钻进钻遇控制模式。如图4-1所示。

⑤根据钻速合理确定钻压。

一般说来，在一定范围内钻速是随钻压的增大而增加的，如图1-2所示。钻压对钻速的影响也可分为三个区：Ⅰ为表面研磨破碎区，虽呈线性正比关系，但钻速极低；Ⅱ为疲劳破碎区，是一个过渡区，依靠多次重复、裂纹扩展而碎岩；Ⅲ为金刚石刃切入岩石的体积破碎区，该区内钻速随钻压增长很快。但与此同时，单位进尺金刚石的耗量也随钻压的增长而增大。而且过大的钻压不仅使金刚石耗量急剧增大，还会导致钻速下降。权衡两者，便可确定最优钻压范围。

1.2 影响钻压的有关因素

①使用新钻头，切削单元锋利，初磨阶段应轻压慢转，待钻头与孔底之间，内径同岩芯之间磨合后，再调整至正常的钻压与转速值。在正常钻进过程中，切勿随意变更压力。确系切削具磨钝，方可适当增大钻压。

②钻柱对压力的影响在钻进过程中，施于钻头上的轴向载荷，主要来自岩芯管上部钻柱的重量。钻压可用下面公式计算：

Py=W×L±W'

式中：W—钻杆单位长度重量（N/m）；L —钻杆长度（m）；W'—钻机油缸施加的轴向压力（提升力）（N）。

③转速对钻压的影响

由于钻柱与钻孔不同心，钻柱高速旋转所产生的离心力对孔壁存在侧向压力，它与转速的平方成正比。由于钻柱与孔壁之间存在摩擦，当钻柱向下移动时，侧压力Fn必然产生一个向上的摩擦力Fu，其大小与Fn、钻杆与孔壁间的摩擦系数有关。摩擦力Fu抵消部分钻柱重量，造成压力损失。因此要给予压力补偿。

④泵压对钻压的影响

因为岩芯钻探钻孔的孔壁间隙小，粗径钻具在孔内犹如活塞，必然被冲洗液的反作用力往上推，抵消部分钻柱压力。在浅孔中，泵压的影响更为明显。泵压的反作用力又称举升力，它与钻头上的液压降有关。规范推荐孕镶金刚石绳索取芯钻进适用钻压值如表1-1所示。

1.3 实际应用

目前钻压控制仪表简单，精确度差，对钻压的测量很不准确。钻压表显示出的钻压往往与规定的钻压差距很大，有时达几倍之多。因此在实践中经常采用控制钻速的办法来控制钻压，原则是钻头磨损正常，钻速平稳。

2  转速

转速亦是影响岩芯钻探钻进效率的主要因素之一。研究转速与钻速和钻头磨损之间的关系，对正确选择转速具有重要意义。

2.1 理论分析

①转速和钻速的变化规律，呈线性关系，如图2-1所示。

a—角闪片麻岩；b—混合岩化的片麻岩；c—均质混合片麻岩；d—闪长岩；e—花岗岩；f—石英岩。

②在不同的钻探条件下，转速与钻速的变化规律

A.较高的钻压下，转速对钻速的影响更为显著，成正比关系。

B.钻压偏低未达到碎岩应力时，钻头反而有被抛光的趋势，钻速随转速的增加而下降。

C.转速与钻头的磨损关系。转速的提高，钻头磨损会降低。这是因为随线速度提高，单位时间内的磨损量虽然有所增加，但是钻头单位时间内的进尺量亦随转速增加而增加。钻头的磨损呈增长趋势低于碎岩效率的提高，从而表现为转速增加，而相对磨损量下降。

D.转速的选择，应大体遵循以下几个原则：

a.在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中钻进，一般可采用较高转速；

b.在坚硬致密的岩层中钻进，主要靠压碎岩石，宜采用较低转速；

c.在复杂地层中钻进，宜采用较低转速；

d.转速与切削具磨损之间的关系比较复杂，其间存在一个合理值，即在一定的转速下，切削具的磨损量最小而钻速适中，钻头进尺最佳。转速过快或过慢，切削具的磨损量都会增加，钻速虽高，但钻头进尺量减少。

转速与线速度的关系用下式计算：

V=πDn/60

式中：V—圆周线速度（m/s）；D—钻头外径（m）；n—钻头转数（r/min）。

钻头转速一般根据圆周线速度计算，由于镶嵌在其上的金刚石出刃只有几十微米至几百微米，因此，要获得较好的钻进效率，主要靠提高单位时间内的切削岩石的次数。

一般孕镶钻头，采用1.5～3.0m/s的线速度，规程推荐转数见表2-1。

2.2 实际应用

在一定的条件下，转速越快，钻进效率就越高，但是受钻机性能、钻杆强度和岩石性质所限，转速也不可能无限制地提高。特别是对深孔来说，随着钻孔逐渐加深，钻具质量越来越大，钻杆与孔壁的摩擦阻力以及回转钻具的功率消耗也逐渐增加，导致转速达不到理想转速。所以在实践中的原则是在孔内正常的情况下，尽量采用高转速的原则。另外转速和钻压还有配合问题，钻压越大，转速就要相应降低。因此实际钻进过程中转速一般控制在200～500r/min。

3  泵量

泵量既冲洗液量，是岩芯钻探的另一重要规程参数，其作用除冷却钻头和清除岩粉外，在采用孕镶钻头钻进中，有时还利用它的变化来调节钻头的锐化和金刚石的出刃。金刚石钻头的钻具级配、切削刃小及所钻岩石较硬等特点，决定了冲洗液的过水断面小，流动阻力大。因此金刚石钻头是以较小的泵量和较高的泵压工作的。如泵量过大不仅会增加工作泵压，而且还会冲坏孔壁、冲蚀岩芯而易造成岩芯堵塞事故，使钻压过量减少，甚至造成钻具的振荡。当然，泵量不足也会发生排粉不畅，增大回转阻力，增加单位进尺金刚石的耗量。一旦严重不足，则会发生烧钻等严重事故。所以，金刚石钻头一般以保证上返流速来确定冲洗液量，即

Q=6VrF

式中：Q—冲洗液量（L/min）；Vr —冲洗液上返流速，一般取Vr ≥0.3～0.7m/s；F—孔壁间隙最大过水断面cm2。

用下式计算液体返流中岩粉悬浮时的最大颗粒直径。

D=（0.0055V2·γ1）/（γ1-γ）

式中：D—最大颗粒直径（mm）；V —液体返流速度（cm/s）；γ1—颗粒比重；γ —冲洗液比重。

影响冲洗液量的因素较多，具体选择时，还应考虑下列因素：

①岩层的完整度。钻进坚硬致密岩层，钻速低，岩粉少，颗粒细，液量可小些。尤其是孕镶钻头，尚需岩粉作自锐介质。

②钻进软、中硬的岩层，钻速较高，或易糊钻的岩层，为了快速排粉，冲洗液量宜大一些。

③钻进研磨性强岩层，由于高速摩擦，产生的热量较多，液量应大一些。

④钻进漏失地层，为补偿损失部分的液量，应大于正常情况。

⑤孕镶钻头由于金刚石出刃量小，唇面与孔底岩石接触面积大，过水条件差，又多采用高转速钻进，为及时冷却金刚石和胎体，避免金刚石石墨化和重复破碎岩粉，应采用较大水量。

根据经验，金刚石钻头常用的冲洗量见表4-4。施工时应根据上述因素和钻速高低，结合实际情况，适当调整冲洗液量。

4  优化参数

4.1优化钻进参数

钻压、转速和泵量这三个规程参数，虽然各自有其作用和特点，但在钻进过程中三者是相互配合和互相制约的。只有达到合理的配合，才能在提高钻速的同时减少钻头的磨耗，延长钻头的使用寿命，降低成本。

通过对钻头钻进时热物理过程的试验研究，获得了有关钻进规程参数与钻头胎体温度、功率消耗、机械钻速、胎体磨损之间的进一步认识，并提出了金刚石钻头的正常钻进规程和临界钻进规程的见解。试验表明：在正常钻进规程时，只要冲洗液量适当，胎体温度正常，功率消耗平稳，钻头磨耗轻微。而达到临界钻进规程以后，则胎体温度急剧上升，功率消耗急剧增大、钻头磨损严重，甚至发生烧钻，如图4-1所示。

对于某种岩石，其临界规程的P·n值基本上是一常数，其值可通过实验确定，如某地的花岗岩，P·n临界值为（61.1±3.8）×102kN·（r/min）。在实际钻进中，应根据岩石特性和设备能力对钻进规程参数进行调整和优化，使P·n值必须小于临界值，以免钻头过分磨损或发生烧钻；但P·n值也不能过小，规程过小会直接影响钻进效率。值得注意的是：想单纯依靠增加冲洗液量来降低临界规程时所产生的高温和解决烧钻问题，是不可能的。

4.2 施工过程中的实际钻进参数

在实际生产中钻进参数需要根据地层情况合理配合使用，才能达到提高钻进效率的目的，这就需要操作人员要不断学习和总结经验，提高自身的技术素质和技能，才能真正根据时时变换的孔内条件及时调整钻进参数，做到最佳配合。另外，要加强技术参数的检测的研究，使各种仪器仪表更直接、更量化的反映出钻探状况，实现真正意义的“科学钻探”。

钻孔施工中的实际采用钻进参数如表4-1。

5  结论

选择合理的钻进参数对地质岩芯钻探施工具有多方面的意义，主要体现在以下几个方面：

5.1提高钻探效率

①优化钻压和转速：合理选择钻压和转速能够有效破碎地层，同时避免钻头过度磨损。例如，在硬地层中采用低转速和高钻压相配合，可以有效破碎岩石；而在软地层中则采用低钻压和高转速相结合。这种优化能够显著提高钻进速度，减少钻探周期。

②减少起下钻次数：通过合理调整钻进参数，可以减少因钻头磨损或钻具损坏而频繁起下钻的情况。例如，使用合适的钻压和转速可以延长钻头寿命，减少钻头更换频率。

5.2保证岩芯质量

①提高岩芯采取率：合理的钻进参数能够减少岩芯的破碎和丢失。例如，在松散地层中采用较低的钻压和适当的转速，可以避免岩芯被过度挤压或破碎。同时，合适的钻进参数也有助于保持钻孔的稳定性，减少孔壁坍塌对岩芯的影响。

②保持岩芯完整性：在钻进过程中，合理的参数能够减少对岩芯的扰动，尤其是在易碎或易溶蚀的地层中，适当的钻压和转速可以避免岩芯被破坏。

5.3降低钻探成本

①减少设备磨损：合理的钻进参数可以减少钻头、钻杆等设备的磨损。例如，避免过高的钻压和转速可以延长钻头和钻杆的使用寿命。此外，减少起下钻次数也可以降低设备的机械磨损。

②降低事故风险：通过优化钻进参数，可以减少钻孔偏斜、卡钻等事故的发生。例如，合理的钻压和转速可以保持钻孔的稳定性，减少孔壁坍塌和钻具卡钻的风险。

5.4提高钻探安全性

①减少孔内事故：合理的钻进参数可以减少因钻压过大或转速过高导致的孔内事故，如钻头损坏、钻杆断裂等。同时，合适的钻进参数也有助于保持钻孔的稳定性，减少孔内坍塌的风险。

②保障人员安全：减少设备磨损和事故风险，不仅可以降低设备维修和更换的频率，还可以减少因设备故障或事故导致的人员伤亡。

5.5提高地质信息准确性

①准确反映地层情况：合理的钻进参数能够确保岩芯的代表性，从而更准确地反映地层的地质信息。例如，在不同地层中选择合适的钻进参数，可以避免岩芯被污染或破坏，确保地质分析的准确性。

②优化钻孔轨迹：通过合理选择钻进参数，可以更好地控制钻孔轨迹，确保钻孔按照预定顶角和方位角钻进，这对于获取目标地层的岩芯以及避免钻孔偏离目标层具有重要意义。

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