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金剛石鑽探。用金剛石作磨料製成的鑽頭,以迴轉方式破碎孔底岩石,用岩心管取岩(礦)心的一種鑽探方法。金剛石鑽探技術始於1862年,當時用手鑲法將大顆粒金剛石鑲嵌在鑽頭上,首先用於掘進隧道,以後才逐漸以環狀鑽頭帶單層岩心管用於煤、鐵、石油和天然氣等礦產取心鑽探。

1 金剛石鑽探 -金剛石鑽探

 

2 金剛石鑽探 -正文

  用金剛石作磨料製成的鑽頭,以迴轉方式破碎孔底岩石,用岩心管取岩(礦)心的一種鑽探方法。金剛石鑽探技術始於1862年,當時用手鑲法將大顆粒金剛石鑲嵌在鑽頭上,首先用於掘進隧道,以後才逐漸以環狀鑽頭帶單層岩心管用於煤、鐵、石油和天然氣等礦產取心鑽探。20世紀30年代以來,金剛石鑽探逐漸成為鑽探工程的主要方法之一。其主要優點是鑽速快、岩(礦)心採取率高、岩(礦)心品質好,鑽頭壽命長、成本低,尤其在硬岩層和深孔鑽探時優點更為突出。金剛石鑽探技術的 4個要素是:①金剛石磨料;②鑽頭製造工藝和品種;③鑽探工藝;④地面設備及鑽具。
  金剛石磨料  自1862年起用金剛石製作鑽頭以來,經歷了黑色金剛石、天然金剛石和人造金剛石鑽頭的 3個發展階段。
  黑色金剛石產於巴西,是一種硬度最高而堅韌的天然黑色金剛石,價格昂貴,早期用於手鑲金剛石鑽頭,現仍部分用於油井鑽頭的內錐面部位。
  天然金剛石屬於非寶石級的完整晶體或團塊狀金剛石顆粒,多產於非洲、印度、蘇聯和澳大利亞等地。經挑選和表面處理后按粒度大小分別用於地質鑽探、石油天然氣鑽探製作表鑲或孕鑲鑽頭。天然金剛石按品質分級,如扎伊爾、美國等分為「AAA」、「AA」、「A」、「C」和「等外」5個等級。中國地質礦產部分為「特級(TT)」、「優質級(TY)」、「標準級(TB)」、"低級(TD)」和「等外級(TX、TS)」5級。「等外級」為細小晶粒或碎粒,用做孕鑲鑽頭。
  人造金剛石在高溫、高壓條件下研製而成。美國通用電氣公司於1955年首先製成人造金剛石並逐漸用於製造孕鑲鑽頭。以後在世界範圍內不斷研究出鑽探用多種類型的人造金剛石,如高強度、熱穩定性良好(耐1200℃)的單晶,大顆粒(50粒/克拉mm級)單晶,用人造金剛石微粉經二次燒結合成的聚晶和鑲嵌體(含骨架金屬),以及有硬質合金為襯片的複合片等。目前,人造金剛石鑽頭已大量取代了天然金剛石鑽頭。
  鑽頭製造工藝和品種  金剛石鑽頭(圖1)製造除早期手鑲法外,有粉末冶金法的冷壓浸漬法、熱壓法、敲振浸漬法、低溫電鍍法;製造複合片鑽頭兼用粉末冶金法和釺焊法。

金剛石鑽探金剛石鑽探

  鑽頭品種除最常用的表鑲和孕鑲鑽頭外,聚晶鑽頭和複合片鑽頭正處於發展階段。為滿足不同岩層取岩心的要求還要設計成與不同結構取心管匹配的單管鑽頭、雙管鑽頭、繩索取心鑽頭及不取心鑽頭、套管鑽頭、擴孔鑽頭、導斜用錐形鑽頭等(圖2)。金剛石鑽探使用中要根據所鑽岩層特性,選用不同唇面形狀,如平底形、圓底形、階梯形、尖齒形、鋸齒形、雙錐形和底噴式等。
  鑽探工藝  主要包括選用合適的岩心管和鑽頭類型,合理採用鑽頭壓力、轉速、沖洗液泵量等,以獲取最佳的鑽探效果。
  ①岩心管選擇。為提高岩(礦)心採取率和品質,以供觀察、試驗研究與化驗分析,一般多用單動雙層岩心管;煤層或其他鬆軟岩礦層宜選用帶半合管的雙層或三層岩心管。硬脆碎岩礦層常選用孔底反循環鑽具來提高岩礦心採取率。
  ②鑽頭選擇。一般完整的、研磨性不高的中硬至硬岩層選用表鑲鑽頭;硬至堅硬或裂隙性岩層選用孕鑲鑽頭;軟的和中硬岩層可用複合片鑽頭;各型聚晶體和鑲嵌體鑽頭已逐漸發展用於中硬至部分硬岩層鑽進。
  ③壓力、轉速、沖洗液選擇。表鑲鑽頭壓力根據唇面工作的每粒金剛石與岩石接觸應力大於岩石之極限抗壓強度δR, 同時又不超過金剛石之強度δP。孕鑲鑽頭壓力一般根據鑽頭唇面與岩層接觸的單位面積計算。原則要保持有良好自銳和恆鑽速特點,選擇範圍在 4.9~9.8×106帕,表鑲鑽頭一般線速度為1~3.5米/秒,孕鑲鑽頭為1.5~4.0米/秒,鑽探時多用乳化液(清水加乳化劑)或低固相泥漿作循環沖洗液。一般按鑽頭直徑計算每1厘米鑽頭直徑的泵量取5~8升/分。
  地面設備及鑽具  金剛石鑽探要求鑽機具有轉速高、變速檔次多、扭矩較大和給進平穩等特性,以適應不同岩層和鑽頭線速的需要。配用的泥漿泵要求排量穩定、泵量可調整,以適應不同孔徑的需求。鑽孔內的鑽具(鑽桿、接頭、岩心管、套管等)要求有高精度加工和高強度連接性能,以保證鑽具在高速迴轉時的動平衡穩定性,提高鑽速保證孔內安全。
  發展前景  隨著金剛石鑽探磨料、鑽頭製造和鑽探工藝的不斷改進和完善,特別是高強度、熱穩定性良好的大顆粒單晶人造金剛石和各種聚晶、鑲嵌體的不斷研製與開發,金剛石鑽探將不斷擴大其應用領域。(見彩圖)

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  參考書目
 J. D. Cumming, Diamond Drill Handbook ,Hunter Rose Company,Toronto,1980.

 

3 金剛石鑽探 -配圖

 

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