金刚石钻头及其破碎岩石过程浅析

金刚石钻头及其破碎岩石过程浅析

李勇军

安徽省煤田地质局第二勘探队安徽芜湖241006

摘要：金刚石又称钻石，是大自然最坚硬的宝石，也是迄今最坚硬的研磨切削材料。长期以来，人们就利用金刚石特有的坚硬性来钻凿岩石或切割瓷器、玻璃等。但金刚石以切削工具用于钻探工作，是近百年的事情。作者根据多年使用金刚石钻头钻进的经验，对金刚石钻头及其在钻进过程中碎岩的情况进行简单介绍。

关键词：金刚石钻头；岩石；孔底；碎岩过程

因为金刚石的坚硬性强，被广泛运用到地质钻探工艺中。现在运用到钻探工艺中的金刚石主要有天然金刚石（“包步兹”、“刚果”、“巴拉斯”、“雅库特”）和人造金刚石（单晶、聚晶、复合片）。

1.金刚石钻头特性及种类

1.1金刚石钻头的特性

金刚石钻头根据材质不同，其特性也不同。现分别对天然金刚石钻头和人造金刚石钻头的特性进行简单说明。

1.1.1天然金刚石钻头的特性

天然金刚石钻头，其金刚石为结晶体碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定。天然金刚石钻头硬度极高、有极大的抗静压强度、耐磨性强。天然金刚石钻头的缺点：一是脆性较大，遇冲击出现脆裂；二是热稳定性差，高温下氧化并“石墨化”。因此天然金刚石钻头在使用时尽量避免受到冲击，同时要及时冷却切削刃。

1.1.2人造金刚石钻头的特性

人造金刚石钻头分为单晶、聚晶和复合片三种。人造单晶金刚石钻头，金刚石呈单个晶体。人造聚晶金刚石钻头，金刚石是由细小的金刚石微粒在黏结剂参与下烧结成较大颗粒的多晶金刚石。人造复合片金刚石钻头，金刚石是由一薄层（0.2mm-0.5mm）金刚石多晶层和一较厚（2mm-3mm）的硬质合金层组成的圆柱状复合体。这种镶焊符合片的钻头称为复合钻头。总体来说，用于钻探的人造金刚石钻头，硬度极高，抗静压强度大，耐磨性强，散热比硬质合金快。但是，在钻进过程中，容易受热损伤，其强度和耐磨性都会受到影响，因此在钻探过程中必须充分冷却，防治发生烧钻事故。

1.2金刚石钻头的种类

根据金刚石的来源和镶焊工艺的不同以及碎岩特点，通常金刚石钻头和扩孔器可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体（包括复合片）金刚石钻头。

1.2.1表镶金刚石钻头

这种钻头，钢质的圆筒状钻头体上部车有丝扣，下部烧结有钻头胎体，金刚石的颗粒是包镶在钻头胎体的表面上。表镶金刚石钻头大都选用天然金刚石，常用的颗粒为15-60粒/克拉。表镶钻头用的金刚石粒度，粗粒的一般在15-25粒/克拉，适用于中硬岩层钻进。中粒一般在25-40粒/克拉，适用于硬岩层钻进。细粒一般在40-60粒/克拉，适用于坚硬岩层钻进。

1.2.2孕镶金刚石钻头。

这种钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒，钻进时胎体磨损，金刚石不断出露克取岩石，可以一直将胎体全部磨完，都有新出露的金刚石进行工作。孕镶钻头使用的天然和人造金刚石粒度取决于所钻岩性。人造金刚石钻头粒度在46-60目的，适用于中硬-硬的岩石钻进，粒度在60-100目的，适用于硬-坚硬岩石钻进。天然金刚石钻头粒度在20-40目的，适用于中硬-硬岩层钻进，粒度在40-80目的，适用于硬-坚硬岩层钻进。孕镶金刚石钻头在我国钻探施工中使用较广，与表镶钻头相比优越性明显，这种钻头对于金刚石品质的要求低于表镶钻头；抗冲击荷载能力好，如果唇面金刚石发生剪崩对钻进效果的影响小，对违反操作规程的敏感程度也小，工业制造过程相对简单。

1.2.3聚晶金刚石复合体钻头

聚晶金刚石复合体钻头，是采用金刚石微分与硬质合金衬底为原料用粉末冶金的方法烧结而成的复合超硬材料做成的钻头。由于它有金刚石聚晶层极高的耐磨性和硬质合金的抗冲击性，因而广泛地应用于地质钻探中。聚晶金刚石复合体钻头，主要应用于煤田、石油地质钻探中软到中硬岩层，随着钻头制作新技术的出现，目前也可以用在硬岩层和长段的硬岩层钻进。

2.金刚石钻头钻进中碎岩过程

金刚石钻头在钻进过程中破岩情况比较复杂，与很多因素有关。笔者认为，金刚石钻进过程中破岩主要是根据岩石的性质，采用一定的钻探工艺，利用金刚石钻头对岩石研磨、剪切、切削、压皱和压入等方式实现的。

2.1粗粒金刚石钻头钻进中碎岩过程

岩石表面上单粒金刚石，两者接触面积是微小的。在垂直荷载力的作用下，压入岩石一定的深度，同时加以水平力（回转力）。假如岩石塑性很大，则金刚石前面的棱面将以剪切方式破岩，剪切体由小到大，当达到大剪切体崩掉后，水平力由大而下降到零。继之，金刚石继续压入剪切，剪切体又从小到大，直到再次大剪切体破碎，如此循环剪切下去。同时在金刚石切过的槽面上会有微小裂隙，出现压裂现象。这样的破岩形式是以剪切为主，压碎为辅。在坚硬岩石上，金刚石在垂直荷载力作用下切入岩面，但深度极小。在与金刚石接触的轮廓线上产生裂隙并形成裂隙区，在水平力作用下，金刚石前进而随之形成裂隙带。金刚石前进的后方岩石面产生张应力更助长裂隙伸展。重复的压、张作用促使裂隙伸展、相交，造成体积分离。在金刚石钻进中又会将破碎中残留的凸起块剪掉，这样破碎岩石方式是以压碎为主剪切为辅。

2.2细粒金刚石钻头钻进中碎岩过程

一般来说，孕镶钻头是细粒金刚石制造的。细粒金刚石钻头在钻进中破岩是以磨削方式进行的。就像砂轮磨削金属材料一样。由于金刚石颗粒细磨痕微浅，所产生的岩石破碎只是表面破碎。细粒金刚石钻头碎岩过程与粗粒的相似，只是它破碎的深度比粗粒的浅。对于硬脆性岩石，则以压皱、压碎方式为主。对于软岩和塑脆性岩石，则以剪切、切削为主，都属于微量的体积破碎。

2.3钻进中孔底破碎岩石的过程

2.3.1表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

把钻头上的一粒金刚石看作在垂直压力（轴向压力）和水平压力（切向力）作用下沿岩石表面移动的切削具，岩石破碎时水平压力克服岩石抵抗破碎的反力和摩擦力上。表镶单粒金刚石在垂直力和水平压力共同作用下，类似球体压入岩石产生大小剪切体，切槽宽度大于金刚石颗粒直径。金刚石被磨钝时，在垂直压力和水平压力作用下岩石中出现一些微小的裂纹，岩石的致密结构被改变。孔底某一点经多次重复加载产生破碎，具有疲劳破碎的性质。

2.3.2孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程。

孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程有别于表镶金刚石钻头。金刚石的颗粒小且埋藏于胎体之中，孕镶钻头必须在钻进过程中保持自磨出刃的性能，才能维持钻速恒定而不减退。其碎岩机理类似于砂轮磨削工具。以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。唇面金刚石出露较好时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用。如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，则孔底过程中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。

结束语

金刚石钻头是当前地质勘探中主要采用的钻探工具，为了获得更好的地质效果和经济指标，在金刚石钻头的选择和使用时，必须根据勘探区岩石的物理性质合理选择金刚石钻头。随着国民经济的快速发展和科学技术的突飞猛进，金刚石钻头在地质钻探中的优势将会越来越明显。

参考文献

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