[科普中国]-金刚石钻探

金刚石钻探是指用金刚石作磨料制成的钻头，以回转方式破碎孔底岩石，用岩心管取岩（矿）心的一种钻探方法。由于金刚石的硬度大，耐磨、抗压性能好，所以它能钻进多种坚硬岩石，也能打各种不同角度和深度的钻孔，具有钻进效率高、质量好、钢材消耗少、设备轻便等优点。人造金刚石的试制成功和质量的不断提高，为我国钻探工程采用金刚石钻进开辟了广阔的前景。1

发展历史金刚石钻探技术始于1862年，当时用手镶法将大颗粒金刚石镶嵌在钻头上，首先用于掘进隧道，以后才逐渐以环状钻头带单层岩心管用于煤、铁、石油和天然气等矿产取心钻探。20世纪30年代以来，金刚石钻探逐渐成为钻探工程的主要方法之一。

主要优点其主要优点是钻进效率高、钻孔质量好、设备工具轻、劳动强度低、孔内事故少、钻探成本低。

磨料自1862年起用金刚石制作钻头以来，经历了黑色金刚石、天然金刚石和人造金刚石钻头的 3个发展阶段。

黑色金刚石产于巴西，是一种硬度最高而坚韧的天然黑色金刚石,价格昂贵,早期用于手镶金刚石钻头，现仍部分用于油井钻头的内锥面部位。

天然金刚石属于非宝石级的完整晶体或团块状金刚石颗粒，多产于非洲、印度、苏联和澳大利亚等地。经挑选和表面处理后按粒度大小分别用于地质钻探、石油天然气钻探制作表镶或孕镶钻头。天然金刚石按品质分级，如扎伊尔、美国等分为“AAA”、“AA”、“A”、“C”和“等外”5个等级。中国地质矿产部分为“特级(TT)”、“优质级(TY)”、“标准级(TB)”、"低级(TD)”和“等外级(TX、TS)”5级。“等外级”为细小晶粒或碎粒，用做孕镶钻头。

人造金刚石在高温、高压条件下研制而成。美国通用电气公司于1955年首先制成人造金刚石并逐渐用于制造孕镶钻头。以后在世界范围内不断研究出钻探用多种类型的人造金刚石，如高强度、热稳定性良好（耐1200℃）的单晶，大颗粒（50粒/克拉mm级）单晶，用人造金刚石微粉经二次烧结合成的聚晶和镶嵌体（含骨架金属），以及有硬质合金为衬片的复合片等。人造金刚石钻头已大量取代了天然金刚石钻头。

制造工艺金刚石钻头的制造除早期手镶法外，有粉末冶金法的冷压浸渍法、热压法、敲振浸渍法、低温电镀法；制造复合片钻头兼用粉末冶金法和钎焊法。

钻头品种钻头品种除最常用的表镶和孕镶钻头外，聚晶钻头和复合片钻头正处于发展阶段。为满足不同岩层取岩心的要求还要设计成与不同结构取心管匹配的单管钻头、双管钻头、绳索取心钻头及不取心钻头、套管钻头、扩孔钻头、导斜用锥形钻头等。使用中要根据所钻岩层特性，选用不同唇面形状，如平底形、圆底形、阶梯形、尖齿形、锯齿形、双锥形和底喷式等。

应用范围金刚石是矿物硬度最大的矿物，因此可以取代钢粒钻进应用于中硬以上地层。随着金刚石切削具形状的变化（出现片状、三角状），使金刚石亦可应用于中硬以下软地层中钻进。

金刚石钻探在孔径和孔深方面几乎不受限制，最小孔径为28mm，最大孔深已达4000m。金刚石钻探可以打任意角度的钻孔。但是，遇到破碎、裂隙发育地层，较易产生金刚石崩裂，岩心堵塞；另外，遇到石英砂岩等研磨性强的地层，钻头寿命大大降低。1

钻探工艺主要包括选用合适的岩心管和钻头类型，合理采用钻头压力、转速、冲洗液泵量等，以获取最佳的钻探效果。

①岩心管选择：为提高岩(矿)心采取率和品质，以供观察、试验研究与化验分析，一般多用单动双层岩心管；煤层或其他松软岩矿层宜选用带半合管的双层或三层岩心管。硬脆碎岩矿层常选用孔底反循环钻具来提高岩矿心采取率。

②钻头选择：一般完整的、研磨性不高的中硬至硬岩层选用表镶钻头；硬至坚硬或裂隙性岩层选用孕镶钻头；软的和中硬岩层可用复合片钻头；各型聚晶体和镶嵌体钻头已逐渐发展用于中硬至部分硬岩层钻进。

③压力、转速、冲洗液选择：表镶钻头压力根据唇面工作的每粒金刚石与岩石接触应力大于岩石之极限抗压强度δR, 同时又不超过金刚石之强度δP。孕镶钻头压力一般根据钻头唇面与岩层接触的单位面积计算。原则要保持有良好自锐和恒钻速特点，选择范围在 4.9～9.8×106帕，表镶钻头一般线速度为1～3.5米/秒，孕镶钻头为1.5～4.0米/秒，钻探时多用乳化液（清水加乳化剂）或低固相泥浆作循环冲洗液。一般按钻头直径计算每1厘米钻头直径的泵量取5～8升/分。金刚石钻探要求钻机具有转速高、变速档次多、扭矩较大和给进平稳等特性,以适应不同岩层和钻头线速的需要。配用的泥浆泵要求排量稳定、泵量可调整，以适应不同孔径的需求。钻孔内的钻具（钻杆、接头、岩心管、套管等）要求有高精度加工和高强度连接性能，以保证钻具在高速回转时的动平衡稳定性，提高钻速保证孔内安全。随着金刚石钻探磨料、钻头制造和钻探工艺的不断改进和完善，特别是高强度、热稳定性良好的大颗粒单晶人造金刚石和各种聚晶、镶嵌体的不断研制与开发，金刚石钻探将不断扩大其应用领域。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学