摘要：近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)迅速發(fā)展，地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、建筑、水文勘查、橋梁道路工程施工等各行業(yè)也都有了令人矚目的發(fā)展。鉆探行業(yè)作為上述行業(yè)的前期基礎(chǔ)性服務(wù)行業(yè)，其發(fā)展速度更是一日千里。文章主要介紹了幾種特殊熱壓金剛石鉆頭的特點(diǎn)，并對(duì)其鉆進(jìn)原理、應(yīng)用范疇、應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)及不足進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：特異形鉆頭；地質(zhì)鉆探；鉆探施工；地勘工程

中圖分類號(hào)：P634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）29-0044-02

從19世紀(jì)50年代第一個(gè)真正義意上的金剛石鉆頭被設(shè)計(jì)出來(lái)并投入使用，到如今，金剛石鉆頭已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近兩百年的衍化與改進(jìn)。鉆頭設(shè)計(jì)的目的性與特異性也悄然發(fā)生著改變。

1 具體鉆頭的種類及介紹

1.1 斜齒同心圓式鉆頭

在地質(zhì)鉆探中，斜齒形鉆頭比平底型、圓弧型及普通尖齒型唇面的金剛石鉆頭擁有較高的機(jī)械鉆速。因?yàn)樾饼X式鉆頭的唇面擁有一條自上而下的傾斜度唇面（其傾斜度約為15°～20°），所以在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)大大減小鉆頭與巖石的接觸面積，約為普通平面鉆頭的30%～40%。因其鉆進(jìn)接觸面小，因而有較高的鉆進(jìn)速度，另其特殊的斜面為其提供了較大過(guò)水?dāng)嗝?，為鉆進(jìn)中的冷卻和攜帶巖粉提供了良好的幫助，能夠很好地保護(hù)鉆頭，減免其因?yàn)闇囟冗^(guò)高而引起燒鉆等問(wèn)題。

斜齒鉆頭的缺點(diǎn)是：因?yàn)槠溷@進(jìn)接觸面較小，它沒(méi)有辦法像平唇面鉆頭那樣保持很好的穩(wěn)定性，在破碎巖石中鉆進(jìn)會(huì)引起鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭的跳動(dòng)，這就對(duì)操作人員的操作水平提出了更高要求。穩(wěn)定性因素自然也會(huì)引起鉆頭保徑效果的降低，從而無(wú)法對(duì)孔徑做出精確的控制。另外，由于其唇面是自上而下的傾斜面，位于低處的唇面有時(shí)會(huì)無(wú)法發(fā)揮全部的鉆進(jìn)效能，從而影響鉆頭的使用壽命，同時(shí)也在一定程度上增加了鉆進(jìn)成本。

1.2 高胎體金剛石鉆頭

高胎體金剛石鉆頭是有效鉆進(jìn)工作層達(dá)15～20mm的特殊金剛石鉆頭。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的鉆頭其有效鉆進(jìn)工作層普遍為5～10mm之間。隨著1000m左右的深孔鉆探越發(fā)普及，鉆進(jìn)效率及成本越來(lái)越被人們所關(guān)注。但鉆頭的使用壽命及有效鉆進(jìn)時(shí)間嚴(yán)重制約了鉆進(jìn)的效率。這是因?yàn)殂@孔越深，提取巖芯、取下鉆等輔助工序會(huì)占用近70%的鉆探時(shí)間。繩索取芯工藝雖然能縮短一些時(shí)間，但仍無(wú)法滿足當(dāng)下對(duì)效率的追求。這就需要一種長(zhǎng)壽命鉆頭與繩索取芯鉆具相配合來(lái)提高鉆探的經(jīng)濟(jì)效益。而高胎體金剛石鉆頭就是在這樣的情況下被研制出來(lái)的。在湖南某一工地中，高工作層單個(gè)鉆頭鉆進(jìn)總尺寸達(dá)450多米。

高胎體金剛石鉆頭外形如圖1所示：

圖1 高胎體金剛石鉆頭

由于此種鉆頭有效工作層達(dá)17～20mm，是傳統(tǒng)金剛石鉆頭的兩倍。理論上其使用壽命可達(dá)普通金剛石鉆頭的兩倍，大大節(jié)約了鉆進(jìn)過(guò)程中的輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于高胎體金剛石鉆頭胎體較長(zhǎng)，在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭與鉆進(jìn)孔壁的接觸面積較普通鉆頭要大，大大減輕鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的渦動(dòng)、左右搖晃等復(fù)雜振動(dòng)，可以很好地保護(hù)鉆頭，提高鉆頭保徑效果，并使孔壁尺寸更精準(zhǔn)，為鉆孔的維護(hù)有很大的幫助。最重要的一點(diǎn)，就是實(shí)用的高胎體鉆頭解決了鉆探行業(yè)耐磨鉆頭效率低、高效率鉆頭壽命短的難題，較好地實(shí)現(xiàn)了鉆頭壽命與效率的統(tǒng)一。

1.3 齒輪鉆頭

齒輪式鉆頭比一般普通鉆頭的唇面多出了一半的排渣排水槽，因此與鉆進(jìn)面的接觸面積比普通鉆頭小很多，在相同軸心壓力的作用下，孕鑲其中的金剛石顆粒所受的壓力大，可以增加吃入巖石的深度，于是它會(huì)有更高的鉆進(jìn)速度；而且由于它的水槽比普通鉆頭要多，所以在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭的冷卻條件比一般鉆頭要好得多，并有利于巖屑及渣子排出。這樣就不容易引起燒鉆，減少孔內(nèi)事故。

其缺點(diǎn)是，由于水口多，接觸面積小。雖然可以提高鉆進(jìn)速度，但磨損速度要較之普通鉆頭快。同時(shí)由于齒和齒之間的空隙較大，所以在鉆進(jìn)較軟的地層時(shí)，泥屑及巖粉會(huì)很快地塞實(shí)其間，會(huì)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程有一定的影響。但是在硬質(zhì)地層、進(jìn)齒緩慢的地層中，齒輪式鉆頭會(huì)發(fā)揮很有效的作用。

1.4 多階梯式防斜鉆頭

多階梯式防斜鉆頭如圖2所示：

圖2 多階梯式防斜鉆頭

從圖2中我們可以看到，這種鉆頭的唇面是由上而下由一層一層的階梯組成，像一個(gè)寶塔形狀。鉆進(jìn)時(shí)，頂部最高唇面最先入巖，迅速嵌入地層，很快創(chuàng)出自由面，有效減少了鉆頭橫向振動(dòng)。頂部入齒后，下一級(jí)的臺(tái)階進(jìn)入第一級(jí)階梯所鉆出的自由面，類似于擴(kuò)孔功能，使巖層的阻力向斜下傳導(dǎo)，有效地減少鉆進(jìn)過(guò)程中所受的阻力，而且由于是層步鉆進(jìn)，頂部的層齒具有很好的導(dǎo)向作用，其后的層齒又具有很好的糾正作用。綜合起來(lái)，這種形式的設(shè)計(jì)就具有了很好的防斜功能，在鉆進(jìn)中具有很好的穩(wěn)定性，它所鉆出的鉆孔垂直度高，巖芯的采取率很高。它所具有的層齒結(jié)構(gòu)，使得它在鉆進(jìn)中始終保持著與鉆進(jìn)面很小的接觸面積，因而它的鉆進(jìn)速度很快。長(zhǎng)直而整齊內(nèi)部結(jié)構(gòu)也使得它對(duì)巖芯起到很好的保護(hù)作用，進(jìn)一步提高巖芯的采取完整度。

防斜式鉆頭適用性很廣泛：其適用于完整的中硬、中硬-硬質(zhì)巖層。它既能在高轉(zhuǎn)速下有高進(jìn)尺，而且在較低轉(zhuǎn)速上仍能有較好的鉆進(jìn)效果。由于其獨(dú)特的導(dǎo)向性作用，它也被很廣泛地應(yīng)用在斜孔鉆進(jìn)工程中。在江西一個(gè)易斜、軟硬互層工地，鉆孔為85°的斜孔，使用硬度為15/20的多階梯防斜鉆頭，很好地解決了鉆孔易斜、孔位偏移等問(wèn)題，并且鉆進(jìn)時(shí)效及鉆頭壽命都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。但是此類型的鉆頭卻不能應(yīng)用于破碎地層，因?yàn)樵谄扑榈貙鱼@頭在鉆進(jìn)過(guò)程中容易受力不均，加之此種鉆頭頂面唇面與地層接觸面很小，所以會(huì)在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)斷齒、胎體掉塊等情況。

1.5 底噴式鉆頭

所謂底噴式金剛石鉆頭就是指在鉆頭胎體端面水口處有通水孔，而鉆頭內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)水槽，胎體端面的底水口也不與內(nèi)側(cè)相連通。底噴式鉆頭如圖3所示：

圖3 底噴式鉆頭

我們可以看到，底噴式鉆頭內(nèi)部通水是由不與內(nèi)壁相連通的通水孔中排出，出水眼噴出的沖洗液主要經(jīng)由外水槽排出，大大減少了沖洗液對(duì)巖芯的沖蝕。底噴式金剛石鉆頭主要用于解決諸如粉狀巖礦層、遇水粉化或膨脹地層、軟硬互交地層、煤層及容易受沖洗液干擾的硬脆碎地層難以采取巖芯的問(wèn)題。由于它內(nèi)管通水是經(jīng)由水口上的通水孔排出，不僅冷卻效果很好，還可以防止巖屑、泥渣等阻塞水口。因此它在松軟地層、破碎或煤系地層，是一種必不可少的鉆頭類型。

2 結(jié)語(yǔ)

從文中我們可以看到，隨著現(xiàn)代地勘工程不斷發(fā)展，鉆探施工中遇到的各種各樣的問(wèn)題也會(huì)逐步增加，越來(lái)越需要有特異性、專用適應(yīng)性的鉆頭類型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。但到今天還是有許多復(fù)雜多變的地層尚未找到其適用的鉆頭來(lái)配合其鉆進(jìn)。這就需要我們投注更多的目光與努力，設(shè)計(jì)研究出更多更新的鉆頭品種來(lái)處理這些問(wèn)題。同時(shí)希望本文能對(duì)鉆探行業(yè)尤其是從事鉆頭生產(chǎn)的廠家和使用者起到一點(diǎn)啟發(fā)，在鉆頭研發(fā)的道路上能走得更遠(yuǎn)、想得更深，為我國(guó)的鉆探行業(yè)投注新的活力，創(chuàng)造新的輝煌。

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作者簡(jiǎn)介：高玉彬（1985-），男，湖南狀元金剛石制品公司助理工程師，研究方向：熱壓孕鑲金剛石生產(chǎn)及研發(fā)。