第三章金刚石钻进

第三章金刚石钻进第一节钻探用金刚石第二节金刚石钻探原理第三节金刚石钻头及扩孔器第四节金刚石钻进规程第五节金刚石钻探的操作及注意事项•金刚石又称“钻石”，是大自然中最坚硬的宝石。英文中钻石一词，源自希腊文“adnmas”，是“无法征服”的意思。长期以来，人类就利用金刚石特有的坚硬性来钻凿岩石或切割瓷器等。但金刚石以切削具的形式用于钻探工作，则是近百年来的事情。世界上第一台金刚石手摇钻机，出现于1862年，当时用于隧道工程掘进中的爆破孔。此后，金刚石钻进逐渐在一些发达国家中获得应用；由于当时所用金刚石都是大颗粒的高级品，价值十分昂贵，所以它的发展受到了限制，后来随着粉末冶金技术的发展，廉价的细粒金刚石被应用于钻孔技术；从此，金刚石钻进才得到较大的发展。近年来随着人造金刚石和金刚石复合超硬材料的应用，更展示了金刚石钻进技术具有广阔的发展前景，目前，金刚石钻进是矿山勘探中的主要钻进、探矿方法。•我国金刚石钻进技术的研究工作，开始于1957年，1963年制成了表镶天然金刚石钻头。与此同时，人造金刚石在我国也已开始制造；1972年制成了人造金刚石钻头并试用于生产实践中；此后，金刚石钻进技术在我国迅速发展起来，人造金刚石厂和钻头制造车间大量兴起，产品成倍增加，质量不断提高，品种亦不断增多，制造钻头的新方法也相继研究成功。在钻探设备方面还研制出多种适用于小口径金刚石钻进的新型钻机；小口径管材和工具亦形成系列；此外，还研制出各种适用的冲洗液及孔内、地表用的各种仪表。•现今。金刚石钻进技术已推广到全国各行业的矿山勘探中。•金刚石钻进的常用钻具由钻头1、扩孔器2、岩心管3、异径接头4和钻杆5等所组成，如图3-1所示。钻头1镶有作为切削具的金刚石以破碎岩石；扩孔器2上也镶有金刚石以修整孔壁；岩心管3以容纳所钻岩心，有单层与双层之分。双层岩心管应用较为广泛。•单层岩心管如图3-2(a)所示；卡簧2装在钻头1上方的扩孔器3内，提钻时，卡簧可把岩心卡住并随钻具提出孔外。单管钻具只用于钻进完整地层。双层岩心管如图3-2(b)所示；内管7是静止不转的，可容纳岩心使之不受扰动。外管6传递扭矩于钻头1。冲洗液经内外管间隙流向孔底，使岩心不受冲蚀。内管下端装有卡簧2的卡簧座，其作用与单层管相同。•实践证明，金刚石钻进比其它钻进方法有许多优越性，它具有钻进效率高、钻探质量好、孔内事故少、钢材消耗少、成本低及应用范围广等特点。•金刚石钻进的孔径不受限制，最小为28mm，最大达300mm；孔深可超过4000m。因此，它广泛地用于金属和非金属、煤田、石油等地质勘探中，也用于石油、天然气、地下水的开采及其它工程孔上。•金刚石钻进的钻孔倾角不受限制，它不仅能钻垂直孔、斜孔，还能钻水平孔和仰孔，因此，它可广泛用于隧道掘进工程及矿山坑道中钻凿爆破孔和追索矿体的勘探孔钻进中。第一节钻探用金刚石•一、金刚石的分类•金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，它在机械、采矿、冶金、光学仪器、电子等工业部门得到广泛的应用。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的五分之一。•(一)天然金刚石•在国际上一般按其结晶形态和产地，可分为以下几种：•1、包尔兹(bortz)，即浑圆金刚石•多呈不规则或放射状结构，颜色变化很大：无色、黄色、灰色和黑色等，呈透明或不透明状，具有硬度高多边缘等特征，且价格低廉，最适宜作钻头用。凡结构异于“黑色金刚石”和“巴拉斯”的，又不能列到宝石级的，都属于这一类。•2．刚果(congo)，亦称刚果包尔兹•颜色有白、灰、黄、绿等，细品结构，多数呈碎粒状，硬度略低于包尔兹。可作孕镶钻头用，精选后也可作表镶钻头用。•3．卡邦纳多(carbonado)．亦称黑色金刚石•产于巴西。颜色有黑、钢灰，灰绿、灰褐和暗红等，有树脂光泽，呈细粒多孔结构，无节理面，圆粒状。密度为(3200～3400)kg/m。耐磨性和韧性都超过所有金刚石，是理想的钻头切削具。但因产品稀少，价值昂贵。所以很少用于钻探。•4．巴拉斯(ballas)•产于巴西及非洲。颜色由透明到暗褐，多呈粒状晶体或近似圆球体，外壳为细晶结构，外壳的强度、硬度都高于中心内部，密度为3520kg/m。巴拉斯具有很高工业用途，但很少用钻探作业。•5．雅库特(якут)，亦称包尔兹•产于俄罗斯的雅库特．结晶似刚果。•(二)人造金刚石•1．单晶•人造单晶是人造金刚石的基本品种。由于合成时使用的触媒不同，因而具有不同的颜色。目前，生产的以不同深浅的黄绿色晶体及含硼黑色晶体为主，是我国金刚石钻探使用的主要品种。•2．聚晶•是由细小的金刚石微粒(直径大约在1～100μm之间)，在粘结剂参与下烧结而成的较大颗粒的多晶金刚石。聚晶的形状可根据需要制成圆柱形、三角形或其它多边形状或立方形。•3．金刚石复合片•由一薄的金刚石多晶层和较厚的硬质合金层复合而成(PDC)。一般呈圆片状，也可以加工成各种所需形状。粒度中等或偏粗的多晶金刚石的产品，适用于钻探工程。•4．人造卡邦•用人工方法合成，具有与天然卡邦金刚石类似结构的黑色金刚石多晶体颗粒，故称人造卡邦。人造卡邦金刚石是一种子晶间主要形成金刚石－金刚石键（D－D键）界面特性的新型人造金刚石超硬材料，其硬度大、耐磨性好、强度高、韧性好、显微结构致密且各向同性，是在压力P≥8Gpa、温度T≥2200K的超高压高温条件下生长而成的，是一种具有纳米级微结构、杂质含量少、内部应力小、可生长成大尺寸的优质多晶体金刚石。人造卡邦金刚石可用于制作拉丝模、高压喷嘴、地质钻头、金刚石刀具、修正笔、金刚石轴承、硬度计压头等工具和器件。•二、金刚石的化学成分和晶形•(一)金刚石的化学成分•金刚石的化学成分是碳(C)。但在生产过程中常渗入了其他微量元素，因而纯洁的金刚石很少。最常见的杂质是：氮(N)达0.2%。其次是铝(AI)和一些其他元素，甚至无色晶体中也有包裹体。现在查明的有铝(AI)、硅(Si)、钙(Ca)、镁(Mg)等十三种元索。无色晶体中杂质含量达0.02%～0.05%,不甚完美的晶体杂质含量达5%，圆粒形的杂质含量大于20%。•对于人造金刚石，由于在合成过程中加入了各种触媒剂，所以某些触媒元素已成为该种人造金刚石的成分之一。•(二)金刚石的晶形•金刚石是碳(C)的结晶变体之一，属于等轴晶体矿物，结晶架格如图3-3所示。从图上看出,晶格中碳原子排列具有高度对称性，每个碳原子同周围的4个碳原子排列在正四面体的锥角顶端，而四面体每一角顶为相邻四个四面体所共有，即碳原子之间为共价键连接。因为共价键具有饱和性与稳定性，所以金刚石非常坚硬。•金刚石原生矿床都赋存在火山筒中，它是地下碳元素在火山筒内高温、高压条件下生成的。因为在生长过程中的物理、化学条件不同，所以它的晶体形态是多种多样的。金刚石的晶形大致可分为：单晶、连晶(连生)、多晶(集合)等形体。最常见的单晶为八面体，次为菱形十二面体，最少的为六面体．如图3-4所示．这些统称之为平面单晶体。•与上述晶形相近的还有浑圆晶体。如凸八面体，凸十二面体和凸六面体等。这些统称曲面单晶体。•所谓连晶、多晶体，则是这些单晶聚合构成的。应指出，整晶形是少数。多数是不完整的如歪晶、碎粒、碎片和针状等。•人造金刚石在晶形生长发育良好的情况下，呈八面体、十二面体及它们的聚晶形，而且晶面完整、晶棱清晰。质量较次的人造金刚石，其晶形不完整，常出现连晶、子晶以及晶面有蚀坑等，•三、金刚石的性质•金刚石的性质直接影响着钻进效率及钻头寿命，为此，对钻探用金刚石的性质有以下一些要求：•(一)钻探对金刚石的要求•1．天然金刚石•(1)硬度高，耐磨性强，强度高，冲击韧性好，脆性小；•(2)热稳定性好；•(3)晶形完整，表面圆滑光亮，无蚀坑及松散表层；最好是近似球形、浑圆状的八面体和十二面体；•(4)内部无裂纹和其它缺陷。•2．人造金刚石•除有些要求同天然金刚石外，还要求：•(1)粒度的60目的单颗抗压强度不低于85N．最好在100N以上；•(2)晶形完整．最好是八面体、十二面体以及它们的聚形且呈浑圆状、团块状：•(3)单晶要进行磁选，剔除磁性强的部分；•(4)聚晶磨耗比不低于30000；抗压强度、耐热性要符合一定要求。•(二)与钻探有关的物理力学性质•(1)硬度硬度是金刚石最重要的性能之一。金刚石的硬度极高，莫氏硬度为10级，研磨硬度是刚玉的150倍，是石英的1000倍。•(2)强度金刚石具有极大的抗静压强度。天然金刚石的抗压强度大约8600MPa，约为刚玉的3.5倍，硬质合金的1.5倍，钢的9倍。用于钻探的人造金刚石一般要求强度达2500MPa以上。•(3)耐磨性金刚石的弹性模量极大（8800MPa），在空气中与金属的摩擦系数小于0.1，所以具有极高的耐磨性，是刚玉的90倍，硬质合金的40～200倍，钢的2000～5000倍。用于钻探的人造金刚石聚晶体一般要求与中硬碳化硅砂轮的磨耗比在1∶30000以上。•(4)热性能金刚石是热的良导体，它散热比硬质合金刃具快。金刚石的线膨胀系数很低，仅为硬质合金的1/4～1/5，钢的1/8～1/10，但随温度的升高而增长较快，这对金刚石钻头的包镶和使用产生不利影响。金刚石容易受到热损伤，虽然温度尚低于其燃烧温度，但金刚石的强度、耐磨性已受到严重影响。所以钻进中必须充分冷却，防止发生金刚石钻头烧钻事故。•四、金刚石的品级和量度•(一)天然金刚石的品级和量度•1．天然金刚石分级的依据•钻探用天然金刚石可根据以下几方面进行分级：•(1)结晶形态：分四面体、六面体、八面体、十二面体及聚形等。质量以菱形十二面、八面体为最好；•(2)外形：外形呈圆的、浑圆的或近似球形的金刚石，强度高、质量好；而片状、针状的金刚石较差，一般不能使用；•(3)表面特征：表面光滑、发亮、有金刚石光泽的金刚石质量较好；而表面发毛、有凹坑、有松散表层的质量差；•(4)透明度：透明程度越高的金刚石质量越好；深色透明度不好的金刚石，质量较差；•(5)内部结构晶体质纯而匀，无裂纹、无杂质及缺陷的金刚石，质量好。反之，较差；•(6)按密度(比重)分：同一类中，密度愈大者质量愈好；•(7)按产地分：不同产地的金刚石，其性质差异亦大。如南非的金刚石较好，而刚果的金刚石则较差。•2．我国钻探用天然金刚石的分级•我国，按地质系统DZ—2.1—87标准，制订出天然金刚石品级分类标准，如表3-1所列•3．钻探用天然金刚石的量度•金刚石的重量单位常用“克拉”，1克拉等于0.2g。国际单位为“克”(g)。•金刚石的颗粒大小的量，称为粒度，以粒/克拉表示。粒级分粗、中、细、粉四级。如表3-2。•金刚石直径小于1mm的粒度用“目”来表示。目是1英寸的网孔数，目数愈大，则颗粒愈小。•所谓金刚石直径，是把颗粒看成球形而言。不同粒度的金刚石直径，列于表3-3及表3-4。•4．钻探用天然金刚石的粒度范围及标准•(1)矿山，地质勘探用表镶钻头：金刚粒度一般用80～100粒/克拉；•(2)石油钻井用表镶金刚石钻头：其粒度一般在0.5～15粒/克拉；而更多地采用2～12粒/克拉的范围；表镶钻头用金刚石的粒度标准，见表3-5所示。•(3)孕镶钻头常用的金刚石粒度为150～400粒/克拉或20～100目；孕镶钻头用金刚石粒度标准，见表3-6所示。•(4)扩孔器用的金刚石粒度比钻头用的金刚石粒度要大些．表镶扩孔器常用15～30粒/克拉；孕镶扩孔器同孕镶钻头所用粒度。•(二)人造金刚石的品级与粒度•白1953年和1954年，瑞典和美国通用电气公司分别宣布用人工方法成功地合成了单晶人造金刚石以来，世界各国人造金刚石业有了突飞猛进的发展，1963年我国自合成第一颗人造金刚石后，于1970年开始大量投产。•1．人造金刚石的分级依据•优质人造金刚石单晶应具有完整的晶形和光滑的表而，且有金属光泽、抗压强度高为主要依据。•(1)晶形特征：凡发育良好的六面体、八面体、十二面体及其聚形，均有较高的质量品级。若系连晶、歪晶及不规则晶形，有缺陷的晶形，则其品级均较低。一般等积形单晶，具有中等的质量品级。•(2)强度：人造金刚石的强度，在一定程度上反映了金刚石单晶