金剛石鉆探發(fā)展歷史

金剛石鉆探技術(shù)始于1862年，當(dāng)時(shí)用手鑲法將大顆粒金剛石鑲嵌在鉆頭上，首先用于掘進(jìn)隧道，以后才逐漸以環(huán)狀鉆頭帶單層巖心管用于煤、鐵、石油和天然氣等礦產(chǎn)取心鉆探。20世紀(jì)30年代以來(lái)，金剛石鉆探逐漸成為鉆探工程的主要方法之一。

其主要優(yōu)點(diǎn)是鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好、設(shè)備工具輕、勞動(dòng)強(qiáng)度低、孔內(nèi)事故少、鉆探成本低。

主要包括選用合適的巖心管和鉆頭類型，合理采用鉆頭壓力、轉(zhuǎn)速、沖洗液泵量等，以獲取最佳的鉆探效果。

①巖心管選擇：為提高巖(礦)心采取率和品質(zhì)，以供觀察、試驗(yàn)研究與化驗(yàn)分析，一般多用單動(dòng)雙層巖心管；煤層或其他松軟巖礦層宜選用帶半合管的雙層或三層巖心管。硬脆碎巖礦層常選用孔底反循環(huán)鉆具來(lái)提高巖礦心采取率。

②鉆頭選擇：一般完整的、研磨性不高的中硬至硬巖層選用表鑲鉆頭；硬至堅(jiān)硬或裂隙性巖層選用孕鑲鉆頭；軟的和中硬巖層可用復(fù)合片鉆頭；各型聚晶體和鑲嵌體鉆頭已逐漸發(fā)展用于中硬至部分硬巖層鉆進(jìn)。

③壓力、轉(zhuǎn)速、沖洗液選擇：表鑲鉆頭壓力根據(jù)唇面工作的每粒金剛石與巖石接觸應(yīng)力大于巖石之極限抗壓強(qiáng)度δR, 同時(shí)又不超過(guò)金剛石之強(qiáng)度δP。孕鑲鉆頭壓力一般根據(jù)鉆頭唇面與巖層接觸的單位面積計(jì)算。原則要保持有良好自銳和恒鉆速特點(diǎn)，選擇范圍在 4.9～9.8×10⁶帕，表鑲鉆頭一般線速度為1～3.5米/秒，孕鑲鉆頭為1.5～4.0米/秒，鉆探時(shí)多用乳化液（清水加乳化劑）或低固相泥漿作循環(huán)沖洗液。一般按鉆頭直徑計(jì)算每1厘米鉆頭直徑的泵量取5～8升/分。金剛石鉆探要求鉆機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、變速檔次多、扭矩較大和給進(jìn)平穩(wěn)等特性,以適應(yīng)不同巖層和鉆頭線速的需要。配用的泥漿泵要求排量穩(wěn)定、泵量可調(diào)整，以適應(yīng)不同孔徑的需求。鉆孔內(nèi)的鉆具（鉆桿、接頭、巖心管、套管等）要求有高精度加工和高強(qiáng)度連接性能，以保證鉆具在高速回轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡穩(wěn)定性，提高鉆速保證孔內(nèi)安全。隨著金剛石鉆探磨料、鉆頭制造和鉆探工藝的不斷改進(jìn)和完善，特別是高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性良好的大顆粒單晶人造金剛石和各種聚晶、鑲嵌體的不斷研制與開發(fā)，金剛石鉆探將不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

自1862年起用金剛石制作鉆頭以來(lái)，經(jīng)歷了黑色金剛石、天然金剛石和人造金剛石鉆頭的 3個(gè)發(fā)展階段。

黑色金剛石產(chǎn)于巴西，是一種硬度最高而堅(jiān)韌的天然黑色金剛石,價(jià)格昂貴,早期用于手鑲金剛石鉆頭，現(xiàn)仍部分用于油井鉆頭的內(nèi)錐面部位。

天然金剛石屬于非寶石級(jí)的完整晶體或團(tuán)塊狀金剛石顆粒，多產(chǎn)于非洲、印度、蘇聯(lián)和澳大利亞等地。經(jīng)挑選和表面處理后按粒度大小分別用于地質(zhì)鉆探、石油天然氣鉆探制作表鑲或孕鑲鉆頭。天然金剛石按品質(zhì)分級(jí)，如扎伊爾、美國(guó)等分為“AAA”、“AA”、“A”、“C”和“等外”5個(gè)等級(jí)。中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部分為“特級(jí)(TT)”、“優(yōu)質(zhì)級(jí)(TY)”、“標(biāo)準(zhǔn)級(jí)(TB)”、"低級(jí)(TD)”和“等外級(jí)(TX、TS)”5級(jí)?！暗韧饧?jí)”為細(xì)小晶?；蛩榱?，用做孕鑲鉆頭。

人造金剛石在高溫、高壓條件下研制而成。美國(guó)通用電氣公司于1955年首先制成人造金剛石并逐漸用于制造孕鑲鉆頭。以后在世界范圍內(nèi)不斷研究出鉆探用多種類型的人造金剛石，如高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性良好（耐1200℃）的單晶，大顆粒（50粒/克拉mm級(jí)）單晶，用人造金剛石微粉經(jīng)二次燒結(jié)合成的聚晶和鑲嵌體（含骨架金屬），以及有硬質(zhì)合金為襯片的復(fù)合片等。人造金剛石鉆頭已大量取代了天然金剛石鉆頭。

金剛石鉆頭的制造除早期手鑲法外，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；制造復(fù)合片鉆頭兼用粉末冶金法和釬焊法。

鉆頭品種除最常用的表鑲和孕鑲鉆頭外，聚晶鉆頭和復(fù)合片鉆頭正處于發(fā)展階段。為滿足不同巖層取巖心的要求還要設(shè)計(jì)成與不同結(jié)構(gòu)取心管匹配的單管鉆頭、雙管鉆頭、繩索取心鉆頭及不取心鉆頭、套管鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭、導(dǎo)斜用錐形鉆頭等。使用中要根據(jù)所鉆巖層特性，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。

金剛石是礦物硬度最大的礦物，因此可以取代鋼粒鉆進(jìn)應(yīng)用于中硬以上地層。隨著金剛石切削具形狀的變化（出現(xiàn)片狀、三角狀），使金剛石亦可應(yīng)用于中硬以下軟地層中鉆進(jìn)。

金剛石鉆探在孔徑和孔深方面幾乎不受限制，最小孔徑為28mm，最大孔深已達(dá)4000m。金剛石鉆探可以打任意角度的鉆孔。但是，遇到破碎、裂隙發(fā)育地層，較易產(chǎn)生金剛石崩裂，巖心堵塞；另外，遇到石英砂巖等研磨性強(qiáng)的地層，鉆頭壽命大大降低。

《地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭(DZ 2.1-1987)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。

金剛石巖芯鉆探用無(wú)縫鋼管（GB3423-82）是用于金剛石巖芯鉆探的鉆桿、巖心桿、套管的無(wú)縫鋼管。