如何在实际工作中正确选择孕镶金刚石钻头设计参数

如何在实际工作中正确选择孕镶金刚石钻头设计参数
孕镶金刚石钻头广泛应用于小口径岩石钻探的施工中，而采用合理的钻头设计参数对提高钻探效率发挥钻头最大功效至关重要。

本文根据黑河象山电站帷幕灌浆工程岩石钻探实例，初步阐述如何正确选择孕镶金刚石钻头设计参数及其实际意义。

孕镶金刚石钻头适用于硬至坚硬、可钻性Ⅶ—Ⅻ级、完整均质至破碎、裂隙性的、具有研磨的岩层。

钻头设计时应考虑的结构参数如下：
一、胎体
胎体高度H ＝10～12mm ，H 值愈大，则钻头稳定性愈好。

胎体工作层高一般为4mm 。

胎体厚度一般为8mm 。

壁厚影响钻进效率和钻头寿命；壁厚小，钻进效率高，金刚石消耗量少；但不够耐磨，钻头寿命较短。

二、唇面形状
孕镶钻头的唇面形状要比表镶的多，它除了表镶钻头的那些以外，还可采用： 1．尖齿形，它又分同心圆尖齿形（见图3.13-5a ）、阶梯尖齿形（见图3.13-5b ）和交错式尖齿形（见图3.13-5c ）。

2．带底喷式水眼（见图3.13-6）
若岩石软硬互层和破碎，为提高岩矿心采取率，则可选用阶梯形底喷式水眼钻头。

二、胎体性能
胎体是钻头极其重要的组成部分，其成分和性能比较复杂，但设计或选择时，目前仅根据岩石性质，确定相适应的胎体硬度和耐磨性。

选择原则是岩石硬、研磨性弱，则胎体偏软、耐磨性偏低；相反，岩石软、研磨性强，则胎体偏硬、耐磨性要高。

具体选择时，可参考表3.13-4，表3.13-5。

表3.13-4
设计原则是：岩石愈硬、研磨性偏低，则粒度较细、品级较高。

设计时可参考表3.13-6。

表3.13-6
四、金刚石浓度
根据岩石硬度和研磨性设计金刚石浓度，浓度保证胎体唇面上的金刚石数量有足够的切削能力和有较高的耐磨性。

（a ） （b ） （c ）
图3.13-5 尖齿形钻头 (a)—同心圆尖齿形；(b)—阶梯尖齿形；(c)—交错式尖齿形 图3.13-6 阶梯形底喷水眼钻头
若岩石硬、弱研磨性，则设计低浓度胎体（50～75%重量浓度）；岩石硬、强研磨性——高浓度胎体（100～110%重量浓度）；岩石中硬、中研磨性——中等浓度胎体（75～90%重量浓度）。

五、钻头保径
钻头保径是一个重要问题，往往钻头内、外径磨损而报废。

保径材料要求耐磨，可采用硬质合金，人造金刚石聚晶、较次的碎粒天然金刚石等，目前常用人造金刚石聚晶作保径补强材料。

保径的位置取决于岩石的研磨性，见图3.13-7所示，若钻进中等研磨性岩层，保径材料置于胎体工作层与工作层交界处（见图3.13-7a ）；钻进强研磨性岩层时——低于工作层（见图3.13-7b ）；钻进弱研磨性岩层时——高于工作层（见图3.13-7c ）。

保径材料紧帖胎体内、外侧，以便钻进时真正起到保径作用。

六、水路设计
钻头水路设计就是确定钻头上水口和水槽的形状、规格及其数量。

从水口和水槽中通过足够的冲洗液，达到冷却钻头和排除岩粉的目的。

金刚石钻头上的水路分主水路和副水路两种：对于表镶金刚石钻头，起主要作用的主水路是底刃金刚石的出刃高度与岩石接触之间的环形通道，而起辅助作用的副水路即是水口；而对于孕镶金刚石钻头，则相反，水口是主水路，孕镶金刚石微小底出刃所形成的通道则为副水路。

因此，同一直径的表、孕镶金刚石钻头，其水口数量和规格是不一样的，一般而言，孕镶钻头的水口数量要比表镶多2个以上，水口高出1mm ；水槽深0.5～1mm 。

水路设计按下列步骤进行：
1．从表3.13-3内选取相应直径钻头的水口数目、水口规格（过水断面）及水槽尺寸；
表镶金刚石钻头水口规格 表3.13-3
2．然后进行两个流速的校核，V 1与V 2，V 1为冲洗液在过水断面的流速，根据经验，
V 1应大于4m/s ；V 2环空间隙上返流速，根据经验，它应大于0.45m/s 。

进行V 1校核时，可利用下公式：
A ＝a n dz
d ⋅+⨯
3
π 式中：A —水口总过水断面，mm 2 d —钻头内径，mm dz —金刚石粒径，mm n —水口数目，
(a) (b) (c)
图3.13-7 胎体保径材料位置
(a)－强研磨地层；(b)－中等研磨地层；(c)－坚硬致密地层
a —每个水口的过水断面，mm 2
求得A 后，就可以从已知的冲洗液量Q ，计算V 1值，即V 1＝A
Q。

进行V 2校核时，可利用式（3.13-2）： Q ＝
()
22
12
4
V d D ⋅-π
， V 2=
()
2
1
24d D Q
-π （3.13-2） 式中：D —钻头外径，mm
d 1—钻杆外径，mm
与表镶金刚石钻头基本相同，仅需注意其主、副水路有所差异。