选择合适的潜孔锤钻头：关键因素、岩石条件和成本考量

介绍

潜孔钻头（DTH钻头）是与潜孔锤配合使用的关键部件，用于在岩层中钻孔。与传统的旋转钻井不同，潜孔钻头直接从锤头接收高频冲击能量，使其能够高效破碎坚硬且磨蚀性强的岩石，同时保持优异的钻孔精度和稳定性。

DTH钻头广泛应用于采矿、采石、水井钻探、建筑和基础工程，尤其适用于需要深孔、直线钻孔和高穿透率的应用。

然而，选择错误的潜孔锤钻头会导致一系列操作问题，包括钻井效率降低、钻头过度磨损、孔质不稳定以及钻井总成本增加。在许多情况下，这些问题并非由钻井设备本身引起，而是由于钻头设计与实际岩层条件或应用要求不匹配所致。

因此，了解如何根据岩层、钻井参数和项目目标选择合适的DTH钻头，对于实现可靠的性能、更长的使用寿命和更低的每米钻井成本至关重要。

什么是潜孔钻头？

潜孔钻头（DTH钻头）是一种岩石钻孔工具，它通过花键系统与潜孔锤连接，用于在各种岩层中钻孔。其工作原理是直接接收来自潜孔锤的高频冲击能量，从而在孔底实现高效的岩石破碎。

与传统旋转钻具相比，潜孔锤钻头以其钻孔效率高、操作安全、环保、结构简单、易于操作等优点而著称。这些优势使其特别适用于深孔钻探和硬岩或磨蚀性岩层作业。

潜孔钻头的工作原理

在钻井作业过程中，潜孔锤钻头通过轴向推力、旋转、高压空气和冲击能量的组合作用而工作：

• 轴向推力和钻头接触

压力调节机构不断推动钻具向前运动，确保 DTH 钻头与孔底岩石保持持续接触。

• 旋转运动

旋转机构使钻柱和钻头持续旋转。这种旋转可防止钻头反复撞击同一点，并产生剪切力，从而有助于刮削和切割岩石表面。

• 冲击能量转移

压缩空气驱动安装在钻杆前端的冲击活塞。活塞反复冲击潜孔钻头，将高冲击能量直接传递给钻头。每次冲击后，钻头穿透岩层并产生强大的压缩力。

• 岩石破碎过程

在活塞轴向冲击力和旋转剪切力的共同作用下，孔底的岩石不断被压碎和破碎。

• 剪枝移除

高压空气从进气口流入，沿着空心钻杆向下流动，到达孔底。压缩空气随后将岩屑从钻杆与孔壁之间的环形空间向上冲刷，有效地清除碎屑，形成干净的爆破孔。

该集成工艺可实现稳定的钻井性能、高效的能源利用和一致的孔质量。

DTH钻头的典型应用

潜孔锤钻头广泛应用于需要高效可靠岩石钻孔的行业，包括：

• 采矿——用于生产钻孔和爆破孔钻孔
• 采石——用于坚硬且具有磨蚀性的石层
• 水井钻探——需要钻出深而直的井眼
• 建筑和地基钻孔——包括打桩、锚固和地基改良工程

选择潜孔钻头时需要考虑的关键因素

1. 岩层和地质条件

岩层结构是选择潜孔锤钻头时最重要的因素。不同类型的岩石对冲击、旋转和磨损的反应各不相同。

软摇滚

黏土、页岩、砂岩

• 较低的抗压强度
• 更快的渗透率
• 孔径偏差风险较高

在软地层中，钻头稳定性和井眼直线度往往比单纯的抗冲击性更为关键。

中硬摇滚

石灰岩，白云石

• 硬度和磨蚀性均衡
• 钻井条件稳定
• 适用范围广泛，钻头设计多样。

大多数标准潜孔锤钻头在这些地层中表现良好。

硬石

花岗岩、玄武岩

• 高抗压强度
• 渗透速度较慢
• 按钮和钢材的冲击应力增加

坚硬的岩石需要坚固的钻头设计，配备强力的硬质合金钻头和加强型量规保护装置。

高磨蚀性地层

• 富含石英或破碎的地层
• 纽扣和仪表盘磨损严重

在许多情况下，岩石的磨蚀性对钻头寿命的影响比岩石硬度更大。即使是中等硬度的岩石，如果磨蚀性很高，也会导致钻头快速磨损，因此硬质合金的质量和钻头保护至关重要。

关键见解：
岩石硬度主要影响钻速，而磨蚀性则很大程度上决定钻头的磨损和使用寿命。

2. 位面设计

DTH钻头的端面设计直接影响钻速、孔的直线度和量规磨损。

平坦的脸

• 在各种岩石类型中均表现良好，尤其适用于坚硬地层。
• 良好的渗透率
• 软岩中钻孔偏斜的风险较高

平面钻头通常需要定制订单和最低订购量，因此应考虑交货时间。

凹面

• 最常见且库存最广泛的设计
• 适用于中等至坚硬的地层
• 钻孔笔直，穿透力良好。

这被认为是标准的钻头设计，在大多数钻井条件下都能可靠地工作。在较硬的地层中，使用耐磨垫或优质硬质合金钻头可以提高性能。

凸面

• 最适合用于坚硬和磨蚀性地层
• 钻头中心首先冲击，从而提高穿透力。
• 双量规排角有助于保护外量规。

凸面钻头在需要注意钢屑或钻杆磨损时尤其有效。这些钻头通常需要定制订购。

凸凹面（CV-CC）

• 结合了凸面和凹面设计的优点
• 更深的中心碟形设计改善了孔的直线度
• 三种不同的仪表和面角度

CV-CC钻头在中等至坚硬地层中表现良好，具有优异的穿透力和更高的钻孔精度。这种设计越来越受欢迎，许多制造商现在都以不同的商品名销售这种钻头。

下沉中心面

• 更深的中心碟形设计提供了良好的孔径直线度。
• 在倾斜或破碎的地形中表现良好
• 平均渗透率

这种设计越来越少见，通常需要定制，交货周期较长，且有最低订购量限制。

3. 按钮形状和硬质合金等级

硬质合金钻头的形状和质量对钻孔性能和钻头寿命有显著影响。

按钮形状

球形按钮

• 更高的耐磨性
• 更长的使用寿命
• 适用于坚硬和磨蚀性地层

弹道纽扣

• 更快的渗透速度
• 耐磨性较差
• 更适合软至中等硬度的岩石

碳化物级

更高品质的硬质合金可改善以下方面：

• 耐磨性
• 冲击强度
• 抗碎裂和抗断裂

对性能的影响：

• 渗透率
• 位使用寿命
• 重磨频率和维护成本

4. 钻头直径和孔径要求

选择合适的钻头直径可以确保钻孔精度和项目兼容性。

• 选择与所需孔径相匹配的钻头尺寸
• 考虑爆破或锚固的容差要求
• 确保与钻机和锤子兼容

常用直径的选择取决于应用、钻孔深度和所需的孔精度。

5. 空气供应、冲洗设计和钻头硬度

高效的岩屑清除对于稳定的钻井性能至关重要。

冲洗孔设计

• 充足的空气供应对于有效冲洗至关重要。
• 高气压应用有利于采用三孔冲洗设计
• 深而宽的冲洗孔有助于快速清除切屑。

冲洗不畅会导致切屑再次研磨，从而造成：

• 钻头过早磨损或失效
• 渗透率降低

钻头钢材硬度

通过先进的热处理工艺可以提高钻头的耐用性，例如：

• 感应淬火
• 渗碳

不同的热处理深度可在以下两方面取得平衡：

• 表面耐磨性
• 核心韧性

经过适当硬化处理的钻头钢可以延长使用寿命，尤其是在严苛的钻井条件下。

6. 与潜孔锤和钻机的兼容性

DTH钻头必须与锤钻和钻孔系统完全兼容。

• 将钻头柄类型与锤头型号（DHD、COP、QL、SD 等）相匹配。
• 确保正确的气压和气流
• 确认钻机功率和转速是否合适

DTH钻头选择表

如何选择一家可靠的DTH钻头制造商

选择合适的潜孔锤钻头设计只是决策过程的一部分。潜孔锤钻头的性能和使用寿命很大程度上取决于制造商的技术能力、质量控制体系和售后支持。可靠的制造商能够显著降低钻井风险和长期运营成本。

制造经验

制造经验反映了供应商在实际钻井条件下生产稳定可靠的DTH钻头的能力。

信誉良好的制造商应该证明：

• 长期专注于岩石钻探工具
• 在多种应用和岩层中拥有丰富的经验
• 持续改进钻头设计和生产流程

经验丰富的制造商能够根据现场反馈而不是理论假设，更好地优化按钮布局、面板设计和钢结构。

硬质合金质量控制

硬质合金钻头的钻杆是DTH钻头中最关键的易损件。其质量直接决定了钻速、耐磨性和钻头寿命。

强碳化物质量控制的关键指标包括：

• 稳定的碳化物来源，具有一致的化学成分
• 严格检验硬度、晶粒尺寸和冲击强度
• 纽扣断裂、碎裂或过早磨损的发生率低

碳化物控制不佳的制造商往往会生产出性能不稳定、使用寿命短的钻头，尤其是在坚硬或磨蚀性地层中。

热处理工艺

热处理在决定钻头钢体的耐久性和抗疲劳性方面起着至关重要的作用。

可靠的制造商应采用先进的热处理方法，例如：

• 感应淬火提高表面耐磨性
• 渗碳处理以平衡表面硬度和芯部韧性
• 控制温度和冷却过程以防止内部应力

适当的热处理可确保钻头能够承受高冲击载荷，并在整个使用寿命期间保持结构完整性。

现场测试和技术支持

仅靠实验室测试不足以验证实际钻井性能。可靠的制造商会投资进行现场测试并提供持续的技术支持。

寻找提供以下服务的制造商：

• 在实际钻井条件下进行现场测试的设计
• 根据岩层和设备情况提出针对具体应用的建议
• 购买前后的技术支持
• 故障排除协助以优化钻井参数

强大的技术支持有助于操作人员选择合适的钻头，提高钻井效率，并减少意外停机时间。

结论

选择合适的潜孔锤钻头至关重要，它直接影响钻井效率、钻头寿命、孔质和总体作业成本。没有一种潜孔锤钻头能够适用于所有情况——最佳性能来自于将钻头设计与特定的岩层、钻井应用、气源供应和设备配置相匹配。

通过仔细评估岩石硬度和磨蚀性，选择合适的钻头端面设计、钻头形状和硬质合金等级，并确保适当的冲洗和刀具兼容性，操作人员可以显著提高钻速，同时减少过早磨损和停机时间。同样重要的是与可靠的潜孔锤钻头制造商合作，该制造商应具备成熟的制造经验、严格的质量控制、有效的热处理工艺和强大的技术支持。