结合深孔钻进的施工特点和深部钻进对孕镶金刚石钻头性能的要求,设计锯齿型唇面结构金刚石钻头,通过中核集团“龙腾2020科技创新示范工程”-相山铀矿田龙灿工程深部钻探项目的实施,钻头野外试验取得良好效果。主要取得以下成果认识。(1)对相山铀矿深钻施工钻遇岩石进行了基本力学分析和可钻性分级。主要进行了薄片鉴定、矿物组成分析、岩石样品的物理力学性能测试、岩石样品的微钻实验及可钻性分级。为设计研究适用于相山铀矿科学深钻的新型高效金刚石钻头提供了依据。(2)通过对相山铀矿田以往钻探施工金刚石钻头使用情况分析,提出并设计了锯齿型唇面结构的金刚石钻头。这种钻头唇面结构兼具齿轮型唇面结构和同心圆环齿型唇面结构的特点,利用齿轮钻头的大比钻压和同心圆环齿钻头容易排除岩屑、高寿命的特点,增大了钻头过水面积,能降低钻进过程中的压力损失,降低能耗;钻头唇面与岩层接触面积小,能有效提高比钻压,提高碎岩效率;采用这种新型金刚石绳索取心钻头唇面结构,上部为环齿形状,有利于排除岩屑,避免重复破碎,提高了钻头寿命;另外环齿形状还有利于绳索取心钻头唇面的冷却,能有效防止烧钻。(3)根据相山地层的岩石可钻性研究,设计了多种胎体配方。研究分析胎块的硬度、密度、抗弯强度、耐磨性和冲击韧性等性能测试结果,优选出了30%WC+15% Ni+5%Co+50% CSB-2的钻头胎体配方。并以此配方试制了微钻钻头,进行了微钻实验,结果表明:针对坚硬、弱研磨性地层,使用优选的CSB-2预合金粉的胎体配方制作的锯齿型唇面结构钻头能有效地解决钻进时效低的问题。 (4)设计的Φ122锯齿型金刚石钻头(HRC25-300、四环三槽、预合金粉型胎体配方)在如意亭深钻CUSD4孔地层为碎斑熔岩进行了实验,单只钻头有效进尺最高达到159.63m,平均钻进时效达到2.13m/h,均达到了预期目标。与齿轮钻头和同心圆钻头相比,设计的锯齿型金刚石钻头的稳定性、适应性、钻进时效和使用寿命等最好。钻进时效提高了约30%,平均使用寿命提高了约20%,有效地降低了钻探成本,提高了经济效益,对相山地区钻探施工提供了坚实的技术保障,对该地区钻头的选型有一定的借鉴意义,具有很好的推广价值。