金刚石及其在金刚石钻进中的作用

　　有时，偶尔在地表发现金刚石，但其全部踪迹往往被受侵蚀较少的沉覆盖层所掩盖，而只有经过艰难的勘探才能发现。如果在某一区域有足量的金刚石，肯定要开采的话，采取的方法取决于沉积的类型。
　　1）原生矿床：通常是胡萝卜状的岩筒，可以延伸很深，但通常越往下越细小，在深处常分裂成一系列细脉。起初用露天开采的简单方法开采这类矿床。现在用机械技术，但洞太深时就得像从前那样须挖竖井进行地下开采。
　　2）冲积矿床：通常在浅处，进而扩散的面积很大。采用露天开采法，挖掘量和金刚石回收量之间有一个高比率。由上述两种矿床所得的金刚石分类后分级成为宝石和切削用与制造工具用的工业金刚石。
　　2金刚石的性能
　　金刚石有腊状外形，色泽光亮，形状多样，但最常见的可能是八面体。金刚石质量比重3.5g/m3，折射率为2.42。金刚石导热性能良好，摸上去总是凉凉的。颜色多变，但通常为透明的银白色、灰色和黑色。还有兰、绿和黄色金刚石。金刚石是已知的最坚硬的物体，但它是脆的，如果乱用，很容易破碎。根据莫氏硬度，金刚石可以刻划或刮擦任何东西，正因为这个特性它对钻进才如此有用。
　　纯金刚石只含有特殊形式排列的碳原子。碳原子的其他排列形式中或是不规则的或是链状的，但如果碳原子以特殊形式被重新排列则可以产生金刚石，即人造金刚石。
　　纯碳原子被很强的离子链结合在一起。金刚石中这些链都排成四面体形成金刚好似分子。其中这些分子能够结合成更大的分子，而金刚石大分子中扣紧原子的链都保持相互平行。为了劈开这些分子，必须把链弄断。如果我们切开一组平行的链，就会切掉一片金刚石。这是宝石匠切割大宝石的方法，这叫劈分。一经定好方向，金刚石片可以用专门的楔子劈开，就像沿着纹理劈木头一样。
　　然而，如果试着在一个与链不平行的方向劈开，金刚石就会像玻璃一样粉碎。只能沿着原子间的链是平行的平面进行劈分。如果金刚石的外形发生变化，无关紧要，因为其内部的解理仍然相同。
　　取一颗立方体金刚石，解理方向与立体面斜交。如果取掉立方体角形成一个八面体，即使改变其外形，解理面仍然在原来方向。认识金刚石的解理，在金刚石工具制造方面是重要的，如果在工具上镶焊一颗金刚石，其解理与工作面平行，使用时就会劈开，或过早磨纯。
　　金刚石是极其坚硬的，但有些方向比其他方向更加坚硬。假若把八面体的顶角锯掉，留下的面被研磨或抛光，要注意易于抛光和难以抛光的方向。在一个八面体中，平行于棱的方向容易抛光，而垂直于八面体的平面则难以抛光。这是金刚石的又一个特性，这对工具工人很有用处，因为金刚石的正确定向将提高金刚石工具的使用寿命。
　　在制造钻头时，以硬矢量对准岩面定向的金刚石，一定比金刚石为定向的钻头的性能好。然而，实际上这样镶焊比普通镶焊要慢的多，而使用处理过的金刚石时，要凭眼睛识别结晶参量，假如不是几乎不可能的话，也是极为困难的。因此目前成批生产的钻头，金刚石镶焊是根据形状而不是结晶特性。合成金刚石具有天然金刚石相同的性能和特征。它们的晶体形状一般是完整的，可用作结实耐用性能良好的钻进金刚石，因为可以改变制造工艺生产不同用途的金刚石。合成金刚石的颜色是黄绿色，这种颜色是由晶格中的氮原子引起的。到目前为止，合成金刚石的尺寸，通常还比较小。但现在的发展表明，经过相当的时间，将制成用于表镶钻头那么大的金刚石。虽然合成金刚石和天然金刚石来源不同，就钻探而言，可以把他们看作相同的材料。
　　金刚石的强度，在工业应用中是重要的。然而，这个重要的性能像硬度一样，定量是困难的，最明显的方法是根据金刚石将要使用的方法进行试验。例如把镶在锯片中的金刚石反复撞击未经琢磨的岩石。一接触岩石金刚石就被拉过切削面，然后交付完成空气中的循环。这个循环反复很快，在这种脆性颗粒上施加最猛烈的各种力。为了试验金刚石在这种应用中的强度，研究了一种“Friarlest”试验。试验时把金刚石试样置于装有钢球的罐子中，摇动罐子，使试样受到冲击和磨损。这个实验周期结束后，筛分样品，并计算破碎金刚石的百分比。用这个结果来表示在这些条件下的脆性和强度。
　　可是，这样的试验和钻进程序无关。在钻进中，镶在钻头上的金刚石承受负载，压紧被钻岩石转。随着钻头的回转，由于压碎和刮擦得作用，产生岩屑。这就需要进行若干试验，以获取下述资料：
　　1）金刚石因压紧岩石而破碎之前所承受的最大负荷。
　　2）旋转如何影响静载荷值。
　　至今我们没有标准试验来圆满的回答这些问题，而试配体系有所发展。然而某些实验室的一些实验能对所需要答案的可能幅度来给出指示。
　　3金刚石的效用
　　3.1钻头设计
　　每种岩层各有其特性，理想的是，因地制宜设计专用钻头。但从生产和设备的观点来看是不切实际的。因此采取兼顾的办法，凡种地层用的一种钻头设计。
　　为了解钻头的基本要求，我们来分析钻头及其共组状态。
　　大多数金刚石钻头由以下部分组成：
　　1）金刚石：金刚石位于钻头表面，担负实际的岩石切削。端面内外侧也放置金刚石。所用的金刚石应尽可能是最好的，但选用金刚石通常受到价格的限制。扎伊尔的金刚石可能是最普通的钻进用金刚石。根据不同程度的加工标出各个等级。当然价格随着附加处理而上升，性能也随着加工的程度而提高。在处理原生的扎伊尔金刚石时，一般是尽量消除缺陷和弱点。经加工后，镶焊到钻头上的金刚石就具有内在的强度和良好的钻进性能。当然，加工作的金刚石在强度上不如成形完好的纯金刚石晶体，因为在加工过程中金刚石产生应力，但对一般钻进来说对晶体的高要求和供应的限制，就不合算了。
　　经验表明，钻头用的金刚石大小，与所钻的岩石硬度有关。极硬的岩石通常用小颗粒金刚石钻进。钻进软岩石总是用大颗粒较好。
　　2）胎体：要求这种材料把金刚石固定在一定位置上。如果胎体磨掉或断裂金刚石就会从钻头上掉下来，并引起钻头过早损坏。在孕镶钻头中，胎体需要以给定的速率磨损，使用废的金刚石脱落并以新的金刚石来取代。但两种情况下胎体的作用仍然相同，要求把金刚石固定在钻头上。
　　3）钢体：一个低碳钢钢体与钻头冠部连结，并带有螺纹以便把钻头拧到岩心筒和钻杆柱上。
　　从前的钻头都是钢制的，而金刚石则手镶于钻头体的钻窝中。这种方式镶焊的金刚石钻头，工作的很好。当金刚石磨损或损坏时，则去旧换新。这种工艺的问题是生产费时间而且数量少。现代的方法使用具有端面仿形车削的模具，而金刚石定位眼的深度要适当，钻眼时而且要钻到所需的断面模板上。金刚石放在定位眼中，用金属胎体粉末盖住金刚石。低碳钢钢体被压入胎体粉末，然后在一个感应线圈中加热使得铜焊结合金渗入粉末。这个过程很快，于是制成标准的产品。
　　胎体把金刚石牢固的固定在钻头上，钻头一转动金刚石就开始切下岩屑。必须从切削面上排除岩屑，由于水流流经钻头面把岩屑冲上钻孔带至地面不断排除岩屑。这一水流也散发由于切削作用而产生的热量并保持工作面得冷却。如果水流不足以排除所有的岩屑，岩屑将沉积于孔底，遂停止钻进。因此钻头设计必须提供充分的冲洗，通常在钻头表面提供放射状排屑槽。在这一情况下，在需要加大流经钻头面的冷却流量的地方，使用流经部分钻头面得射流。当钻进高比重材料或冷却液不靠近岩心时，这种结构工作良好。
　　为了在钻头胎体中粘结好金刚石，已发现必须至少把金刚石的三分之二镶在胎体中。其余的三分之一伸出在胎体之外，叫做金刚石出刃。如果出刃小于被钻的岩石颗粒，这些颗粒将在钻头面上被磨碎。研磨这种岩石使胎体和金刚石受到更多的磨损，从而减少了钻头的有效寿命。钻头在硬岩中钻进一厘米，这种因素似乎只有很小的影响，而这种小的影响重复几百次就相当显著了。