《回转钻进钻头LU》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 回转钻进用钻头回转钻进用钻头 一、一、硬质合金钻头及其孔底的碎岩过程硬质合金钻头及其孔底的碎岩过程 二、二、金刚石钻头及其孔底碎岩过程金刚石钻头及其孔底碎岩过程 三、三、钢粒钻头及其孔底碎岩过程钢粒钻头及其孔底碎岩过程 四、四、牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮钻头及其孔底碎岩过程 五、五、全面钻进与钻头全面钻进与钻头 工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第四章第四章 回转钻进用钻头回转钻进用钻头 u岩土岩土钻进钻进（井）方法（井）方法绝大多数是机械方式，主要有：伴有循环冲洗介质的硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻 头回转

2、钻进和长螺旋干式回转钻进；头回转钻进和长螺旋干式回转钻进；采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进；冲击回转钻进；钢丝绳冲击钻进；钢丝绳冲击钻进；振动钻进。振动钻进。上述方法中，使用最广泛的是回转钻进。冲击回转钻进是在回转的基础上增加孔底冲击载荷；钢丝绳冲击钻进主要用于水井施工；振动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤和软岩中打浅孔（工程施工）。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第四章第四章 回转钻进用钻头回转钻进用钻头 u回转钻进选择钻头的一般原则是：回转钻进选择钻头的一般原则是：在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头；在中硬及部分中

3、硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头；在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头；在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。金刚石钻头主要用于59、76（75）、91 mm的小口径；钢粒钻头主要用于91mm以上的口径；硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径，又可钻进大口径水井、工程施工孔和浅井。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 一、一、硬质合金钻进的基本概念与特点硬质合金钻进的基本概念与特点 1 1、硬质合金钻进的基本概念硬质合金钻进的基本概念 利用利用镶焊镶焊在在钻头钢钻头钢体上的硬体上的硬质质合金切削

4、具作合金切削具作为为碎岩碎岩的工具，的工具，这这种种钻进钻进方法称方法称为为硬合金硬合金钻进钻进。硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进（14级软的沉积岩、中硬的57级及部分8级岩浆岩和变质岩）。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 一、一、硬质合金钻进的基本概念与特点硬质合金钻进的基本概念与特点 2 2、硬、硬质质合金合金钻进钻进的特点的特点 （1）切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。不受孔向、孔径和孔深的限制；（2）钻出的孔

5、壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安全钻进和保证取心；（3）可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结构，以便在不同的岩层中取得较优的效果；（4）钻进中操作简便，容易掌握。（5）钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 1 1、硬质合金的特性、硬质合金的特性 （1 1）钻探用的钨）钻探用的钨钴合金：钴合金：主要是碳化钨（WC）钴(Co)系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘

6、结剂，用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG类硬质合金。（2 2）牌号的意义：）牌号的意义：合金牌号如YG8c的意义为：YG钨-钴系硬质合金；8钴的百分含量为8%；c（x）粗（细）粒合金。（3 3）硬质合金的特性：）硬质合金的特性：合金中含钴量增加，相对密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗弯强度、冲击韧性增高；WC的颗粒越细，硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 2 2、选选用硬用硬质质合金

7、切削具的基本原合金切削具的基本原则则 合金切削具形状主要有：薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 选择切削具形状的一般原则是：选择切削具形状的一般原则是：（1 1）片状硬）片状硬质质合金合金：刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力差，适用于级软岩；（2 2）柱状硬）柱状硬质质合金合金：抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适用于级中硬岩石；八角柱状合金的抗崩能力强，利于排粉和破岩

8、，易于焊牢，在裂隙发育和较硬地层中应用广泛；（3 3）针针状和薄片状硬状和薄片状硬质质合金合金：主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 三、硬合金钻进的孔底碎岩过程三、硬合金钻进的孔底碎岩过程 硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋以薄的螺旋层形式连续被破碎层形式连续被破碎。根据所钻岩石的不同，其破碎方式

9、也不相同，可分为塑塑性岩石的碎岩性岩石的碎岩和弹弹-塑性岩石的碎岩塑性岩石的碎岩两种情况。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况（一）塑性岩石的碎岩情况 1 1、切、切入入岩石的岩石的过过程程 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。即：PyHy F0 式中：Hy岩石的压入硬度；F0切削具刃尖处与岩石的接触面积。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与

10、取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况（一）塑性岩石的碎岩情况 1 1、切、切入入岩石的岩石的过过程程 塑性岩石中，切削具切入岩石如图示（切削具未磨钝），根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关系式：式中：Py切削具上的轴载力，N；b切削具的刃宽，mm；切削具的刃角，度；Hy岩石的压入硬度；摩擦力影响系数（小于1）。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况（一

11、）塑性岩石的碎岩情况 1 1、切、切入入岩石的岩石的过过程程 上式表明：塑性岩石切削具的切入深度h0与轴向力Py成正比，而与切削具的刃角、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。虽然角越小切削具刃尖切入岩石越容易，但如果很小则切削具会很快崩裂，实际上角的最小值为4550。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况（一）塑性岩石的碎岩情况 2 2、回转切削过程、回转切削过程 切削具切入岩石并回转时，在水平力Px作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自

12、由面滑移，称为切削切削作用作用。在切屑的裂隙尚未发展到全段面断裂之前，下一部分切屑又发生滑移。因此，其切屑切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。宽与切削具刃宽是相同的。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况（一）塑性岩石的碎岩情况 2 2、回转切削过程、回转切削过程 实际上，由于钻具的振动、冲洗液的冲刷，切削的岩屑是碎裂成岩粉被冲洗岩屑是碎裂成岩粉被冲洗液带至地表；液带至地表；在P Py y 和和P Px

13、x 共同作用下共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易切入更容易，也切入的更深切入的更深。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 三、硬合金钻进的孔底碎岩过程三、硬合金钻进的孔底碎岩过程 （二）弹塑性岩石的孔底破碎过程（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，按切削具的切入条件，需要很大的轴向力，而实际的Py力要小得多（1/61/3），究其原因，主要是切削具并非以静压入的方式破岩，而是在双向力的同时作用下破碎岩石。是在双向力的同时作用下破

14、碎岩石。其碎岩的显著特点其碎岩的显著特点则是在切削具的作用下以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （二）弹塑性岩石的孔底破碎过程（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；同时，Px 力急剧增大，当Px 力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。

15、10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 （二）弹塑性岩石的孔底破碎过程（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，B1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为倾角为的螺旋面进行的螺旋面进行。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程

16、四、硬质合金切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 硬合金钻进时，随着切削具破碎孔底岩石，切削具本身不断被磨损，对机械钻速产生影响。机械钻速机械钻速v vm m取取决于切削具切入岩石的深度决于切削具切入岩石的深度h h 和钻头转速和钻头转速n n，其表达式为 v vm m=60=60n nm mh h ，钻进中，由于切削具被磨损，h 减小，钻速将逐渐衰减。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 1 1、切削具磨、切削具磨损损和和钻

17、压钻压的关系的关系 费得洛夫等研究了单位时间磨损量与刃端面积上比压的关系。（1 1）曲线）曲线0 0，切削具未能有效吃入岩石，钻进处于表面破碎。此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压。（2 2）曲线）曲线0 0，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压增大，W不仅未增加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎在体积破碎条件下，切削具的磨损主要不取决于轴向条件下，切削具的磨损主要不取决于轴向压力，而取决于岩石的硬度、切削具的材压力，而取决于岩石的硬度、切削具的材质及切削具的磨钝面积。质及切削具的磨钝面积。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术

18、第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 2 2、切削具的磨损与钻进时间、钻进速度的关系、切削具的磨损与钻进时间、钻进速度的关系 费得洛夫提出，在一定条件下切削具的磨钝面积 S 和机械钻速vm分别为：S（t）=S0+t ；式中：S0切削具的初始面积，mm2；t磨损时间，min；取决于岩石性质的磨损系数，mm2/min。A系数，当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。切削具的磨损面积与钻进时间成正比，而机械钻速与切削具接切削具的磨损面积与钻进时间成正比，而机械钻速与切削具接触面积的平方成反比。触面积的平方成反比。10/29/2

19、022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 3 3、关于切削具的磨损问题的研究、关于切削具的磨损问题的研究 设钻进的初始钻速为 v0=A/S02，上式可写成：式中：k0钻速下降的特征系数，k0=/S0。钻头在t时间内总进尺为 ，代入vm得到 。因此，平均钻速为 ，通过变换可写成 10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金

20、切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 3 3、关于切削具的磨损问题的研究、关于切削具的磨损问题的研究 （4-7）（4-7）式表明，平均钻速是进尺平均钻速是进尺H H 的一元线性方程的一元线性方程，其中，v0 是纵坐标上的截距，k0 为直线的斜率。平均钻速和进尺H 在钻进很容易测得，可以用一元回归分析的方法可以用一元回归分析的方法，在若干观测计在若干观测计算值的基础上求出算值的基础上求出 k k0 0 和和 v v0 0，从而利用（，从而利用（4-74-7）式来预测切削）式来预测切削具磨损对钻速的影响。具磨损对钻速的影响。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术

21、工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金切削具的磨损四、硬质合金切削具的磨损 4 4、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况 前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际钻进中，切削具出刃的内、外侧切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的，磨损量是不均匀的，即：y外y内y，t外t内t 切削具底端也不是被磨损成切削具底端也不是被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前缘平面，而是呈圆弧形，刃前缘和后缘磨损更厉害（图和后缘磨损更厉害（图4-74-7）。）。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探

22、与取样技术工程钻探与取样技术 第一节第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程硬质合金钻进孔底碎岩过程 5 5、减轻切削具磨损的措施、减轻切削具磨损的措施 (1)避免切削具在表面破碎状态下工作。避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻压的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。(2)切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比、岩石的研磨性、裂隙性等性质，还取决于切削具在钻头唇面的布置。应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号，采用应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号，采用合理的钻头唇面结构。合理的钻头唇面结构。(3)及时修磨切削具，及时修磨切削具，减小初始接触面积，降低其磨损率。(

23、4)采取等强度磨损的原则，采取等强度磨损的原则，对磨损严重的侧面进行补强。(5)采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔，采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔，减轻磨损。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素一、取心式硬质合金钻头结构要素 一定数量的硬质合金切削具，按一定的形式排布在一定数量的硬质合金切削具，按一定的形式排布在钻头体上，形成钻进不同地层的钻头结构。这些决定钻头体上，形成钻进不同地层的钻头结构。这些决定钻头结构的因素称为硬质合金钻头的结构要素。钻头结构的因

24、素称为硬质合金钻头的结构要素。硬质合金钻头的结构要素主要包括：切削具出刃切削具出刃、切削具的镶焊角度、切削具在钻头体上的数目及布置切削具的镶焊角度、切削具在钻头体上的数目及布置方式等。方式等。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素一、取心式硬质合金钻头结构要素 1 1、钻头钻头体体 钻头体是硬质合金切削具的支撑体，传递轴载和扭矩给切削具，承受切削具破岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。钻头体是DZ-40无缝钢管制成。上端车有外螺纹与岩心管连接，内壁上设计有内锥，

25、便于卡取岩心。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素一、取心式硬质合金钻头结构要素 2 2、切削具出刃、切削具出刃 镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃切削具的出刃。切削具出刃有：内出刃、外出内出刃、外出刃和底出刃。刃和底出刃。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 2 2、切削具出刃、切削具出刃 （1 1）内、外出刃

26、内、外出刃 作用：作用：保证钻头体与孔壁、岩心之间有一定的间隙，避免钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。设设置不合理的危害：置不合理的危害：出刃过大，合金抗外力的能力降低、碎岩断面和功耗增大，钻孔易弯曲。出刃过小，流阻增大，容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。合理选择：合理选择：主要取决于岩层，一般为13 mm。岩层较硬、孔壁稳固、钻速较低，取小值；反之，取较大的值。在遇水膨胀或有大量岩粉的软地层钻进时，必须加焊肋骨，增大内、外环状空间，一般取内、外出刃36mm，底出刃45mm。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心

27、式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 （2 2）底出刃底出刃 作用：作用：保证切削具能顺利地切入岩石，并为冲洗液冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。底出刃大小：底出刃大小：由切入深度和过水间隙两部分组成。H值过大，在硬岩和裂隙性岩层中容易造成崩刃，应补强。一般为25 mm。底出刃有平底式、阶梯式。底出刃有平底式、阶梯式。阶梯式可 增加切削具破碎岩石的自由面，容易产 生体积破碎。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素一、取心式硬质合金钻头结构要素 3 3、切削具的镶

28、焊角度、切削具的镶焊角度 具有一定刃角刃角的切削具以不同的前角前角（亦称镶焊角）镶焊在钻头体上，形成不同的切削角切削角，从而获得不同的钻进效果。切削具在钻头唇面 上有三种镶焊方式：三种镶焊方式：正斜镶，正斜镶，直镶，直镶，负斜镶。负斜镶。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 3 3、切削具的镶焊角度、切削具的镶焊角度 （1 1）刃角）刃角的的选择选择：=4550，用于级非裂隙性岩石；=65，用于级岩石；=90的小切削具，用于自磨式钻头。（2 2）切削角）切削角的的选择选择：根据所钻岩性来

29、选择。钻进软岩，选择切削性能较好的正斜镶，=7080；脆性和较硬岩石，切削具主要按压碎和剪切作用碎岩，切削具易磨钝，应选择入岩较锋利的直镶、负斜镶，=90105。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 4 4、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式 切削具的排列方式有：单（双）环排列、多环排列、密集排列等。（1 1）确定切削具布置方式的原则：）确定切削具布置方式的原则：能保证钻头在孔底工作平稳；多环排列时，每个切削具只破碎孔底的一部分，叠加完成整个唇面的切削

30、，若各环之间能相互造成自由面，则破岩效果更佳；尽量使每个切削具负担的破岩量接近，避免局部磨损过甚；切削具之间应保持一定的距离，以利于排粉；对切削具的镶焊和修磨方便。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 4 4、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式 （2 2）切削具布置方式）切削具布置方式 单单（双）（双）环环排列：排列：一个或二个切削具覆盖唇面，加工简单；多多环环排列：排列：多个切削具分环覆盖唇面，造成多的碎岩自由面；密集排列：密集排列：多个切削具集中为

31、一组排列，前刃掏槽，后刃扩槽，相互支撑，承载大，抗弯、抗磨损好。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 5 5、切削具在钻头体上的数目、切削具在钻头体上的数目 钻头上切削具数目越多，切削点就多，单位时间完成的切削量就大，钻速也越高，钻头寿命较长。但是，由于轴向载荷有限，单个切削具上的载荷不足，只能形成表面破碎；同时，切削具数目太多，使剪切体变小，孔底冷却效果变差。切削具数目取决于岩性、钻头直径和切削具形状。对软岩取较少的数量，对较硬和非均质及研磨性岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。

32、10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 6 6、钻头的水口和水槽、钻头的水口和水槽 （1 1）作用：）作用：是冲洗液流经钻头、冲洗孔底并返回钻柱外环空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。（2 2）水口形状：）水口形状：矩形、半圆形、梯形和三角形，三角弧形水口效果最好。（3 3）水口的数目：）水口的数目：等于切削具的数目或组数。总面积应大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节

33、取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 二、取心式硬二、取心式硬质质合金合金钻头钻头（一）取心式硬质合金钻头分类（一）取心式硬质合金钻头分类 按切削具的磨损形态，硬合金钻头分为磨锐式磨锐式和自磨式。自磨式。1 1、磨锐式硬质合金钻头、磨锐式硬质合金钻头 钻头上的合金切削具磨钝后须用用砂轮修钻头上的合金切削具磨钝后须用用砂轮修磨锐利的钻头。磨锐利的钻头。切削具一般是单斜面锐角，钻进中，随切削具磨损，机械钻速逐渐下降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。2 2、自磨式硬、自磨式硬质质合金合金钻头钻头 采用小断面切削刃，磨损后，接触面积不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。10/29/2022工程钻探与

34、取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 二、取心式硬二、取心式硬质质合金合金钻头钻头（二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 1 1、松、松软软及中及中软软岩岩层层所用的所用的钻头钻头 在中软岩层中钻进的特点是：在中软岩层中钻进的特点是：岩石压入硬度较小，可在较小的轴向压力下切入岩石；切入深度较大，岩屑的颗粒也较大；钻速高，单位时间产生的岩屑量大，要求钻头易于排粉；该类岩层粘结性大，容易发生糊钻和遇水膨胀等问题，因此，钻具和孔壁间、岩心管和岩心间要有较大的间隙；岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削刃。10/29

35、/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 1 1、松、松软软及中及中软软岩岩层层所用的所用的钻头钻头 （1 1）肋骨式）肋骨式钻头钻头：主要用于钻进遇水膨胀、粘性较大的软岩。依钻头结构不同，分为螺旋肋骨钻头和阶梯式肋骨钻头。螺旋肋骨螺旋肋骨钻头钻头特点：特点：流通载面大，孔底干净，钻进效率较高。阶梯式肋骨钻头的特点：阶梯式肋骨钻头的特点：肋骨片较厚，水口宽，孔底呈阶梯状。可钻进35级岩石。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式

36、硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 1 1、松、松软软及中及中软软岩岩层层所用的所用的钻头钻头 （2 2）薄片硬合金钻头：）薄片硬合金钻头：特点是：底出刃和内、外出刃较大，冲洗岩屑的间隙较大，切削刃尖锐锋利。有菱形与斜角薄片等形式。主要用以钻进粘结性较小的软岩。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 2 2、中硬及较硬岩层用的钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 这类岩层中钻进的特点是：这类岩层中钻进的

37、特点是：岩石的压入硬度较大，为了保证切削具切入岩石，需有大的轴向压力，因此，要求切削具有承受较大的抗弯能力；切削具切入深度较小，钻速相对较低，单位时间产生的岩粉量也较软岩要少；岩石脆性较大、粘性小，排粉问题不很突出。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 2 2、中硬及较硬岩层用的钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 钻进该类岩层钻头形式很多，主要有：（1 1）内外）内外镶镶硬硬质质合金合金钻头钻头：

38、将四方柱或大八角硬质合金在钻头底唇面分内外出刃分环排列，斜镶或直镶。四方柱内外镶钻头适用于35级岩石，大八角内外镶钻头适用于57级岩石。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 2 2、中硬及较硬岩层用的钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 （2 2）单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头：）单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头：把3颗硬合金切削具焊成一组呈品字形，可分散排列（单双粒硬合金钻头），也可集中排列（品字形硬合金钻头）。其特点：其特点：单粒掏槽，双粒扩槽。单双粒硬合金钻头可钻进45级岩石，品字形

39、硬合金钻头可钻进46级岩石。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第二节第二节 取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头 二、取心式硬二、取心式硬质质合金合金钻头钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 3 3、针针状自磨式状自磨式钻头钻头 把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块内按一定原则包裹针状硬质合金，支撑体的胎体硬度要合适，保证超前磨耗，以利于针状硬质合金自磨出刃。这种钻头可用于钻进57级中等研磨性的岩石。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底

40、碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，已广泛的应用于现代工业。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的五分之一，主要用于金刚石钻进的钻头、扩孔器和其他金刚石切削工具 一、金一、金刚刚石石钻进钻进的概念与特点的概念与特点 1 1、金、金刚刚石石钻进钻进的概念的概念 金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。它是将金刚石材它是将金刚石材料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固结为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。结为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。10/29/2022工程钻探与

41、取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 一、金一、金刚刚石石钻进钻进的概念与特点的概念与特点 2 2、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点 （1）主要用于硬岩和坚硬岩石，也可钻进软-中硬岩石；（2）钻进效率高；（3）钻孔质量好；（4）施工劳动强度比较轻；（5）钻探成本比较低，因此得到越来越广泛的应用。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石 1 1、钻探用金刚石的分类、

42、钻探用金刚石的分类 钻探用金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。钻探用金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。（1）制造钻头的天然金刚石可分为“包布兹包布兹”（Bortz），“刚果刚果”（Congo），“卡邦纳多卡邦纳多”（Carbonado），“巴拉巴拉斯斯”（Ballas）和“雅库特雅库特”（）五类。其中，“包布兹”主要用于制造表镶钻头，“刚果”主要用于孕镶钻头，“卡邦纳多”和“巴拉斯”现已很少用于做钻头，“雅库特”产于俄罗斯，主要在前苏联境内使用。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底

43、碎岩过程 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石 1 1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 （2）人造金人造金刚刚石石包括单单晶、聚晶和金晶、聚晶和金刚刚石复合片等石复合片等。聚晶是由细小的金刚石颗粒、粘合剂烧结成较大颗粒的多晶金刚石；金刚石复合片（PDC）是由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 1 1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 金刚石单晶：金刚石单晶：强度高、耐磨性好，在硬-坚硬地层中钻进能取得良好的效果；但由于

44、其粒度小，在软-中硬地层中难以取得较高的钻速，且由于出刃量小，容易发生糊钻事故。金刚石聚晶：金刚石聚晶：高温稳定性好，强度较高，耐磨性好，能直接合成所需的形状，在中硬地层中能取得较好的钻进效果，但其强度较单晶小，所以不适用于大部分硬-坚硬的岩层钻进。金刚石复合片：金刚石复合片：综合了金刚石的耐磨性和硬质合金的抗冲击韧性，且在钻进中金刚石层保持了锐利的切削角，所以，在软-中硬地层能取得较好的效果。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 2 2、金刚石的特性、金刚石的特性 （1）金刚石为

45、碳的结晶体，晶体结构为正四面体，碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定。（2）典型的晶形有立方体、八面体和十二面体等。（3）金刚石是世界上最硬、抗压强度最大、抗磨损能力最强的材料。其莫氏硬度为10级，是石英的1000倍；天然金刚石的抗压强度约为8 600MPa，是钢的9倍。耐磨性是钢的20005000倍。（4）它的脆性较大，遇到冲击载荷会出现碎裂；（5）热稳定性较差，在高温下遇氧便氧化并被转化为石墨（“石墨化”）。因此，在金刚石工具的制造过程中，须隔氧，避免长时间受高温；在使用中，须及时冷却切削刃。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三

46、节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 3 3、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级 （1 1）金）金刚刚石的粒度石的粒度 通用的计量单位是克拉（carat）。钻探用金刚石常用一克拉（）多少粒或过筛网目数（每平方英寸的网格数）来衡量。钻探用的金刚石粒度：粗粒520粒/克拉；中粒2040粒/克拉；细粒40100粒/克拉；粉粒100400粒/克拉。其中，粗、中粒多用于表镶钻头和表镶扩孔器，细、粉粒多用于孕镶钻头和孕镶扩孔器。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎

47、岩过程 （2 2）金刚石的品级：）金刚石的品级：主要根据晶形和强度来判定。人造单晶晶形分为5种：完整晶体。完整晶体。晶形好、强度高、耐冲击，是理想的切磨耗材。等等积积形。形。晶体长轴与短轴之比不超过1的称为等积形。强度较高，但形状尚好，在钻探中的应用占有一定比例。非等积形。非等积形。晶体长轴与短轴之比超过1.51者为非等积形。质量差，形状不好，强度很低，在钻探中不宜采用。连连晶。晶。共晶面或晶棱的晶体、非完整晶体的连生体。将连晶破碎为单晶，经整形分选，得到质量较好的金刚石在钻探上使用。聚晶体。聚晶体。许多小的晶体无规则地聚合丛生称为聚晶体。质量差，强度很低，钻探中不能采用。10/29/2022

48、工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石 3 3、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级（2 2）金刚石的品级：）金刚石的品级：主要根据晶形和强度来判定。按强度区分是金刚石的品级：工业上衡量人造单晶金刚石质量的可计量指标是单轴抗单轴抗压强度。压强度。用于钻探的人造金刚石强度一般在2500Mpa以上，即：60#（60目）单晶单粒的抗压值在85N以上。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚

49、石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底碎岩过程 三、金刚石钻进的孔底碎岩过程三、金刚石钻进的孔底碎岩过程 表镶钻头表镶钻头（钻头胎体上的金刚石颗粒较大）与孕镶钻头与孕镶钻头（胎体上的金刚石颗粒较小）的碎岩机理有着显著的不同。的碎岩机理有着显著的不同。国内外研究表明，金刚石钻进的孔底碎岩过程存在有以下几种机理 1 1、压碎剪切与疲劳破碎、压碎剪切与疲劳破碎 2 2、犁掘作用原理、犁掘作用原理 3 3、多刃研磨切削、多刃研磨切削 4 4、微动载碎岩、微动载碎岩 10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及其孔底碎岩过程金刚石及其孔底

50、碎岩过程 1 1、压碎剪切与疲劳破碎、压碎剪切与疲劳破碎 表镶钻头表镶钻头上的单粒金刚石在Py、Px联合作用下，类似类似球体压入岩石球体压入岩石（弹脆性岩石）产生大、小剪切体破碎，切槽宽度金刚石颗粒直径。当金刚石被磨钝时，在在P Py y、P Px x的作用下，产生压缩应变的作用下，产生压缩应变和拉伸应，岩石中出现一些和拉伸应，岩石中出现一些微小的裂纹，微小的裂纹，裂纹的数量及深度取决于轴载和转速。孔底某一点经多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎的性质具有疲劳破碎的性质。10/29/2022工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术 第三节第三节 金刚石及