回转钻进用钻头.ppt

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1、第二章 回转钻进用钻头 一、硬质合金钻头及其孔底的碎岩过程 二、金刚石钻头及其孔底碎岩过程 三、钢粒钻头及其孔底碎岩过程 四、牙轮钻头及其孔底碎岩过程 五、全面钻进与钻头 第二章 回转钻进用钻头 u岩土钻进（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；钢丝绳冲击钻进；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）。第二章 回转钻进用钻头

2、uu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；在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头；在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头；在中硬及部分中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。在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。金刚石钻头主要用于金刚石钻头主要用于5959、7676（7575）、）、91 mm91 mm的小口径；的小口径；钢粒钻头主要用于钢粒钻头主要用于91mm91mm以上的口径；以上的口径；硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径，又可钻进大口硬质合金和牙

3、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。径水井、工程施工孔和浅井。第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 一、硬质合金钻进的基本概念与特一、硬质合金钻进的基本概念与特点点 1 1、硬质合金钻进的基本概念、硬质合金钻进的基本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。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）。一、硬质合金钻进的基本概念与特点一、硬质合金钻进的基本概念与特

4、点一、硬质合金钻进的基本概念与特点一、硬质合金钻进的基本概念与特点2 2 2 2、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点uu切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。不受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；孔向、孔径和孔深的限制；uu钻出的孔壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安钻出的孔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；全钻进和保证取心；uu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，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

5、效果；以便在不同的岩层中取得较优的效果；uu钻进中操作简便，容易掌握。钻进中操作简便，容易掌握。uu钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 1 1 1 1、硬质合金的特性、硬质合金的特性、硬质合金的特性、硬质合金的特性uu钻探用的钨钻探用的钨钻探用的钨钻探用的钨钴合金：钴合金：钴合金：钴合金：主要是碳化钨（主要是碳化钨（WCWC）钴钴(Co)(Co)系硬系硬uu质质合合金金。它它以以碳碳化化钨钨粉粉末末为为骨骨架架金金属属，钴钴粉粉末末为为

6、粘粘结结剂剂，用用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YGYG类硬质合金。类硬质合金。uu牌牌牌牌号号号号的的的的意意意意义义义义：合合金金牌牌号号如如YG8cYG8c的的意意义义为为：YGYG钨钨-钴钴系系硬硬质质合金；合金；8 8钴的百分含量为钴的百分含量为8%8%；c c（x x）粗（细）粒合金。粗（细）粒合金。uu硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金的的的的特特特特性性性性：合合金金中中含含钴钴量量增增加加，相相对对密密度度下下降降，硬硬度度、耐耐磨磨性性降降低低，而而抗抗弯弯强强度度、冲冲击击韧韧性性增增高高；WCWC的的颗颗粒粒越越细细，硬度越大、耐磨性

7、越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。第一节 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、选用硬质合金切削具的基本原则、选用硬质合金切削具的基本原则合金切削具形状主要有：薄片状、方柱状、薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。八角柱状和针状等。第一节 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：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 1 1）片片片片状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：

8、刃刃薄薄易易于于压压入入和和切切削削岩岩石石，但但抗抗弯能力差，适用于弯能力差，适用于级软岩；级软岩；（2 2 2 2）柱柱柱柱状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：抗抗弯弯能能力力较较强强，压压入入阻阻力力也也较较小小，主主要要适适用用于于级级中中硬硬岩岩石石；八八角角柱柱状状合合金金的的抗抗崩崩能能力力强强，利利于于排排粉粉和和破破岩岩，并并易易于于焊焊牢牢，在在裂裂隙隙发发育育和和较较硬硬地地层中应用广泛；层中应用广泛；（3 3 3 3）针针针针状状状状和和和和薄薄薄薄片片片片状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：主主要要用用于于镶镶焊焊自自磨磨式式钻钻头，在硬地层或研磨性岩石中

9、使用。头，在硬地层或研磨性岩石中使用。第一节 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 硬硬合合金金钻钻进进的的过过程程，实实际际上上是是切切削削具具在在轴轴向向力力的的作作用用下下，压压入入岩岩石石；在在回回转转水水平平力力的的作作用用下下，沿沿孔孔底底切切削削碎碎岩岩；在在轴轴向向力力和和水水平平力力的的共共同同作作用用下下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。根根据据所所钻钻岩岩石石的的不不同同，其其破破碎碎方方式式也也不不相相同同，可可分分为为塑塑性性岩岩石石的的碎碎岩岩和和弹弹-塑塑性性岩岩石石的的碎碎岩岩两两种种情况。情况。第一节

10、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、切入岩石的过程、切入岩石的过程 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩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：硬度。即：P Py yH Hy y F F0 0 式中：式中：H Hy y岩石的压入硬度；岩石的压入硬度；F F0 0切削具刃尖处与岩石的接触面积。切削具刃尖处与岩石的接触面积。第一节 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、切入岩石的过程、

11、切入岩石的过程 塑性岩石中，切削具切入岩石如图示（切削具未磨钝），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：根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关系式：式中：式中：P Py y切削具上的轴载力，切削具上的轴载力，N N；b b切削具的刃宽，切削具的刃宽，mmmm；切削具的刃角，度；切削具的刃角，度；H Hy y岩石的压入硬度；岩石的压入硬度；摩擦力影响系数（摩擦力影响系数（小于小于1 1）。）。第一节 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 1 1、切入岩石的过程、切入岩石的过程、切入岩石的过程

12、、切入岩石的过程 上式表明：上式表明：塑塑性性岩岩石石切切削削具具的的切切入入深深度度h h0 0与与轴轴向向力力P Py y成成正正比比，而而与与切切削削具具的的刃刃角角、刃刃宽宽b b、岩岩石石的的压压入入硬硬度度H Hy y成成反反比比。虽虽然然角角越越小小切切削削具具刃刃尖尖切切入入岩岩石石越越容容易易，但但如如果果很很小小则则切切削削具具会会很很快快崩崩裂裂，实实际际上上角的最小值为角的最小值为45455050。第一节 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 切切削削具具切切入入岩岩石石并并回回转转时时，在在水水

13、平平力力P Px x作作用用下下，压压迫迫其其前前面面的的岩岩石石，使使之之发发生生塑塑性性变变形形并并不不断断地地向向自自由由面面滑滑移移，称称为为切切削削作作用用。在在切切屑屑的的裂裂隙隙尚尚未未发发展展到到全全段段面面断断裂裂之之前前，下下一一部部分分切切屑屑又又发发生生滑滑移移。因因此此，其其切切屑屑应应该该是是连连续续的的、平平稳稳的的，其其切切削削槽槽宽宽与与切切削削具具刃刃宽宽是是相相同的。同的。第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况 2 2、回转切削过程、回转切削过程 实实际际上上，由由于于钻钻具具的的振振动动、冲冲洗洗液液的的冲冲刷刷，切切削削的的岩岩屑屑

14、是是碎碎裂成岩粉被冲洗液带至地表；裂成岩粉被冲洗液带至地表；在在P Py y 和和P Px x 共共同同作作用用下下的的切切入入比比P Py y单单独独作作用用下下切切入入更更容容易易，也切入的更深。也切入的更深。第一节 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 （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。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：

15、第一节 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 1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。2 2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移、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。产生若干次小剪切。3 3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石、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，（部分被压成粉状）；同时，P Px x 力急剧增大，当力急剧增大，当P Px x 力达到极限力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后值时，产生

16、大的剪切破碎，然后P Px x力突然减小。力突然减小。第一节 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，地变化，B B1 1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为为的螺旋面进行。的螺旋面进行。第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 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，切削硬合金钻进时，随着切削

17、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。机械钻具本身不断被磨损，对机械钻速产生影响。机械钻速速v vm m取决于切削具切入岩石的深度取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，其表达式为 v vm m=60=60n nm mh h ，钻进中，由于切，钻进中，由于切削具被磨损，削具被磨损，h h 减小，钻速将逐渐衰减。减小，钻速将逐渐衰减。第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 四、硬质合金切削具的四、硬质合金切削具的磨损磨损 1 1、切削具磨损和钻压的关系、切削具磨损和钻压的关系 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。费得洛夫等研究了单

18、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，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破碎。此时切削具单位时间的磨损量W W正比于切削具上的比压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。，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压随着切削具上的比压增大，增大，W W不仅未增不仅未增加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎条件下，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

19、及切削具的磨钝面积。质及切削具的磨钝面积。第一节 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费得洛夫提出，在一定条件下切削具的磨钝面积 S S 和机械钻和机械钻速速v vm m分别为：分别为：S S（t t）=S S0 0+tt ；式中：式中：S S0 0切削具的初始面积，切削具的初始面积，mmmm2 2；t t磨损时间，磨损时间，minmin；取决于岩石性质的磨损系数，取决于岩石性质的磨损系数，mmmm2 2/min/min。A

20、A系数，当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。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。第一节 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设钻进的初始钻速为 v v0 0=A A/S S0 02 2，上式可写成：，上式可写成：式中：式中：k k0 0钻速下降的特征系数，钻速下降的特征系数，k k0 0=/S=/S0 0。钻头在钻头在

21、t t时间内总进尺为时间内总进尺为 ，代入代入v vm m得到得到 。因此，平均钻速为因此，平均钻速为 ，通过变换可写成通过变换可写成 (下页）下页）第一节 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 （4-74-7）（4-74-7）式式表表明明，平平均均钻钻速速是是进进尺尺H H 的的一一元元线线性性方方程程，其其中中，v v0 0 是是纵纵坐坐标标上上的的截截距距，k k0 0 为为直直线线的的斜斜率率。平平均均钻钻速速和和进进尺尺H H 在在钻钻进进很很容容易易测测得得，可可以以用用一一元元回

22、回归归分分析析的的方方法法，在在若若干干观观测测计计算算值值的的基基础础上上求求出出 k k0 0 和和 v v0 0，从从而而利利用用（4-74-7）式式来来预预测切削具磨损对钻速的影响。测切削具磨损对钻速的影响。第一节 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，实际钻钻进中，切削具出刃的内、外侧进中，切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的，即：磨损量是不均匀的，即：y y外外y y内内

23、y y，t t外外t t内内t 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）。）。第一节 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)(1)避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻压压的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。(2)(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之比

24、、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，采用合理的钻布置。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。头唇面结构。(3)(3)及时修磨切削具，减小初始接触面积，以降低其磨损率。及时修磨切削具，减小初始接触面积，以降低其磨损率。(4)(4)采取等强度磨损的原则，对磨损严重的内外侧面进行补强。采取等强度磨损的原则，对磨损严重的内外侧面进行补强。(5)(5)采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔，减轻切削具的磨损。采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔，减轻切削具的磨损。第

25、一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 第二节 取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素 一一定定数数量量的的硬硬质质合合金金切切削削具具，按按一一定定的的形形式式排排布布在在钻钻头头体体上上，形形成成钻钻进进不不同同地地层层的的钻钻头头结结构构。这这些些决决定定钻钻头头结结构构的的因因素素称称为为硬硬质质合合金金钻钻头头的的结结构构要素。要素。硬硬质质合合金金钻钻头头的的结结构构要要素素主主要要包包括括：切切削削具具出出刃刃 、切切削削具具的的镶镶焊焊角角度度、切切削削具具在在钻钻头头体体上上的的数数目及布置方式等。目及布置方式等。第二节 取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素

26、一、取心式硬质合金钻头结构要素 1 1 1 1、钻头体、钻头体、钻头体、钻头体 钻头体是硬质合金切削具的支撑体，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。钻头岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。钻头体是体是DZ-40DZ-40无缝钢管制成。上端车有外螺纹无缝钢管制成。上端车有外螺纹与岩心管连接，内壁上设计有内锥，便于与岩心管连接，内壁上设计有内锥，便于卡取岩心。卡取岩心。第二节 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

27、的切削具必镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃。分称为切削具的出刃。切削具出刃有：内出刃、外切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。出刃和底出刃。第二节 取心式硬质合金钻头 2、切削具出刃 （1 1）内、外出刃内、外出刃 作作用用：保保证证钻钻头头体体与与孔孔壁壁、岩岩心心之之间间有有一一定定的的间间隙隙，避避免免钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。设设置置不不合合理理的的危危害害：出出刃刃过过大大，合合金金抗抗外外力力的的能能力力降降低低、碎碎岩岩断断面面和和功功耗耗增增大大，钻钻

28、孔孔易易弯弯曲曲。出出刃刃过过小小，流流阻阻增增大大，容容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。合合理理选选择择：主主要要取取决决于于岩岩层层，一一般般为为13 13 mmmm。岩岩层层较较硬硬、孔孔壁壁稳稳固固、钻钻速速较较低低，取取小小值值；反反之之，取取较较大大的的值值。在在遇遇水水膨膨胀胀或或有有大大量量岩岩粉粉的的软软地地层层钻钻进进时时，必必须须加加焊焊肋肋骨骨，增增大大内内、外外环环状空间，一般取内、外出刃状空间，一般取内、外出刃3 36mm 6mm，底出刃，底出刃4 45mm 5mm。第二节 取心式硬质合金钻头 （2）底出刃 作用：保证切削具能顺利地切

29、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：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，应增加补强。一般为25 mm。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。第二节 取心式硬质合金钻头 一、取心式硬质合金钻头结构要素 3、切削具的镶焊角度 具有一定刃角的切削具以不同的前角（亦称镶焊角）镶焊在钻头体上，形成不同的切削角，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：正斜镶，直镶，负斜镶。第二节 取心式硬质合金钻头 3、切削具的镶焊角度 （1）刃角的选择：=4550，用于级非裂隙性岩石；=65，用

30、于级岩石；=90的小切削具，用于自磨式钻头。（2）切削角的选择：根据所钻岩性来选择。钻进软岩，应选择切削性能较好的正斜镶，=7080；脆性和较硬的岩石，切削具主要按压碎和剪切作用碎岩，切削具易被磨钝，应选择入岩较锋利的直镶、负斜镶，=90105。第二节 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：单环排列、多环排列、密集排列等。（1）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，叠加起来完成整个唇面的切削，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

31、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。第二节 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）切削具布置方式 单环排列：一个或二个切削具并联覆盖唇面，加工简单；多环排列：多个切削具分环覆盖唇面，造成多的碎岩自由面；密集排列：多个切削具集中为一组排列，前刃掏槽，后刃扩槽，相互支撑，承载大，抗弯、抗磨损好。第二节 取心式硬质合金钻头 5、切削具在钻头体上的数目 钻钻头头上上切切削削具具数数目目越越多多，切切削削点点就就多多，单单位位时时间间完完成成的的切切削削量量就就大大，钻钻速速也

32、也越越高高，钻钻头头寿寿命命较较长长。但但是是，由由于于轴轴向向载载荷荷有有限限，单单个个切切削削具具上上的的载载荷荷不不足足，只只能能形形成成表表面面破破碎碎；同同时时，切切削削具具数数目目太太多多，使使剪剪切切体变小，孔底冷却效果变差。体变小，孔底冷却效果变差。切切削削具具数数目目取取决决于于岩岩性性、钻钻头头直直径径和和切切削削具具形形状状。对对软软岩岩取取较较少少的的数数量量，对对较较硬硬和和非非均均质质及及研研磨磨性性岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。第二节 取心式硬质合金钻头 6 6 6 6、钻头的水口和水槽、钻头的水口和水槽、钻头

33、的水口和水槽、钻头的水口和水槽 （1 1）作作用用：是是冲冲洗洗液液流流经经钻钻头头、冲冲洗洗孔孔底底并并返返回回钻钻柱柱外外环环空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。（2 2）水水口口形形状状：矩矩形形、半半圆圆形形、梯梯形形和和三三角角形形，三三角角弧弧形形水口效果最好。水口效果最好。（3 3）水水口口的的数数目目：等等于于切切削削具具的的数数目目或或组组数数。总总面面积积应应大大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。第二节 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（一）

34、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和自磨式。按切削具的磨损形态，硬合金钻头分为磨锐式和自磨式。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。切削具一般是单斜面锐角，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。降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。2 2、自磨式硬质合金钻头、自磨式硬质合金钻头 采用小断面切削刃，磨损后，接触面积采用小断面切削刃，磨损

35、后，接触面积不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。第二节 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二、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（二）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、松软及中软岩层所用的钻头、松软及中软岩层所用的钻头 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；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；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

36、量大，要求钻头易于排粉；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；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。岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削刃。第二节 取心式硬质合金钻头 1 1、松软及中软岩层所用的钻头、松软及中软岩层所用的钻头（1）肋骨式钻头：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。螺旋肋骨钻头特点：流通载面大，孔底干净，钻进效率较高。阶梯

37、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。第二节 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、松软及中软岩层所用、松软及中软岩层所用的钻头的钻头 （2 2）薄片硬合金钻头：）薄片硬合金钻头：特点是：底出刃和内、外特点是：底出刃和内、外出刃较大，冲洗岩屑的间隙较出刃较大，冲洗岩屑的间隙较大，切削刃尖锐锋利。有菱形大，切削刃尖锐锋利。有菱形与斜角薄片等形式。主要用以与斜角薄片等形式。主要用以钻进粘结性较小的软岩。钻进粘结性较小的软岩。第二节 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

38、钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 这类岩层中钻进的特点是：这类岩层中钻进的特点是：岩岩石石的的压压入入硬硬度度较较大大，为为了了保保证证切切削削具具切切入入岩岩石石，需需有有大大的的轴轴向向压压力力，因因此此，要要求求切切削削具具有有承承受受较较大的抗弯能力；大的抗弯能力；切切削削具具切切入入深深度度较较小小，钻钻速速相相对对较较低低，单单位位时时间产生的岩粉量也较软岩要少；间产生的岩粉量也较软岩要少；岩岩石石脆脆性性较较大大、粘粘性性小小，排排粉粉问问题题不不很很突突出出。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。第二节 取心式硬质合金钻头

39、（二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 2 2、中中硬硬及及较较硬硬岩岩层层用用的的钻钻头头钻钻进进该该类类岩岩层层钻钻头头形形式式很多，主要有：很多，主要有：（1 1）内内外外镶镶硬硬质质合合金金钻钻头头：将将四四方方柱柱或或大大八八角角硬硬质质合合金金在在钻钻头头底底唇唇面面分分内内外外出出刃刃分分环环排排列列，斜斜镶镶或或直直镶镶。四四方方柱柱内内外外镶镶钻钻头头适适用用于于3535级级岩岩石石，大大八八角角内内外外镶镶钻钻头头适适用用于于5757级级岩石。岩石。第二节 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

40、形硬合金钻头：）单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头：把把3 3颗硬合金切削具焊成一组呈品字形，可分散排列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（单双粒硬合金钻头），也可集中排列（品字形硬合金钻头）。金钻头）。其特点：单粒掏槽，双粒扩槽。单双粒其特点：单粒掏槽，双粒扩槽。单双粒硬合金钻头可钻进硬合金钻头可钻进4545级岩石，品字形硬合金钻头可钻级岩石，品字形硬合金钻头可钻进进4646级岩石。级岩石。第二节 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 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 3 3、针状自磨式钻头、针

41、状自磨式钻头 把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块内内按一定原则包裹针状硬质合金，支撑体的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。这种钻头可用于针状硬质合金自磨出刃。这种钻头可用于钻进钻进5757级中等研磨性的岩石。级中等研磨性的岩石。第三节 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

42、的五分之一，主要用于金刚石钻进的钻头、扩孔器和其石用量的五分之一，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他金刚石切削工具 一、金刚石钻进的概念与特点一、金刚石钻进的概念与特点 1 1、金刚石钻进的概念、金刚石钻进的概念 金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。它是将金刚石材金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。它是将金刚石材料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固结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。为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。一、金刚石钻进的概念与特点一、金刚石钻进的概念与特点 2 2 2

43、2、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点 （1 1）主主要要用用于于钻钻进进硬硬岩岩和和坚坚硬硬岩岩石石，也也可可钻钻进进软软中硬岩石；中硬岩石；（2 2）钻进效率高；）钻进效率高；（3 3）钻孔质量好；）钻孔质量好；（4 4）施工劳动强度比较轻；）施工劳动强度比较轻；（5 5）钻钻探探成成本本比比较较低低，因因此此得得到到越越来来越越广广泛泛的的应应用。用。第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 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 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”（Bortz），“刚

44、果”（Congo），“卡邦纳多”（Carbonado），“巴拉斯”（Ballas）和“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。第三节 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、钻探用金刚石的分类 （2）人造金刚石包括单晶、聚晶和金刚石复合片等品种。其中，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。第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 1

45、1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 金金刚刚石石单单晶晶：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。金金刚刚石石聚聚晶晶：高温稳定性好，强度较高，耐磨性好，能直接合成所需的形状，所以，在中硬地层中能取得较好的钻进效果，但由于其强度较单晶小，所以不适用于大部分硬-坚硬的岩层钻进。金金刚刚石石复复合合片片：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。第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 2、金刚石的特性 （1）金刚石为碳的

46、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。第三节 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）

47、金刚石的粒度）金刚石的粒度 国际上通用的计量单位是克拉（carat）。钻探用金刚石常用一克拉（0.2g）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：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。第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 （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。等积形：晶体长轴与短轴之比不超过1.51的称为等积形。强

48、度较高，但形状尚好，在钻探中的应用占有一定比例。非非等等积积形形：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。第三节 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 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、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）金金刚刚石石的的品品级级：主要根据晶形和强度

49、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单轴轴抗抗压压强强度度。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。第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 三、金刚石钻进的孔底碎岩过程 表镶钻头（钻头胎体上的金刚石颗粒较大）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。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、压碎剪切与疲劳破碎 2、犁掘作用原理 3、多刃研磨切削 4、微动载碎岩 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 1 1、压碎剪切与疲劳破碎、压碎剪切与疲劳破碎 表镶钻头上的单粒金刚

50、石表镶钻头上的单粒金刚石在在P Py y、P Px x联合作用下，类似联合作用下，类似球体压入岩石（弹脆性岩石）球体压入岩石（弹脆性岩石）产生大、小剪切体破碎，切产生大、小剪切体破碎，切槽宽度金刚石颗粒直径。槽宽度金刚石颗粒直径。当金刚石被磨钝时，在当金刚石被磨钝时，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，裂纹的数量及深度取决于轴载和转速。孔底某一点经微小的裂纹，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。多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎