项目二-2.2回转钻进

项目2.1工程施工钻发展2023/1/142.1.1工程施工钻的产生与发展

用作工程施工为目的的工程钻，开始用于矿山竖井、采矿爆破、供水井及其它工程技术钻孔，一般来说深度较浅．但口径较大。

荷兰最早于1927年采用回转法钻直径2m以上大口径工程井；美国1930年英格索·兰公司采用大口径钢粒钻进工程孔；苏联1941年用转盘钻打大口径孔，并制丁“莫兹巴斯”5.5m大口径钻机；西德和法国都在50年代分别锰成泵吸反循环钻机和“贝诺特”大口径工程钻机；到1970年前后，日本就引进和发展了数十种大口径工程施工钻机。美国自1961年开始地下核试验以来，试验场上的大口径钻井技术一直在不断演变。2.1.2工程施工钻的应用

目前工程施工钻按照工况条件与目的的不同，其应用领域大致分为以下三个方面：1、各种地面或地下大型建筑物基础工程施工

各项基础工程施工方法很多，除了根据工程要求与地层情况而采用直接基础、底座基础、沉箱基础等传统施工方法外，大量现代基础工程多采用大口径桩基础，包括预制桩和就地灌注桩。因此，目前各种钻孔桩用途愈来愈广泛。（1）钻孔灌注桩

就地钻孔、下笼、灌注混凝土成桩，常用作大型建筑物、闸墩、桥墩、码头、港口、仓库等基础。其目的是用人工方法改善原来基础条件之不足，提高承载与抗风、抗震能力，防止下沉、倾斜、倒塌、滑坡，延长建筑物使用年限。基桩孔施工不仅可用作地面和地下建筑，亦可用作水下和海中建筑物等的支承桩（如海上开采油、气平台的支承桩）。

（2）管桩

亦属就地成桩，分钢管桩和混凝土管桩，与上不同的是沉桩后有的逐在管内钻岩成孔、下钢筋楚和灌注混凝土，将管柱与塾措牢固连接戚艇．同样，还可用作桥基础与其它重型建筑物基础。（3）地下连续墙

地下连续墙分：排桂式和壁式两种施工方式，广泛用于上下水道、输水涵洞、地下铁道、地下公路、地下街道、地下仓库以及储水池、油库、水库作为挡土墙、隔水墙、重力坝防渗墙等地面和地下建筑骨架。它大量代替传统式的露天或地下开挖造墙、钢板桩等施工方式，

（4）锚柱

锚桩广泛用于锚锭结构物，锚固易坍倒塌方的挡土墙和顺层坡等；也用于加固地下建筑和坑道、涵洞的顶帮．为确保建筑物的安全，均宜采用锚桩锚固。此外，还有专门治理滑坡而采用斜坡基础桩或滑坡防措锚固链2、各种已竣工程基础的注浆加固处理

这方面用途日益广泛，现简舟如下。

（1）原有混凝土桥墩、坝基、港口码头等基础上发现裂隙、渗蔼，利用钻孔注浆予以加固处理，

（2）原有混凝土、砖石及其它各类莲莸物基础发现缝隙，利用钻孔注浆堵塞粘舍，

（3）古建筑物基础下沉不牢，利用钻孔注浆加固处理。

（4）路基沉降，利用钻孔注浆加固充填。

（5）各类建筑物或路基下基岩发现裂缝或溶蚀（洞穴）面下陷，利用钻孔注浆充填等3、各种工程技术钻孔（井）方面

这方面的工程技术{奇孔（并）崩途更多，应用亦较早，现今其应用领域还在不断扩大，例如：

（1）矿山采矿爆破运输、通风、排水孔（井）等。

（2）原来的常规的矿山采矿竖井开挖法已被安全的钻井法所代替，我国已制成9m直径的大型竖井钻机。

（3）地下核试验，大部分地下菝试验都是在钻井中进行的。口径已达5m以上，并深可达200-500m。

（4）监视地震、观测地壳运动和观测以及用来解决地面沉降。

（5）敷设地下管道、埋置地下线缆。

（6）沼气释放、储存液化石油气、排放废渡废气、回藩储能、倔学冻结等。

（7）应急救险、检查工程质量、大型供水井（国外有火力发电始用笔直餮5m、井深60m的供水井）。

（8）考古挖掘钻孔等，2.1.3国内外工程施工钻的现状

用钻探方式作为某种工程施工手段的工程施工钻，目前国内外应用日益广泛。工程量最多的是基础工程。首先是钻孔灌注桩的施工，其次就是排柱式地下连续墙的施工。1、桩孔施工

灌注桩孔的直径，根据工程目的和要求而异。除微型桩直径小300mm外，一般灌注桩直径从500-800mm以至l000-1500mm；大型灌注桩孔直径达1500-3000mm以至4000--5000mm。钻孔深度一般在20--30mm以内，只有承载层很深的情况下，才需达到60～70m左右。

灌注桩施工的优点主要是：效率高、成本低、无噪音、场地小、可以通过第四系地层，亦可钻人基岩，桩的刚性大，桩的直径、长度、型式可视工程需要而定。强度和承载力大。灌注桩亦有缺点：如成桩受天气影响，某些地层如不能控制流失、塌孔，会给成桩带来困难，质量检验手段还不够完善等。

项目2.2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2023/1/14中国地质大学勘查教研室岩土钻进（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；②

采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进；③

钢丝绳冲击钻进；④

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）。回转钻进选择钻头的一般原则是：

①

在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头；②

在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头；③

在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头；④

在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。⑤

金刚石钻头主要用于59、76（75）、91mm的小口径；⑥

钢粒钻头主要用于91mm以上的口径；⑦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。

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点

1、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具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。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（1—4级软的沉积岩、中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。

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点

2、硬质合金钻进的特点

（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。

第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

二、钻探用硬质合金

1、硬质合金的特性（1）钻探用的钨—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）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）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。

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第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

二、钻探用硬质合金

2、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、八角柱状和针状等。2023/1/14

第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

二、钻探用硬质合金选择切削具形状的一般原则是：（1）片状硬质合金：刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力差，适用于Ⅰ～Ⅴ级软岩；

（2）柱状硬质合金：抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适用于Ⅳ～Ⅶ级中硬岩石；八角柱状合金的抗崩能力强，利于排粉和破岩，易于焊牢，在裂隙发育和较硬地层中应用广泛；

（3）针状和薄片状硬质合金：主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。

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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；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。2023/1/14

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

1、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：

Py≥HyF0

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。

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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

1、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），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；

β——切削具的刃角，度；

Hy——岩石的压入硬度；

η——摩擦力影响系数（η小于1）。2023/1/14

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

1、切入岩石的过程

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β、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。虽然β角越小切削具刃尖切入岩石越容易，但如果β很小则切削具会很快崩裂，实际上β角的最小值为45°～50°。

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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、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由面滑移，称为切削作用。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，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。

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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、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液带至地表；在Py和Px共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的更深。

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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（1/6~1/3），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：

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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

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。

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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

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，B1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。

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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，切削具本身不断被磨损，对机械钻速产生影响。机械钻速vm取决于切削具切入岩石的深度h和钻头转速n

，其表达式为vm=60nㆍmㆍh

，钻进中，由于切削具被磨损，h减小，钻速将逐渐衰减。

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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

1、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。

（1）曲线Ⅰσ＜σ0，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σ。

（2）曲线Ⅱσ＞σ0，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压σ增大，W不仅未增加，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。

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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

2、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+θt

；

式中：S0——切削具的初始面积，mm2；

t——磨损时间，min；

θ——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触面积的平方成反比。

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硬质合金钻进孔底碎岩过程

四、硬质合金切削具的磨损

3、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=θ/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

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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

3、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H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，在若干观测计算值的基础上求出k0和v0，从而利用（4-7）式来预测切削具磨损对钻速的影响。

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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

4、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平面，而是呈圆弧形，刃前缘和后缘磨损更厉害（图4-7）。

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第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

5、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。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，采用合理的钻头唇面结构。

(3)及时修磨切削具，减小初始接触面积，降低其磨损率。

(4)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，减轻磨损。

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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。这些决定钻头结构的因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、切削具的镶焊角度、切削具在钻头体上的数目及布置方式等。2023/1/14

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

1、钻头体

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，便于卡取岩心。

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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

2、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。切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。

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第二节

取心式硬质合金钻头

2、切削具出刃

（1）

内、外出刃作用：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：主要取决于岩层，一般为1~3mm。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3～6mm，底出刃4～5mm。

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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，应补强。一般为2~5mm。

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。

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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β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α，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。

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第二节

取心式硬质合金钻头

3、切削具的镶焊角度（1）刃角β的选择：

①

β=45°～50°，用于Ⅰ～Ⅳ级非裂隙性岩石；②

β=65°，用于Ⅴ～Ⅶ级岩石；③

β=90°的小切削具，用于自磨式钻头。（2）切削角α的选择：根据所钻岩性来选择。①

钻进软岩，选择切削性能较好的正斜镶，α=70°～80°；②

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，α=90°～105°。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

4、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）确定切削具布置方式的原则：

①

能保证钻头在孔底工作平稳；②

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，若各环之间能相互造成自由面，则破岩效果更佳；③

尽量使每个切削具负担的破岩量接近，避免局部磨损过甚；④

切削具之间应保持一定的距离，以利于排粉；⑤对切削具的镶焊和修磨方便。

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第二节

取心式硬质合金钻头

4、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

①

单（双）环排列：一个或二个切削具覆盖唇面，加工简单；

②

多环排列：多个切削具分环覆盖唇面，造成多的碎岩自由面；

③

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。2023/1/14

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。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

6、钻头的水口和水槽（1）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）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）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。

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第二节

取心式硬质合金钻头

二、取心式硬质合金钻头（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。

1、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、自磨式硬质合金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。

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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、松软及中软岩层所用的钻头在中软岩层中钻进的特点是：①岩石压入硬度较小，可在较小的轴向压力下切入岩石；②切入深度较大，岩屑的颗粒也较大；③钻速高，单位时间产生的岩屑量大，要求钻头易于排粉；④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；⑤岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削刃。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

1、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。①

螺旋肋骨钻头特点：流通载面大，孔底干净，钻进效率较高。②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3~5级岩石。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

（二）取心式硬质合金钻头

1、松软及中软岩层所用的钻头

（2）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。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

（二）取心式硬质合金钻头

2、中硬及较硬岩层用的钻头

这类岩层中钻进的特点是：①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；②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；③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。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

（二）取心式硬质合金钻头

2、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）内外镶硬质合金钻头：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3~5级岩石，大八角内外镶钻头适用于5~7级岩石。2023/1/14

第二节

取心式硬质合金钻头

2、中硬及较硬岩层用的钻头

（2）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：单粒掏槽，双粒扩槽。单双粒硬合金钻头可钻进4~5级岩石，品字形硬合金钻头可钻进4~6级岩石。

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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

3、针状自磨式钻头

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5~7级中等研磨性的岩石。2023/1/14

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、金刚石钻进的概念与特点

1、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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

一、金刚石钻进的概念与特点

2、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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

二、钻探用金刚石

1、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），“刚果”（Congo），“卡邦纳多”（Carbonado），“巴拉斯”（Ballas）和“雅库特”（Якут）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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

二、钻探用金刚石

1、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。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。2023/1/14

第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

1、钻探用金刚石的分类

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：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：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。2023/1/14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8600MPa，是钢的9倍。耐磨性是钢的2000~5000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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

3、钻探用金刚石的粒度和品级

（1）金刚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（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：粗粒——5～20粒/克拉；中粒——20～40粒/克拉；细粒——40～100粒/克拉；粉粒——100～400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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

（2）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：

①完整晶体。晶形好、强度高、耐冲击，是理想的切磨耗材。

②等积形。晶体长轴与短轴之比不超过1.5﹕1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。

③非等积形。晶体长轴与短轴之比超过1.5﹕1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。

④连晶。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。

⑤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。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

二、钻探用金刚石

3、钻探用金刚石的粒度和品级（2）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。2023/1/14

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2023/1/14

第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

1、压碎剪切与疲劳破碎表镶钻头上的单粒金刚石在Py、Px联合作用下，类似球体压入岩石（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Py、Px的作用下，产生压缩应变和拉伸应，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。孔底某一点经多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎的性质。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

2、犁掘作用原理（塑性破碎）钻进时，孔底岩石是在三向应力状态下（围岩压力、液柱压力和轴向载荷），随围压的增加，岩石的塑性增大。当以塑性破碎为主时，将发生明显的犁掘作用过程，即：钻头唇面上出露的金刚石，在轴向压力作用下侵入岩石表面，在切向力作用下沿横向滑移时，滑移前方的压缩应力区产生张应力滑移区，在滑移区内产生向前、向左、向右、向下的裂纹，当应力增加时，裂纹扩展。应力超过岩石强度时，首先在金刚石的正前方出现沟槽形的破碎，在其两侧也将沿薄弱面产生破碎。2023/1/14

第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

3、多刃研磨切削孕镶钻头金刚石颗粒小，且埋藏于胎体之中，钻进中必须自磨出刃才能维持钻速恒定而不衰减。

其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，随着硬质点的逐渐磨损和粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。当唇面金刚石出露较好时，在磨削的同时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用。如果孕镶金刚石钻头的胎体性能与所钻岩石不适应或没有足够的钻压，胎体不能超前磨耗，钻进中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。

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第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

4、微动载碎岩

有些学者认为，无论表镶或孕镶钻头在孔底的碎岩过程中，孔底还存在着微动载的碎岩过程。在轴向压力（钻压）下，钻头被紧压在孔底岩石表面，钻具的回转振动和钻柱弹性变形对孔底钻压的加强或减弱、泵送流体的压力脉动，对孔底岩石的破碎起到了积极的促进作用。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

一、金刚石钻头的种类

金刚石钻头、金刚石扩孔器组成一套钻具。

金刚石钻头的种类有：天然、人造；电镀、热压；单管、双管；绳索取心、定向钻进；取心、全面；矿山、油井；等等。根据碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体(包括复合片)金刚石钻头。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

一、金刚石钻头的种类

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第四节金刚石钻头和扩孔器

一、金刚石钻头的种类

我国在钻探生产中主要采用的是孕镶金刚石钻头，与表镶钻头相比孕镶钻头的优越性表现在：

(1)对金刚石品级的要求低于表镶钻头；

(2)孕镶钻头抗冲击载荷的能力较好，对钻进效果的影响小于表镶钻头，对违反操作规程的敏感程度也小于表镶钻头；

(3)制造过程简单，不必按规定布置摆放金刚石颗粒。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

二、金刚石钻头的规格和标准

金刚石钻头的规格尺寸是很严格的，我国的金刚石钻头规格系列为：36.5，46.5，59．5，75（76），91mm等。钻头、扩孔器、岩心管与套管之间有严密的级配关系。

(1)所钻的钻孔要为下入该级套管提供足够的间隙，

(2)当套管下入后，其内径须为下一级钻头及扩孔器的下入提供足够的间隙。

(3)岩心管的外径与孔壁应有足够的间隙以便冲洗液畅通，其内径应该能容纳岩心。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

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第四节金刚石钻头和扩孔器

三、金刚石钻头胎体和胎体中的金刚石参数

(一)金刚石钻头胎体

金刚石钻头胎体用于包裹金刚石，并与钻头钢体牢固连接。对钻头胎体性能的要求是：

1、胎体能牢固地包镶金刚石。

2、胎体应有足够的强度和抗冲击性能。

3、胎体的硬度、耐磨性要与所钻岩石的硬度、研磨性相适应。孕镶钻头对这些性能要求更加严格。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

(一)金刚石钻头胎体

孕镶钻头钻进时，胎体的磨损速度应适当超前于金刚石的磨损速度，使金刚石不断出刃。如果胎体不磨损或磨损极慢，则金刚石出刃甚小，发挥不了多刃微切削作用，钻速很低。反之，如果胎体磨损太快，则造成金刚石过早的崩刃或脱粒，从而失去钻进能力、钻头寿命缩短。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃，且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

（二）金刚石在胎体中密度（浓度）

1、金刚石在胎体中的密度

金刚石在胎体中的密度是表镶钻头金刚石含量的表示方法，其含义为：胎体表面单位面积金刚石的颗粒数。其范围一般为16~41粒/cm2，根据金刚石颗粒大小和所钻地层适当调节。大颗粒的、软地层的选用低密度，小颗粒的、硬地层的选用高密度。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

2、金刚石在胎体中浓度

孕镶钻头使用浓度来表示金刚石在胎体中的含量，钻头胎体工作层中金刚石体积的百分含量

。“400%浓度制”。孕镶钻头中的金刚石浓度一般为70~120%，浓度过高，端面金刚石与岩石的接触面积增大，单粒金刚石上的压力较小，压入岩石的深度减小。当小于岩石抗压强度时，其为表面破碎和疲劳破碎，钻速很低，甚至不进尺；浓度过低，在端面上出露的金刚石太少，不能满足全断面切削孔底岩石，同时还造成单粒金刚石上的压强太大，出露的金刚石就过早地磨钝或崩刃、脱粒。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

（三）金刚石的出刃

1、表镶钻头金刚石出刃原则：

（1）正常的泵压条件下岩粉能从钻头端面顺利通过；（2）金刚石出刃在钻进时不易被折断；（3）金刚石在胎体中包镶牢固。

出刃值取决于金刚石粒度和所钻岩石的物理力学性质。一般，以不超过金刚石直径的25％一30％为宜。软、粗粒岩石中，出刃值应较大；硬岩及破碎岩层中，出刃值应较小。

2、孕镶钻头的金刚石出刃

孕镶钻头金刚石的出刃自锐的过程，设计金刚石出刃值的实质是设计好胎体的性能。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

（四）金刚石在胎体上的排列

金刚石在胎体上的排列主要是指表镶钻头唇面上的金刚石颗粒的排列，其原则为：

1、金刚石均匀布满钻头的胎体表面，并有一定的重叠度；

2、便于冲洗液排除岩粉，充分冷却金刚石；

3、钻进中，唇面内外两侧的棱部金刚石负担最重，其次为底刃，再次为侧面刃。须选择优质金刚石作规径刃和内边刃。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

（四）金刚石在胎体上的排列金刚石在钻头唇面上的排列方式有放射排列，螺旋排列和等距离排列等。螺旋排列一般用于软岩钻进，其排粉效果最好。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

四、钻头的唇面形状（一）表镶金刚石钻头的唇面形状

1、圆弧形唇面（圆弧直径≥胎体厚度）——规径处可布置较多的金刚石，保径效果好，适用于中硬和硬岩层；

2、多阶梯形唇面——多用于壁厚大的钻头，适用于中硬和硬岩层，有利于破岩和导向；

3、内锥形唇面——钻头内边刃保强；适用于研磨性强、破碎的岩层。

4、外锥形唇面——钻头外边刃保强；适用于较软、易碎地层，多用于双管和绳索取心钻头。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

（二）孕镶金刚石钻头的唇面形状孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单，多为平底形，在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。如果坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，可把钻头唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形，以形成较多的破岩自由面。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

五、钻头的水口与水槽

（一）表镶钻头的水口与水槽表镶钻头的主水路是唇面与孔底之间的间隙，强制冲洗液从主水路通过，有效地冷却唇面金刚石和及时排除孔底岩粉，唇面上的水口和水槽的数目不能太多，常用的水口形状见图4-23。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

五、钻头的水口与水槽

由于表镶钻头的金刚石粒径与布排与孕镶钻头不同，其水口与水槽也有所不同。

（二）孕镶钻头的水口与水槽孕镶金刚石钻头的金刚石出刃非常小，它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙，而是水口。在钻头唇面与孔底岩石之间只存在漫流（或湿润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。2023/1/14

第四节金刚石钻头和扩孔器

六、金刚石扩孔器

金刚石扩孔器安装于钻头和岩心管之间，是金刚石钻进不可缺少的组成部分。

（一）扩孔器的作用

1、修扩孔壁，保证钻孔直径符合要求；

2、保持孔内钻具的稳定性，使钻具在高转速回转条件下保持良好的动平衡状态；

3、延长钻头寿命。减少新钻头下孔的扩孔量，防止钻头早期磨损。

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第四节金刚石钻头和扩孔器

六、金刚石扩孔器

（二）扩孔器的结构类型扩孔器由钢体和含金刚石的凸起胎体组成（形成水槽）现用扩孔器的样式很多，有单管的、双管的、绳索取心的；有天然金刚石、人造单晶金刚石、人造聚晶金刚石的；有直棱、直条、螺旋棱、螺旋条的等等。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

一、钢粒钻进的基本原理

1、钢粒钻进的基本概念用未镶焊切削具的钻头压住不与钻头钢体镶在一起、呈自由状态的钢粒，并带动它们在孔底滚动而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

2、钢粒钻进的基本原理

岩心管的下端接有钢粒钻头（钻头钢体），钻头上开有口。孔底投有一定量的“自由”的钢粒，受周围岩石的限制，钢粒压在钻头的底唇之下和两侧。钻进中，钻头向下施加一定的轴向压力，并作回转运动。随着钻头的转动，钢粒在钻头与岩石之间不断滚动，对孔底岩石进行碾压，达到破碎岩石的目的。同时，泵送的冲洗液由钻头内间隙流经孔底，再由钻头外间隙上返流出，冲排岩屑和磨损失去工作能力的钢粒屑。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

3、钢粒钻进的特点（1）作为碎岩磨料的钢粒，并不固定在钻头体上，而是自由地压在钻头底面和两侧；（2）钢粒碎岩的过程是一个对孔底岩石碾压的过程；（3）回转的离心力和冲洗液的冲刷力使钢粒在孔底的分布：钻头外侧多于内侧；

（4）冲洗液的循环对孔底的钢粒能起到分选作用，磨损变小的和失去工作能力的钢粒悬浮于外侧间隙中，未被磨损的或磨损少的在孔底工作。改变冲洗液量可改变分选状态；2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

3、钢粒钻进的特点（5）由于碎岩过程本身的特点，决定了这种方法可以破碎比钢粒自身还要硬的岩石，可用于钻进中等硬度以上的坚硬岩石（9～12级的岩石），但钻进效率较低；（6）钢粒、钻头钢体和管材的磨耗量很大；（7）钻探质量较差（孔壁与岩心表面粗糙、岩心直径变化大、采取率低、孔壁间隙大、钻孔易弯曲等）（8）不能钻水平、向上和大顶角的钻孔，也不宜于在大裂隙、空洞和涌水量大的地层中采用；（9）钻进工艺较复杂，特别是冲洗液量的控制。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

二、钢粒与钢粒钻头

（一）钢粒

1、钢粒的形状与材质（1）钢粒的形状：是直径为2.5~4mm的圆柱体，圆柱体的高等于其直径，有利于钢粒在孔底的滚动。

（2）钢粒的材质与性能：一般是60号、70号高碳钢，经调质、淬火可达到较高硬度。其抗压强度可达到1000kg/粒，硬度HRC（洛氏硬度）≥50。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（一）钢粒

2、钢粒的粒度通常，钢粒的粒度按2.5、3、3.5、4mm分成四个粒度级别。（1）粒度与钻进速度的关系根据实验，随着钢粒粒度的增大，钻速与功耗增大；钢粒和钻头磨耗减小。从这种意义上讲，增大钢粒的粒度是有益的。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（一）钢粒

2、钢粒的粒度（2）钢粒的粒度与钻进质量的关系钻粒粒度还直接影响到钻进质量，钢粒过大会产生下列危害：①

内环状间隙增大，使岩心变细，容易发生岩心堵塞、岩心脱落、残留岩心等问题，岩心采取率低。②

外环间隙增大，孔径被扩大，钻杆和粗径钻具转动不稳，会造成过大的钻孔弯曲。2023/1/14第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（一）钢粒

2、钢粒的粒度（3）钢粒的粒度与钻头壁厚的配合关系

在钻头壁厚一定时，如果钢粒直径超过一定限度，钻头唇底不能稳定压砂，就不能有效地破碎岩石。一般，钢粒直径与钻头壁厚的配合关系为：

t=（3~4）d式中：t——钻头壁厚，毫米；

d——钢粒直径，毫米。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（二）钢粒钻头

1、钢粒钻头的功用和结构（1）钢粒钻头的功用与性能：钢粒钻头的功用是将钻杆传来的轴向压力及回转力传递给钢粒。钻头唇面把钻粒压在孔底岩面上，并依靠其本身的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒在孔底岩石上滚动，破碎岩石，钻头本身不直接破碎岩石，但受钢粒及岩屑的作用，不断被磨损。良好的钢粒钻头应具有以下的性能：

①

能很好地压住钢粒，并能带动钢粒沿孔底滚动；

②

能顺利地流通冲洗液，排除钻粉；

③

钻头应耐磨，并能保持良好的导砂性能和补砂性能。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

1、钢粒钻头的功用和结构（2）钢粒钻头的结构

①

钢粒钻头的结构呈圆筒状。材料一般为45号中炭钢，硬度低于钢粒，以保证与钢粒间有一定的连系力，牵动钢粒滚动。②

外径上下一致，内壁上部有1﹕100的锥度，以便卡取岩心。③

钻头外径有：75，91、110、130、150毫米等级别，壁厚9~11毫米。④

钻头底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下补给钢粒。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（二）钢粒钻头

2、钢粒钻头的水口（1）水口的功用

①

提供比较稳定的过水断面，保证冲洗液流通；

②良好的导砂作用，把钢粒导入钻头底唇之下，保证钻头唇部有足够的钢粒在井底工作。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

（2）水口的形式

钢粒钻头的水口一般只有一个，水口不宜过宽，通常不大于钻头周长的1／4。否则，将减少钻头“压砂”工作端面，其形式如图。

弧形边比直斜边的导砂性能要好，但加工较困难。单斜边和单弧形加工较简单，但底开口较大，钻头工作端面较小，且沿高度磨损时，水口面积变化较大；双弧形水口效果最好。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

三、钢粒钻进的碎岩机理

钢粒钻进破碎孔底岩石主要有以下机理：

1、压碎碎岩——体积破碎

（1）尖楔压入破碎岩石——钻进开始阶段（2）球形压模压入碎岩——钻进中后期

2、疲劳破碎——钢粒钻进的主要碎岩方式

3、脉动冲击碎岩——钢粒钻进全过程

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

1、压碎碎岩（1）尖楔压入破碎岩石：开始时，钢粒呈柱状，当边棱与岩石接触时，接触面积小，压力集中，接触面上的压强较大，达到岩石的压入硬度，钢粒压入岩石，岩石呈体积破碎方式破裂。

（2）球形压模压入碎岩：当钢粒磨成球形，接触面积虽有所增加，但钢粒大小不均，仍存在压力集中，如果钻压足够大，压强达到了岩石压入硬度，同样发生压入碎岩（类似球模压入碎岩）。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

1、压碎碎岩

压碎碎岩方式虽属于体积式碎岩，但在钢粒钻进中，它所占的碎岩比率不大，因为这种碎岩方式主要是靠接触面积小而造成大的压强来实现的。由于接触面本身甚小，所以每次碎岩的量也不大。同时在钻进中以棱角压岩石的机会也比较少。还有钢粒上的这些棱角在发生压碎岩石的同时，钢粒本身不断地被磨损。至于靠分布不匀压力集中以达到压碎岩石的情况，产生的机会也较少。

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第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

2、疲劳破碎疲劳破碎是由钢粒的碾压作用而产生的碎岩方式，钻进中被成球形或椭球形的钢粒，以一定的压力压于岩石表面，当压力未达到岩石压入硬度时，不会压入岩石，但其下部岩石中存在着两个危险极值带，压力边缘处存在拉伸应力，这种压应力和拉伸应力的作用，加上钻粒的变形、与岩石的摩擦力，将岩石压裂和撕裂成一定深度的许多裂纹，称之为碾压作用。随着众多钢粒的重复碾压，裂纹加深加密，使交叉发育的裂纹以岩屑的形式被剥离下来离开母体。2023/1/14

第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

3、脉动冲击碎岩钢粒钻进中，由于钢粒本身和每个钢粒存在尺寸不均匀、井底的不平、钻杆柱本身产生的弯曲和扭转振动，回转时，对井底岩石产生脉动冲击破碎岩石。由于钢粒钻进中，这种脉动冲击比较强烈。会产生较大的体积破碎，同时，也会促进碾压裂隙的发展。正是由于碾压疲劳碎岩和脉动冲击碎岩，所以，钢粒钻进可以破碎比钢粒和钻头体本身还要硬的岩石。

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第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

牙轮钻进的概念：牙轮钻进是利用牙轮钻头在井底回转，使钻头上的牙轮在井底滚动，以滚动冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。

牙轮钻进的应用：牙轮钻进一般是不取心的全面钻进，广泛应用于油气钻井和大口径施工钻进，适用于Ⅰ～Ⅻ级的岩石，在Ⅵ～Ⅹ级的岩石中效果最好。

牙轮钻头的类型：有铣齿式、镶齿式；有体式、无体式；单牙轮、双牙轮和三牙轮等。生产中以三牙轮钻头应用最多。

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第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

一、牙轮钻头的结构

（一）牙轮钻头的组成

牙轮钻头由

钻头体、牙轮爪

（巴掌）、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等部分组成。2023/1/14

第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

（二）牙轮钻头的基本参数

1、牙轮

带有牙齿的锥体，用以破碎岩石。外锥面有1—3种锥度。单锥牙轮由主锥和背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成。

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第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

（二）牙轮钻头的基本参数

2、牙轮轴线偏移（移轴）为了使牙轮产生滑动，常使牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离（或使牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度）。

牙轮轴线的偏移值，应根据岩层的特性来定。低硬度、高塑性的岩层，偏移值较大；高硬度、低塑性的岩层，偏移值较小；研磨性的硬地层和坚硬地层，偏移值为零。2023/1/14

第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

3、牙轮的布置（1）不超顶布置。牙轮轴线、主锥母线交于钻头中心。牙轮纯滚动，无滑动。齿圈不啮合。适用于钻硬地层。（2）超顶不移轴布置。轴线交于钻头轴线，主锥超顶。牙轮在孔底有滑动，齿圈啮合，可自洗。适用于软及中硬地层钻进。（3）超顶、移轴。牙轮轴线偏移，且主锥超顶，牙轮可自洗，且可以使牙轮产生轴向滑动。适用于软及中硬地层钻进。2023/1/14

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（二）牙轮钻头的基本参数

4、牙轮钻头的牙齿牙齿可分为铣齿和镶齿两大类。（1）铣齿：由牙轮毛坯经过铣削加工而成。为了提高牙齿的耐磨性，在齿面上敷焊硬合金粉。牙齿的抗冲击韧性较好，主要用于软地层、中硬地层。（2）镶齿：牙齿由硬质合金镶焊而成。硬度高，主要用于坚硬地层，也用于中硬和软地层。2023/1/14

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二、牙轮钻头的孔底碎岩过程

牙轮钻头的孔底碎岩过程主要有以下几种作用：

牙轮钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用

静载压入碎岩

冲击动载碎岩牙齿对地层的剪切作用超顶引起的滑动复锥引起的滑动移轴引起的滑动2023/1/14

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二、牙轮钻头的孔底碎岩过程

（一）牙轮的自转与公转

1、牙轮的公转钻头绕钻柱轴线顺时针方向旋转时，带动牙轮也绕钻头轴线作旋转运动，这种运动称为“公转”。

2、牙轮的自转

在牙轮随钻柱公转的同时，由于与地层间的相互作用，牙轮还绕自身轴线作反时针方向旋转，这种旋转称为“自转”。

在孔底无滑动的情况下，牙轮自转速度与钻头旋转速度之比等于钻头直径与牙轮直径之比。

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二、牙轮钻头的孔底碎岩过程

（二）牙轮钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用

牙轮钻头钻进是冲击动载与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用。

1、静载压入碎岩钻进时，钻头上的钻压经牙齿作用在岩石上，这是静载尖楔压头压入碎岩的过程。

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2、冲击动载碎岩

由于牙轮的滚动，牙轮齿与孔底岩石呈单齿、双齿交替接触。单齿接触孔底时，牙轮中心处于高点；双齿接触时牙轮中心处于低点。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交替，使钻头沿轴向作上下往返运动，产生钻头的纵向振动。实际钻进中，由于钻头在孔底的纵向振动，使钻杆柱不断压缩与伸张，加之孔底的不平，在牙轮滚振的基础上还叠加了振幅较大的低频振动，对地层产生冲击作用破碎岩石。

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（三）牙齿对地层的剪切作用

剪切作用主要是由于牙轮在滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动而产生的，产生滑动的原因在于牙轮的超顶、复锥和移轴三种结构。

1、超顶引起的滑动如图，牙轮锥顶超过钻头轴心的结构称为超顶，超过的距离ob为超顶距c。设工作时牙轮上每一点的公转为ωb，自转转速为ωc。2023/1/14

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1、超顶引起的滑动（1）在牙轮与地层接触母线上任一点x，由ωb引起的的速度Vbx是呈直线分布的，在oa段方向向前，在ob段向后，在钻头中心o处速度vbO=0。（2）由ωc引起的速度vcx也是呈直线分布的，方向向后，在b点vcb=0。（3）速度合成后，在ob段形成一个向后的滑动速度vsx，此时牙轮受到一滑动阻力Ps（与滑动方向相反），因而有滑动阻力矩Ms（-）=PsR。使牙轮的角速度ωc降低。2023/1/14

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1、超顶引起的滑动（4）由于牙轮角速度降低，在oa段由vbx和降低的vcx合成一个滑动速度vsx（靠近o的一端向后，靠近a的一端向前）。同时，在靠近o的部分产生一个与Ms（-）方向相同的滑动阻力矩M′s（-），在靠近a的部分产生一个与Ms（-）方向相反的滑动阻力矩Ms（+）。2023/1/14

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1、超顶引起的滑动

（5）Ms（-）、M′s（-）及Ms（+）达到平衡，使ΣMs=0。于是牙轮的角速度便稳定在一个新数值下，不再减慢。（6）vsx=vbx+vcx即牙轮相对于岩石的滑动速度，呈直线分布，它与ab线交于M点，vsM=0为纯滚动点，bM段向后滑动，aM段向前滑动。滑动速度随超顶距c的增大而增大。2023/1/14

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