钻探工艺教案第3章 金刚石钻进

PAGEPAGE37第三章金刚石钻进金刚石又称“钻石”，是大自然中最坚硬的宝石。英文中钻石一词，源自希腊文“adnmas”，是“无法征服”的意思。长期以来，人类就利用金刚石特有的坚硬性来钻凿岩石或切割瓷器等。但金刚石以切削具的形式用于钻探工作，则是近百年来的事情。世界上第一台金刚石手摇钻机，出现于1862年，当时用于隧道工程掘进中的爆破孔。此后，金刚石钻进逐渐在一些发达国家中获得应用；由于当时所用金刚石都是大颗粒的高级品，价值十分昂贵，所以它的发展受到了限制，后来随着粉末冶金技术的发展，廉价的细粒金刚石被应用于钻孔技术；从此，金刚石钻进才得到较大的发展。近年来随着人造金刚石和金刚石复合超硬材料的应用，更展示了金刚石钻进技术具有广阔的发展前景，目前，金刚石钻进是矿山勘探中的主要钻进、探矿方法。我国金刚石钻进技术的研究工作，开始于1957年，1963年制成了表镶天然金刚石钻头。与此同时，人造金刚石在我国也已开始制造；1972年制成了人造金刚石钻头并试用于生产实践中；此后，金刚石钻进技术在我国迅速发展起来，人造金刚石厂和钻头制造车间大量兴起，产品成倍增加，质量不断提高，品种亦不断增多，制造钻头的新方法也相继研究成功。在钻探设备方面还研制出多种适用于小口径金刚石钻进的新型钻机；小口径管材和工具亦形成系列；此外，还研制出各种适用的冲洗液及孔内、地表用的各种仪表。现今。金刚石钻进技术已推广到全国各行业的矿山勘探中。金刚石钻进的常用钻具由钻头1、扩孔器2、岩心管3、异径接头4和钻杆5等所组成，如REF_Ref178142652\h图31所示。钻头1镶有作为切削具的金刚石以破碎岩石；扩孔器2上也镶有金刚石以修整孔壁；岩心管3以容纳所钻岩心，有单层与双层之分。双层岩心管应用较为广泛。单层岩心管如REF_Ref178142666\h图32(a)所示；卡簧2装在钻头1上方的扩孔器3内，提钻时，卡簧可把岩心卡住并随钻具提出孔外。单管钻具只用于钻进完整地层。双层岩心管如REF_Ref178142666\h图32(b)所示；内管7是静止不转的，可容纳岩心使之不受扰动。外管6传递扭矩于钻头1。冲洗液经内外管间隙流向孔底，使岩心不受冲蚀。内管下端装有卡簧2的卡簧座，其作用与单层管相同。实践证明，金刚石钻进比其它钻进方法有许多优越性，它具有钻进效率高、钻探质量好、孔内事故少、钢材消耗少、成本低及应用范围广等特点。金刚石钻进的孔径不受限制，最小为28mm，最大达30mm；孔深可超过4000m。因此，金刚石钻进的钻孔倾角不受限制，它不仅能钻垂直孔、斜孔，还能钻水平孔和仰孔，因此，它可广泛用于隧道掘进工程及矿山坑道中钻凿爆破孔和追索矿体的勘探孔钻进中。图3SEQ图\*ARABIC\s11钻具组成1—钻头；2—扩孔器；3—双层岩心管；4—异径接头；5—钻杆图3SEQ图\*ARABIC\s12单层、双层岩心管a—单层管；1—钻头；2—卡簧；3—扩孔器；4—岩心管；b—双层管；1—钻头；2—卡簧；3—卡簧座；4—短截管；5—扩孔器；6—外管；7—内管第一节钻探用金刚石一、金刚石的分类金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，它在机械、采矿、冶金、光学仪器、电子等工业部门得到广泛的应用。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的五分之一。(一)天然金刚石在国际上一般按其结晶形态和产地，可分为以下几种：1、包尔兹(bortz)，即浑圆金刚石多呈不规则或放射状结构，颜色变化很大：无色、黄色、灰色和黑色等，呈透明或不透明状，具有硬度高多边缘等特征，且价格低廉，最适宜作钻头用。凡结构异于“黑色金刚石”和“巴拉斯”的，又不能列到宝石级的，都属于这一类。2．刚果(congo)，亦称刚果包尔兹颜色有白、灰、黄、绿等，细品结构，多数呈碎粒状，硬度略低于包尔兹。可作孕镶钻头用，精选后也可作表镶钻头用。3．卡邦纳多(carbonado)．亦称黑色金刚石产于巴西。颜色有黑、钢灰，灰绿、灰褐和暗红等，有树脂光泽，呈细粒多孔结构，无节理面，圆粒状。密度为(3200～3400)kg/m。耐磨性和韧性都超过所有金刚石，是理想的钻头切削具。但因产品稀少，价值昂贵。所以很少用于钻探。4．巴拉斯(ballas)产于巴西及非洲。颜色由透明到暗褐，多呈粒状晶体或近似圆球体，外壳为细晶结构，外壳的强度、硬度都高于中心内部，密度为3520kg/m5．雅库特(якут)，亦称包尔兹产于俄罗斯的雅库特．结晶似刚果。(二)人造金刚石1．单晶人造单晶是人造金刚石的基本品种。由于合成时使用的触媒不同，因而具有不同的颜色。目前，生产的以不同深浅的黄绿色晶体及含硼黑色晶体为主，是我国金刚石钻探使用的主要品种。2．聚晶是由细小的金刚石微粒(直径大约在1～100μm之间)，在粘结剂参与下烧结而成的较大颗粒的多晶金刚石。聚晶的形状可根据需要制成圆柱形、三角形或其它多边形状或立方形。3．金刚石复合片由一薄的金刚石多晶层和较厚的硬质合金层复合而成(PDC)。一般呈圆片状，也可以加工成各种所需形状。粒度中等或偏粗的多晶金刚石的产品，适用于钻探工程。4．人造卡邦用人工方法合成，具有与天然卡邦金刚石类似结构的黑色金刚石多晶体颗粒，故称人造卡邦。人造卡邦金刚石是一种子晶间主要形成金刚石－金刚石键（D－D键）界面特性的新型人造金刚石超硬材料，其硬度大、耐磨性好、强度高、韧性好、显微结构致密且各向同性，是在压力P≥8Gpa、温度T≥2200K的超高压高温条件下生长而成的，是一种具有纳米级微结构、杂质含量少、内部应力小、可生长成大尺寸的优质多晶体金刚石。人造卡邦金刚石可用于制作拉丝模、高压喷嘴、地质钻头、金刚石刀具、修正笔、金刚石轴承、硬度计压头等工具和器件。二、金刚石的化学成分和晶形(一)金刚石的化学成分金刚石的化学成分是碳(C)。但在生产过程中常渗入了其他微量元素，因而纯洁的金刚石很少。最常见的杂质是：氮(N)达0.2%。其次是铝(AI)和一些其他元素，甚至无色晶体中也有包裹体。现在查明的有铝(AI)、硅(Si)、钙(Ca)、镁(Mg)等十三种元索。无色晶体中杂质含量达0.02%～0.05%,不甚完美的晶体杂质含量达5%，圆粒形的杂质含量大于20%。对于人造金刚石，由于在合成过程中加入了各种触媒剂，所以某些触媒元素已成为该种人造金刚石的成分之一。(二)金刚石的晶形金刚石是碳(C)的结晶变体之一，属于等轴晶体矿物，结晶架格如REF_Ref182390455\h图33所示。从图上看出,晶格中碳原子排列具有高度对称性，每个碳原子同周围的4个碳原子排列在正四面体的锥角顶端，而四面体每一角顶为相邻四个四面体所共有，即碳原子之间为共价键连接。因为共价键具有饱和性与稳定性，所以金刚石非常坚硬。金刚石原生矿床都赋存在火山筒中，它是地下碳元素在火山筒内高温、高压条件下生成的。因为在生长过程中的物理、化学条件不同，所以它的晶体形态是多种多样的。金刚石的晶形大致可分为：单晶、连晶(连生)、多晶(集合)等形体。最常见的单晶为八面体，次为菱形十二面体，最少的为六面体．如REF_Ref182390462\h图34所示．这些统称之为平面单晶体。与上述晶形相近的还有浑圆晶体。如凸八面体，凸十二面体和凸六面体等。这些统称曲面单晶体。所谓连晶、多晶体，则是这些单晶聚合构成的。应指出，整晶形是少数。多数是不完整的如歪晶、碎粒、碎片和针状等。人造金刚石在晶形生长发育良好的情况下，呈八面体、十二面体及它们的聚晶形，而且晶面完整、晶棱清晰。质量较次的人造金刚石，其晶形不完整，常出现连晶、子晶以及晶面有蚀坑等，图3SEQ图\*ARABIC\s13金刚石晶格图3SEQ图\*ARABIC\s14金刚石常见晶形1—六面体；2—八面体；3—十二面体；4—凸六面体；5—凸八面体；6—凸十二面体三、金刚石的性质金刚石的性质直接影响着钻进效率及钻头寿命，为此，对钻探用金刚石的性质有以下一些要求：(一)钻探对金刚石的要求1．天然金刚石(1)硬度高，耐磨性强，强度高，冲击韧性好，脆性小；(2)热稳定性好；(3)晶形完整，表面圆滑光亮，无蚀坑及松散表层；最好是近似球形、浑圆状的八面体和十二面体；(4)内部无裂纹和其它缺陷。2．人造金刚石除有些要求同天然金刚石外，还要求：(1)粒度的60目的单颗抗压强度不低于85N．最好在100N以上；(2)晶形完整．最好是八面体、十二面体以及它们的聚形且呈浑圆状、团块状：(3)单晶要进行磁选，剔除磁性强的部分；(4)聚晶磨耗比不低于30000；抗压强度、耐热性要符合一定要求。(二)与钻探有关的物理力学性质(1)硬度硬度是金刚石最重要的性能之一。金刚石的硬度极高，莫氏硬度为10级，研磨硬度是刚玉的150倍，是石英的1000倍。(2)强度金刚石具有极大的抗静压强度。天然金刚石的抗压强度大约8600MPa，约为刚玉的3.5倍，硬质合金的1.5倍，钢的9倍。用于钻探的人造金刚石一般要求强度达2500MPa以上。(3)耐磨性金刚石的弹性模量极大（8800MPa），在空气中与金属的摩擦系数小于0.1，所以具有极高的耐磨性，是刚玉的90倍，硬质合金的40～200倍，钢的2000～5000倍。用于钻探的人造金刚石聚晶体一般要求与中硬碳化硅砂轮的磨耗比在1∶30000以上。(4)热性能金刚石是热的良导体，它散热比硬质合金刃具快。金刚石的线膨胀系数很低，仅为硬质合金的1/4～1/5，钢的1/8～1/10，但随温度的升高而增长较快，这对金刚石钻头的包镶和使用产生不利影响。金刚石容易受到热损伤，虽然温度尚低于其燃烧温度，但金刚石的强度、耐磨性已受到严重影响。所以钻进中必须充分冷却，防止发生金刚石钻头烧钻事故。四、金刚石的品级和量度(一)天然金刚石的品级和量度1．天然金刚石分级的依据钻探用天然金刚石可根据以下几方面进行分级：(1)结晶形态：分四面体、六面体、八面体、十二面体及聚形等。质量以菱形十二面、八面体为最好；(2)外形：外形呈圆的、浑圆的或近似球形的金刚石，强度高、质量好；而片状、针状的金刚石较差，一般不能使用；(3)表面特征：表面光滑、发亮、有金刚石光泽的金刚石质量较好；而表面发毛、有凹坑、有松散表层的质量差；(4)透明度：透明程度越高的金刚石质量越好；深色透明度不好的金刚石，质量较差；(5)内部结构晶体质纯而匀，无裂纹、无杂质及缺陷的金刚石，质量好。反之，较差；(6)按密度(比重)分：同一类中，密度愈大者质量愈好；(7)按产地分：不同产地的金刚石，其性质差异亦大。如南非的金刚石较好，而刚果的金刚石则较差。2．我国钻探用天然金刚石的分级我国，按地质系统DZ—2.1—87标准，制订出天然金刚石品级分类标准，如REF_Ref182464565\h表31所列。表3SEQ表\*ARABIC\s11天然金刚石品级分类标准级别代号特征用途特级(AAA)TT具天然晶体或浑圆状，光亮质纯，无斑点及包裹体，无裂纹，颜色不一，十二面体含量大于35%～90%，八面体含量达10%～65%用于制造钻进特硬地层，或制造绳索取心钻头优质(AA)TY晶体规则完整，较浑圆，十二面体达15～20%，八面体含量80～85%，每个晶粒应不少于4～6个良好的尖刃，颜色不一，无裂纹，无包裹体制造钻进坚硬和硬地层，或翻造绳索取心钻头标准级(A)TB晶粒较规则完整，八面体完整晶粒达90～95%，每个晶粒应不少于4个良好尖刃，由光亮透明到暗淡无光泽，可略有斑点及包裹体制造钻进硬和中硬地层钻头低级(C)TD八面体完整晶粒达30～40%，允许有部分斑点包裹体，颜色为淡黄至暗灰色。或经过浑圆化处理的金刚石制造钻进中硬为层钻头等外级TX细小完整晶粒，或呈团块状的颗粒择优后用于制造孕幼钻头TS碎片、连晶砸碎使用，无晶形3．钻探用天然金刚石的量度金刚石的重量单位常用“克拉”，1克拉等于0.2g。国际单位为“克”金刚石的颗粒大小的量，称为粒度，以粒/克拉表示。粒级分粗、中、细、粉四级。如REF_Ref178915482\h表32。表3SEQ表\*ARABIC\s12金刚石的粒级粒度粗中细粉粒度(粒˙克拉-1)5～2020～4040～100100～400金刚石直径小于1mm的粒度用“目”来表示。目是1英寸表3SEQ表\*ARABIC\s13不同粒度金刚石直径粒度/粒˙克拉-15101520253040506080100125颗粒直径/mm3.002.312.001.801.651.501.421.331.251.151.101.00表3SEQ表\*ARABIC\s14不同粒度金刚石直径粒度/目10243646607080100120150180200颗粒直径/mm1.000.80～0.630.50～0.400.40～0.3150.315～0.250.25～0.200.20～0.160.16～0.1250.125～0.100.10～0.080.08～0.0630.06所谓金刚石直径，是把颗粒看成球形而言。不同粒度的金刚石直径，列于REF_Ref178916429\h表33及REF_Ref178916435\h表34。4．钻探用天然金刚石的粒度范围及标准(1)矿山，地质勘探用表镶钻头：金刚粒度一般用80～100粒/克拉；(2)石油钻井用表镶金刚石钻头：其粒度一般在0.5～15粒/克拉；而更多地采用2～12粒/克拉的范围；表镶钻头用金刚石的粒度标准，见REF_Ref178917001\h表35所示。表3SEQ表\*ARABIC\s15表镶钻头用金刚石的粒度标准粒度/粒˙克拉-18～1515～2525～4040～6060～100适用岩层软–中硬中硬中硬–硬硬硬–坚硬(3)孕镶钻头常用的金刚石粒度为150～400粒/克拉或20～100目；孕镶钻头用金刚石粒度标准，见REF_Ref178917186\h表36所示。表3SEQ表\*ARABIC\s16孕镶钻头用金刚石粒度标准粒度/目20～3030～4040～6060～8025～3535～4545～7070～100适用岩层中硬–坚硬(4)扩孔器用的金刚石粒度比钻头用的金刚石粒度要大些．表镶扩孔器常用15～30粒/克拉；孕镶扩孔器同孕镶钻头所用粒度。(二)人造金刚石的品级与粒度白1953年和1954年，瑞典和美国通用电气公司分别宣布用人工方法成功地合成了单晶人造金刚石以来，世界各国人造金刚石业有了突飞猛进的发展，1963年我国自合成第一颗人造金刚石后，于1970年开始大量投产。1．人造金刚石的分级依据优质人造金刚石单晶应具有完整的晶形和光滑的表而，且有金属光泽、抗压强度高为主要依据。(1)晶形特征：凡发育良好的六面体、八面体、十二面体及其聚形，均有较高的质量品级。若系连晶、歪晶及不规则晶形，有缺陷的晶形，则其品级均较低。一般等积形单晶，具有中等的质量品级。(2)强度：人造金刚石的强度，在一定程度上反映了金刚石单晶质量的高低和使用时性能的优劣。表3SEQ表\*ARABIC\s17人造金刚石单晶按不同品级的要求金刚石品级代号品级要求粒度/目3646607080100120特级JRT(JR4)抗压强度/(N˙粒-1)完整晶形比例/%10015901530187020602050254025优质级JRY(JR3)抗压强度/(N˙粒-1)完整晶形比例/%6085585084512401235123010标准级JRB(JR2)抗压强度/(N˙粒-1)完整晶形比例/%557507457401035103010259注：其它要求(1)等积形不低于80%；(2)连聚晶体不超过3%；(3)高于强度规定值的颗粒不低于45%晶形与强度一起。构成了判定人造金刚石品级的最主要依据。人造金刚石单晶按不同品级的要求，如REF_Ref178918666\h表37所示。(3)磁性：人造金刚石一般都带有磁性。故人造金刚分级时，一般均进行磁选，磁性较弱的人选金刚石，才能列为较高的品级。2．人造金刚石分级标准目前已经达到、并在钻探工程上可采用的部分人造金刚石强度标准值，见REF_Ref179166804\h表38所列。表3SEQ表\*ARABIC\s18人造金刚石分级标准金刚石品级代号单晶强度(MPa)单晶强度(N/粒)应用地层特级RT＞2200＞50坚硬优质级RY1800～220040～50硬标准级RB1500～180034～40中硬–硬五、钻探用聚晶金刚石和复合片(一)聚晶金刚石二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题。聚晶金刚石(PCD)又称人造金刚石烧结体。是由90%左右微细的(或各种粒度组成的)微粉金刚石中，加人适量(10%左右)的粘结剂(如Ni、Si、B、Ti、Zr、Re等元素)，在高温和超高压条件下烧结而成。它具有耐热性好(热稳定性达1200℃)，导热性能接近单晶金刚石。抗压强度高(3000MPa)且各向同性的特点，抗冲击性能优于单晶金刚石，克服了单晶金刚石体积小、有解理面、各向异性等缺点。(二)聚晶金刚石的品级标准70年代初，我国开始聚晶的研制，是世界上最早获得聚晶金刚石的国家之一。目前圆柱状聚晶已独成系列，其标准如下：1．代号JRS–Z其中JR–人造金刚石；S–烧结体；Z–钻探用。2．形状与尺金刚石聚晶的主要形状与规格，见REF_Ref178926092\h表39，其中带尖带角的用于表镶钻头。表3SEQ表\*ARABIC\s19金刚石聚晶的主要形状与规格D/mmL/mmαΦ22.533.544.590。～120。Φ2.533.544.55Φ33.544.55Φ3.544.555.53，聚晶金刚石的磨耗比E在规定条件下，使人造金刚石聚晶和80#碳化硅陶瓷砂轮平行摩擦；以砂轮的磨耗量Ms，和聚晶磨耗量Mi之比，其值即为磨耗比E(见REF_Ref178926539\h表310)。表3SEQ表\*ARABIC\s110人造金刚石聚晶品级分类表聚晶级别代号磨耗比特级RJT＞1∶30000优质级RJY1∶20000～1∶30000标准级RJB1∶15000～1∶20000(三)金刚石复合片金刚石复合片是将较薄的聚晶金刚石层(0.5～1mm)附着在硬质合金(含钴量高的)衬底(基片)上的复合材料。它是将微细的金刚石粉末与硬质合金基体同时置于超高压高温（6万大气压，1400～1500℃）条件下烧结而制成。复合片金刚石层中金刚石含量高达99%，粘结金属含量仅占1%左右。金刚石复合片兼有金刚石聚晶层极高的耐磨性，又有硬质合金较高的抗冲击切性。因而它在石油天然气和地质勘探行业中，广泛地应用于软至中硬岩层中钻探。金刚石复合片的主要性能及外形尺寸，见REF_Ref178928717\h表311，REF_Ref178928724\h表312所示。表3SEQ表\*ARABIC\s111金刚石复合片的主要性能项目性能平均磨耗比≥1：50000耐热性≥700平均抗弯强度(1200～1500)N/mm2表3-SEQ表\*ARABIC\s112金刚石复合片的外形尺寸产品编号外形主要尺寸/mm产品编号外形主要尺寸/mmDTWDTWBJF08058.0±0.14.5±0.1—BJF13C4.5±0.16.5±0.2BJF100510.0±0.14.5±0.1—BJF13C13.3±0.14.5±0.16.5±0.2BJF120512.0±0.14.5±0.1—BJF13C13.3±0.14.5±0.111.1±0.2BJF130313.3±0.13.5±0.1—BJF13C4.5±0.111.1±0.2BJF130513.3±0.14.5±0.1—BJF13C4.5±0.19.4±0.2BJF140813.4±0.18.0±0.1—第二节金刚石钻探原理关于金刚石钻进中的破碎岩石(如：研磨、剪切、切削、压皱和压入等方式)的原理，无论是国内、国外尚无统一论点，我们认为，金刚石在孔底工作情况比较复杂，与很多因素有关，其破碎岩石的方式很有深人研究的必要。一、粗粒金刚石破碎岩石过程岩石表面上的单粒金刚石，两者接触面是很微小的。在垂直载荷力Py，作用下，压入岩石深度为h，同时加以水平力(回转力)Px，REF_Ref178931955\h图35)。假如岩石塑性很大，则金刚石前面的棱面将以剪切方式破碎岩石，剪切体由小变大，与之相应的水平分力Px。也由小到大，当达到大剪切体a崩掉后，水平力Px，由最大而下降到零。继之，金刚石又从小到大地切掉剪切体α，水平力Px，也相应地脉动，由小到大，直到再次大体积破碎，如此循环进行。在金刚石滑过的槽沟面上也会出现微小裂隙，有助于破碎，这便是压裂形式的出现。这样的破碎岩石形式可以认为是以剪切为主，压碎为辅。图3SEQ图\*ARABIC\s15剪切方式破碎岩石过程在坚硬岩石上，金刚石在垂直载荷(轴心压力)Py作用下切人岩面，但深度极小。而在与金刚石接触的轮廓线上产生裂隙并形成裂隙区，在水平力Px，作用下，金刚石前进而随之形成裂隙带。金刚石前进的后方岩石面产生张应力更助长裂隙伸张，如REF_Ref178932841\h图3图3SEQ图\*ARABIC\s15剪切方式破碎岩石过程金刚石以切削方式破碎岩石很少，只有在细密软岩石上才会出现。图3SEQ图\*ARABIC\s16压裂方式破碎岩石过程图3SEQ图\*ARABIC\s17椭圆化与抛光的金刚石破碎岩石总之，单粒金刚石的破碎岩石方式与岩石性质有关。坚硬脆性岩石则以压皱、压碎为主，其特点为“崩离”。对于较软岩石，则以剪切、切削为主，其特点为“犁开”。另外，金刚石的破碎岩石方式还与其自身形状有关。试验证明，经过椭圆化和抛光处理的金刚石，破碎岩石则以压皱压碎为主要方式，同样的其刻槽深度h1，大于金刚石切人深度h，刻槽宽度b1，大于金刚石切人宽度b(REF_Ref178932854\h图37)，槽底与金刚石之间为挤压成的碎粉。未经处理的有锋刃的金刚石破碎岩石则以剪切、切削为主。作用在金刚石上的载荷Py，也会改变破碎岩石方式。如加在同一颗粒金刚石的力Py小会出现切削；力Py增大，会转为剪切和压皱、压碎。二、细粒金刚石破碎岩石过程细粒金刚石用于制造孕镶钻头。有人认为，细粒金刚石的破碎岩石是以磨削方式实现的。如同砂轮磨削金属材料一样。由于磨痕微浅，所以属于表面破碎。这样说，若说它是细粒金刚石钻头的破碎岩石机理，是对的；若说它是金刚石的破碎岩石机理，就不一定确切了。关于细粒金刚石破碎岩石机理，还是以单粒金刚石来分析为宜。细粒金刚石破碎岩石过程与粗粒的相似，只是它破碎的深度浅些而已。对于硬脆性岩石，则以压皱、压碎方式为主；对于软岩或塑性岩石，则以剪切、切削为主。都属于微量的体积破碎。三、钻探时孔底破碎岩石过程上述单粒金刚石破碎岩石机理的研究，基础是把岩石看成均质物体，加在金刚石上的载荷Py与水平力Px也都是均匀的。这显然与钻进时孔底岩石破碎情况是不相符的。孔底岩石是多种矿物组成的非均质体，处于多向压应力状态中。加在金刚石上的载荷有激烈的脉冲振动，加上冲洗液的冲洗和化学作用等，使岩石破碎过程更复杂化了。通过对钻进过程中的观察与试验分析，发现以下现象：被金刚石破碎下来的岩眉，其粒度、形状与自身的矿物成分、组织结构有关。非均质岩石的破碎往往发生在颗粒边界的胶结带处，只有金刚石上的载荷增大时，矿物颗粒本身才会在其力学性质薄弱处被压碎。例如，钻进颗粒较粗的花岗岩，其岩屑颗粒也大，石英呈贝壳状破裂，颗粒内部很少被切开；长石表面产生微小裂隙，常沿节理发育方向破裂，破碎的不规则。砂岩则于弱胶结处破碎，形成很细的石英粉。对于特别弱的矿物(如云母)，破碎时则沿节理面分离成不规则的薄片，然后掺杂在其他矿物颗粒中再被粉碎。钻进时，金刚石是在不平的孔底上运动，破碎岩石势必促成其自己振动。振动的幅度与岩石性质有关：如岩石强度低、塑性大，则孔底岩面较平，金刚石的波动幅度也小：岩石的强度、脆性大的，则孔底岩面不平，金刚石的波动幅度也大。岩石愈粗糙，组成矿物硬度差别愈大，则孔底岩面愈不平，金刚石的波动幅度也愈大。作用在金刚石上的脉冲振动，对金刚石有疲劳破坏作用。金刚石破碎岩石时所刻划的槽沟不是整齐的，不整齐程度随岩石性质而异。如脆性大而不均质的花岗岩，破碎成的槽沟边缘有明最的剪切、崩落痕迹，槽宽变化幅度也大。塑性和均质的大理岩，旋槽边只有呈放射状的裂纹，而没有明显的剪切痕迹，槽宽变化也小。在坚硬岩石中钻进(如钻进花岗岩、暗色岩等)，金刚石压人岩石很浅，只有几微米到几百微米，而岩粉颗粒尺寸通常要达到几十到几百微米，即岩粉颗粒尺寸为压入深度的几至几十倍。这说明金刚石对脆性岩石的压皱、压碎和剪切作用是主要破碎方式。而在塑性较大的岩层中钻进(如钻进大理岩、石灰岩等)。岩面不形成裂隙，岩粉常呈鳞片状，有时还能看到金刚石划过的沟痕，这说明金刚石对于塑性岩石，切削是其主要破碎方式。由于运动的金刚石后方槽底上张应力的存在，故而产生的岩屑往往多于刃前刻划下来的岩屑，这又说明压皱、压碎作用是破碎岩石的重要方式。钻进效率愈高，则岩粉颗粒愈粗，这时体积破碎是以压皱、压碎和剪切为主要破碎方式。钻速愈低，则岩粉颗粒愈细，这时表面破碎是以微量剪切为主要破碎方式。应该指出，上述情况，仍是表面观察和室内试验分析所得的结果，它仍然表达不了孔底岩石破碎时的真实情况。这方面有待科研工作者进一步研究解决。近年来，国外有些科研工作者准备用“断裂力学”来解释金刚石破碎岩石的机理。他们把岩石看作一个近似均质体，岩石破碎是由于应力集中在其内部和表面微小裂隙上所造成的。因为，岩石的实际强度比用物理学计算的强度小得多，差值可达十至千倍。相信，随着断裂力学的发展，用此来研究岩石破碎原理，将使金刚石破碎岩石机理得出更为正确的结论。第三节金刚石钻头及扩孔器一、金刚石钻头的分类金刚石钻头按其制造方法不同，可分为烧结法和电镀法两种。其结构和各部分的名称如REF_Ref179170835\h图38，REF_Ref179170846\h图39所示。镶有金刚石的胎体与钻头钢体烧结(或电镀)在一起而成。其下端丝扣可与钻具组连接，上端面(镶金刚石部分)称为唇面，唇面与胎体内外制有通水的水口。金刚石钻头按包镶形式的不同，可分为表镶钻头与孕镶钻头两种，如REF_Ref179170868\h图310，REF_Ref179170904\h图311所示。表镶钻头金刚石分布在胎体表面上，如REF_Ref179174841\h图312(a)。当其刃角磨钝后可回收复用。钻头按金刚石粒度分粗、中、细三种：5～20粒/克拉的为粗粒钻头；20～40粒/克拉的为中粒钻头；40～100粒/克拉的为细粒钻头。一般情况下，细粒钻头适用于钻进致密、坚硬地层。金刚石都是用天然品。孕镶钻头金刚石不只是分布在胎体表面上，而且，还分布于胎体内部的一定层厚中，如REF_Ref179174841\h图312(b)所示。金刚石是10～80目的天然粉级品或60～129目JR4级的人造品。含金刚石的胎体层称为工作层。钻进时，随着胎体的磨损，金刚石切刃才不断露出，旧切刃失去工作能力或脱掉，新切刃相继出露参加工作。因此，孕镶钻头可保持稳定的钻速，应用范围较广。还有一种“多层钻头”，它是孕镶钻头的变种形式，与孕镶的区别是胎体内部的金刚石分成几层并有一定排列方式。图3SEQ图\*ARABIC\s18钻头结构1–金刚石；2–胎体；3–钢体图3SEQ图\*ARABIC\s19常用标准的金刚石钻头的各部分名称1–胎体外径；2–胎体；3–钢体锥面；4–钢体；5–钢体外径；6–钢体内径；7–内螺纹内径；8–内螺纹外径；9–胎体内径，10–水口；11–胎体端面；12–外水槽；13–内水槽图3SEQ图\*ARABIC\s110表镶钻头胎体部分名称1–底刃金刚石；2–内边刃金刚石；3–外边刃金刚石；4–外保径金刚石；5–外棱；6–内保径金刚石；7–内棱图3SEQ图\*ARABIC\s111孕镶钻头胎体部分名称1–工作层金刚石；2–金刚石层；3–内保径金刚石；4–外保径金刚石图3SEQ图\*ARABIC\s112金刚石钻头1–金刚石；2–钢体；3–工作层图3SEQ图\*ARABIC\s113聚晶钻头1–聚晶金刚石；2-胎体；3–钢体图3SEQ图\*ARABIC\s114专用的特殊钻头1–不取心钻头；2–套管钻头；3–套管鞋；4–扩孔钻头；5–锥形钻头钻头按金刚石成因分类，可分为天然金刚石钻头(表镶)和人造金刚石钻头(都是孕镶)。此外，还有一种聚晶金刚石钻头，如REF_Ref179175973\h图313所示。由图看出金刚石的镶焊属于表镶，但在工作时却起孕镶钻头作用。它用于钻进较软和研磨性强岩层，可得到很高的钻速。钻头按用途分类，可分为正常钻进的岩心钻头和专用的特殊钻头。上述的钻头都属于岩心钻头。特殊钻头如REF_Ref179175985\h图314所示。图中的1为全面钻进不取心钻头；2、3为下套管用的薄壁钻头和套管鞋：4为扩孔用的扩孔钻头，5为人工造斜弯曲用的锥形钻头。常用的双管岩心钻头规格(GB–82)如REF_Ref182464624\h表313所示表3SEQ表\*ARABIC\s113双管岩心钻头规格标称孔径28364646s5959s7575s91外径28.536.5474759.560757591内经16.521.5292541.53654.54968壁厚67.59119.251210.251311.5注:标称孔径中的s为绳索取心钻头二、金刚石钻头的结构金刚石钻头的结构要素包括：钻头体、金刚石各参数、胎体性能和唇面形状等。(一)钻头体钻头体也称钢体，为中碳钢制成。单管用钻头体长75～100mm；双管用钻头体长75～135mm。钢体上端车制4mm方扣螺纹以与钻具组接，下端制成嵌齿形(REF_Ref179177277\h图315)以增加与胎体的粘结强度、传递更大的扭矩。图3SEQ图\*ARABIC\s115钻头体(二)胎体1．胎体材料胎体是金刚石与钻头体之间的胶结物质。它的性能直接影响着钻头的质量。因此对它的要求是：(1)有足够的抗压强度，冲击强度和硬度，且硬度要适应岩石的性质。(2)对金刚石有良好的浸润性，能把金刚石牢固地包镶住；还要有一定的化学稳定性，在高温下与金刚石不起作用。(3)熔解温度低，以减少对金刚石强度的影响。(4)线膨胀系数与金刚石的膨胀系数相接近，以减少金刚石的应力。(5)易于成型，并能与钻头体牢固地焊接。现用的胎体材料由两部分组成：一是做骨架的碳化钨(WC)。它的特点是成型性好，对金刚石浸蚀性小，与多种金属有较好的浸润性且有很高的化学稳定性，有足够的强度和硬度。如加入少量碳化钛(TiC)、钴(Co)、镍(Ni)等粉料，可改变其性能。二是做粘结金属的铜基合金。这种合金以铜(Cu)为主，外加钴(Co)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、银(Ag)，锡(Sn)等金属合成。它具有熔点低、浸润性高的性质，其液态很容易浸入骨架空隙，把金刚石与钻头体胶结在一起。2．胎体硬度为了保证金刚石刃角在钻进时适当出露，胎体硬度必须与岩石性质相适应。按岩石硬度来说，坚硬岩石，岩粉颗粒小且量少，对胎体磨蚀轻，金刚石切刃不易出露，因此应选用软胎体；相反，软岩石，岩粉颗粒大且量多，胎体易磨损，软胎体使金刚石过多出露造成崩坏或过早脱落，因此宜选用硬胎体。按岩石的研磨性来说，岩石研磨性高，胎体易磨损，则胎体硬度宜高；研磨研性低，胎体不易磨损，则胎体硬度宜低。胎体硬度可由碳化钨的加量来调节，碳化钨的量大，胎体硬度则高，耐磨性也提高。适当加入一些钨、钼等金属会使硬度降低。增加粘结金属中的银、锡也会使胎体硬度降低。我国把胎体硬度分为六级，硬度范围在HRC10–45之间，如REF_Ref179249419\h表314所示。表3SEQ表\*ARABIC\s114胎体硬度范围级称代号硬度适应岩层特软010～20特硬，研磨性弱岩石软Ⅰ20～30硬且致密岩石中软Ⅱ30～35中硬、中研磨性岩石中硬Ⅲ35～40中硬、中研磨性岩石硬Ⅳ40～45破碎、研磨性强岩石特硬Ⅴ45以上破碎、软、研磨性强岩石表镶钻头对胎体硬度的要求，一般在Ⅲ～Ⅳ级之间(HRC35～45)。孕镶钻头对胎体硬度要求很严，既要它可靠地把金刚石包镶牢固，又要它保证在钻进中适量磨损让金刚石出刃量在16～40μm。应该指出，胎体性能只用硬度表示是不够准确的，有人提出，根据钻头工作情况用“耐磨性”来衡量胎体性能是比较合理的，胎体的耐磨性要与岩石的研磨性相适应，即岩石的研磨性高，则胎体的耐磨性也应高；岩石的研磨性低，则胎体的耐磨性也应低。胎体的耐磨性可用加入适量的超硬材料(称作“耐磨质点”)的方法来调节。低温电镀法制造钻头的胎体材料是镍、钴等金属，没有骨架与粘结金属之分，它具良好的胶结性，性能也是可调的。(三)金刚石排列与分布1．孕镶钻头金刚石与胎体混合形成一定厚度的“工作层”，如REF_Ref179186361\h图316(a)所示。金刚石均匀分布在工作层中，无所谓排列。2．表镶钻头金刚石按一定次序排列在钻头唇部表面上。排列形式是钻头质量指标之一，它影响自身寿命和钻进效率。因此，金刚石的排列应遵循一定原则：(1)在钻进过程中，钻头外侧的内外边刃金刚石负担最重，其次为底刃，再次为侧刃。所以制造钻头时须选择优质金刚石作边刃，用回收的金刚石作侧刃，以求均衡磨损。如REF_Ref179186361\h图316(a)所示。图3SEQ图\*ARABIC\s116钻头上金刚石的排列、分布a–表镶钻头：1–底刃金刚石；2–边刃金刚石；3–侧刃金刚石；4–胎体；5–钻头体b–孕镶钻头：1–金刚石；2–工作层；3–胎体；4–钻头体图3SEQ图\*ARABIC\s117金刚石运行轨迹重叠示意图(2)保证岩粉能畅通排除，避免岩粉重复破碎和磨损金刚石。(3)金刚石的运行轨迹带的总和必须全面覆盖孔底，不留空隙，为此要求环形破碎带互相重叠一些，重叠宽度s不小于金刚石直径d的1/4～1/3。如REF_Ref179186566\h图317所示。(4)各颗金刚石工作量要相等。由于外边缘较内边缘的刻划线长，工作量大，因此，外缘要较内缘多布几颗金刚石。目前，常用的表镶钻头金刚石排列形式有以下儿种：金刚石分布在几个同心圆与径线的交点上，相邻径线上的金刚石互相错开，如REF_Ref179187530\h图318(a)所示。这种形式称为放射状排列，排法简单，定位精确，但各圆上的金刚石粒数相等，因此，金刚石的磨损，外圆的甚于内圆。(a)放射排列(b)螺旋排列(c)等距排列图3SEQ图\*ARABIC\s118表镶钻头金刚石在钻头唇面上的排列方式REF_Ref179187530\h图318(b)所示的金刚石布于螺旋线上，称之为螺旋状排列，，REF_Ref179187530\h图318(c)所示的金刚石均距地分布在几个同心圆上，这称之为等距排列，这样的形式，各颗粒金刚石工作量基本相等，但显得没有秩序。螺旋线的绘制如REF_Ref179188375\h图319所示。以直径d(约为D/2)与钻头同心作基圆，以基圆上各点M为圆心，以r等于D/3为半径在胎体上做圆弧。再以R1～R6在胎体上做同心圆，各圆弧的交点就是金刚石的布置点。R1～R6符合下式：R6－R5<R5－R4<R4－R3<R3－R2<R2－R1因而，各同心圆越外越密，显然，这种排列形式是合理的。表镶钻头的金刚石还有个定向问题。所谓定向就是其硬度高的晶面来承担岩石的破碎面。晶形不规则的金刚石应以其圆滑的边缘做切刃，尖角嵌于胎体之内，如REF_Ref179189834\h图320所示。图3SEQ图\*ARABIC\s119螺旋线的绘制图3SEQ图\*ARABIC\s120不规则金刚石的定向嵌置a–正确嵌置；b–不正确嵌置(四)金刚石含量一个钻头包镶的金刚石量，称为金刚石含量(以克拉计)。含量值是根据钻头结构、直径及所钻岩石性质而定的。同径同结构钻头对研磨性强的岩层，金刚石含量应大，以减少单粒金刚石的工作负担，维持钻头寿命；研磨性弱的岩石，金刚石含量应小，以利于出刃。常用钻头金刚石含量如REF_Ref179190479\h表315所示。孕镶钻头常用“浓度”来表示金刚石含量。所渭浓度是指胎体工作层单位体积中金刚石的量。表3SEQ表\*ARABIC\s115常用钻头金刚石含量钻头直径/mm表镶孕镶367～88～10468～1010～125911～1713～177514～2116～219116～2519～25我国采用的浓度制有两种：一是“百分之百”制。若1cm3容积中被金刚石无间隙地所充满，便为100%。因为金刚石的计算密度为3520kg/m3。所以，100%浓度的金刚石量为17.6carat/cm3。25%的浓度金刚石量为4.4carat/cm二：是“百分之四百”制，取金刚石体积为工作层体积四分之一为100%。浓度为100%时金刚石的量为4.4carat/cm3。这种浓度制为国外所通用，因此，也被我国所采用。以后凡涉及到浓度的时候，均按百分之四百算。试验证明，钻头的耐磨性与金刚石浓度有密切关系。钻头耐磨性以工作层消耗1mm所钻进米数来表示。金刚石浓度低，一般地机械钻速也低，金刚石单位消耗量(carat/m)大，钻头很快报废；这就是说，钻头的耐磨性是随着金刚石浓度的增加而提高，如REF_Ref179249668\h图321所示。而金刚石的单位耗量却随着金刚石浓度的增加而降低，如REF_Ref179249673\h图322所示。图3SEQ图\*ARABIC\s121金刚石耐磨性与浓度的关系图3SEQ图\*ARABIC\s122金刚石耗量与浓度的关系但是，金刚石浓度超过120%时，钻头耐磨性反而降低，金刚石单位耗量反而提高，如REF_Ref179249668\h图321、REF_Ref179249673\h图322所示，这是由于金刚石周围胎体变薄、支撑力变弱、金刚石提前脱落所致。试验得出，金刚石浓度为70%～120%时破碎岩石条件最佳，金刚石单位耗量最低。我国现用钻头所采用的浓度为：百分之百制/%3025201512.5百分之四百制/%120100806050(五)金刚石的粒度金刚石粒度主要根据岩石性质来选择，一般来说，岩石越硬、越致密。则金刚石颗粒应越小。表镶钻头所用天然金刚石的粒度在10～100粒/克拉之间(常用粒度为25～50粒/克拉)，孕镶钻头用的人造金刚石粒度在60～100目之间。表镶钻头的金刚石出刃一般为其颗粒直径的1/4～1/3，大约为0.1～0.5mm，有的专家认为，出刃量为其钻进时每转划深度的3～孕镶钻头的金刚石出刃是在钻进时胎体被岩石、岩粉磨损后而裸露出来的，合理的出刃量在15～40μm之间。把金刚石品质、排列分布、含量，浓度、粒度与出刃等，合称为金刚石参数。(六)水口金刚石钻头的水口，是为流通冲洗液用，以冷却金刚石和排除岩粉。表镶钻头钻进时，唇面与岩石之间的间隙较大，冲洗液容易通过，可以达到冷却金刚石排除岩粉的目的。而水口则是辅助水道。但当切削刃磨损时，唇面和岩面间隙变小，这时的冷却排粉工作要靠水口的通水来完成。孕镶钻头钻进时，因为唇面与岩石面之间的间隙很小，冲洗液不易流过。同时钻头唇面下的岩粉也不能通畅地排除，得靠水口流出的冲洗液来冲洗。就是说，金刚石的冷却和岩粉的排除主要是钻头工作面前进后由水口喷出冲洗液来完成。因此，孕镶钻头的水口不宜太少，太小。钻头水口由内侧槽2、外侧槽3和唇面糟1构成，如REF_Ref179253379\h图323所示，内外侧槽多按轴向开，深2mm，宽4～8mm；唇面槽多按径向开，把环状工作层分割成数块扇形体(REF_Ref179253395\h图324之1)，槽深4～6mm，宽2～4mm。有的唇面槽开成螺旋形(REF_Ref179253395\h图424之2)，这种槽利于冲洗液的流通，水压损失小，但其锐角部分容易损坏。有的厚壁钻头，以轴向孔代替内侧槽，称之为底喷式水口，如REF_Ref179253395\h图424之3。图3SEQ图\*ARABIC\s123水口的构成1–唇面糟；2–内侧槽；3–外侧槽图3SEQ图\*ARABIC\s124水口的形式1–直槽水口；2–螺旋水口；3–底喷水口水口愈多，固然是会使冷却、排粉愈充分，但水口愈多，扇形体也愈小，因此也愈容易损坏，经验得知，扇形面平均弦长11～20mm为宜。据此得出水口数如REF_Ref179253751\h表316所示。(七)保径、补强如果孕镶钻头径向磨损过多，钻头便报废。为此，应采用“保径”措施来保护其内外径。方法是用硬质材料置于胎体内外缘上，增加其耐磨性，同时还起补强作用。保径材料有硬质合金、金刚石聚晶体、复合体及金刚石等。表3SEQ表\*ARABIC\s116金刚石钻头的水口数钻头标称直径3646597591水口数44～66～88～1212～16用针状硬质合金或金刚石聚晶体等块状材料保径，是在钻头制造时把保径材料和金刚石同时烧结在胎体上。其位置是分布在胎体内外壁或水口处，如REF_Ref179254480\h图425(a)所示。金刚石保径，是在钻头制造时把保径金刚石镶结在胎体内外壁上，如REF_Ref179254480\h图325所示。图3SEQ图\*ARABIC\s125保径a–聚晶体保径：1–工作层；2–金刚石聚晶；3–胎体；4–钢体b–金刚石保径：1–工作层；2–胎体；3–保径金刚石；4–钢体(八)唇部形状唇部形状是金刚石钻头的特殊要素。唇部形状是根据岩石性质而定。形状之所以复杂化，目的是为了提高钻速、提高钻具回转稳定性和提高自身寿命。常见唇部形状有矩形、弧边形，半圆形、阶梯形，锥形和锥齿形等，多是以唇部断面几何形状特征命名的。唇部形状列于REF_Ref179356671\h表417。矩形唇面又称平底唇面(REF_Ref179356671\h表317A)，是孕镶钻头标准形。它加工方便，但在钻进时，内外边缘在应力集中情况下很快磨损变成弧形，之后，在此形状下进行工作，因此，有的钻头直接把唇面制成弧形(REF_Ref179356671\h表317B)，称之为弧形唇面，弧半径约等于壁厚。因为弧形接近自然磨损形状，边缘刃工作负担均匀，可以保持原形长期不变，所以也被定为标准形，应用较广，表镶钻头多用此形。适用于中硬(8～9级)中等研磨性岩石。弧边形弧的半径小到二分之一壁厚时，则变为半圆形唇面(REF_Ref179356671\h表317C)，这样的唇面，内外边缘刃部得到加强，适用于坚硬(10～11级)、研磨性强的岩石。REF_Ref179356671\h表317D、E所示的唇形呈阶梯形，称为阶梯唇面。这种唇面可增加工作稳定性。在阶梯交界处岩石受挤压作用易崩掉，有“自由切削”作用。适用于中硬(8～9级)不完整岩石。多阶形唇面(REF_Ref179356671\h表317E)的钻头在钻进时，边缘刃很快磨损，于是阶梯变为斜边。这样就产生了外斜边唇面(REF_Ref179356671\h表317F)。这样唇形边也叫锥形，也有良好稳定性。表3SEQ表\*ARABIC\s117金刚石钻头的唇部形状顺序唇形称号应用范围A平底形中硬和中研磨性岩层B圆弧形中硬和中研磨性岩层C半圆形坚硬和强研磨性地层D单阶梯形中硬岩层，垂直孔中有良好稳定性E多阶梯形较软和中硬岩层，厚壁的用于绳索取心F锥形中硬岩层，厚壁的用于绳索取心G锯齿形坚硬致密的“打滑”岩层H单双块形坚硬致密的“打滑”岩层I交错块形坚硬致密的“打滑”岩层J薄壁形坚硬完整的岩层，接单层岩心管K阶梯底喷形复杂、岩心采取率低岩层L喇叭口形套取岩心锥形、阶梯形的厚壁钻头都用于绳索取心的钻进技术上。钻进在坚硬、致密(11～12级)的岩层上，会出现不进尺的所谓打滑现象。为了攻破这类岩石，而试制了一种锯齿形(REF_Ref179356671\h表317G)钻头。此形钻头，有利于金刚石出刃，且造成多自由面孔底，利于切削、剪切相结合的方式破碎岩石。如相邻扇形块齿尖交错(齿尖对邻齿根)则破碎岩石效果更好。REF_Ref179356671\h表317H所示的唇面称之为单双块形。薄壁的扇形块单、双的间隔排布，如REF_Ref179257850\h图326所示，这样的扇形体对岩石有掏槽作用，增加自由面，冷却排粉充分，并能长时间保持原形，适用于坚硬、致密(11～12级)易打滑的岩层。图3SEQ图\*ARABIC\s126单双块唇面图3SEQ图\*ARABIC\s127交错块唇面REF_Ref179356671\h表317I所示为单双块的另种变形，其扇形块壁厚约为唇厚之半，且内外交错分布，如REF_Ref179258075\h图327所示，称之交错块唇面，它的特点是：起薄壁钻头的作用而有普通钻头的破碎面积；在同等载荷情况下，单位破碎岩石的压力值增大几倍；且散热充分，形状持久。故可用于坚硬，致密岩石。REF_Ref179356671\h表317J所示为薄壁钻头，壁厚约为普通壁厚的三分之二，可接单层岩心管。用于完整中硬(8～9级)岩石可取得较高的钻速。对于较易破碎的岩层，虽用双层岩心管，但钻头内唇壁处仍有急流冲洗液流过，对岩心尚有冲蚀作用，如用REF_Ref179356671\h表317K所示的阶梯形底喷式钻头，冲洗液从竖孔流出，岩心不受冲洗，便可取得满意的取心率。REF_Ref179356671\h表317L所示为喇叭口唇面，可用钻坚硬岩层，但很少使用。多作扫孔、捞取孔内残留岩心用。必须指出：多数复杂唇面形状的孕镶钻头很难持久，因此，它的特殊作用意义也就不大。另外，钻头工作层与非工作层的界面形状应与唇面相适应，才能充分的使用(延长寿命)。例如，工作层与非工作层的界面是平的，而唇面却呈弧形磨损，当唇面磨损到与界面相交时(REF_Ref179259267\h图328a)则金刚石边刃便迅速崩掉，钻头唇面由此而变形、作废(REF_Ref179259267\h图328b)。因此说，这样的界面是不合理的。合理的界面，如常用的平底面与弧形唇面，其工作层与非工作层的界面应为弧形，如REF_Ref179259317\h图329(a)所示，且岩石的研磨性越大，则弧半径应越趋向半壁厚。其他如阶梯唇面，斜面唇面等，其工作层与非工作层的界面则应为阶梯形或斜边形，如REF_Ref179259317\h图329(b)所示。图3SEQ图\*ARABIC\s128工作层与非工作层不合理界面图3SEQ图\*ARABIC\s129工作层与非工作层合理界面三、扩孔器扩孔器是金刚石钻进中的特有工具，接于钻头、岩心管之间。其功用是：(1)修整孔壁，保证孔壁光滑整齐、孔径均匀，不因钻头磨损而缩小；(2)导正钻头，保持其稳定工作；(3)分担钻头外侧刃的工作量，既保证了足够的孔壁间隙，又使钻头外出刃不太大。(一)扩孔器的构造、分类扩孔器的构造如REF_Ref179263641\h图330所示。它由金刚石1、胎体2和钢体3构成。两端丝扣用以接钻头和岩心管。镶金刚石部分称为工作带，带宽20～35mm，并制成条带槽，以通冲洗液。图3SEQ图\*ARABIC\s130扩孔器a–单管扩孔器；b–双管扩孔器1–金刚石；2–胎体；3–钢体表3SEQ表\*ARABIC\s118扩孔器金刚石含量标称直径/mm表镶孕镶365～77～8466～88～10598～1111～15759～1414～199111～1717～23扩孔器按所镶金刚石的不同分为天然、人造两种。天然金刚石的粒度为10～50粒/克拉为粗粒，60～200粒/克拉为细粒。因为它的工作量远小于钻头，所以金刚石都是次级品。人造金刚石的粒度约为60～100目。也可镶直径2～2.5扩孔器按金刚石的包镶形式不同，也有表镶、孕镶之分。表镶的金刚石是天然品粗粒；孕镶的金刚石是天然品细粒或人造金刚石。金刚石含量如REF_Ref179263582\h表318所示，单位为克拉。扩孔器按所接用岩心管的不同，有单管、双管之分(REF_Ref179263641\h图330)，单管扩孔器内壁呈锥形体(REF_Ref179263641\h图330a)，以便安装采岩心的卡簧。扩孔器工作带水槽的形状有多种形状，常用的有密条状(REF_Ref179264377\h图331a)宽条状(REF_Ref179264377\h图331b)和螺旋条状(REF_Ref179264377\h图331c)等。一般认为，螺旋状水槽排水阻力小，是合理的形状。不论水槽是什么形状，在钻进中，金刚石的工作量总是下端大干上端。因此，工作带将随着时间的增长逐渐变成锥形体。于是得出：锥形体工作带是合理的形状，全部金刚石的工作量相等。特制锥形工作带的扩孔器如REF_Ref179264377\h图431d所示，其锥角为0°35＇～0°40＇。扩孔器的标称规格与钻头相同。而实际尺寸比钻头直径大0.3～0.5mm。使用时必须与钻头精细配合才会发挥作用。配合关系REF_Ref183743043\h表319所示。一般情况下，一个扩孔器可配换3～5个钻头。图3SEQ图\*ARABIC\s131扩孔器工作带水槽的形状a–密条状；b–宽条状；c–螺旋条状；d–锥形工作带表3SEQ表\*ARABIC\s119扩孔器和钻头配合关系标称直径/mm外径+0.2/mm内径/mm工作带宽/mm全长/mm2829212080363727251204647EQ\F(36,34)251205960EQ\F(48.5,46.5)301607575.5EQ\F(62.5,60.5)301609191.57835170注：内径横线下数字为绳索取心用第四节金刚石钻进规程金刚石钻进与其他钻进方法一样。在正确选择钻头的情况下，其钻进效率取决于钻进规程参数，即：钻压、转速与泵量。确定金刚石钻进规程参数时，除了考虑机械钻速外，还要充分考虑钻头的寿命问题。因为，钻头费用在钻进成本费用中占有很大部份，所以，判别规程参数的合理与否，主要看机械钻速和金刚石的消耗量(carat/m)。一、钻压金刚石钻进中，钻压既要保证金刚石能有效地切入岩石，又要保证不超过每颗金刚石的允许承载能力。即：作用于钻头上的钻压，应使每粒工作的金刚石与岩石的接触压力既要大于岩石的抗压入强度，又要小于金刚石本身的抗压强度。生产实践证明，金刚石钻进的机械钻速与钻压有密切关系，如REF_Ref179269972\h图332所示。图3SEQ图\*ARABIC\s1图3SEQ图\*ARABIC\s132钻速与钻压的关系P–钻压；v–转速当钻压增大到岩石抗压强度值时(Ⅲ区)，机械钻速大大提高，并随钻压的增大约呈直线增长，此时岩石破碎呈现为体积破碎。由表面破碎(I区)过渡到体积破碎(Ⅲ区)经过Ⅱ区，在此区域内，破碎速度的增长快于钻压的增大。脆性岩石，钻压在接触面上达不到岩石破碎极限值，但沿接触面外缘能产生裂隙或部分破碎。塑性岩石，则不足以引起接触面积上的破碎。如钻压大大超出允许限度时(Ⅳ区)，钻速虽有提高，但随之也出现一些不利因素，如：岩屑颗粒增大，胎体唇面与岩石面之间的间隙减小，大粒岩屑在间隙中再次破碎研细，致使金刚石、胎体无益磨损，引起金刚石过多出露和早期脱落。此外，岩粉量的增多，有碍于钻头唇下冲洗液的流动，甚至堵塞通路。若钻压进一步加大，会导致金刚石崩刃或压碎。因此，在Ⅳ区内，机械钻速增长将小于钻压的增长，甚至钻速下降。综上所述，钻压应有一个优值区。1．表镶钻头的钻压表镶钻头的钻压可按岩石的抗压强度计算：（N）(3SEQ式\*ARABIC\s11)式中：σ—岩石抗压强度，MPa；m—钻头唇面金刚石粒数；η—金刚石参加破碎岩石的系数，约为2/3～3／4；S—单粒金刚石与岩石接触面积，m。常见的岩石抗压强度可见REF_Ref182455526\h表24。不同粒度的金刚石与岩石的接触面积，如REF_Ref179272303\h表320所示：表3SEQ表\*ARABIC\s120不同粒度的金刚石与岩石的接触面积金刚石粒度/(粒·克拉-1)金刚石直径/mm与岩石接触面积/10-162.100.16201.800.14301.500.12601.250.101251.000.08计算式中系数μ，在新钻头初下孔时可取小值。经过一段时间磨合后，参加工作的金刚石增多，可取大值。当钻头一直用到有金刚石脱掉时，μ值取2/3或更小。为了简化计算条件，可采用单粒金刚石容许载荷来汁算：(N)(3SEQ式\*ARABIC\s12)式中：p0—单粒金刚石容许载荷，一般取：15～25N。2，孕镶钻头的钻压在孕镶钻头上细粒的金刚石均匀地分布在工作层胎体中，钻压如按参加切削岩石的金刚石粒数来计算是比较困难的，因此，只能粗略的计算。设钻头上的金刚石浓度为c(400%制)，粒度为a(粒/克拉)，则单位体积工作层中的金刚石粒数为：(粒/cm3)(3SEQ式\*ARABIC\s13)单位面积上的金刚石数为：(粒/cm3)(3SEQ式\*ARABIC\s14)考虑到金刚石排列不均匀性，在同一面上m0粒金刚石不可能同时裸露出刃，而参加切削岩石的只是其中一部分。因此，工作唇面为S的钻压为：(3SEQ式\*ARABIC\s15)式中：p0—加在单粒金刚石上的荷载，约为0.5～0.8N；η—金刚石参加切削的比例参数，0.4～0.6;S—钻头唇部工作面积，cm2钻头唇部工作面积可近似算为：(3SEQ式\*ARABIC\s16)式中：D–钻头唇部外径，cm;d—钻头唇部内径，cm；b—水口宽，cm；n—水口数。孕镶钻头的钻压也可如下求算：细小的金刚石，与岩石的接触面积可近似取其自身断面面积。根据矿物定量分析原理，不论金刚石的颗粒大小，若其浓度相同，在工作层某一断面上金刚石断面的总和是相等的。据此，则钻头上载荷为：(3SEQ式\*ARABIC\s17)式中：pm—加在金刚石单位面积上的荷载，N·m-2；S0—金刚石断面面积总和，cm2；η—金刚石参加切削的比例系数，0.4～0.66。金刚石断面面积与钻头唇部工作面面积的百分比，称为“布满度”，以e表示：(3SEQ式\*ARABIC\s18)则式(STYLEREF1\s47)可写成：(3SEQ式\*ARABIC\s19)式中，当人造金刚石时，pm值取(2800～3200)×104N/m2；天然金刚石时，取(3000～3400)×104N/m2。布满度e与浓度c的关系为：(3SEQ式\*ARABIC\s110)按计算，得值列于REF_Ref183743094\h表321表3SEQ表\*ARABIC\s121金刚石浓度与布满度对照表浓度(400%)c506080100120布满度e30344148543．聚晶金刚石钻头的钻压聚晶金刚石钻头的钻压，可用公式(STYLEREF1\s4一1)求算，这里η=1。(3SEQ式\*ARABIC\s111)式中：S—金刚石聚晶体断面面积/mm2REF_Ref182464756\h表322，列出了一般常用的钻压值(单位为N)。供选择参考。表3SEQ表\*ARABIC\s122金刚石钻进钻压值钻头种类钻头直径3646597591表镶2000～40008000～11000孕镶2500～45008000～15000聚晶2000～30003000～45004000～70006000～90008000～12000注：横线下为厚壁钻头的钻压4．钻压的调节不论是计算钻压值或表列数字都是正常钻进的钻压，实际生产中应根据县体情况进行调节。岩石完整、硬度高、中等研磨性，宜采用大钻压：岩石较软、研磨性强、裂隙发育、破碎、不均质等，应采用小钻压。金刚石晶形完整、椭圆化、抛光处理的。可采用大钻压：晶形有缺陷、品级低的应选用小钻压，同样浓度的钻头，金刚石颗粒大的用小钻压，颗粒小用大钻压。新钻头下孔，其唇部形状与孔底形状不适应，其钻压需减轻到正常钻压的1/4～1/5，经过一段时间磨合后，再增到正常钻压。在钻孔弯曲、超径的情况下，钻压要适当降低。孔内发生异常，如：泵压升高，转矩增大等现象发生时，都应减轻钻压观察。钻压还要与钻头转速相配合，一般情况下，转速较高时，钻压则须适当降低。钻进中，钻压应保持平稳，不得大幅度调节。钻速降低时，不许盲目地超额加压。必须指出，这里所说的钻压是指纯加在钻头上的力，至于冲洗液对钻具的浮力、水压反作用力以及钻具摩擦阻力等都是应在确定机械给进压力时加以考虑的。二、转速图3SEQ图\*ARABIC\s133转速v与转数n关系1–图3SEQ图\*ARABIC\s133转速v与转数n关系1–人造金刚石孕镶钻头，Ⅶ–Ⅷ级混合岩；2–人造金刚石孕镶钻头，Ⅵ–Ⅷ级角闪片麻岩；3–人造金刚石孕镶钻头，Ⅵ–Ⅸ级花岗岩；4–天然金刚石表镶钻头，Ⅸ级条带混合岩；5–天然金刚石表镶钻头，Ⅶ–Ⅷ级斜长角闪岩。v–钻速3×10-4m/s，n–转数r/孕镶钻头的金刚石颗粒细小，切人岩石浅，只有靠单位时间内进行多次破碎才能获得高效。因此，要求转速更高，以圆周线速度计，一般为1.5～3.0m/表镶钻头因为金刚石出刃大，受到振动易损伤，所以转速应该相对较低，圆周线速度1～2m/s根据转速v求转数n。（r/min）(STYLEREF1\s4SEQ式\*ARABIC\s112)式中：v—圆周线速度；Dcp—钻头平均直径/mm。不同直径的钻头转数可从REF_Ref179383847\h表323中选取。聚晶钻头转数，可参考表镶钻头转数来选取。不论是计算或查表，都可以看出，转速的调节范围是很大的。钻进中，要根据具体情况进行选择。从岩石性质来说，若岩层完整、质均或较软，可选用高转速；若岩层破碎，层理发育或较硬，宜选用低转速。从钻头质量来说，钻头质量好，金刚石品级高。宜采用高转速：若钻头质劣，金刚石品级低，宜采用低转速。此外，调节转速还要考虑到金刚石的粒度：颗粒小选高转速；颗粒大选低转速。表3SEQ表\*ARABIC\s123不同直径的钻头转数钻头种类3646597591孕镶钻头1300～22001000～1700760～1300600～1050480～840表镶钻头980～1970800～1610570～1140440～880360～720如金刚石粒度为10粒/克拉，直径为2.1mm，钻头回转线速度为1.5m/s。若换用粒度30粒/克拉、直径为新钻头下孔，须用低速试钻数分钟、无异状后，再转入正常转速。正常钻进中，如发现孔内有异常响声、激烈振动或转矩增大等现象时，则须立即降低转速仔细观察。当级配不合理(孔径与钻杆直径差值大)、钻孔弯曲等时，都不能用高转速。由于机械钻速是随转速呈直线变化的(REF_Ref179341132\h图333)。因此，在容许范围内尽量采用高转速钻进。但是，在钻压不变情况下，转速升高到一定限度时，钻速有不再增长的趋势，这是由于金刚石在激烈摩擦中损坏所致。所以，转速要与钻压配合运用，即转速升高到一定限度时，势必降低钻压。金刚石钻进，钻头转数划分为四级：高转数：700～1000r/mm以上；中转数：400～600r/min；低转数：200～300r/min；最低转数：100r/min以下。三、冲洗液量(一)金刚石钻进冲洗的意义图3SEQ图\*ARABIC\s1图3SEQ图\*ARABIC\s134钻头工作面下岩屑被挤压的情况1–胎体；2–岩屑；3–金刚石钻进中的钻头，其工作面下的间隙很小，金刚石前面的岩石颗粒被压皱凸起的岩石抬起，对胎体进行削蚀，如REF_Ref182205345\h图334所示。部分岩屑颗粒被挤压在金刚石下遭到重复破碎，无益地磨损金刚石。被挤压的岩粉还会垫起钻头，阻碍其破碎岩石，这就需要强大的冲洗液把岩粉及时带走并排出孔外。此外，高速回转的钻具与孔壁激烈摩擦，其摩擦阻力是很大的，这也需要冲洗液来润滑。(二)冲洗液量的确定综上所述，金刚石钻进的冲洗液量应从以下三方面来考虑：保证钻头充分冷却；保证把岩粉从钻头下带走，和把岩粉排出孔外。1．冷却钻头的需要量设送到钻头处的冲洗液温度为t1，经过钻头唇面吸收了摩擦热而使温度到t2。若冲洗液量Q维持温度不再升高，则按热量平衡可列出下式：(3SEQ式\*ARABIC\s113)式巾：C—冲洗液比热，J·(kg·K)-1；Q—冲洗液量，L/s(取1L的质量等于1L—消耗于磨擦的功，kJ。于是得冲洗液量为：(L/s)(3SEQ式\*ARABIC\s114)因为L=Pfu，所以：(L/s)(3SEQ式\*ARABIC\s115)式中：P—钻头钻压，N；f—钻头与岩石的摩擦系数，0.3～0.5；u—钻头回转线速度，m·s-1。由试验得知：若温度t2与t1的差值不超过10K(开氏温度标度)，即可保证钻头的安全工作。因此，计算时应取t1–t2=10K。冲洗液比热c取水的比热值c=4.2×103J/kg·K。2．从钻头工作面下带走岩粉所需的冲洗夜量冲洗液从钻头底面下流出，其中，从唇面、岩石面之间间隙流过者，因阻力大，流速低，称为“缓流”；从水口流出者，因阻力小，流速高，故称之为“急流”。表镶钻头唇面、岩石面间的间隙较大，缓流冲洗液能够直接起冷却、排粉作用。孕镶钻头，唇面、岩石面之间间隙小，缓流水几乎不能起冷却、排粉作用，这种情况下，金刚石的冷却主要靠急流冲洗液，岩粉也靠这急流水排除。基于这种情况，如只