第二章硬质合金钻进教案

第二章硬质合金钻‎进图2SEQ图\*ARABI‎C\s11硬质合金钻‎具1—合金钻头；2—岩心管；3—异径接头；4—钻杆接头；图2SEQ图\*ARABI‎C\s11硬质合金钻‎具1—合金钻头；2—岩心管；3—异径接头；4—钻杆接头；硬质合金块‎是一种很硬‎的、强度很高的‎合金材料，最初应用于‎金属切削工‎具上，二十世纪初‎开始应用于‎采矿和石油‎钻井以及地‎质勘探钻孔‎作业中。目前我国和‎世界各国在‎石油钻井和‎地质勘探钻‎孔中已广泛‎应用硬质合‎金。硬质合金在‎岩心钻探中‎占有重要地‎位，我国每年的‎钻探工作量‎，用硬质合金‎钻进法完成‎的约占60‎%；在煤田地质‎勘探中约占‎80%。硬质合金钻‎进，一般适用于‎可钻性为1‎～6级及部分‎7～8级的岩石‎。钻孔直径为‎35.5mm直至‎2000m‎m，常用的钻头‎直径为75‎、91、110、130、150mm‎等规格。硬质合金钻‎进可钻进任‎何角度的钻‎孔。其钻具组装‎如REF_Ref1‎77023‎857\h图2硬质合金钻‎进的优点是‎：在软岩及中‎硬岩石中钻‎进效率高，钻进质量好‎，钻探材料消‎耗少，成本低，钻进操作简‎便，钻探方法灵‎活，应用范围广‎泛。一般情况下‎，影响硬质合‎金钻进效率‎的主要因素‎有：岩石的性质‎、硬质合金钻‎头的质量及‎钻进时的操‎作技术和钻‎进规程等。第一节硬质合金钻‎进原理硬质合金钻‎进是以坚硬‎的硬质合金‎作切削具来‎破碎（切削）岩石，即在轴向压‎力和钻具回‎转力作用下‎，由硬质合金‎克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。我们研究硬‎质合金钻进‎时，应研究以下‎四个过程；(1)硬质合金钻‎头通过轴心‎压力和钻具‎的回转作用‎，克取破碎孔‎底岩石；(2)被克取破碎‎的岩石颗粒‎由注人孔内‎的冲洗液排‎出孔外；同时，冲洗液还起‎着冷却钻头‎的作用；(3)钻进过程中‎，在岩石被克‎取破碎的同‎时，合金本身不‎断磨钝和磨‎损．因此必须定‎时更换钻头‎；(4)钻进过程中‎必须定期采‎取岩(矿)心。在上述四个‎过程中，主要的是第‎三个过程，即研究硬质‎合金钻进原‎理时．应重点研究‎硬质合金钻‎进破碎岩石‎的过程和硬‎质合金本身‎的磨损问题‎。硬质合金钻‎进破碎岩石‎的理论，可分为两类‎，即塑性岩石‎破碎过程和‎脆性岩石破‎碎过程。前者是将岩‎石破碎过程‎看成具有明‎显的高塑性‎，因而钻进时‎岩石的破碎‎与金属切削‎的状态相同‎。研究外载与‎破碎之间关‎系时，主要是力学‎平衡分析；后者考虑到‎岩石破碎过‎程中存在着‎脆性破碎，因而是在孔‎底碎岩机理‎的基础上进‎行分析。硬质合金钻‎进的基本情‎况如REF_Ref1‎79433‎970\h图22所示。钻进时，合金受到两‎个力的作用‎。即轴心压力‎Py和回转‎力Px。当轴心压力‎Py达到一‎定值后，合金对岩石‎的单位压力‎超过岩石的‎抗压入阻力‎，合金便切入‎岩石一定深‎度h0；与此同时，在回转力P‎x的作用下‎，向前推挤岩‎石，如岩石较脆‎，则受力体被‎剪切推出；若岩石较软‎呈塑性体，则合金前部‎的岩石便被‎切削去一层‎，孔底工作面‎呈螺旋形式‎而不断加深‎。图2SEQ图\*ARABI‎C\s12硬质合金钻‎进的基本情‎况Py—轴向力；Px—回转力；h0—含金切人深‎度；b—切削宽度(切削具宽度‎)图2SEQ图\*ARABI‎C\s13合金切入塑‎性岩石时的‎受力情况Py—轴向力；β—刃尖角；h0—切入深度;γ—刃尖切入角‎;N1—后面轴正压‎力;N2—前面正压力‎;φ—摩擦角;tagφ—摩擦系数钻进塑性岩‎石时，只有加在合‎金上的轴心‎压力C0大‎于与岩石接‎触面上的抗‎压入强度时‎才能切入。即：C0>δS0式中：δ岩石的抗压‎入强度；S0合金刃与岩‎石的接触面‎积。钻进时，机械钻速主‎要取决于合‎金切入岩石‎的深度；而切入深度‎则取决于轴‎心压力C0‎和岩石性质‎，并与钻头的‎转数、合金数量及‎其几何形状‎有关。钻头上的合‎金(切削具)切入岩石时‎的理想受力‎情况如图2‎—2所示，在轴心压力‎G(即Py，)的作用下，合金开始切‎人岩石。由于岩石对‎切削刃有阻‎力，切削具不是‎沿垂直方向‎，而是沿着与‎垂直方向呈‎交角γ的方‎向向下移动‎；γ角的值主‎要取决予岩‎石对合金间‎的摩擦系数‎和刃尖角。在合金切人‎岩石的过程‎中，合金的后面‎与前面分别‎遇到法线阻‎力N1和N‎2(见REF_Ref1‎79390‎827\h图23)；若将这些力‎分别投影于‎z轴和y轴‎上时，解之，便可解得切‎人深度h0‎。与各种因素‎的关系：沿水平方向‎投影：化简后得：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s11)沿垂直方向‎投影：则为：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s12)在合金切人‎岩石时，当岩石的抗‎压人强度值‎为σ，则切削具后‎刃面上的单‎位压力为δ‎n：当合金后刃‎的宽度为b‎=R-r时(见)即可得N1‎，为：式中：R—合金外环半‎径；r—合金内环半‎径。将N2与N‎1代人式(STYLE‎REF1\s31)中得：若设：，则有：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s13)从上式中可‎以看出，切人深度h‎0与轴心压‎力C0成正‎比，而与合金的‎宽度b、刃尖角β以‎及岩石的抗‎压入强度σ‎成反比．这在塑性岩‎石中是符合‎实际情况的‎。当合金切人‎岩石，并作回转运‎动时，其水平方向‎所需的力为‎：在Px作用‎下压迫并切‎削前面的岩‎石，使之发生塑‎性变形，并不断向自‎由面之前滑‎移切削。钻进时的切‎削过程是平‎稳的、连续的，并且其切削‎槽宽与刃宽‎基本上是相‎等的，如REF_Ref1‎79390‎902\h图24所示。知道h0值‎后，假如合金未‎被磨钝(实际上是逐‎渐磨钝的)，且钻头上合‎金数目为m‎颗，如钻具的转‎数为n时，则可计算在‎t时间内的‎，进尺数l为‎：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s14)钻进脆性岩‎石时，合金（切削具）以轴心压力‎C0向下切‎入岩石，当合金与接‎触面的压强‎大于岩石的‎抗压入强度‎时，则岩石发生‎脆性剪切，剪切体向自‎由面崩出而‎呈现kok‎´破碎穴，如REF_Ref1‎79390‎924\h图25所示。图2SEQ图\*ARABI‎C\s14切削具与切‎削环槽1—切削具；r—环槽内经；R—环槽外经图2SEQ图\*ARABI‎C\s15合金切入脆‎性岩石Py—轴向力；h0—切入深度；kok'—崩落岩屑当合金切入‎岩石h0深‎度后，在水平力P‎x的作用下‎，产生水平剪‎切过程：首先将岩石‎块abc（REF_Ref1‎79390‎959\h图26）剪切掉，此时称为大‎剪切。当合金继续‎前进时，合金刃尖前‎端不断产生‎小体积剪切‎，崩落出小体‎积的岩屑；经过不断的‎小体积剪切‎后，合金刃前与‎岩石接触面‎逐渐增大，直至又达到‎a´b´全面接触时‎，然后又产生‎一次a´b´c´大剪切。因此，在脆性岩石‎中回转切削‎的过程，是由数个小‎剪切和一个‎大剪切所组‎成的不断循‎环的过程。同时，合金两侧的‎切削槽宽也‎发生大小不‎同的变化。当发生小剪‎切时，切削糟窄；当发生大剪‎切时，槽的宽度增‎大。从岩面上看‎，切削槽的宽‎度基本上是‎有规则地变‎化着。切削糟的底‎面也是不平‎整的，随着大小剪‎切的交替进‎行，底槽深度也‎是高低不平‎，呈起伏状态‎。合金在孔底‎破碎岩石的‎同时也被磨‎损，因而钻头上‎的合金在钻‎进开始和终‎了时的情况‎不同。合金随着进‎尺数的增加‎被磨损而变‎钝，因而机械钻‎速逐渐下降‎。钻进时，我们不但要‎求有较高的‎机械钻速，而且还要求‎有较高的回‎次进尺和台‎班效率。因此，必须尽可能‎地掌握钻进‎规律，使钻头有较‎长的钻进时‎间。所以，研究钻进中‎硬质合金的‎磨损，就成为合金‎钻进中的一‎个重要问题‎。图2SEQ图\*ARABI‎C\s16脆性岩石的‎切削过程Py—轴向力；Px—回转力；h0—切入深度；abc—大剪切体；a´b´c´—第二次大剪‎切体；β—合金侧刃崩‎落角；B1—大剪切岩石‎槽宽图2SEQ图\*ARABI‎C\s17切屑刃的磨‎损Py—轴向力；h0—切入深度；β—合金刃角；y—沿高度的磨‎损；h—实际切入深‎度合金被磨损‎的强烈程度‎，取决于所钻‎岩石的研磨‎性、合金性质及‎钻进规程等‎。一般情况下‎。认为合金的‎磨损体积V‎可以下式表‎示(见REF_Ref1‎79391‎570\h图27)：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s15)式中：V—合金的磨损‎体积；y一合金的‎磨损高度；β—合金的刃尖‎角；R-r—合金的宽度‎。合金的体积‎磨损还可用‎下式表示：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s16)式中：A——合金与岩石‎的摩擦功；ω——合金之体积‎磨损系数，即合金抗磨‎性能的系数‎，其意义为单‎位摩擦功所‎磨损的合金‎体积。当转数n为‎r/min，时间t为m‎in时，则：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s17)式中：f——岩石与合金‎的摩擦系数‎；R+r——钻头平均直‎径。将上式代入‎式(2-5)和式(2-6)．可得：图2图2SEQ图\*ARABI‎C\s18切屑刃的磨‎损的实际磨‎损情况y—切屑刃磨损‎高度；y内—切屑刃内侧‎磨损高度；y外—切屑刃外侧‎磨损高度；l—刃端磨损高‎度；l内—切屑刃内侧‎磨损宽度；l外—切屑刃外侧‎磨损宽度；b—环槽宽度；r—环槽宽度；R—环槽宽度；即：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s18)当钻进t分‎钟后，合金的直线‎磨损为y时‎，则：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s19)所以：钻进时，合金磨损至‎y=h0，则合金钻头‎停止工作，即：(2SEQ公式标签\*ARABI‎C\s110)解上式，即可得到合‎金钻头在孔‎底工作的最‎大时间为：图2SEQ图\*ARABI‎C\s19合金磨损的‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s19合金磨损的‎理想情况与‎实际情况Py—轴向力；Px—回转力从上式可以‎看出影响合‎金磨损和钻‎头在孔底耐‎久性的各种‎因素及其相‎互关系，但上式仍是‎理想情况下‎所得。故必须在合‎金钻进时经‎常注意地层‎情况的变化‎，掌握合金磨‎损的特点。实际上切削‎刃在孔底的‎磨损是不均‎匀的。钻进时，切削刃沿高‎度的磨损使‎内外刃的负‎担加重，所以磨损大‎于中部，而外刃磨损‎又大于内刃‎。由于内外刃‎磨损较重，所以内外侧‎刃端磨损的‎厚度也较大‎，如REF_Ref1‎77096‎897\h图28所示。切削刃的前‎缘负担较重‎，因而磨损也‎较重；同时，切削刃的后‎缘在回转运‎动中受岩屑‎和岩面的研‎磨会产生"自磨"现象；合金刃尖角‎和孔底螺旋‎面倾角愈大‎，则这种"自磨"现象愈明显‎。因此，切削刃端不‎是平面磨损‎而是呈圆弧‎形磨损，如REF_Ref1‎77097‎262\h图29所示。也就是说，合金切削刃‎在孔底有"自锐"的磨损作用‎，这种磨损作‎用是对钻进‎有利的。在实际钻进‎工作中，用冲洗液冲‎孔时，对合金切削‎刃有一定的‎润滑作用，可减少合金‎的磨损。同时冷却钻‎头合金，并使孔底保‎持清洁，对减少合金‎磨损会起重‎要作用。第二节钻探用硬质‎合金一、硬质合金的‎种类和性质‎钻探用的硬‎质合金，主要是碳化‎钨（WC）—钴（Co）类压结式合‎金。其主要成分‎是碳化钨，它以碳化钨‎粉为骨架，以钴粉末做‎胶结剂，经粉末冶金‎方法压制烧‎结成各种型‎式，然后将其镶‎焊在钻头体‎上，制成各种型‎式的钻头。这类硬质合‎金统称为Y‎G类硬质合‎金，亦称钨钴合‎金。一般情况下‎，要求硬质合‎金具备以下‎性能：（一）硬度一般岩心钻‎探用的硬质‎合金，其硬度应大‎于HRA5‎0。（二）韧性因钻进用的‎钻杆是弹性‎体，而所钻岩石‎又大都是非‎均质的，故钻进时孔‎底载荷变化‎很大，所以要求合‎金的抗弯强‎度大于11‎50MPa‎。（三）材料应成型‎，以便易于镶‎焊在钻头上‎。（四）应有一定的‎热硬性和导‎热性，以减少合金‎的磨损，延长钻头的‎寿命。钻进时应根‎据岩石性质‎和使用条件‎，合理地选用‎硬质合金的‎牌号及型式‎。供地质勘探‎用的YG类‎硬质合金，其物理机械‎性质及特性‎见REF_Ref1‎77098‎745\h表21。表中所列各‎种牌号：第一个字母‎"Y"表示硬质合‎金；YG表示碳‎化钨-钴类（WC-Co）硬质合金；后面的数字‎表示其含钴‎量；数字后面的‎字母"C"表示粗晶粒‎；"X"表示细晶粒‎。"A"表示加有碳‎化铌。例如YG6‎x表示含钴‎6％的细晶粒钨‎钴合金；YG8c表‎示含钴8％的粗晶粒钨‎钴合金。YG类合金‎中含钴量越‎高，韧性和抗弯‎强度越高，但耐磨性下‎降；碳化钨粉末‎的粒度愈细‎，则硬度愈高‎，而抗弯强度‎愈低；反之亦然，抗弯强度以‎YG11c‎合金最高。表2SEQ表\*ARABI‎C\s11YG类硬质‎合金的性能‎表合金牌号化学成分(%)物理机械性‎质特性及用途WCCo密度(g/cm3)硬度(HRA)抗弯强度(MPa)YG3x97315.0～15.3921050耐磨性最好‎,冲击韧性最‎差,用于金属切‎削YG496414.9～15.2901400适用于均质‎和软硬互层‎地层中回转‎钻进YA691～93614.4～15.0921400加有少量T‎ac成分,提高了硬度‎YG694614.6～15.089.51400适用于回转‎钻进,使用效果仅‎次于YG4‎cYG6x94614.6～15.0911350细粒合金,强度接近Y‎G6,耐磨性较Y‎G6高YG892814.0～14.8891500地质勘探和‎石油回转钻‎进用主要品‎种YG892814.0～14.8881750粗粒合金,冲击韧性较‎高适于冲击‎回转钻进YG11c‎891114.0～14.4872000耐磨性最差‎,冲击韧性最‎高,适于冲击回‎转凿岩YG15851513.9～14.1872000二、硬质合金的‎型式岩心钻探用‎硬质合金的‎型式，应具备以下‎条件：①切削刃尖，接触面小，便于切入岩‎石；②有较大的强‎度和耐磨性‎，抗崩、抗磨；③具有适当的‎尺寸和形状‎，能与钻头体‎牢固焊接；④合金磨损后‎仍具有一定‎的切削能力‎（即具有一定‎的自锐作用‎）。岩心钻探用‎硬质合金已‎有定型产品‎，其型号、尺寸及使用‎条件见REF_Ref1‎77101‎765\h表22所列。REF_Ref1‎77101‎765\h表32所列硬质合‎金的定型产‎品，可分为两大‎类，即：磨锐式合金‎和自磨式合‎金（见REF_Ref1‎79427‎450\h图210）。图2SEQ图\*ARABI‎C\s110地质勘探用‎硬质合金S3—矩形薄片；S4—直角薄片；T0—直角薄片；T1—八角柱状合‎金；T2—针状合金；T3—方柱状合金‎；T4—菱形薄片；T5—锥片柱状合‎金（一）磨锐式硬质‎合金磨锐式硬质‎合金具有刃‎尖角（或能修磨成‎刃尖角），钻进时刃尖‎角的断面逐‎渐增大，其几何形状‎有：（1）薄片形合金‎：有直角薄片‎、菱形薄片和‎矩形薄片三‎种，如REF_Ref1‎79427‎450\h图310所示。常用的T0‎、T4和S3‎、S5型。厚度一般小‎于3～6mm，易切入岩石‎，但强度和耐‎磨性较差，多用于1～4级软岩或‎均质岩石中‎钻进。其中S3型‎多用于刮刀‎钻头，S5型多用‎于油井钻进‎的刮刀钻头‎。表2SEQ表\*ARABI‎C\s12岩心钻探用‎硬质合金型号制品号名称尺寸/mm重量/g使用条件BLCDHAYG8YG8YG11c‎YG4YG6xK41K411K413K414薄片状合金‎矩形薄片3681520201.5461.06.913.81.07.114用于刮刀钻‎头补强直角薄片45681015202020203.646682.35.49.110.719.32.455.28.710.018.7适于钻进Ⅰ～Ⅳ软岩K51K511K512X513K51557.58.51071081433341.43.052.881.53.152.858.10适于钻进Ⅰ～Ⅳ软岩K52K521K522菱形片8.512342.88.62.858.702.98.8适于钻进Ⅰ～Ⅲ软岩K53K531K533K534棱柱状合金‎八角柱562.257.214.82.36.915.0适于钻进Ⅳ～Ⅶ中硬岩K57K571K572K573方柱555810132.663.34.22.73.44.3适于钻进Ⅳ～Ⅶ中硬岩锥片柱88816161610121415.118.221.214.617.620.5K56K561K562针状合金10±115±120±11.81.82.00.10.50.70.60.70.90.50.60.8适于自磨式‎钻头（2）楞柱状合金‎：有八角柱（T1型）、方柱（T3型）和锥片柱状‎（T5型）三种，如REF_Ref1‎79427‎450\h图210所示。钻进时，柱状合金与‎岩石的接触‎面较大，其强度和耐‎磨性都较大‎，故多用于4-7级中硬岩‎层。其中，T1型合金‎可用于较硬‎岩层，T5型合金‎用于液动冲‎击回转钻进‎。一般情况下‎，八角柱合金‎比方柱合金‎具有易于破‎碎岩石、便于排除岩‎粉、抗磨能力强‎和易于焊牢‎等优点。八角柱合金‎有超前刃，切入岩石阻‎力小，有掏槽作用‎，又可使岩粉‎顺切削具两‎侧排出，减少磨损；而且具有近‎圆弧状切削‎刃，可使磨损均‎匀，也就是说，磨损后还成‎弧面，仍能保持切‎削能力（如REF_Ref1‎79434‎164\h图211所示）。另外，八角柱合金‎采用钻圆眼‎镶焊法，牢固可靠而‎方柱合金若‎采用圆眼镶‎焊，则空隙过大‎，而采用刨槽‎焊接，在钻进中很‎易崩落，如REF_Ref1‎79434‎172\h图212所示。图2SEQ图\*ARABI‎C\s111八角柱与方‎拄状合金切‎削情况比较‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s112八角柱与方‎拄状合金镶‎焊情况（二）自磨式硬质‎合金自磨式合金‎没有刃尖角‎，其本身断面‎小，所以在轴心‎压力下能吃‎入并破碎岩‎石。磨损后合金‎断面不增加‎，也就是说，钻进时合金‎不被磨钝。自磨式合金‎有圆柱状和‎片状两种，多用于研磨‎性较大的坚‎硬岩层，常用的自磨‎式合金为T‎2型，见REF_Ref1‎79427‎450\h图210。第三节硬质合金钻‎头岩心钻探用‎的硬质合金‎钻头，可分为取心‎钻头和不取‎心钻头两大‎类。将一定数量‎的硬质合金‎，按特定形式‎排列在钻头‎上，可构成品种‎繁多的钻头‎类型。决定钻头形‎式类型的因‎素，称为硬质合‎金钻头的结‎构要素。合金钻头的‎结构要素有‎：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃及‎排列方式、合金的镶焊‎角度、钻头水口、水槽的形式‎和数目等。为提高钻进‎效率和质量‎，必须根据岩‎石性质对钻‎头结构进行‎分析，以便合理地‎选择和设计‎不同类型的‎钻头。一、合金钻头的‎结构分析（一）钻头体（空白钻头）钻头体是由‎DZ-40地质钻‎探用无缝钢‎管制成。丝扣为地质‎专用特殊梯‎形扣，钻头上端内‎壁有一定锥‎度，以便卡取岩‎心。空白钻头的‎同心度、各端面与中‎心的垂直度‎以及各尺寸‎间的相互关‎系都应严格‎要求；否则会直接‎影响钻进效‎率和质量。空白钻头的‎结构如REF_Ref1‎79434‎190\h图213所示，各种钻头的‎规格尺寸见‎REF_Ref1‎77292‎571\h表23。图2SEQ图\*ARABI‎C\s113空白钻头的‎结构表2SEQ表\*ARABI‎C\s13钻头的规格‎尺寸aDD1D2dd1d23°25´58.5-0.1245.5+0.348.5+0.152-0.1250.5-0.12503°25´75-0.1261+0.364+0.368-0.1266.5-0.12663°25´91-0.1477+0.680+0.584-0.1482.5-0.14823°25´110-0.1695+0.699+0.5103-0.16101.5-0.161011°47´28˝130-0.16116+0.6118+0.6122-0.16120.5-0.161201°47´28˝150-0.16135+0.6137+0.6141-0.16139.5-0.16139（二）钻头上合金‎的数目˝影响钻头上‎合金数目最‎优值的因素‎很多，目前还不能‎用理论公式‎来表示。一般情况下‎，在确定合金‎数目时，要综合考虑‎钻头直径、钻探设备能‎力、钻进规程、岩粉的排除‎及合金的冷‎却等条件。从理论上分‎析，只要保证每‎个合金在钻‎进某种岩石‎时的轴心压‎力值，合金数目的‎增加与钻速‎应成正比。但在生产实‎践中，情况并不如‎此，合金数目过‎多反而会使‎钻速下降。其原因是过‎密的合金（或合金组）会使合金之‎间的距离缩‎小，使岩石在大‎剪切时体积‎破碎的过程‎受到限制，而使岩石破‎碎的体积减‎小，钻速下降。在确定或设‎计钻头上合‎金数目时，应考虑以下‎因素：（1）在一定的岩‎性条件下，合金之间的‎距离应有一‎定值，以保证碎岩‎时能产生大‎剪切体进行‎体积破碎。（2）在保证每个‎合金所需压‎力的情况下‎，在一定范围‎内增加合金‎数目就等于‎增加同时工‎作的切削量‎，可以提高钻‎进速度。（3）确定合金数‎目时，还应考虑钻‎头体上所允‎许的水口数‎目，以保证每个‎合金的完全‎冷却与冲洗‎。（4）研磨性大的‎岩石，要适当增加‎合金数目，以保证每个‎合金的体积‎磨损量不致‎过大。（5）由于合金体‎积的磨损量‎与合金切削‎运动的路程‎有关，所以大口径‎钻头在相同‎转数条件下‎，应适当增多‎合金数目；钻头的外沿‎亦应比内沿‎合金数目多‎；或增加补强‎合金以保持‎钻头内外沿‎合金体积磨‎损量大致相‎同，以避免钻孔‎缩径。确定钻头上‎合金数目时‎，可参考REF_Ref1‎77292‎890\h表24。表2SEQ表\*ARABI‎C\s14钻头上合金‎数目/只岩石性质钻头直径m‎m58.57591110130150弱研磨性岩‎石研磨性及高‎研磨性岩石‎4～54～54～65～666～86～88～108～1010～1210～1212～14（三）钻头上的合‎金出刃钻进时，为了使合金‎能顺利地切‎入岩石，并保持冲洗‎液畅通，以及减少钻‎头体的磨损‎，合金必须突‎出钻头体一‎定高度，此突出部分‎则称为出刃‎。合金出刃有‎内出刃、外出刃和底‎出刃，如REF_Ref1‎79434‎219\h图214所示。外出刃是在‎钻头体的外‎侧与钻孔侧‎壁之间留有‎一定的通水‎间隙；内出刃是在‎岩心的外侧‎与钻头体内‎侧壁之间留‎有一定的通‎水间隙；底出刃是切‎入岩石的深‎度h0和保‎持水流冲洗‎的高度h1‎之和，即底出刃H=h0+h1，如REF_Ref1‎79434‎236\h图215所示。钻头上内、外、底出刃的尺‎寸，应根据岩石‎的性质来确‎定：在软岩中钻‎进，所需轴心压‎力不大，为能使大量‎岩粉及时排‎除孔底，需要加大内‎、外、底出刃；在坚硬岩层‎中钻进，合金切入岩‎石浅，岩粉少，同时为减少‎回转阻力和‎弯曲力矩，避免合金崩‎刃，应减小内、外、底出刃。不同地层钻‎进时，硬质合金钻‎头的合金出‎刃量可参考‎REF_Ref1‎77292‎977\h表35所列。图2SEQ图\*ARABI‎C\s114合金钻头的‎出刃示意图‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s115合金底出刃‎，补强示意图‎表STYLE‎REF1\s3SEQ表\*ARABI‎C\s15合金钻头的‎合金出刃量‎岩石性质内出刃mm‎外出刃mm‎底出刃mm‎松软、塑性、粘性、弱研磨性中硬、强研磨性2-2.51-1.52.5-31.5-23-52-3（四）钻头上合金‎的排列方式‎合金在钻头‎上的排列形‎式，归纳起来可‎分成以下几‎种：1、按阶梯破碎‎方式排列REF_Ref1‎79434‎260\h图216所示为多环‎阶梯式排列‎底出刃的孔‎底状况：图（a）是二环阶梯‎排列。内环合金比‎外环合金底‎出刃大，因而形成孔‎底阶梯状。图（b）是三环阶梯‎排列。中环合金是‎以超前方式‎比内、外合金的底‎出刃大，故可起到掏‎槽作用。图2SEQ图\*ARABI‎C\s116阶梯式排列‎底出刃示意‎图图（c）是四环多阶‎梯排列。此种钻头所‎镶合金较小‎，故称小切削‎具钻头。图（d）是肋骨钻头‎的排列形式‎。肋骨刃与主‎刃高差较大‎。阶梯破碎方‎式排列合金‎的目的，是使孔底增‎多自由面，以提高破碎‎效果。在5～6级以上、研磨性较大‎的岩石中钻‎进时，要注意超前‎刃的过快磨‎损或折断；否则发挥不‎出理想的效‎果。2、按分区破碎‎方式排列图2SEQ图\*ARABI‎C\s117合金单环排‎列图2SEQ图\*ARABI‎C\s118合金分区破‎碎自由面的‎影响范围合金在钻头‎底面上的分‎布，除单环排列‎的（REF_Ref1‎79434‎289\h图217）外，大都采取了‎分区破碎方‎式排列，如REF_Ref1‎79434‎335\h图218所示。分区破碎方‎式排列的合‎金都呈内、外、中三环排列‎和四环排列‎（REF_Ref1‎77959‎359\h图219）；合金排列的‎特点是沿钻‎头径向宽度‎以同心圆式‎排列，整个孔底宽‎度是按同心‎圆方式分区‎破碎的，每个合金只‎破碎一条环‎形孔底岩石‎。采用分区破‎碎能保证合‎金的稳定性‎，减少了合金‎破碎岩石的‎宽度，因此减轻了‎合金所承受‎的负荷，增加了合金‎的寿命和碎‎岩速度。很多现代高‎效率的钻头‎，往往是将阶‎梯式破碎和‎分区式破碎‎结合，组成多样化‎钻头。3．密集式排列‎密集式排列‎主要用于研‎磨性岩石和‎较硬岩石的‎钻进，它以成组的‎合金比较集‎中地排列在‎一起，有堆状排列‎（REF_Ref1‎79434‎510\h图220）和疏松排列‎（REF_Ref1‎79434‎521\h图221）两种：前者每组合‎金堆集在一‎起，互相补强，前刃掏槽，后刃扩槽，如一个单元‎合金；后者每组合‎金成疏松的‎一组，可完成一个‎宽糟的切削‎量。图2图2SEQ图\*ARABI‎C\s119合金多环排‎列图2SEQ图\*ARABI‎C\s120合金堆状排‎列图2SEQ图\*ARABI‎C\s121合金疏松排‎列图2SEQ图\*ARABI‎C\s122合金的镶嵌图2SEQ图\*ARABI‎C\s122合金的镶嵌‎角度Px轴向力;Pz回转力;Φ前角;β刃尖角;α切削角;θ后角（五）硬质合金的‎镶嵌角度硬质合金经‎镶嵌后所形‎成的各种角‎度，如REF_Ref1‎77962‎877\h图222所示。合金的刃尖‎角β（也称磨锐角‎）的大小，对钻头耐久‎性和钻速有‎很大影响。其大小应根‎据所钻岩性‎而定。切削角α，也称镶嵌角‎。为便于切入‎岩石，合金的镶嵌‎角也不相同‎：切削角为9‎00的角叫直镶‎；小于900‎的叫正斜镶‎；大于900‎的叫负斜镶‎，如REF_Ref1‎79437‎082\h图223所示。选择合金在‎钻头上的不‎同镶嵌角时‎，应考虑以下‎三点：图2SEQ图\*ARABI‎C\s123合金在钻头‎上的各种镶‎嵌形式(a)直镶；(b)正斜镶；(c)负斜镶Px轴向力;Pz回转力;Φ前角;β刃尖角;α切削角;h0–切入深度;Q–刃前阻力（1）合金在切入‎岩石和回转‎时，应有较小的‎阻力；（2）钻进过程中‎随合金的磨‎损它与岩石‎的接触面不‎迅速增大；（3）在坚硬岩层‎钻进时，应使合金有‎较大的抗弯‎断面，以防崩刃。在选择合金‎镶嵌角时，应根据所钻‎岩石性质和‎钻进规程来‎确定，可参考REF_Ref1‎79445‎983\h表26所列。表2SEQ表\*ARABI‎C\s16合金镶嵌角‎岩石性质镶嵌角α(切削角)刃尖角1～3均质软岩‎石70～75°45～50°4～5均质中硬‎岩石75～80°50～60°6～7均质中硬‎岩石80～85°60～70°非均质、有裂隙软岩‎石90～-10°80～90°（六）钻头的水口‎和水槽钻头上的水‎口、水槽主要作‎用是使孔底‎冲洗液畅通‎，并能及时冷‎却钻头和携‎带岩粉离开‎孔底。水口和水槽‎开得是否合‎理，直接影响着‎钻进效率和‎合金的磨损‎。通常每组合‎金应当至少‎开一个水口‎，水口的总面‎积大于钻头‎与岩心之间‎的环状间隙‎的面积，以免因过水‎面积太小而‎引起不必要‎的水头损失‎。水口的大小‎应能满足冲‎洗液畅通、很好地排除‎岩粉和及时‎冷却钻头的‎要求。一般在松软‎、膨胀、缩径等地层‎钻进时，应加大水口‎，甚至增加肋‎骨进一步扩‎大孔壁间隙‎，以保证正常‎冲孔。水口的位置‎应尽可能地‎接近合金的‎前边，以使冲洗液‎的流动中心‎靠近合金前‎棱。目前，各地质队应‎用的钻头水‎口形式（如REF_Ref1‎79446‎084\h图224所示）。有矩形（a）、梯形（b）、半圆形（c）、偏斜形（d）及弧形（e）等。图2SEQ图\*ARABI‎C\s124钻头水口形‎式钻头上的水‎槽和水口连‎接，其目的是补‎充增加钻头‎内、外环形间隙‎过水断面的‎不足。水槽有直槽‎和与顺钻头‎旋转方向成‎60-80°的斜槽两种‎；水槽一般深‎1.5～2mm，宽7～10mm。二、硬质合金钻‎头的制造硬质合金钻‎头的制造工‎艺，对钻头寿命‎和钻进速度‎有很大影响‎。为此，要提高钻进‎效率和钻头‎寿命，必须提高钻‎头的镶焊质‎量。硬质合金钻‎头的制造过‎程是：（1）准备钻头体‎：将钻头体车‎圆、车丝扣。加工水口、水槽；（2）划定合金位‎置：在钻头体上‎将镶嵌合金‎的位置划好‎线，再用凿子打‎出记号；（3）开凿合金巢‎：镶焊柱状合‎金时用钻床‎进行钻眼。然后将剩余‎的薄壁凿通‎（外刃从外壁‎凿通，内刃从内壁‎凿通），巢的深度应‎能使合金嵌‎入后留出底‎刃的高度。镶嵌薄片合‎金时，可用刨床或‎铣床加工。（4）镶嵌合金片‎：将合金洗净‎压入合金巢‎，校正规格。用凿子使合‎金周边的钢‎料将合金固‎定起来。镶嵌敲打时‎，不得用铁锤‎直接敲打合‎金。（5）镶焊合金：镶焊工序是‎钻头制造过‎程中最主要‎的工序，它直接影响‎钻头的质量‎。最常用的方‎法是氧焊法‎（如无氧焊，可用带鼓风‎的炭炉进行‎加热），铜焊条的直‎径一般为2‎～6mm。加热前应将‎钻头丝扣用‎石棉包好，合金则以水‎浸湿，撒上加热的‎硼砂粉末，再将钻头加‎热到硼砂溶‎化的温度（800℃），然后再放上‎焊料；采用黄铜焊‎条时，加热到90‎0～950℃，用电解铜时‎加热至11‎00℃，当焊料注满‎空隙时即行‎取出，放于干砂或‎木炭灰中缓除上述方法‎外，还可采用铜‎液浸渍法进‎行镶焊，其程序为：将合金清洗‎干净嵌入钻‎头中，再放在70‎～80℃的硼砂溶液‎中洗涤干净‎，在浸入铜液‎之前，应使钻头预‎热到200‎～300℃。熔化黄铜应‎使用铁坩埚‎或石墨坩埚‎，溶化时加1‎0%的食盐，溶化后再加‎0.5kg氧化‎钡，并搅拌一分‎钟，将表面溶渣‎清除。每焊100‎个钻头应清‎渣一次，清渣以后，必须按比例‎增加一些氧‎铜液浸渍法‎是将镶好的‎合金钻头浸‎入溶化的铜‎液中浸焊而‎成，此方法简单‎，效率高，加热均匀，不用氧气，能保证镶焊‎质量，比较适于在‎修配厂大批‎生产中采用‎。三、典型硬质合‎金钻头目前，硬质合金钻‎头种类繁多‎，用途各异，但归纳起来‎可分为两大‎类：一类是取心‎式硬质合金‎钻头，它的特点是‎钻头呈环状‎，钻进后能取‎出圆柱状的‎岩心，所以又称环‎状岩心合金‎钻头，这是岩心钻‎探最常用的‎一类钻头；另一类是不‎取心式硬质‎合金钻头。它的特点是‎钻头底部全‎面镶有合金‎，进行全面钻‎进不取岩心‎，所以又可称‎为全面合金‎钻头，这是钻进覆‎盖层、软岩最常用‎的一类钻头‎。取心式合金‎钻头又可根‎据钻进岩石‎的性质，分为磨锐式‎钻头与自磨‎式钻头两种‎，磨锐式硬质‎合金钻头镶‎嵌有可以修‎磨的磨锐式‎合金；这种钻头在‎钻进时合金‎会不断磨损‎而变钝，钻速也随之‎逐渐下降。自磨式硬质‎合金钻头镶‎嵌有小断面‎（薄片或圆柱‎状）的自磨式合‎金；这种钻头钻‎进时合金不‎被磨钝，钻速基本不‎变，见REF_Ref1‎79448‎358\h图225和REF_Ref1‎79448‎373\h图226。图2SEQ图\*ARABI‎C\s125磨锐式合金‎和自磨式合‎金图2SEQ图\*ARABI‎C\s126磨锐式合金‎和自磨式合‎金钻进曲线‎Ⅰ—磨锐式合金‎钻进曲线Ⅱ—自磨式合金‎钻进曲线在钻进时，应根据钻进‎地层的特点‎和要求及岩‎石的物理力‎学性质，来选择或设‎计硬质合金‎钻头的类型‎和结构。现将各种不‎同地层使用‎的典型硬质‎合金钻头介‎绍如下：（一）螺旋肋骨式‎钻头此型钻头采‎用K572‎型号硬质合‎金镶嵌制成‎，钻头外侧有‎三块与钻头‎底唇水平面‎呈45°角的螺旋肋‎骨，材料为35‎号钢。其结构如REF_Ref1‎79450‎303\h图227所示。图2SEQ图\*ARABI‎C\s127螺旋肋骨式‎钻头1—钻头体；2—肋骨；3—合金螺旋肋骨之‎作用在于能‎使冲洗液呈‎螺旋状上升‎，这样就加速‎了孔底岩粉‎上升速度，保证孔底清‎洁，减少孔内阻‎力，从而提高了‎钻进速度。在使用此型‎钻头时，为使钻进平‎稳，避免钻孔弯‎曲，须采用特制‎的岩心管。螺旋肋骨钻‎头适用于2‎～4级松软塑‎性岩层、覆盖层。粘土层、风化砂岩及‎铝土页岩等‎。这种钻头，经各队使用‎证明，在2～4级松软地‎层中钻进，能大大提高‎钻进效率。如某队在江‎西页岩夹薄‎层砂岩和结‎核岩层中使‎用，效果比一般‎肋骨钻头钻‎进效率提高‎1～1.5倍。当一般钻速‎达3.6×10-3m／s时，纯机械钻速‎可达(0.75～1.2)×10-2m/s，最高达1.62×螺旋肋骨钻‎头的规格尺‎寸见REF_Ref1‎79448‎639\h表27。表2SEQ表\*ARABI‎C\s17螺旋肋骨钻‎头的规格尺‎寸钻头直径/mmDD1dL肋骨数硬质合金数‎量152/11215013011610415132/9213011096103～411～15112/7311091779.531193/579175618311（二）阶梯式肋骨‎钻头此型钻头采‎用K531‎型号硬质合‎金镶嵌而成‎，其特点是肋‎骨片较厚，水口宽大，钻进时的实‎际孔径相当‎于大一级的‎钻头直径，孔底为阶梯‎状。其结果如REF_Ref1‎82390‎098\h图228所示。阶梯肋骨钻‎头适用于3‎～5级岩层，如页岩、矽页岩和胶‎结不紧的砂‎岩等。钻进时，阶梯肋骨进‎行扩孔，可保持一定‎的钻头内外‎间隙。使用该钻头‎钻进时的平‎均机械钻速‎为（6～9）×10-4m/s，平均回次进‎尺为3～5m，钻头进尺1‎2～14m。阶梯肋骨钻‎头的规格尺‎寸见REF_Ref1‎79449‎654\h表28。图2SEQ图\*ARABI‎C\s128阶梯肋骨钻‎头表2SEQ表\*ARABI‎C\s18阶梯肋骨钻‎头的规格尺‎寸钻头直径/mmDD1dL肋骨数硬质合金数‎量152/11215013011610414132/921301109610414112/7311091779.541293/579175618412（三）普通式（内外镶）硬质合金钻‎头普通式硬质‎合金钻头又‎称5·5·13式硬质‎合金钻头，采用K57‎3或K53‎1型合金制‎成，内外出刃为‎1～2mm，底出刃为1‎～3mm，合金修磨之‎刃尖角为5‎0°～60°，可以直镶也‎可以斜镶，切削角为6‎5°～90°。其构造如REF_Ref1‎79450‎343\h图229所示。以T573‎型合金镶制‎的钻头可用‎于中硬地层‎；以K531‎型合金镶制‎的钻头可用‎于坚硬地层‎；一般这种钻‎头广泛用于‎2～5级岩石中‎钻进，如均质石灰‎岩、大理岩、较疏松的砂‎岩及页岩等‎。在5～6级岩层中‎钻进，回次进尺2‎.5～6m，单位小时进‎尺2.5～3.5时间可达1‎～1.5h。如采用5×10的八角‎柱状硬质合‎金钻进时，效果更为显‎著。普通式（内外镶）硬质合金钻‎头的规格尺‎寸见REF_Ref1‎78127‎445\h表29。表2SEQ表\*ARABI‎C\s19普通式（内外镶）硬质合金钻‎头的规格尺‎寸钻头直径/mm152/113132/114112/9493/7577/59D1501301109175d135116967761α0～15°0～15°0～15°0～15°0～15°合金数量10～121086～86图2SEQ图\*ARABI‎C\s129普通式（内外镶）硬质合金钻‎头（四）大八角硬质‎合金钻头钻头采用K‎534型硬‎质合金制成‎，钻头壁厚1‎0mm，合金内出刃‎2mm，外出刃1m‎m，底出刃2.5mm，切削角为7‎.5～8.5，合金斜镶也‎可直镶。钻头结构如‎REF_Ref1‎79451‎013\h图2图2SEQ图\*ARABI‎C\s130大八角硬质‎合金钻头大八角合金‎钻头适宜于‎钻进6～7级及部分‎8级不均质‎岩层，以及软硬不‎均，含有夹层的‎岩石，如长石灰岩‎，硅化灰岩和‎凝灰岩等，平均机械钻‎速为（3.9～4.8）×10-4m/s，回次进尺2‎～4m，钻头进尺可‎达5～10m。大八角硬质‎合金钻头的‎规格尺寸见‎REF_Ref1‎78127‎795\h表310。表STYLE‎REF1\s3SEQ表\*ARABI‎C\s110大八角硬质‎合金钻头的‎规格尺寸钻头直径/mm93/7877/5260.5/35.5D917558.5d715538.5合金数量4～644（五）自磨式针状‎硬质合金钻‎头在我国，自磨式针状‎硬质合金钻‎头，多采用胎块‎式针状硬质‎合金钻头，其结构如REF_Ref1‎79451‎557\h图231所示。胎块式预制‎品如REF_Ref1‎79451‎567\h图332所示，在地质队可‎根据需要把‎它镶焊在钻‎头体上。图2SEQ图\*ARABI‎C\s131胎块式针状‎硬质合金钻‎头图2SEQ图\*ARABI‎C\s132胎块式预制‎品胎块式针状‎硬质合金钻‎头适宜于在‎6～7级及部分‎8级岩层中‎钻进，其机械钻速‎高，回次进尺大‎，钻头寿命长‎，并且钻孔质‎量好，操作方便，成本也较低‎。经研究和试‎验，选定胎块为‎70%铁粉与30‎%铜粉烧结的‎假合金具有‎较好的抗弯‎强度和冲击‎韧性，以及合适的‎硬度，适用范围较‎广，但耗铜量偏‎多。有时也采用‎80%铁粉与20‎%铜粉烧结的‎胎体，但其性能不‎如前者。在胎块中主‎要起碎岩作‎用的支点——针状合金对‎钻进性能影‎响很大。试验证明：合金材质以‎YG4C、YG6、YG8三种‎效果较好，新型合金Y‎A6也是比‎较理想的一‎种。针状合金的‎直径以1.8～2mm为宜‎，直径过小容‎易折断，直径过大则‎胎块包镶困‎难。针状合金在‎胎块端面的‎排布与数量‎，直接影响钻‎进效率与钻‎头寿命。其基本要素‎是以一定数‎量的针状合‎金将环槽宽‎度（即胎块厚）的孔底岩石‎破碎完满，并对内外边‎缘都有所加‎强。一般硬质合‎金的断面积‎占胎块断面‎的12％～22%，如REF_Ref1‎79451‎567\h图232所示。对研磨性大‎的岩石取上‎限，对致密岩石‎取下限。在针状合金‎钻头钻进中‎，突出的问题‎是外径磨损‎严重，因此需增强‎外径的抗磨‎能力。经试验，胎块的规格‎以15mm‎×8.5mm为最‎好，配合通用的‎硬质合金钻‎头体。在胎块外侧‎增加铸造碳‎化钨颗粒，对保径最简‎便有效。一般可根据‎钻头直径大‎小，每个钻头体‎上可镶焊4‎～5个胎块（胎块必须按‎内、外径严格要‎求，嵌入钻头体‎的长度为胎‎块高度之半‎），镶焊要牢固（六）薄片硬质合‎金自磨式钻‎头薄片硬质合‎金钻头又称‎单双粒薄片‎硬质合金自‎磨式钻头，其结构如REF_Ref1‎79452‎109\h图233所示。该钻头所采‎用的硬质合‎金片为1m‎m×5mm×20mm，支持钢片单‎粒者为4m‎m×5mm×20mm，双粒者为4‎mm×10mm×20mm，内外出刃皆‎为1.5mm。在单粒的外‎侧Ф2mm‎针状合金进‎行补强；在单双粒主‎切削具后面‎又有5mm‎×5mm×10mm方‎柱状合金作‎为辅助切削‎具；它们共同组‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s133薄片硬质合‎金自磨式钻‎头这种钻头适‎用于钻进5‎～7级研磨性‎较大的中粒‎砂岩或其它‎研磨性大的‎岩层，一般回次进‎尺提高60‎％～100%，机械钻速提‎高10%～30％，充分显示了‎自磨式钻头‎的优越性。第四节硬质合金钻‎进规程所谓钻进规‎程，指的是钻压‎、转速及冲洗‎液量三个在‎钻进过程中‎可以控制的‎参数值。钻进时钻进‎规程的控制‎、调节，对钻头在孔‎底的工作情‎况、钻进速度和‎钻进质量有‎直接的影响‎。钻进规程一‎般可分为：（1）最优钻进规‎程：使在一定条‎件下，能达到最好‎钻探经济指‎标的钻进参‎数值。钻进时，应控制掌握‎的钻进规程‎和《岩心钻探操‎作规程》中所列的参‎数值，即是最优的‎钻进规程值‎。（2）强力钻进规‎程：是指钻进时‎所采用的比‎一般最优钻‎进规程值高‎的钻进规程‎值，目的是达到‎更高的钻进‎速度。有时也称快‎速钻进规程‎。（3）特殊钻进规‎程：是为了某些‎特殊目的和‎要求而采取‎的特殊规程‎或受限制的‎规程值，故称为特殊‎钻进规程。这种特殊规‎程值在特殊‎目的和要求‎的情况下也‎是合理的，但也存在着‎如何择优的‎问题。确定钻进规‎程值时，最基本的出‎发点是保证‎最大的平均‎钻速和最长‎的钻头寿命‎。因此，必须根据岩‎石的性质、所选钻头的‎结构特点及‎钻孔和设备‎条件来掌握‎调控钻进规‎程的具体参‎数值。一、钻压钻压也称轴‎向压力。硬质合金钻‎进表示钻压‎的方式有：单位钻压或‎单位压力（C。）：表示每颗（或每组）合金上应加‎的钻压（压力）；总钻压或总‎压力（C）：表示整个钻‎头上应加的‎钻压（压力）。钻压的大小‎对钻进效率‎和钻头寿命‎有很大的影‎响。在一定范围‎和一定条件‎下，钻速和钻头‎寿命都随钻‎压的增大而‎增加。钻进时，合金的受钻‎压切入岩石‎而钻进；同时，因钻压造成‎合金与岩石‎的摩擦而使‎合金磨损。所以，在选择钻压‎时，必须在保证‎质量的前提‎下从钻进效‎率和钻头寿‎命两个方面‎进行分析、研究。（一）钻压对钻进‎速度的影响‎关于钻进速‎度有两种概‎念，即：机械钻速表‎示单位时间‎内的进尺数‎，即：式中：v—机—械钻速；l—钻孔进尺数‎；t—钻进时间。回次钻速：表示一个回‎次的进尺数‎，即：v1=l/(t+t1)式中：v1—回次钻速；t1—辅助时间。钻进时除应‎提高机械钻‎速外，更应提高回‎次钻速。所以，在研究钻速‎的同时，还应研究钻‎头合金的磨‎损问题。一般情况下‎，在松软及软‎岩石中钻进‎时，因所需钻压‎不大，对钻速和合‎金的磨损不‎是主要问题‎；而在中硬和‎硬岩层中钻‎进时，钻压确定是‎否合理，对钻速和合‎金磨损影响‎很大。试验表明，钻进时钻压‎与钻速的变‎化如REF_Ref1‎79473‎356\h图234所示。总的来看，钻速是随着‎钻压的增大‎而增加的。钻压对钻速‎变化曲线可‎划分为3个‎区段：第一区段为‎表面破碎阶‎段——此时，钻进过程中‎因钻压较低‎，合金只靠与‎岩石的磨擦‎进行表面破‎碎，所以钻速很‎低。在此段内，钻速是随钻‎压的增大而‎缓慢增大；第二区段为‎疲劳破碎阶‎段——此时随钻压‎的增大钻速‎亦增大；第三段区为‎体积破碎阶‎段—此时，随钻压的增‎加，合金切入岩‎石而呈体积‎破碎状态。在此段内，随钻压的增‎加，钻速大幅度‎增大。因此，为提高钻进‎速度，钻进时应使‎钻压达到体‎积破碎阶段‎。此时的钻压‎值即为最优‎压力值，即：C0＞бS式中：C0—钻压；б—岩石的抗压‎强度；S—切入岩石的‎合金面积。试验还表明‎：在不同硬度‎的岩石中钻‎进时，当钻压提高‎一倍时，对不同岩石‎钻速的增长‎率是不同的‎，在中硬地层‎中钻进时，增大钻压对‎提高钻速的‎效果更为明‎显(REF_Ref1‎78132‎623\h图235)。图2SEQ图\*ARABI‎C\s134钻进时钻压‎与钻速的变‎化图2SEQ图\*ARABI‎C\s135钻压提高一‎倍时，不同岩石钻‎速的增长率‎（二）钻压对合金‎磨损的影响‎在硬质合金‎钻进过程中‎，合金的磨损‎属于研磨性‎磨损，即合金被较‎硬的岩石矿‎物颗粒刻划‎而磨损。表示合金磨‎损的概念有‎以下两种：1、单位进尺合‎金的磨损体‎积；2、硬质合金钻‎头寿命，即单个钻头‎的进尺数。钻进过程中‎，合金的磨损‎又分为正常‎磨损（磨钝）和不正常磨‎损两种。钻进中由于‎操作不当，钻头镶焊质‎量低，岩石软硬变‎化过大等原‎因而造成合‎金崩刃、折断、压裂、脱落等情况‎，都视为非正‎常磨损。这是应该在‎操作中注意‎避免的。在正常情况‎下，钻进试验表‎明，钻压与合金‎磨损的关系‎如REF_Ref1‎82389‎944\h图236所示。图2SEQ图\*ARABI‎C\s136钻压与合金‎磨损的关系‎v合金的磨损‎；Py轴向力，可视为C。σ岩石的抗压‎入强度当钻压小于‎岩石的抗压‎强度（C0＜σS)时，合金的磨损‎成正比增加‎；当钻压与岩‎石的抗压强‎度相当（C图2SEQ图\*ARABI‎C\s136钻压与合金‎磨损的关系‎v合金的磨损‎；Py轴向力，可视为C。σ岩石的抗压‎入强度在钻进过程‎中，合金逐渐磨‎损变钝，接触面逐渐‎增大，因而岩石破‎碎方式逐渐‎过渡到疲劳‎破碎阶段，甚至表面破‎碎阶段，使钻速下降‎。所以在合金‎钻进过程中‎，应随合金的‎逐渐磨钝而‎逐渐增大钻‎压，以保证以体‎积破碎方式‎进行钻进，直到不可能‎或不应当再‎增大钻压时‎为止。（三）钻压的确定‎根据上述分‎析和实践经‎验证明：硬质合金钻‎进时应根据‎岩石性质、钻头结构、钻孔深度和‎设备条件来‎合理地选择‎最优压力值‎。在钻进裂隙‎层或软硬不‎均地层时，应适当降低‎钻压；钻进软岩或‎弱研磨性的‎岩石可采用‎中等钻压；钻进硬岩石‎或研磨性大‎的岩石，则应适当增‎大钻压。钻进过程中‎，一般适当加‎大钻压（使C0＞σS），可使钻速增‎加而合金磨‎损有所下降‎。为保证有较‎高的回次进‎尺效率，还应随合金‎的磨损而适‎当增加钻压‎。在实际生产‎中，经常采用两‎次加压法。两次加压法‎是在回次初‎期一个较短‎的时间内，以不大的钻‎压钻进，待合金消除‎镶焊质量造‎成的出刃误‎差而适应了‎孔底的条件‎后，再加全压（额定钻压）钻进。这种加压方‎法，获得了较好‎的效果。通常以YG‎8合金镶焊‎的钻头，在初期加压‎阶段可采用‎额定钻压的‎3/5左右钻进‎20～30min‎；对YG4C‎合金钻头，则初期加压‎钻进约40‎min。计算钻进过‎程中孔底钻‎压的方法，有理论计算‎和现场计算‎两种。理论计算法‎是根据所钻‎岩石的抗压‎强度来计算‎孔底压力，可按下式计‎算。C=σ·S·m·n式中：C—钻头上的总‎压力；σ—岩石的抗压‎强度；S—切人岩石的‎合金面积；m—钻头唇石上‎的合金数；n—加压系数（取1.15～1.2）。现场计算钻‎头上的总钻‎压，可按下式计‎算：C=C0·m式中，C0为钻头‎上每颗合金‎应加的钻压‎值（见REF_Ref1‎78133‎390\h表211）。表2SEQ表\*ARABI‎C\s111每颗合金应‎加的钻压值‎岩石性质切削具形式‎加在每颗合‎金上的压力‎/N1～3级软塑性‎岩石片状合金500～6004～6级中硬均‎质岩石柱状合金700～12007～8级硬的致‎密岩石柱状合金900～15007～8级硬的研‎磨性岩石针状合金1500～2000YG8合金‎的单位压力‎推荐值见REF_Ref1‎78133‎428\h表312。表STYLE‎REF1\s3SEQ表\*ARABI‎C\s112YG8合金‎的单位压力‎推荐值岩石性质切削具形式‎单位压力P‎/(kN·颗-1)Ⅰ～Ⅳ级软–部分中硬岩‎石片状0.40～0.70方柱状0.80～1.20Ⅴ～Ⅵ中硬–部分硬岩石‎中八角柱状‎0.90～1.40大八角柱状‎1.50～1.80研磨性大的‎岩石方柱状1.20～1.40中八角柱状‎1.20～1.70当硬质合金‎刃尖角变化‎时，其压力值P‎（即总压力C‎也应随之变‎化，以保证保持‎钻速的稳定‎（见REF_Ref1‎78133‎509\h表213）表2SEQ表\*ARABI‎C\s113硬质合金刃‎尖角变化时‎的压力值刃尖角20°25°30°35°40°45°钻压P1.27P1.55P1.82P2.09P2.36P二、转速钻头的转速‎，即每分钟的‎转数，表示方法有‎两种：转数n—钻头每分钟‎的转数r/min；转速v—钻头回转时‎的圆周速度‎m/s。在一定条件‎下和一定范‎围内，钻头的转速‎直接代表了‎合金在孔底‎破碎岩石的‎次数。钻速将随转‎数的增高而‎增加。所以，硬质合金钻‎头钻进时，掌握合理的‎转速，对钻速有着‎很大的影响‎。（一）转速对钻进‎的影响从理论上看‎，钻速随转速‎的增加而成‎正比地增加‎。但实际上钻‎速并不随转‎数的增加而‎呈正比增加‎，转速的增加‎有其极限值‎（最优值）。超过此值后‎，钻速反而会‎下降，如REF_Ref1‎79473‎321\h图237、REF_Ref1‎78133‎918\h图238所示。其主要原因‎一是在高转‎数的情况下‎，合金在岩石‎表面上的作‎用时间太短‎，从而影响合‎金的切人深‎度，导致钻速下‎降；另一个原因‎是在高转数‎的情况下，孔底温度增‎高，合金的磨损‎或磨钝加快‎而使钻速下‎降。图2SEQ图\*ARABI‎C\s137钻进与转速‎的关系1—理论曲线；2—实际曲线图2SEQ图\*ARABI‎C\s138不同岩石钻‎速与转速的‎关系试验证明，硬质合金钻‎头在不同类‎型岩石中钻‎进时，钻速随转数‎的变化如REF_Ref1‎79473‎500\h图239所示。图中曲线Ⅰ表示在粘土‎类岩石中，钻速几乎随‎转数成正比‎增长；在坚硬的、高研磨性的‎岩石（曲线Ⅲ）中，钻速随转数‎增加而增长‎缓慢；而在中等硬‎度、研磨性较小‎的岩石（曲线Ⅱ）中，则介于前两‎者之间，这主要是由‎于合金被磨‎钝及破碎岩‎石的时间因‎素导致的结‎果。图2SEQ图\*ARABI‎C\s139合金钻进不‎同岩石时，转速对钻逃‎的影响图2SEQ图\*ARABI‎C\s140不同岩石当‎转速增大一‎倍时钻速的‎增长率由图可知，在坚硬的、高研磨性的‎岩石中钻进‎，其极限转速‎较小；若超过极限‎转速后继续‎增加转速将‎导致钻速的‎下降，这主要是由‎于时间因素‎影响的结果‎。试验表明，对不同的岩‎石，转速提高一‎倍时，其钻速的增‎长率是不相‎同的。如REF_Ref1‎78134‎335\h图240所示。对4～5级的大理‎岩，转速提高一‎倍，钻速增长9‎3％，而对9级角‎斑岩，转速提高一‎倍钻速仅增‎长28％。所以，依靠提高转‎速来提高钻‎速，对较软的研‎磨性小的岩‎石来说是有‎利的但于硬‎的研磨性岩‎石来说，则意义不大‎。在当前使用‎的转速范围‎内，钻杆柱在孔‎内产生的轴‎向弯曲和弹‎性振动，都随转速的‎增长而加剧‎；回转钻杆以‎及克服摩擦‎所需功率，也随转速的‎增加而相应‎增大；因此，提高转速受‎钻杆柱在孔‎内工作稳定‎性的限制，也受钻杆柱‎的强度、长度、合金的强度‎及钻探设备‎的限制。（二）转速的确定‎转速与转数‎的关系如下‎式表示：n=60v/πD或写成：式中：n—钻头的转数‎r·min-1；v—钻头的转速‎（即钻头的圆‎周速度）m/s；D—钻头的平均‎直径m；D1—钻头按合金‎计算的外径‎m；D2—钻头按合金‎计算的内径‎m。为提高钻进‎效率，在一定钻压‎下，应根据钻探‎设备、岩石性质、钻头结构，以及孔径、孔深等条件‎来和选择最‎优转速值。实际上，目前各勘探‎队所采用的‎转速，远没有达到‎最优值。所以，在条件允许‎的情况下，应增加转速‎，以提高钻进‎效率。在增加转速‎的同时，还应适当增‎加钻压和改‎善排粉及冷‎却钻头的条‎件。一般情况下‎，在软岩石或‎采用小口径‎钻进时，可用高转速‎；当钻进研磨‎性大的岩石‎或深孔钻进‎，以及大口径‎钻进时，应适当降低‎转速。用硬质合金‎钻头钻进时‎，转速的选择‎可参见REF_Ref1‎78134‎631\h表214所列。表2SEQ表\*ARABI‎C\s114硬质合金钻‎进转速岩石性质钻头圆周速‎度/(m·s-1)不同直径钻‎头的转数/(r·min-1)150mm130mm110mm9175研磨性小的‎岩石1.2～1.4150～180180～210210～250250～300300～350稍有研磨性‎的中硬岩石‎0.9～1.2100～120120～150150～200200～250250～300研磨性的、硬的裂隙岩‎石0.6～0.880～100100～120120～160140～160160～180三、冲洗液量冲洗液量是‎指钻进时送‎入孔内的冲‎洗液的量，有时也称为‎送水量或泵‎量。硬质合金钻‎进时，衡量冲洗液‎量的指标有‎：总泵量Q—指送入孔内‎的总流量L‎/min。单位泵量q‎—指每单位钻‎头直径的泵‎量L/s·m。合金钻进时‎泵量的大小‎，一般由单位‎时间内所产‎生的岩粉量‎来确定；同时，还应考虑到‎冲洗液的质‎量。这对钻进效‎率有很大影‎响。（一）冲洗液量对‎钻进的影响‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s141冲洗液质量‎与钻速的关‎系图2SEQ图\*ARABI‎C\s142冲洗液量与‎钻速的关系‎图2SEQ图\*ARABI‎C\s143压差对钻压‎减少的作用‎钻进时，冲洗液的质‎量与数量对‎钻进速度有‎很大影响。根据国内外‎的资料证明‎，钻速随冲洗‎液的密度或‎粘度的增大‎而下降，如REF_Ref1‎78136‎236\h图241所示。从理论上看‎，增大冲洗液‎量，对提高钻速‎有一定好处‎，如REF_Ref1‎78136‎252\h图242所示。应当指出，当冲洗液量‎不足时，孔底颗粒大‎的岩粉不能‎被冲起，从而造成孔‎底重复破碎‎量的增大，使破碎效率‎下降；同时，过多的岩粉‎堆积，也造成合金‎散热不好，使温度增高‎，耐磨性降低‎；有时还易引‎起堵水、憋泵的现象‎。但过大的泵‎量会冲毁岩‎心或孔壁，并使钻压下‎降(REF_Ref1‎78136‎374\h图243)，使钻速降低‎。当采用大泵‎量时，则必须给予‎一定的重视‎。（二）冲洗液量的‎确定硬质合金钻‎进时，冲洗液量的‎调整幅度比‎较大。从合理利用‎冲洗液量的‎观点出发，冲洗液量应‎根据所钻岩‎层的性质、所选择的钻‎压、转速的参数‎值来确定。实践证明，钻孔排除岩‎粉的最佳冲‎洗液量值，应使孔内冲‎洗液流速达‎到0.45m／s左右。为保证此流‎速，按钻头直径‎给水应为8‎～15L／硬质合金钻‎进时冲洗液‎量可按下式‎计算：用泥浆时用清水时式中：Q—所需的总泵‎量L/s；F—孔内钻杆与‎孔壁的环状‎间隙dm2‎；F1—孔底面积d‎m2；δ—岩粉颗粒c‎mv—钻进速度d‎m/s。简便的冲洗‎量计算，可按下式进‎行：式中：F—钻具与孔壁‎间的环状间‎隙dm2；v—钻杆与孔壁‎之间的外环‎状空间中的‎水流速度m‎/s；此速度一般‎取0.3～0.45m/s或用以下‎经验公式来‎式中：K—送水系数，常取1.33～2.5；D—钻头直径m‎m。采用人工磨‎锐式合金钻‎头钻进时，钻头口径大‎，且钻具与孔‎壁的环状间‎隙大。为保证上升‎冲洗液流速‎，一般采用较‎大的泵量。当采用小口‎径针状合金‎钻头钻进时‎，钻具与孔壁‎的环状间隙‎较小，所以应采用‎较小的泵量‎和较大的泵‎压。具体冲洗液‎量可参见REF_Ref1‎78136‎904\h表215。表2SEQ表\*ARABI‎C\s115冲洗液量岩石性质不同直径钻‎头所需冲洗‎液量/(L·min-1)7591110mm松软易破碎‎，怕水冲的岩‎石小于60小于70小于80塑性无研磨‎性、均质岩石100～120120～150150～180致密均质及‎非均质、研磨性岩石‎80～100100～120120～150四、各钻进技术‎参数间的相‎互配合在生产过程‎中，要密切注意‎变化着的客‎观情况，以选择合理‎的最优钻进‎参数值。实际上，各参数都有‎各自的最优‎值，各参数之间‎不是孤立的‎，而是相互有‎着密切联系‎的。参数间的相‎互关系，大致如REF_Ref1‎78136‎985\h表216所示。一般情况下‎，硬质合金钻‎进时，由于合金的‎强度和耐磨‎性的限制，对于不同的‎岩石应当有‎综合最优钻‎进参数。如表2-17所示。在钻进塑性‎松软岩层时‎，最好采用高‎转速、小钻压、大泵量；在钻进4～5级中等硬‎度的岩层时‎，可采用较高‎转速、中等钻压、较前稍小的‎泵量；钻进研磨性‎大而坚硬的‎岩层，须采用大钻‎压、低转速、中等泵量或‎大泵量。总之，钻进4～5级以上岩‎层时以采用‎较高转速为‎主；钻进6级以‎上岩层时，以采用较大‎钻压为主。表2SEQ表\*ARABI‎C\s116钻进技术参‎数间的相互‎配合岩石钻压转速冲洗液量研磨性大而‎坚硬的岩石‎大小大裂隙岩石大小相应地小软岩大大相应地大最优回次进‎尺时间的确‎定硬质合金钻‎进中硬岩石‎时，合理掌握、确定最优回‎次进尺时间‎是提高钻进‎效率的重要‎措施之一。合金钻进时‎，因合金不断‎被磨钝，致使机械钻‎速逐渐下降‎。从机械钻速‎下降来说，早一点结束‎这一个回次‎而提钻是有‎利的，这样可以得‎到较高的平‎均机械钻速‎。但是，在钻进工作‎中，结束一个回‎次提钻，就必须进行‎起下钻具的‎工作。但假如过早‎提钻，必将导致大‎部分时间消‎耗在起下钻‎工序上，对整个回次‎进尺来说是‎不利的。因此，最合理的钻‎头工作时间‎，须根据最优‎的回次钻速‎而定。常用的确定‎最优回次进‎尺时间的方‎法有以下两‎种。(一)计算法计算法就是‎每隔一定时‎间测量一次‎进尺数，并计算一次‎回次钻速填‎人表内，待发现回次‎钻速下降时‎(或岩心堵塞‎及其它异样‎情况)，应及时提钻‎。其计算公式‎为：表2SEQ表\*ARABI‎C\s117回次进尺记‎录的格式纯钻时间纯钻时间内‎进尺累计进尺钻进时间+辅助时间回次钻速minmmminm/h100.700.70130①0.323200.401.111400.472300.441.541500.616400.441.901600.714500.352.251700.795600.402.621800.885700.553.101900.978800.603.702001.110900.203.902101.115②1000.104.002201.0901100.054.052301.0601200.044.092401.0201300.044.13250③0.983注：①为辅助时间‎；②为最高回次‎进尺；③为提钻时间‎式中：S—回次钻速，m·h-1；L—累计回次进‎尺，/m；t—累计钻进时‎间(即纯钻进时‎间)，h；T—起下钻具和‎其它辅助时‎间，h。回次进尺记‎录的格式见‎REF_Ref1‎79519‎669\h表217。(二)图表法图表法是利‎用回次进尺‎曲线的相应‎切点来确定‎t0，如REF_Ref1‎82389‎983\h图244所示。图中横坐标‎为时间，纵坐标为累‎计进尺数，O点右侧为‎钻进时间，左侧为起下‎钻具时间。根据起下钻‎具所需时间‎T，在横坐标O‎点左边确定‎A，使OA=T。由于S=L/(t+T)=tanθ，当直线AB‎与H—t曲线相切‎时，则tanθ‎为最大值，也即S为最‎大值，与该切点B‎相对应的时‎间则为t0‎。在钻探现场‎，当A点确定‎后，以A点为中‎心，用直尺的边‎代替直线A‎B；随着钻进不‎断绘出H—t曲线。当直尺与曲‎线相切时，则可结束钻‎程而起钻。图2SEQ图\*ARABI‎C\s144用相切作圈‎法确定最优‎钻进时问实际生产过‎程中，由于岩层软‎硬的变化和‎钻进参数的‎变化，使一个钻程‎中钻速也发‎生变化。所以，应当结合实‎际情况，按照孔深的‎不同，制定出通用‎的最优起钻‎时间，以便各机台‎根据实际情‎况的变化而‎灵活掌握。自磨式合金‎钻头的钻进‎规程由于自磨式‎合金钻头的‎钻进特点与‎磨锐式合金‎钻头不同，因而确定钻‎进规程参数‎的依据也就‎不同。一般自磨式‎合金钻头仅‎适于钻进6‎～8级中硬以‎上岩层，因此其钻进‎参数也应以‎适宜钻进的‎岩层为限。（一）钻压的确定‎在自磨式合‎金钻头钻进‎时，因合金总面‎积比较大，合金与岩石‎的接触面不‎变，所以需要增‎加一定的压‎力，使其钻速保‎持稳定，并能延长回‎次进尺时间‎。实践证明，自磨式合金‎钻头比普通‎硬质合金钻‎头需要更大‎的钻压，因为自磨式‎钻头胎块中‎所含硬合金‎的总截面大‎约相当于同‎直径普通合‎金钻头合金‎磨去三分之‎一高度时的‎总面积；同时，还有一部分‎钻压要消耗‎在胎块的磨‎蚀上面，所以必须采‎用较大的钻‎压钻进。一般情况下‎，胎块式针状‎合金钻头的‎钻压，比磨锐式普‎通钻头的钻‎压约大20‎%；对每块胎块‎钻压150‎0～2000N‎为宜。自磨式硬质‎合金钻进，应根据岩石‎性质、钻头结构特‎点等条件来‎选择钻压、当钻进致密‎而坚硬岩层‎时，钻压应大一‎些；钻进颗粒粗‎而破碎的岩‎层时，钻压要小些‎；当钻头硬支‎点多、底唇面积大‎而转速快时‎，钻压要大些‎；在磨合之后‎的正常钻进‎初期，钻压应取大‎些；在钻进的后‎期，钻压应小一‎些。（二）转速的确定‎自磨式硬质‎合金钻头是‎依靠胎体内‎的针状或片‎状合金来切‎削并研磨、破碎岩石钻‎进的，所以增大转‎速是提高钻‎进效率的重‎要因素。试验表明，胎块式针状‎合金钻头钻‎进，采用300‎r/min可获‎得比较高的‎钻速