岩土钻掘工程学-第4章教材

岩心钻探钻进方法一、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、全面钻进与钻头回转钻进用钻头

岩土钻进（井）方法绝大多数是机械方式，主要有：①

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。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）。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室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。

回转钻进用钻头

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

0、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）。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

一、钻探用硬质合金

1、硬质合金的特性（1）钻探用的钨(WC)

-钴(Co)合金,以碳化钨粉末为骨架，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。称为YG类合金。（2）牌号的意义：如YG8c：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）硬质合金特性：含钴量↑——相对密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗弯强度↑,冲击韧性↑；WC的颗粒↓——硬度↑,耐磨性↑；反之WC的颗粒↑——则抗弯强度↑、韧性↑。

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硬质合金钻进孔底碎岩过程

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

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，并易于焊牢，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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硬质合金钻进孔底碎岩过程

二、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。Vm=60nmh1

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

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≥Hy

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

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）。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

上式表明：塑性岩石的切入深度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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硬质合金钻进孔底碎岩过程

2、回转切削过程

切削具切入岩石并回转，在水平力Px作用下，压迫前面的岩石使发生塑性变形并不断地向自由面滑移——切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前，下一切屑又发生滑移。因此切屑是连续、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽相同。实际上，由于振动、冲刷，岩屑将碎裂并被冲洗液带至地表；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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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

弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，切削具切入需要很大的轴向力，而在双向力的同时作用下实际的Py力为（1/6~1/13）。碎岩显著特点：以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：

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。

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硬质合金钻进孔底碎岩过程

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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硬质合金钻进孔底碎岩过程

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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硬质合金钻进孔底碎岩过程

综上所述，用切削具破碎弹-塑性岩石时，在每个剪切循环中和各个循环之间，水平力Px都是跳跃式；而在塑性岩石中，水平力Px

没有显著的变化，基本上是常量。

三、硬质合金切削具的磨损

1.关于切削具磨损和钻速问题的研究

费得洛夫得出磨损曲线。反映切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压σ

关系。在分界点σ=σ0前后属于两种不同性质的磨损。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

(1)曲线Ⅰσ<σ0，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎状态。切削具单位磨损量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↑，磨损量W不仅未↑，反而出现↓。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。费得洛夫提出，在一定条件下切削具的磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关

S(t)=S0+θt；θ——磨损系数6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

A——岩性、钻进规程及钻头一定时为常量。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。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时间内总进尺为得到

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硬质合金钻进孔底碎岩过程

平均钻速是进尺H的一元线性方程，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，从而来预测切削具磨损对钻速的影响。

Hvmv0k06/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

2、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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第一节

硬质合金钻进孔底碎岩过程

3、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，以降低其磨损率。

(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。

(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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

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。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。1、钻头体硬合金切削具的支撑体，传递轴载和扭矩，承受切削具破岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。DZ-40无缝钢管制成。上有外螺纹与岩心管连接，内壁有内锥，便于卡取岩心。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

2、切削具出刃

（1）

内、外出刃——使钻头体与孔壁、岩心之间的间隙，避免摩擦孔壁和岩心，提供循环冲洗通道。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。合理选择出刃：一般1~3mm。岩硬、孔壁稳、钻速低，取小值；反之取大值。遇水膨胀或大量岩粉的软地层，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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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，应增加补强。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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

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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硬质合金钻头

（1）刃角β的选择：

β=45°~50°，Ⅰ～Ⅳ级非裂隙性岩石；β=65°，Ⅴ～Ⅶ级岩石；β=90°的小切削具，用于自磨式钻头。（2）选择镶焊形式（正斜镶、直镶、负斜镶）应考虑下述原则：对所钻岩石切入和回转阻力小；可保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利于及时排除岩粉；磨损后的端面接触面积不能过快增大，应保持一定的切削能力。上述条件很难同时满足，设计钻头应根据岩性有所侧重地考虑。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室(3)三种镶焊形式的特征分析切入深度相同时，切入所需轴向力Py和水平力Px：

正斜镶>直镶>负斜镶磨损体积相同时，切削刃端的磨损面积:

正斜镶>直镶>负斜镶三者出刃一致时，切削刃上的弯矩:

正斜镶>直镶>负斜镶排粉条件:

正斜镶>直镶>负斜镶通常正斜镶的钻头在软岩中具有高钻速，而负斜镶钻头适用于硬岩和非均质岩层，最常用的是直镶。第二节

硬质合金钻头

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

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；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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

（2）切削具布置方式

①

单环排列：一个或二个切削具并联覆盖唇面，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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室二、取心式硬质合金钻头

取心式硬质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可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。

第二节

硬质合金钻头

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

3、典型钻头结构举例（1）螺旋肋骨钻头外焊三块呈45°螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。正斜镶，利于切软岩。通水截面积大，循环阻力小，使孔底比较干净，避免重复破碎，提高钻进效率。适用于钻进Ⅱ~Ⅳ级（部分Ⅴ级）松软岩层、粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

（2）薄片硬合金钻头：切削具锋利，采用掏槽刃容易切入岩石；出刃较大，保证较大间隙冲洗岩粉；主要用于钻进粘结性较小的软岩。（3）“品”字形硬合金钻头三颗合金呈“品”字形焊成一组。中间的出刃较大——掏槽，两边的出刃较小——扩槽。主要用于Ⅳ~Ⅵ级和软硬互层的岩石。切削具可以直镶也可以正斜镶。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第二节

硬质合金钻头

（4）针状自磨式钻头

把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块内包裹针状硬质合金。支撑体胎体硬度要合适，保证超前磨耗，以利于针状硬质合金自磨出刃。钻头可用于钻进5~7级中等研磨性的岩石。6/17/2024中国地质大学勘查教研室三、硬质合金钻头选型表

钻头类型岩石可钻性级别岩石螺旋肋骨钻头Ⅱ~Ⅳ松散可塑性岩层阶梯肋骨钻头Ⅲ~Ⅴ页岩，砂页岩薄片式钻头

Ⅱ~Ⅳ砂页岩，碳质泥岩方柱状钻头

Ⅲ~Ⅴ均质大理岩,灰岩,软砂岩,页岩单双粒钻头

Ⅳ~Ⅵ中研磨性砂岩，灰岩品字形钻头

Ⅳ~Ⅵ灰岩，大理岩，细砂岩破扩式钻头

Ⅲ~Ⅴ砂砾岩，砾岩负前角阶梯钻头

Ⅴ~Ⅶ玄武岩，砂岩，辉长岩，灰岩胎体针状钻头

Ⅵ~Ⅷ中研磨性片麻岩，闪长岩钢柱针状钻头

Ⅵ~Ⅷ研磨性石英砂岩，混合岩薄片式自磨钻头Ⅵ~Ⅷ研磨性粉砂岩，砂页岩第二节

硬质合金钻头

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程金刚石是迄今最坚硬的研磨切削材料，钻探用金刚石约占世界工业金刚石1/5。

一、钻探用金刚石

1、钻探用金刚石的分类钻探用金刚石分为天然的、人造的两大类。天然金刚石“包布兹”（Bortz）——制造表镶钻头；天然金刚石“刚果”（Congo）——孕镶钻头；天然“卡邦纳多”（Carbonado）“巴拉斯”（Ballas）——首饰；天然“雅库特”（якут）——主要在前苏联境内使用。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程人造金刚石单晶人造金刚石聚晶——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人造金刚石复合片（PDC）——由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。2.天然金刚石的特性

金刚石为结晶体碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定。金刚石的弱点：①脆性较大，遇冲击出现碎裂；②热稳定性较差，高温下氧化并“石墨化”。金刚石工具制造过程中，须隔氧，避长时间高温；在使用中，须避免承受冲击载荷并及时冷却切削刃。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

3.与钻探有关的金刚石物理力学性质

(1)硬度极高，研磨硬度是刚玉的150倍，石英的1000倍。(2)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)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。人造金刚石聚晶体一般与中硬碳化硅砂轮的磨耗比在1：30000以上。(4)金刚石是热的良导体，它散热比硬质合金刃具快。线膨胀系数仅为硬质合金的1/4~1/5，钢的1/8~1/10，但随温度升高而增长较快，这对金刚石的包镶和钻头使用不利。金刚石容易受热损伤，虽然温度低于燃烧温度，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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

4、钻探用金刚石的粒度和品级

（1）金刚石的粒度国际上通用的计量单位是克拉。钻探用金刚石常用一克拉(0.2g)

多少粒或过筛网目数来衡量。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。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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程（2）金刚石的品级6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

二、金刚石钻进的孔底碎岩过程

1.表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

把钻头上的一粒金刚石看作在轴向压力Py和切向力Px作用下沿岩石表面移动的切削具，岩石破碎时力Px

克服岩石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力T上，

Px=Pg+T=Pg+Py

f

f——金刚石与岩石的摩擦系数；

Py

——每粒金刚石上的载荷。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程表镶单粒金刚石在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，切槽宽度＞金刚石颗粒直径。金刚石被磨钝时，在Py,Px作用下岩石中出现一些微小的裂纹，岩石的致密结构被改变。孔底某一点经多次重复加载产生破碎，具有疲劳破碎的性质。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程

2.孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程

孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程不同于表镶钻头。金刚石颗粒小埋藏于胎体之中，孕镶钻头必须在钻进规程中保持自磨出刃的性能（“自锐”），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消失及粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。唇面金刚石出露较好时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第三节

金刚石及其孔底碎岩过程如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，则孔底过程中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。微动载碎岩

有学者认为，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。钻压、钻柱弹性变形、回转振动和泵压脉动对孔底岩石的破碎起到了积极的促进作用。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

一、表镶金刚石钻头

1.金刚石的粒度和选择

表镶金刚石钻头大都选用天然金刚石，常用的粒度为15~60粒/克拉。表镶钻头用的金刚石粒度粒度粗粒中粒细粒粒/克拉15~2525~4040~60岩层中硬硬坚硬6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

2.金刚石在唇面的排列

钻进过程中，钻头外侧的规径刃和内边棱部的金刚石负担最重，其次为底刃，再次为侧刃。制造钻头时须选择优质金刚石作规径刃和内边刃，用回收的金刚石作侧刃，以求均衡磨损。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。金刚石在钻头唇面厚度方向多采用同心环分列，并在径向有一定的重叠度，以保证钻进中不会在孔底形成“岩脊”。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

3.钻头的唇面断面形状(1)圆弧形唇面：较好保护内外径，用于中硬和硬岩层；(2)半圆形唇面：可布置较多金刚石，缓解规径刃过分磨损，适用于坚硬和软硬互层的研磨性岩层；(3)多阶梯形唇面：用于厚壁钻头(绳索取心)用于中硬和硬岩，有利于破岩和导向；(4)内锥形唇面：用于强研磨性和破碎岩层及内边刃过早磨损的岩层，也可钻砾岩用于厚壁钻头；

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器(5)外锥形唇面:用于较软和易碎地层，双管和绳索取心钻头。

4.钻头的水口与水槽

钻头的水路直接影响着孔底冲洗及钻进效果。表镶钻头的主水路是唇面与孔底之间的间隙，水口和水槽的数目不能太多，可强制冲洗，有效地冷却唇面金刚石和及时排除孔底岩粉。6/17/2024中国地质大学勘查教研室二、孕镶金刚石钻头

我国钻探生产主要用孕镶钻头，比表镶钻头优越性：对于金刚石品级的要求低于表镶钻头；抗冲击载荷能力较好，如果唇面金刚石发生剪崩对钻进效果的影响小，对违反操作规程的敏感程度也小。不必用手工摆放金刚石颗粒，工业制造过程更简单。孕镶钻头用的金刚石孕镶钻头使用的天然和人造金刚石粒度取决于所钻岩性。第四节金刚石钻头和扩孔器粒度(目)人造＞4646~6060~8080~100天然20~3030~4040~6060~80岩层中硬—硬硬—坚硬6/17/2024中国地质大学勘查教研室2.金刚石在胎体中的含量

浓度表示金刚石在胎体中的含量，是影响孕镶钻头性能的重要参数。浓度沿用砂轮制造业的“400%浓度制”，当金刚石的体积占胎体工作层体积1/4时浓度为100%，全部是金刚石浓度400%。选择金刚石浓度的依据是所钻岩性、金刚石的品级和粒度，兼顾胎体的包镶能力和钻压值的大小。岩石越坚硬致密，金刚石质量好，粒度细，浓度宜较低；唇面比压较大时可选较高的浓度，这样对提高胎体耐磨性也有好处。常用浓度70%~120%，过高了将影响胎体的包镶能力和钻速。第四节金刚石钻头和扩孔器6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

3.钻头的胎体性能

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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器当岩石更硬时，金刚石磨损得更快，但这时产生的岩屑更薄，数量更少，因此岩屑对胎体的磨蚀作用弱于稍软的岩石。所以在坚硬的岩石中钻进时，必须选择低耐磨性（硬度较小）的胎体。由于测定硬度的方法简单，虽然胎体的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍习惯用胎体的硬度来表示其耐磨性。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

4.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。坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形，使比压集中并在孔底形成破岩自由面。孕镶金刚石钻头常用聚晶保径，可取得满意的钻进效果。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器

5.钻头的水口与水路

对孕镶金刚石钻头而言，因为它的金刚石出刃非常小，故它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙，而是水口。在唇面扇形块的下面只存在漫流（或湿润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第四节金刚石钻头和扩孔器三、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。扩孔器的作用：

修扩孔壁，保证钻孔直径符合要求减少新钻头下孔的扩孔量；保持孔内钻具的稳定性，使钻具在高转速下保持动平衡状态；四、金刚石钻头及扩孔器制造

无压浸渍法

热压法

电铸法

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

用未镶焊切削具的钻头压住自由状态的钢粒，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。曾广泛用于Ⅶ~Ⅻ级岩石，随着金刚石钻进普及，它在中小口径中已逐渐被取代。但在大口径硬岩钻进中仍有一席之地。

一、钢粒及钢粒钻进用钻具1.钢粒的特性抗压碎强度、硬度、耐磨性和屈服极限较高，可减少破岩过程中自身的消耗，在轴向载荷下不至于产生明显的塑性变形，利于在孔底翻滚。为保证钢粒在孔底容易翻滚，钢粒的形状：高等于直径，2.5~4mm的圆柱体。钢粒的材质：一般60号、70号高碳钢，经调质、淬火可达到较高硬度。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

2.钢粒钻头与钻具钢粒钻头的功能是将轴向载荷和水平回转力传递给钢粒，带动其在孔底翻滚。钻头呈圆筒形

下开弧形水口，用于排除岩粉、分选钢粒和“导砂”。整套钻具由钻头、岩心管、异径接头、取

粉管和钻杆柱组成。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

二、钢粒钻进的孔底碎岩过程

圆柱形钢粒在钻头轴向和回转力（联系力）作用下

在孔底岩面不断翻滚，以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎方式破岩。

1.动压入体积破碎圆柱形钢粒在孔底每翻滚一次都会给岩石一个微动载作用。完整钢粒的棱边与岩石接触类似于楔形工具动压入破岩，钢粒与岩石的接触面积很小，压应力集中，周围的岩石出现裂纹，继而产生跳跃式体积破碎。由于孔

底不平，可能轴载瞬时集中在少数钢粒上，更加强了这种动压入体积破碎。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

2.动疲劳破碎钢粒在不断翻滚中，逐渐被磨成椭球形或球形。以一定的压力压于岩石表面时，类

似于球形压模动压入岩石的情况，下部岩石存在着两个危险极值带，压力边缘存在拉伸应力，有助于产生一定深度的表面裂纹。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第五节

钢粒钻头及其孔底碎岩过程

众多钢粒的重复碾

压，裂纹加深加密，加之冲洗液的侵蚀作用，使交叉发育的裂纹以岩屑的形式被剥离下来离

开母体。这就是钢粒钻进的主要破岩方式——动疲劳破碎。若轴载越大，则造成疲劳破碎所

需要的重复次数越少，破岩效果越好。

在实际生产过程中，上述两种破岩方式往往是同时发生的，只是新鲜的圆柱形钢粒以第一种为主，被磨圆的钢粒以第二种为主。由于孔底不平，经冲洗液分选后的钢粒形状不

一、尺寸不均、压力不均，加之孔底环状间隙大，这些都造成钢粒钻具振动加剧，这种振动

对钢粒动压入、动疲劳破岩是有利的

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

0.牙轮钻进概述牙轮钻进——利用牙轮钻头在井底回转，使牙轮在井底滚动，以冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。牙轮钻进一般不取心，广泛用于油气和大口径施工钻进，适应性广，在Ⅵ～Ⅹ级的岩石中效果最好。牙轮钻的类型：铣齿、镶齿；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。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

塑性岩石：自洗式牙轮钻头。硬和坚硬岩石：镶齿式牙轮钻头。冲洗：中心冲洗式和圆周冲洗式。带喷嘴的水力喷射式钻头更有利于提高软岩的破岩效果。牙轮钻头的轴承是最容易磨损的薄弱环节。

一、牙轮钻头的结构由钻头体、牙轮爪、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等组成。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

二、牙轮钻头的孔底碎岩过程

1.牙轮的自转与公转牙齿随钻头一起绕钻头轴线顺时针旋转——公转，

速度=钻机回转速度。外齿公转线速度最大。牙齿绕牙轮轴逆时针旋转——自转。牙轮自转是破岩时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

由牙轮牙齿与孔底单齿、双齿交替接触，使钻头沿轴向作上下往返运动，造成静载外的冲击载荷。还由于孔底不平叠加了振幅较大的低频振动。钻头在孔底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，周期变化的弹性能通过牙齿转化为冲击作用破碎岩石，与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用，这是牙轮钻头的主要形式。

2、钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

3.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。

3.1超顶引起的滑动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。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

牙轮与地层接触母线上x点，由ωb引起的的速度Vbx呈直线分布，oa段向前ob段向后，vbo=0。由ωc引起的速度vcx也呈直线分布方向向后，在b点vcb=0。速度合成后，在ob段形成向后滑动速度vsx，此时牙轮受一滑动阻力Ps，因而有滑动阻力矩Ms(-)=PsR。使牙轮的角速度ωc降低。在oa段由vbx和vcx合成的滑动速度vsx。近o处产生与Ms(-)同向的滑动阻力矩M’s(-)，在近a处产生一个Ms(-)反向的滑动阻力矩Ms(+)。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

Ms(-)、M’s(-)及Ms(+)达到平衡，使ΣMs=0。于是牙轮的角速度稳定,不再减慢。牙轮相对于岩石的滑动速度，呈直线与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。3.2复锥引起的滑动

复锥牙轮包括主锥和副锥，主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

复锥牙轮线速度不作直线而是折线分布，所以产生滑动。

3.3移轴引起的滑动牙轮轴线在钻头水平投影沿钻头旋转方向平移一段距离——牙轮的移轴。移轴后将产生牙轮的轴向滑动。低硬、高塑岩层，偏移大；高硬度、低塑性岩层，偏移值小；研磨性的硬地层，偏移为零。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

综上所述：超顶和复锥引起切线方向滑动，除冲击、压碎方式碎岩外，还可剪掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴的轴向滑动，可剪掉齿圈之间的岩脊，轴向滑动虽可提高破岩效率但牙齿也磨损剧烈，因此须铣齿加固。实际上，用于软—中硬地层的钻头一般兼有移轴、超顶和复锥；一部分用于中硬

或硬地层钻头有超顶和复锥；用于坚硬和强研磨性地层的牙轮钻头是纯滚动而无滑动的（即

单锥，不超顶，也不移轴）。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

4.牙轮钻头的自洗

牙齿钻头在软地层钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效率。为此，出现了自洁式钻头。这类钻头各牙轮的牙齿互相啮合，一个牙轮的牙齿间积存的岩屑由另一个牙轮的牙齿剔除。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第六节

牙轮钻头及其孔底碎岩过程

三、牙轮钻头的分类法

1.我国三牙轮钻头的分类和代号

三牙轮钻头分为2大类8个系列，系列代号用汉语拼音表示，钻头型号表示方法如下：□——钻头直径用数字表示；□——系列名称代号用表4-10规定的字母表示□——型号代号用表4-11规定的数字表示

2.IADC牙轮钻头分类方法及编号（自习）6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

0、全面钻头概述全面钻进——钻进中不采取岩心，全面破碎孔底岩石。全面钻进所使用的钻头——全面钻头。使用全面钻头不受回次进尺的限制，可节约大量升降钻具和取心的辅助作业时间，因此在油气钻井、水井钻探和工程施工钻井中得到广泛应用。全面钻头包括硬质合金全面钻头、金刚石全面钻头、钢粒全面钻头、牙轮钻头和螺旋钻头等。硬质合金和金刚石全面钻头的破岩机理与取心钻头类似。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

一、硬质合金全面钻头

1.翼片式全面钻头

翼片式全面钻头主要包括刮刀钻头和翼片钻头。

刮刀钻头刀翼呈曲面形，切削具正斜镶，刃尖角较小，多用于钻进松软岩层钻进；

翼片钻头的翼片切削具采用直镶，多用于钻进软~中硬岩层。

一般按翼片数量命名。如三刀翼的称为三刮刀钻头或三翼钻头，两刀翼的常叫做鱼尾钻头。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

（2）切削角α：α角越大，吃入深度越深，但α角过大时，剪切破碎困难，钻进阻力大。一般α=70~85°，软地层α角应小一些，硬地层α角大一些。（3）刃后角ψ：ψ=α-β。必须大于孔底碎岩倾角。

1.2刀翼背部几何形状钻头工作时刀翼的受力类似于悬臂梁；背部应成抛物线形状，即厚度随距刃尖的距离而逐渐增厚。

1.1刀翼的结构角（1）刃尖角β：表示刀刃的尖锐程度。β越小，切入岩石的能力越强但强度小。软岩层——8~10°；岩石较硬——12~15°；夹层多，孔较深时β角也适当增大。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

1.3刀翼底部几何形状——平底、正阶梯、反阶梯和反锥形平底刀翼形成的孔底只有一个裸露自由面，阶梯可形成较多自由面碎岩速度较快，扭矩和功耗较小，但容易磨损成锥形，使钻孔缩径。反阶梯钻头可防缩径，但外侧底刃既掏槽又保径，蹩钻严重。大庆油田根据反阶梯的特点，设计了反锥形刮刀钻头，刀翼的底刃可设计一个或两个斜面，使孔底形成一两个截锥体。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

1.4

提高刀翼的耐磨性为保证足够的强度，刀翼一般用高强度合金钢锻制而成。刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，以增强耐磨性和防止泥浆对刀翼的冲刷。侧部镶焊YG-8硬质合金保径。

1.5

典型翼片钻头举例

（1）常用二翼、三翼钻头

适用于Ⅰ～Ⅳ级的岩层。三翼钻头在大口径钻进中应用广泛，它的钢体上装有可更换喷嘴的水眼，使水流加速，提高机械钻速。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

（2）三翼片阶梯钻头：可钻进Ⅲ～Ⅴ级岩层。阶梯翼片直焊。根据不同岩性取不同的翼片偏心距，保证中心处能剪切碎岩。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

（3）针状自磨式全面钻头：可做成三翼、四翼或六翼。耐磨性能好，钻速均匀。适宜在Ⅴ～Ⅶ级的研磨性岩层中钻进。

6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

2.笼式全面钻头——单腰钻头和双腰钻头

适用于粘土、砂层和含少量砾石的土层。

2.1钻头的结构中心管、“腰带”、立柱、横支杆、斜支杆、翼板和超前小钻头等组成。上下导正圈间距≮钻头直径，外侧面加焊合金肋骨修扩钻孔。翼板按一定的角度焊在下导正圈的内壁上，合金切削具镶焊在翼板上（或螺栓固定）。一般为正斜镶，近年来，在钻进基岩和卵砾石层时，采用一字形钎头直立焊的形式。翼板的数量视钻头直径而定。6/17/2024中国地质大学勘查教研室第七节

全面钻头

2.2钻头的特点（1）单腰带钻头钻进阻力小，钻速比双腰钻头高；（2）双腰带钻头具有良好的导正作用，超前的四翼锥形小钻头主要起定向作用（并保护出浆口不被阻塞），使钻头工作平稳，扩孔率也小，钻孔的垂直精度较高。（3）钻头底部呈锥形、阶梯状，端部有小钻头超前钻进，故孔底破岩自由面大，钻效高。