國家課程：巖土鉆掘工程學第4章-回轉鉆進用鉆頭

1、第四章 回轉鉆進用鉆頭 一、硬質合金鉆頭及其孔底的碎巖過程 二、金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程 三、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 四、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 五、全面鉆進與鉆頭 國家精品課程 第四章 回轉鉆進用鉆頭 巖土鉆進（井）方法絕大多數(shù)是機械方式，主要有： 伴有循環(huán)沖洗介質的硬質合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭 回轉鉆進和長螺旋干式回轉鉆進； 采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉鉆進； 鋼絲繩沖擊鉆進； 振動鉆進。使用最廣泛的是回轉鉆進。沖擊回轉鉆進是在回轉的基礎上增加孔底沖擊載荷；鋼絲繩沖擊鉆進主要用于水井施工；振動鉆進、長螺旋干式回轉鉆進主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）。 10/1/20

2、22回轉鉆進選擇鉆頭的一般原則是： 在軟巖和中硬巖層中用硬質合金回轉鉆頭； 在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭； 在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭； 在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。 金剛石鉆頭主要用于59、76（75）、91 mm的小口徑； 鋼粒鉆頭主要用于91mm以上的口徑； 硬質合金和牙輪鉆頭則既可鉆進小口徑，又可鉆進大口徑水井、工程施工孔和淺井。 第四章 回轉鉆進用鉆頭 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 0、硬質合金鉆進的基本概念與特點 1、硬質合金鉆進的基本概念 利用鑲焊在鉆頭鋼體上的硬質合金切削具作為碎巖的工具，這種鉆進方法稱為硬合金鉆進。 硬合金鉆進是巖

3、土鉆掘工程中的一種主要鉆進方法，它用于軟巖層及中硬巖層的鉆進（14級軟的沉積巖、中硬的57級及部分8級巖漿巖和變質巖）。10/1/2022第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 一、鉆探用硬質合金 1、硬質合金的特性 （1）鉆探用的鎢(WC) -鈷(Co)合金,以碳化鎢粉末為骨架，鈷粉末為粘結劑，用粉末冶金方法制成。稱為YG類合金。 （2）牌號的意義：如YG8c：YG鎢-鈷系硬質合金；8鈷的百分含量為8%；c（x）粗（細）粒合金。 （3）硬質合金特性：含鈷量相對密度,硬度,耐磨性,抗彎強度,沖擊韌性；WC的顆粒硬度,耐磨性；反之WC的顆粒則抗彎強度、韌性。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔

4、底碎巖過程 2、選用硬質合金切削具的基本原則 合金切削具形狀主要有：薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等。10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 選擇切削具形狀的一般原則是： （1）片狀硬質合金：刃薄易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于級軟巖； （2）柱狀硬質合金：抗彎能力較強，壓入阻力也較小，主要適用于級中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強，利于排粉和破巖，并易于焊牢，在裂隙發(fā)育和較硬地層中應用廣泛； （3）針狀和薄片狀硬質合金：主要用于鑲焊自磨式鉆頭，在硬地層或研磨性巖石中使用。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 二、硬合金鉆進的孔底碎巖過程 硬合金鉆進的過

5、程，實際上是切削具在軸向力的作用下，壓入巖石；在回轉水平力的作用下，沿孔底切削碎巖； 在軸向力和水平力的共同作用下，孔底巖石以薄的螺旋層形式連續(xù)被破碎。Vm=60nmh1 根據所鉆巖石的不同，其破碎方式也不相同，可分為塑性巖石的碎巖和彈-塑性巖石的碎巖兩種情況。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況 1、切入巖石的過程 鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上的單位壓力必須大于或至少等于巖石的抗壓入硬度。即： PyHy F0 式中：Hy巖石的壓入硬度； F0切削具刃尖處與巖石的接觸面積。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過

6、程 塑性巖石中，切削具切入巖石如圖示（切削具未磨鈍），根據各力的平衡關系，可推導出切入深度的關系式： 式中：Py切削具上的軸載力，N； b切削具的刃寬，mm； 切削具的刃角，度； Hy巖石的壓入硬度； 摩擦力影響系數(shù)（小于1）。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 上式表明：塑性巖石的切入深度h0與軸向力Py成正比，而與切削具的刃角、刃寬b、巖石的壓入硬度Hy成反比。 雖然角越小切削具刃尖切入巖石越容易，但如果很小則切削具會很快崩裂，實際上角的最小值為4550。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 2、回轉切削過程 切削具切入巖石并回轉，在水平力Px作用下，

7、壓迫前面的巖石使發(fā)生塑性變形并不斷地向自由面滑移切削作用。在切屑的裂隙尚未發(fā)展到全面斷裂之前，下一切屑又發(fā)生滑移。因此切屑是連續(xù)、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬相同。實際上，由于振動、沖刷，巖屑將碎裂并被沖洗液帶至地表；在Py 和Px 共同作用下的切入比Py單獨作用下切入更容易，也切入的更深。 10/1/2022第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 （二）彈塑性巖石的孔底破碎過程 彈塑性巖石是硬質合金鉆頭的主要鉆進對象。理論上，切削具切入需要很大的軸向力，而在雙向力的同時作用下實際的Py力為（1/61/13）。碎巖顯著特點：以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體分三個階段： 1、切入巖石，巖石剪切破

8、碎，前移碰撞刃前巖石。 2、刃前接觸面很小，擠壓力較大，小剪切破碎。繼續(xù)前移產生若干次小剪切。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 3、當刃前接觸面較大時，前進受阻。繼續(xù)擠壓刃前巖石（部分被壓成粉狀）；同時，Px 力急劇增大，當Px 力達到極限值時，產生大的剪切破碎，然后Px力突然減小。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 切削具不斷向前推進，重復著壓碎、小剪切、大剪切的循環(huán)過程。切槽斷面近似于梯形。切槽寬度有規(guī)律地變化，B1為大剪切時的切槽寬。孔底的破碎過程沿著傾角為的螺旋面進行。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 綜上所述，用切削具破

9、碎彈-塑性巖石時，在每個剪切循環(huán)中和各個循環(huán)之間，水平力Px都是跳躍式；而在塑性巖石中，水平力Px 沒有顯著的變化，基本上是常量。 三、硬質合金切削具的磨損 1.關于切削具磨損和鉆速問題的研究 費得洛夫得出磨損曲線。反映切削具單位時間磨損量W與切削具刃端面積上比壓 關系。在分界點=0前后屬于兩種不同性質的磨損 。10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 (1) 曲線 0，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓，磨損量W不僅未，反而出現(xiàn)。即在體積破碎條件下，切削具的磨損主 要不取決于軸向壓力，而取決于巖石的硬度、切削具的材質及切削具的磨鈍面積。費得洛夫提出，在一定條件下切削具 的磨鈍面積

10、與其初始面積和鉆進時 間有關 S(t)=S0+t ； 磨損系數(shù)10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 A巖性、鉆進規(guī)程及鉆頭一定時為常量。 切削具的磨損面積與鉆進時間成正比，而機械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。設鉆進的初始鉆速為 v0=A/S02，上式可寫成：式中： k0鉆速下降的特征系數(shù)，k0=/S0。 鉆頭在t時間內總進尺為 得到 10/1/2022第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 平均鉆速是進尺H 的一元線性方程，v0 是縱坐標上的截距，k0 為直線的斜率。平均鉆速和進尺H 在鉆進很容易測得，可以用一元回歸分析的方法，在若干觀測計算值的基礎上求出 k0 和 v0 ，從而

11、利用（4-7）式來預測切削具磨損對鉆速的影響。 Hvmv0k010/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 2、硬質合金切削具在孔底磨損的實際狀況 前述理論分析的基礎是假定切削具刃部為均勻磨損，實際鉆進中，切削具出刃的內、外側磨損量是不均勻的，即： y外y內y， t外t內t 切削具底端也不是被磨損成平面，而是呈圓弧形，刃前緣和后緣磨損更厲害。 10/1/2022 第一節(jié) 硬質合金鉆進孔底碎巖過程 3、減輕切削具磨損的措施 (1) 避免切削具在表面破碎狀態(tài)下工作。尤其在高轉速、低鉆壓的條件下鉆進研磨性巖石時，切削具磨損更快。 (2) 切削具的磨損速度取決于切削具的硬度與所鉆巖石的硬度之比

12、、巖石的研磨性、裂隙性等性質，還取決于切削具在鉆頭唇面的布置。應根據巖性選用合適的硬質合金牌號和型號，采用合理的鉆頭唇面結構。 (3) 及時修磨切削具，減小初始接觸面積，以降低其磨損率。 (4) 采取等強度磨損的原則，對磨損嚴重的內外側面進行補強。 (5) 采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕切削具的磨損。 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 一、取心式硬質合金鉆頭結構要素一定數(shù)量的硬質合金切削具，按一定的形式排布在鉆頭體上，形成鉆進不同地層的鉆頭結構。硬質合金鉆頭的結構要素主要包括：切削具出刃、切削具的鑲焊角度、切削具在鉆頭體上的數(shù)目及布置方式等。1、鉆頭體硬合金切削具的支撐體，傳遞

13、軸載和扭矩，承受切削具破巖的反作用力、孔底的動載和摩擦。DZ-40無縫鋼管制成。上有外螺紋與巖心管連接，內壁有內錐，便于卡取巖心。10/1/2022第二節(jié) 硬質合金鉆頭 2、切削具出刃 （1） 內、外出刃使 鉆頭體與孔壁、巖心之間的間隙，避免摩擦孔壁和巖心，提供循環(huán)沖洗通道。出刃過大，合金抗外力的能力降低、碎巖斷面和功耗增大，鉆孔易彎曲。出刃過小，流阻增大，容易堵塞巖心、沖毀孔壁、漂浮鉆具。合理選擇出刃：一般13 mm。巖硬、孔壁穩(wěn)、鉆速低，取小值；反之取大值。遇水膨脹或大量巖粉的軟地層，加焊肋骨，增大內、外環(huán)狀空間，一般取內、外出刃36mm ，底出刃45mm 。 10/1/2022第二節(jié) 硬

14、質合金鉆頭 （2） 底出刃 作用：保證切削具能順利地切入巖石，并為沖洗液冷卻切削具和排除孔底巖粉提供通道。 底出刃大?。河汕腥肷疃群瓦^水間隙兩部分組成。 H值過大，在硬巖和裂隙性巖層中容易造成崩刃，應增加補強。一般為25 mm。 底出刃有平底式、階梯式。階梯式可 增加切削具破碎巖石的自由面，容易產 生體積破碎。 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 3、切削具的鑲焊角度 具有一定刃角的切削具以不同的前角（亦稱鑲焊角）鑲焊在鉆頭體上，形成不同的切削角，從而獲得不同的鉆進效果。 切削具在鉆頭唇面上有三種鑲焊方式：正斜鑲，直鑲，負斜鑲。 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 （1）刃角的選擇

15、： =4550，級非裂隙性巖石；=65，級巖石；=90的小切削具，用于自磨式鉆頭。（2）選擇鑲焊形式（正斜鑲、直鑲、負斜鑲）應考慮下述原則：對所鉆巖石切入和回轉阻力??；可保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力；有利于及時排除巖粉；磨損后的端面接觸面積不能過快增大，應保持一定的切削能力。上述條件很難同時滿足，設計鉆頭應根據巖性有所側重地考慮。 10/1/2022(3)三種鑲焊形式的特征分析切入深度相同時，切入所需軸向力Py和水平力Px： 正斜鑲 直鑲負斜鑲磨損體積相同時，切削刃端的磨損面積: 正斜鑲直鑲 負斜鑲三者出刃一致時，切削刃上的彎矩: 正斜鑲直鑲負斜鑲排粉條件: 正斜鑲直鑲負斜鑲通

16、常正斜鑲的鉆頭在軟巖 中具有高鉆速，而負斜鑲鉆頭適用于硬巖和非均質巖層，最常用的是直鑲。 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 4、硬質合金切削具在鉆頭體上的布置方式 切削具的排列方式有：單環(huán)排列、多環(huán)排列、密集排列等。 （1）確定切削具布置方式的原則： 能保證鉆頭在孔底工作平穩(wěn)； 多環(huán)排列時，每個切削具只破碎孔底的一部分，疊加起來完成整個唇面的切削，若各環(huán)之間能相互造成自由面，則破巖效果更佳； 盡量使每個切削具負擔的破巖量接近，避免局部磨損過甚； 切削具之間應保持一定的距離，以利于排粉； 對切削具的鑲焊和修磨方便。 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 （2）切

17、削具布置方式 單環(huán)排列：一個或二個切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡單； 多環(huán)排列：多個切削具分環(huán)覆蓋唇面，造成多的碎巖自由面； 密集排列：多個切削具集中為一組排列，前刃掏槽，后刃擴槽，相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。 10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 5、切削具在鉆頭體上的數(shù)目 鉆頭上切削具數(shù)目越多，切削點就多，單位時間完成的切削量就大，鉆速也越高，鉆頭壽命較長。但是，由于軸向載荷有限，單個切削具上的載荷不足，只能形成表面破碎；同時，切削具數(shù)目太多，使剪切體變小，孔底冷卻效果變差。 切削具數(shù)目取決于巖性、鉆頭直徑和切削具形狀。對軟巖取較少的數(shù)量，對較硬和非均質及研磨性巖石，為保證鉆頭壽命，

18、一般應取密集式排列。10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 6、鉆頭的水口和水槽 （1）作用：是沖洗液流經鉆頭、沖洗孔底并返回鉆柱外環(huán)空間的通道。保證切削具的冷卻和孔底及時排粉。（2）水口形狀：矩形、半圓形、梯形和三角形，三角弧形水口效果最好。（3）水口的數(shù)目：等于切削具的數(shù)目或組數(shù)?？偯娣e應大于或等于鉆頭外環(huán)空間（包括回水槽）的面積。 10/1/2022 二、取心式硬質合金鉆頭 取心式硬質合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。 1、磨銳式硬質合金鉆頭 鉆頭上的合金切削具磨鈍后可用砂輪修磨銳利的鉆頭。切削具一般是單斜面銳角，鉆進中，隨切削具磨損，機械鉆速逐漸下降。一般適用于研磨性小的軟及中硬巖石。 2

19、、自磨式硬質合金鉆頭 采用小斷面切削刃，磨損后，接觸面積不變，無變鈍的弱點，機械鉆速基本平穩(wěn)。 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 10/1/2022第二節(jié) 硬質合金鉆頭 3、典型鉆頭結構舉例 （1）螺旋肋骨鉆頭外焊三塊呈45螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。正斜鑲，利于切軟巖。通水截面積大，循環(huán)阻力小，使孔底比較干凈，避免重復破碎，提高鉆進效率。 適用于鉆進級（部分級）松軟巖層、粘土層、風化砂巖及鋁土頁巖等。10/1/2022 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 （2）薄片硬合金鉆頭：切削具鋒利，采用掏槽刃容易切入巖石；出刃較大，保證較大間隙沖洗巖粉；主要用于鉆進粘結性較小的軟巖。 （3）“品”字形硬合金鉆頭三顆合

20、金呈“品”字形焊成一組。中間的出刃較大掏槽，兩邊的出刃較小擴槽。 主要用于級和軟硬互層的巖石。切削具可以直鑲也可 以正斜鑲。 10/1/2022第二節(jié) 硬質合金鉆頭 （4）針狀自磨式鉆頭 把預制好的胎塊焊在鉆頭體上。胎塊內包裹針狀硬質合金。支撐體胎體硬度要合適，保證超前磨耗，以利于針狀硬質合金自磨出刃。鉆頭可用于鉆進57級中等研磨性的巖石。10/1/2022三、硬質合金鉆頭選型表 鉆頭類型 巖石可鉆性級別 巖 石螺旋肋骨鉆頭 松散可塑性巖層階梯肋骨鉆頭 頁巖， 砂頁巖薄片式鉆頭 砂頁巖 ，碳質泥巖方柱狀鉆頭 均質大理巖,灰?guī)r,軟砂巖,頁巖單雙粒鉆頭 中研磨性砂巖，灰?guī)r品字形鉆頭 灰?guī)r， 大理巖

21、，細砂巖破擴式鉆頭 砂礫巖 ，礫巖負前角階梯鉆頭 玄武巖 ，砂巖，輝長巖，灰?guī)r胎體針狀鉆頭 中研磨性片麻巖，閃長巖鋼柱針狀鉆頭 研磨性 石英砂巖，混合巖薄片式自磨鉆頭 研磨性 粉砂巖，砂頁巖 第二節(jié) 硬質合金鉆頭 10/1/2022 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程金剛石是迄今最堅硬的研磨切削材料，鉆探用金剛石約占世界工業(yè)金剛石1/5。 一、鉆探用金剛石 1、鉆探用金剛石的分類 鉆探用金剛石分為天然的、人造的兩大類。天然金剛石 “包布茲”（Bortz）制造表鑲鉆頭；天然金剛石“剛果”（Congo）孕鑲鉆頭；天然“卡邦納多”（Carbonado）“巴拉斯”（Ballas）首飾；天然“雅庫特”（）主

22、要在前蘇聯(lián)境內使用。10/1/2022第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程人造金剛石單晶人造金剛石聚晶由細小的金剛石顆粒、粘合劑燒結成較大顆粒的多晶金剛石人造金剛石復合片（PDC）由一層金剛石多晶薄層、一層較厚的硬質合金層復合而成。2. 天然金剛石的特性 金剛石為結晶體碳原子之間以共價鍵相連，結構非常穩(wěn)定。金剛石的弱點：脆性較大，遇沖擊出現(xiàn)碎裂；熱穩(wěn)定性較差，高溫下氧化并“石墨化”。金剛石工具制造過程中，須隔氧，避長時間高溫；在使用中，須避免承受沖擊載荷并及時冷卻切削刃。 10/1/2022第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 3. 與鉆探有關的金剛石物理力學性質(1) 硬度極高，研磨硬度是剛玉的150倍

23、，石英的1000倍。(2) 有極大的抗靜壓強度。天然金剛石的抗壓強度大約8600MPa，約為剛玉的倍，硬質合金的倍，鋼的9倍。用于鉆探的人造金剛石一般要求強度達2500MPa以上。(3) 極高的耐磨性是剛玉的90倍，硬質合金的40200倍，鋼的20005000倍。人造金剛石聚晶體一般與中硬碳化硅砂輪的磨耗比在1：30000以上。(4) 金剛石是熱的良導體，它散熱比硬質合金刃具快。線膨脹系數(shù)僅為硬質合金的1/41/5，鋼的1/81/10，但隨溫度升高而增長較快，這對金剛石的包鑲和鉆頭使用不利。金剛石容易受熱損傷，雖然溫度低于燃燒溫度，但金剛石的強度、耐磨性已受到嚴重影響。所以鉆進中必須充分冷卻，

24、防止發(fā)生金剛石鉆頭燒鉆事故。 10/1/2022 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 4、鉆探用金剛石的粒度和品級 （1）金剛石的粒度 國際上通用的計量單位是克拉。鉆探用金剛石常用一克拉() 多少?；蜻^篩網目數(shù)來衡量。鉆探用的金剛石粒度： 粗粒520粒/克拉； 中粒2040粒/克拉； 細粒40100粒/克拉； 粉粒100400粒/克拉。 粗、中粒多用于表鑲鉆頭和表鑲擴孔器，細、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴孔器。 10/1/2022 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 （2）金剛石的品級10/1/2022第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 二、金剛石鉆進的孔底碎巖過程 1. 表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程 把鉆

25、頭上的一粒金剛石看作在軸向壓力Py和切向力Px作用下沿巖石表面移動的切削具， 巖石破碎時力Px 克服巖石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力T上， Px = Pg +T= Pg + Py f f金剛石與巖石的摩擦系數(shù)； Py 每粒金剛石上的載荷。 10/1/2022 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程表鑲單粒金剛石在Py,Px聯(lián)合作用下，類似球體壓入巖石(彈脆性巖石)產生大小剪切體，切槽寬度金剛石顆粒直徑。金剛石被磨鈍時，在Py,Px作用下巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋，巖石的致密結構被改變?？椎啄骋稽c經多次重復加載產生破碎，具有疲勞破碎的性質。 10/1/2022第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 2. 孕鑲金剛石

26、鉆頭的孔底碎巖過程 孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程不同于表鑲鉆頭。金剛石顆粒小埋藏于胎體之中，孕鑲鉆頭必須在鉆進規(guī)程中保持自磨出刃的性能（“自銳”），才能維持鉆速恒定而不衰減。其碎巖機理類似于砂輪磨削工件。以唇面上多而小的硬質點（金剛石）對加工件（孔底巖石）進行刻劃、磨削，隨著硬質點的逐漸磨損和消失及粘結胎體的不斷磨耗，新的硬質點又裸露出來參加工作。唇面金剛石出露較好時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。10/1/2022 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程如果胎體性能與所鉆巖石不適應或沒有保證足夠的鉆壓，胎體不能超前磨耗并讓喪失破巖能力的金剛石顆粒自行脫落，則孔底過程中表現(xiàn)為鉆頭“打滑”，鉆速迅速下

27、降。微動載碎巖 有學者認為，無論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過程中，孔底還存在著微動載的碎巖過程。鉆壓、鉆柱彈性變形、回轉振動和泵壓脈動對孔底巖石的破碎起到了積極的促進作用。 10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 根據碎巖特點，可分為表鑲金剛石鉆頭、孕鑲金剛 石鉆頭和聚晶燒結體(包括復合片)金剛石鉆頭。10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 一、表鑲金剛石鉆頭 1. 金剛石的粒度和選擇 表鑲金剛石鉆頭大都選用天然金剛石，常用的粒度為1560粒/克拉。表鑲鉆頭用的金剛石粒度粒度粗粒中粒細粒粒/克拉152525404060巖層中硬硬堅硬

28、10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 2. 金剛石在唇面的排列 鉆進過程中，鉆頭外側的規(guī)徑刃和內邊棱部的金剛石負擔最重，其次為底刃，再次為側刃。制造鉆頭時須選擇優(yōu)質金剛石作規(guī)徑刃和內邊刃，用回收的金剛石作側刃，以求均衡磨損。金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射排列，螺旋排列和等距離排列等。 金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)分列，并在徑向有一定的重疊度，以保證鉆進中不會在孔底形成“巖脊”。 10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 3. 鉆頭的唇面斷面形狀(1) 圓弧形唇面：較好保護內外徑，用于中硬和硬巖層；(2) 半圓形唇面：可布置較多金剛石，緩解規(guī)徑刃過分磨損，適用于堅硬和

29、軟硬互層的研磨性巖層；(3) 多階梯形唇面：用于厚壁鉆頭(繩索取心) 用于中硬和硬巖，有利于破巖和導向；(4) 內錐形唇面：用于強研磨性和破碎巖層及內邊刃過早磨損的巖層，也可鉆礫巖用于厚壁鉆頭； 10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器(5) 外錐形唇面:用于較軟和易碎地層，雙管和繩索取心鉆頭。 4. 鉆頭的水口與水槽 鉆頭的水路直接影響著孔底沖洗及鉆進效果。表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙，水口和水槽的數(shù)目不能太多，可強制沖洗，有效地冷卻唇面金剛石和及時排除孔底巖粉。10/1/2022二、孕鑲金剛石鉆頭 我國鉆探生產主要用孕鑲鉆頭，比表鑲鉆頭優(yōu)越性：對于金剛石品級的要求低于表鑲鉆

30、頭；抗沖擊載荷能力較好，如果唇面金剛石發(fā)生剪崩對鉆進效果的影響小，對違反操作規(guī)程的敏感程度也小。不必用手工擺放金剛石顆粒，工業(yè)制造過程更簡單。孕鑲鉆頭用的金剛石 孕鑲鉆頭使用的天然和人造金剛石粒度取決于所鉆巖性。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器粒度(目)人造464660608080100天然2030304040606080巖層中硬硬硬堅硬10/1/20222. 金剛石在胎體中的含量 濃度表示金剛石在胎體中的含量，是影響孕鑲鉆頭性能的重要參數(shù)。濃度沿用砂輪制造業(yè)的“400%濃度制”，當金剛石的體積占胎體工作層體積1/4時濃度為100%，全部是金剛石濃度400%。選擇金剛石濃度的依據是所鉆巖性、金剛石

31、的品級和粒度，兼顧胎體的包鑲能力和鉆壓值的大小。巖石越堅硬致密，金剛石質量好，粒度細，濃度宜較低；唇面比壓較大時可選較高的濃度，這樣對提高胎體耐磨性也有好處。常用濃度70%120%，過高了將影響胎體的包鑲能力和鉆速。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 3. 鉆頭的胎體性能 孕鑲鉆頭鉆進時，胎體的磨損速度應適當超前于金剛石的磨損速度，使金剛石不斷出刃。如果胎體不磨損或磨損極慢，則金剛石出刃甚小，發(fā)揮不了多刃微切削作用，鉆速很低。反之，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過早的崩刃或脫粒，從而失去鉆進能力、鉆頭壽命縮短。合適的胎體耐磨性應能使唇面金剛石正常出刃，且

32、在每粒金剛石的后面形成蝌蚪狀支撐。10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器當巖石更硬時，金剛石磨損得更快，但這時產生的巖屑更薄，數(shù)量更少，因此巖屑對胎體的磨蝕作用弱于稍軟的巖石。所以在堅硬的巖石中鉆進時，必須選擇低耐磨性（硬度較?。┑奶ンw。由于測定硬度的方法簡單，雖然胎體的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍習慣用胎體的硬度來表示其耐磨性。 10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 4. 鉆頭的唇面形狀 孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀比較簡單，多為平底形，在孔內磨合一段時間后便自然形成圓弧形。堅硬、弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚，唇面做成同心環(huán)槽、鋸齒狀或階梯形，使比壓集中并在孔底形成破巖自由

33、面。孕鑲金剛石鉆頭常用聚晶保徑，可取得滿意的鉆進效果。 10/1/2022 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 5. 鉆頭的水口與水路 對孕鑲金剛石鉆頭而言，因為它的金剛石出刃非常小，故它的主水路不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而是水口。在唇面扇形塊的下面只存在漫流（或濕潤）區(qū)，用于冷卻和排粉的水流主要通過水口和水槽。孕鑲鉆頭往往設計成多水口、小水口，這樣對防止燒鉆有利。 10/1/2022第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴孔器 三、金剛石擴孔器 金剛石擴孔器安裝于鉆頭和巖心管之間，是金剛石鉆進不可缺少的組成部分。擴孔器的作用： 修擴孔壁，保證鉆孔直徑符合要求減少新鉆頭下孔的擴孔量； 保持孔內鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉

34、速下保持動平衡狀態(tài)； 四、金剛石鉆頭及 擴孔器制造 無壓浸漬法 熱壓法 電鑄法 10/1/2022第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 用未鑲焊切削具的鉆頭壓住自由狀態(tài)的鋼粒，并帶動它們在孔底滾動而破碎巖石的鉆進方法稱為鋼粒鉆進。曾廣泛用于級巖石，隨著金剛石鉆進普及，它在中小口徑中已逐漸被取代。但在大口徑硬巖鉆進中仍有一席之地。 一、鋼粒及鋼粒鉆進用鉆具1. 鋼粒的特性抗壓碎強度、硬度、耐磨性和屈服極限較高，可減少破巖過程中自身的消耗 ，在軸向載荷下不至于產生明顯的塑性變形，利于在孔底翻滾。為保證鋼粒在孔底容易翻滾，鋼粒的形狀：高等于直徑，2.54mm的圓柱體。鋼粒的材質：一般60號、70號高碳鋼

35、，經調質、淬火可達到較高硬度。10/1/2022 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 2.鋼粒鉆頭與鉆具鋼粒鉆頭的功能是將軸向載荷和水平回轉力傳遞給鋼粒，帶動其在孔底翻滾。鉆頭呈圓筒形 下開弧形水口，用于排除巖粉、分選鋼粒和“導砂” 。整套鉆具由鉆頭、巖心管、異徑接頭、取 粉管和鉆桿柱組成。10/1/2022 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 二、鋼粒鉆進的孔底碎巖過程 圓柱形鋼粒在鉆頭軸向和回轉力（聯(lián)系力）作用下 在孔底巖面不斷翻滾，以動壓入體積破碎方式和動疲勞破碎方式破巖。 1. 動壓入體積破碎圓柱形鋼粒在孔底每翻滾一次都會給巖石一個微動載作用。完整鋼粒的棱邊與巖石接觸類似于楔形工具動壓入破

36、巖，鋼粒與巖石的接觸面積很小，壓應力集中，周圍的巖石出現(xiàn)裂紋，繼而產生跳躍式體積破碎。由于孔 底不平，可能軸載瞬時集中在少數(shù)鋼粒上，更加強了這種動壓入體積破碎。 10/1/2022 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 2. 動疲勞破碎鋼粒在不斷翻滾中，逐漸被磨成橢球形或球形。以一定的壓力壓于巖石表面時，類 似于球形壓模動壓入巖石的情況，下部巖石存在著兩個危險極值帶，壓力邊緣存在拉伸應力，有助于產生一定深度的表面裂紋。10/1/2022 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 眾多鋼粒的重復碾 壓，裂紋加深加密，加之沖洗液的侵蝕作用，使交叉發(fā)育的裂紋以巖屑的形式被剝離下來離 開母體。這就是鋼粒鉆進的主要

37、破巖方式動疲勞破碎。若軸載越大，則造成疲勞破碎所 需要的重復次數(shù)越少，破巖效果越好。 在實際生產過程中，上述兩種破巖方式往往是同時發(fā)生的，只是新鮮的圓柱形鋼粒以第一種為主，被磨圓的鋼粒以第二種為主。由于孔底不平，經沖洗液分選后的鋼粒形狀不 一、尺寸不均、壓力不均，加之孔底環(huán)狀間隙大，這些都造成鋼粒鉆具振動加劇，這種振動 對鋼粒動壓入、動疲勞破巖是有利的 10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 0. 牙輪鉆進概述牙輪鉆進利用牙輪鉆頭在井底回轉，使牙輪在井底滾動，以沖擊和壓碎剪切方式破碎巖石的一種鉆進方法。牙輪鉆進一般不取心，廣泛用于油氣和大口徑施工鉆進，適應性廣，在級的巖石中效果最

38、好。牙輪鉆的類型：銑齒、鑲齒；有體式、無體式；單牙輪、雙牙輪和三牙輪等。生產中以三牙輪鉆頭應用最多。 10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 塑性巖石：自洗式牙輪鉆頭。硬和堅硬巖石：鑲齒式牙輪鉆頭。沖洗：中心沖洗式和圓周沖洗式。帶噴嘴的水力噴射式鉆頭更有利于提高軟巖的破巖效果。牙輪鉆頭的軸承是最容易磨損的薄弱環(huán)節(jié)。 一、牙輪鉆頭的結構由鉆頭體、牙輪爪、牙輪、軸承、水眼和儲油密封補償系統(tǒng)等組成。10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 1. 牙輪的自轉與公轉牙齒隨鉆頭一起繞鉆頭軸線順時針旋轉公轉， 速度=鉆機回轉速度。外齒公轉線速度最大。牙齒

39、繞牙輪軸逆時針旋轉自轉。牙輪自轉是破巖時牙齒與地層巖石之間相互作用的結果。 10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 由牙輪牙齒與孔底單齒、雙齒交替接觸，使鉆頭沿軸向作上下往返運動，造成靜載外的沖擊載荷。還由于孔底不平疊加了振幅較大的低頻振動。鉆頭在孔底的縱向振動，使鉆柱不斷壓縮與伸張，周期變化的彈性能通過牙齒轉化為沖擊作用破碎巖石，與靜載壓入一起形成了鉆頭對地層的沖擊、壓碎作用，這是牙輪鉆頭的主要形式。 2、鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 3.牙齒對地層的剪切作用 剪切作用主要是由于牙輪在滾動的同時還伴有牙齒對孔底的滑動

40、而產生的，產生滑動的原因在于牙輪的超頂、復錐和移軸三種結構。 3.1 超頂引起的滑動 牙輪錐頂超過鉆頭軸心的結構稱為超頂，超過的距離ob為超頂距c。 設工作時牙輪上每一點的公轉為b，自轉轉速為c。 10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 牙輪與地層接觸母線上x點，由b引起的的速度Vbx呈直線分布，oa段向前ob段向后，vbo=0。由c引起的速度vcx也呈直線分布方向向后，在b點vcb=0。速度合成后，在ob段形成向后滑動速度vsx，此時牙輪受一滑動阻力Ps，因而有滑動阻力矩Ms(-)=PsR。使牙輪的角速度c降低。在oa段由vbx和vcx合成的滑動速度vsx。近o處產生與Ms(-

41、)同向的滑動阻力矩Ms(-)，在近a處產生一個Ms(-)反向的滑動阻力矩Ms(+) 。10/1/2022第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 Ms(-)、Ms(-)及Ms(+)達到平衡，使Ms=0。于是牙輪的角速度穩(wěn)定, 不再減慢。 牙輪相對于巖石的滑動速度，呈直線與ab線交于M點，vsM=0為純滾動點，bM段向后滑動，aM段向前滑動?；瑒铀俣入S超頂距c的增大而增大。3.2 復錐引起的滑動 復錐牙輪包括主錐和副錐，主錐頂與鉆頭中心重合，而副錐錐頂?shù)难由炀€是超頂?shù)摹?0/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 復錐牙輪線速度不作直線而是折線分布，所以產生滑動。 移軸引起的滑動牙輪軸線在鉆頭水

42、平投影沿鉆頭旋轉方向平移一段距離牙輪的移軸。移軸后將產生牙輪的軸向滑動。低硬、高塑巖層，偏移大；高硬度、低 塑性巖層，偏移值小；研磨性的硬地層，偏移為零。10/1/2022第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 綜上所述：超頂和復錐引起切線方向滑動，除沖擊、壓碎方式碎巖外，還可剪掉同一齒圈相鄰牙齒破碎坑之間的巖脊；移軸的軸向滑動，可剪掉齒圈之間的巖脊，軸向滑動雖可提高破巖效率但牙齒也磨損劇烈，因此須銑齒加固。實際上，用于軟中硬地層的鉆頭一般兼有移軸、超頂和復錐；一部分用于中硬 或硬地層鉆頭有超頂和復錐；用于堅硬和強研磨性地層的牙輪鉆頭是純滾動而無滑動的（即 單錐，不超頂，也不移軸）。 10/1/20

43、22 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 4.牙輪鉆頭的自洗 牙齒鉆頭在軟地層鉆進時，牙齒間易積存巖屑產生泥包，影響鉆進效率。為此，出現(xiàn)了自潔式鉆頭。這類鉆頭各牙輪的牙齒互相嚙合，一個牙輪的牙齒間積存的巖屑由另一個牙輪的牙齒剔除。 10/1/2022 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 三、牙輪鉆頭的分類法 1. 我國三牙輪鉆頭的分類和代號 三牙輪鉆頭分為2大類8個系列，系列代號用漢語拼音表示，鉆頭型號表示方法如下： 鉆頭直徑用數(shù)字表示； 系列名稱代號用表4-10規(guī)定的字母表示 型號代號用表4-11規(guī)定的數(shù)字表示 2. IADC牙輪鉆頭分類方法及編號 （自習）10/1/2022第七節(jié) 全面鉆頭 0

44、、全面鉆頭概述全面鉆進鉆進中不采取巖心，全面破碎孔底巖石。全面鉆進所使用的鉆頭全面鉆頭。使用全面鉆頭不受回次進尺的限制，可節(jié)約大量升降鉆具和取心的輔助作業(yè)時間，因此在油氣鉆井、水井鉆探和工程施工鉆井中得到廣泛應用。全面鉆頭包括硬質合金全面鉆頭、金剛石全面鉆頭、鋼粒全面鉆頭、牙輪鉆頭和螺旋鉆頭等。硬質合金和金剛石全面鉆頭的破巖機理與取心鉆頭類似。10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 一、硬質合金全面鉆頭 1. 翼片式全面鉆頭 翼片式全面鉆頭主要包括刮刀鉆頭和翼片鉆頭。 刮刀鉆頭刀翼呈曲面形，切削具正斜鑲，刃尖角較小，多用于鉆進松軟巖層鉆進； 翼片鉆頭的翼片切削具采用直鑲，多用于鉆進軟中硬巖層。

45、一般按翼片數(shù)量命名。如三刀翼的稱為三刮刀鉆頭或三翼鉆頭，兩刀翼的常叫做魚尾鉆頭。 10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 （2）切削角：角越大，吃入深度越深，但角過大時，剪切破碎困難，鉆進阻力大。一般= 7085，軟地層角應小一些，硬地層角大一些。 （3）刃后角：=-。必須大于孔底碎巖傾角。 1.2 刀翼背部幾何形狀鉆頭工作時刀翼的受力類似于懸臂梁；背部應成拋物線形狀，即厚度隨距刃尖的距離而逐漸增厚。 1.1 刀翼的結構角 （1）刃尖角：表示刀刃的尖銳程度。越 小，切入巖石的能力越強但強度小。軟巖層810；巖石較硬1215；夾層多， 孔較深時角也適當增大。10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 1

46、.3 刀翼底部幾何形狀平底、正階梯、反階梯和反錐形平底刀翼形成的孔底只有一個裸露自由面，階梯可形成較多自由面碎巖速度較快，扭矩和功耗較小，但容易磨損成錐形，使鉆孔縮徑。反階梯鉆頭可防縮徑，但外側底刃既掏槽又保徑，蹩鉆嚴重。大慶油田根據反階梯的特點，設計了反錐形刮刀鉆頭，刀翼的底刃可設計一個或兩個斜面，使孔底形成一兩個截錐體。 10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 1. 4 提高刀翼的耐磨性為保證足夠的強度，刀翼一般用高強度合金鋼鍛制而成。刀翼表面平鋪一層YG8硬質合金塊，以增強耐磨性和防止泥漿對刀翼的沖刷。側部鑲焊YG-8硬質合金保徑。 1.5 典型翼片鉆頭舉例 （1）常用二翼、三翼鉆頭 適用

47、于級的巖層。三翼鉆頭在大口徑鉆進中應用廣泛，它的鋼體上裝有可更換噴嘴的水眼，使水流加速，提高機械鉆速。10/1/2022第七節(jié) 全面鉆頭 （2）三翼片階梯鉆頭：可鉆進級巖層。階梯翼片直焊。根據不同巖性取不同的翼片偏心距，保證中心處能剪切碎巖。 10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 （3）針狀自磨式全面鉆頭：可做成三翼、四翼或六翼。耐磨性能好，鉆速均勻。適宜在級的研磨性巖層中鉆進。 10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 2.籠式全面鉆頭單腰鉆頭和雙腰鉆頭 適用于粘土、砂層和含少量礫石的土層。 2.1 鉆頭的結構中心管、 “腰帶”、立柱、橫支桿、斜支桿、翼板和超前小鉆頭等組成。上下導正圈間距鉆頭直徑，外側面加焊合金肋骨修擴鉆孔。翼板按一定的角度焊在下導正圈的內壁上，合金切削具鑲焊在翼板上（或螺栓固定）。一般為正斜鑲，近年來，在鉆進基巖和卵礫石層時，采用一字形釬頭直立焊的形式。翼板的數(shù)量視鉆頭直徑而定。 10/1/2022 第七節(jié) 全面鉆頭 2.2 鉆頭的特點 （1）單腰帶鉆頭鉆進阻力小，鉆速比雙腰鉆頭高； （2）雙腰帶鉆頭具有良好的導正作用，超前的四翼錐形小鉆頭主要起定向作用（并保護出漿口不被阻塞），使鉆頭工作平穩(wěn)，擴孔率也小，鉆孔的垂直精度較高。 （3）鉆頭底部呈錐形、階梯狀，端部有小鉆頭超前鉆進，故孔底破巖自由面大，鉆效高。 （4）小鉆頭可對砂礫層起松動作用，少量不易破碎的卵礫石