金剛石鉆進培訓(xùn)課件

金剛石鉆進培訓(xùn)課件概述金剛石(diamond)是現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的硬度最大的礦物。金剛石的主要特性：金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，元素為C，硬度最大、抗壓強度最大、抗磨能力最強。脆性大，熱穩(wěn)定性差。一、分類(Classification)金剛石按成因可分為天然(Naturaldiamond)和人造(Syntheticdiamond)的兩大類。天然金剛石按品種、用途不同分為9個等級。地質(zhì)鉆探(diamondfordrilling)、建筑工具所用金剛石列為第9級。人造金剛石分單晶(Monocrystallinediamond)、聚晶(Polycrystallinediamond)和復(fù)合片Polycry-stallinediamondcompact)三種。(也有分兩種的)二、與鉆探有關(guān)的物理性質(zhì)1、硬度(Hardness)金剛石的莫氏硬度是10級，金剛石的壓痕硬度大約是碳化鎢的3.7倍、剛玉的4.4倍、石英的8.5倍、碳化硼的3.1倍、立方氮化硼的1.56倍。2、強度(Strength)金剛石具有極大的靜抗壓強度。天然金剛石的抗壓強度為8.8GPa，但抗沖擊強度、抗彎強度小、脆性大，受沖擊易產(chǎn)生裂紋甚至破碎－所以在鉆進時要避免沖擊、碰撞。3、耐磨性(Wearresistance)金剛石的硬度高、彈性模量大、摩擦系數(shù)小，故具有極高的耐磨性和研磨能力。4、熱性能(Thermalproperties)熱穩(wěn)定性：指在高溫下性能的穩(wěn)定程度。金剛石在低溫時的熱膨脹系數(shù)僅為(9~14.5)*10-7；熱穩(wěn)定性差；具有良好的導(dǎo)熱性，容易吸熱和散熱；溫度對其影響較大：溫度升高，強度降低。5、化學(xué)性質(zhì)常溫下金剛石不與酸反應(yīng)，與堿起緩慢反應(yīng)，具有十分好的化學(xué)穩(wěn)定性；在沸騰溫度下，硝酸、氫氟酸、王水對金剛石的質(zhì)量有影響；金剛石能溶于硝酸鈉、硝酸鉀及碳酸鈉的熔融體中；在高溫下，某些金屬如鐵、鎳等能溶解金剛石。三、鉆探用金剛石的粒度與品級金剛石的計量單位為克拉（carat），度量常用一克拉多少粒表示（對于粗顆粒而言），或“目”表示。四、金剛石鉆頭和擴孔器的制造方法1、金剛石鉆頭的分類據(jù)鑲嵌型式分為表鑲；孕鑲。據(jù)制造工藝分為冷壓浸漬；熱壓燒結(jié)；無壓浸漬；低溫電鍍；電火花燒結(jié)。2、制造：為保證鉆進時孔徑不致因鉆頭磨損而縮小，應(yīng)在金剛石鉆頭的上部安置一個金剛石擴孔器。擴孔器制造方法與鉆頭制造方法相同五、金剛石鉆進的特點是目前效率較高的一種鉆進方法，是加快地質(zhì)勘探速度，提高鉆孔質(zhì)量的一個有效途徑。具有很多的優(yōu)越性：①鉆進效率高，在巖石愈硬的地層，鉆進效率提高的幅度愈大；②鉆孔質(zhì)量好，巖心采取率比較高，巖心完整、光滑；③孔內(nèi)事故少，應(yīng)用范圍廣第二節(jié)金剛石鉆頭破碎巖石機理金剛石鉆頭破巖過程中存在研磨、切削、壓碎、壓裂等破巖形式，對不同巖石類型應(yīng)采用不同的鉆頭類型和規(guī)程參數(shù)，各種破巖形式所占的地位也不同。一、表鑲金剛石鉆頭－單粒出刃較大似球體。破碎堅硬脆性巖石時，破碎方式以壓裂、壓碎加體積剪切為主，切削破碎方式是次要的；破碎塑性大的硬及中硬巖石時，主要以切削方式破碎巖石為主、壓裂壓碎為輔。表鑲金剛石切削碎巖的基本過程：在軸向力和切向力共同作用下，金剛石一方面吃入巖石，產(chǎn)生類似壓入碎巖的作用，同時在金剛石轉(zhuǎn)動的前方，則以剪切作用產(chǎn)生貝殼狀剪切體，且在靠金剛石一側(cè)的厚度最大。金剛石切削破碎巖石時所產(chǎn)生的大、小剪切體如上圖。用金剛石切削典型的脆性體—光學(xué)玻璃時，其剪切破碎作用發(fā)育得十分完全，同時在切槽內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的裂紋，并有超前裂紋。其裂紋狀況與大、小剪切相互對應(yīng)。隨著巖石塑性系數(shù)的增大，其剪切破碎效果較差。在鉆進過程中能量的消耗既體現(xiàn)著巖石破碎的難易程度，又表示選用工具和工藝的優(yōu)劣程度。圖中：切削塑性大的流紋巖所消耗的能量大大地高于光學(xué)玻璃和霏細斑巖。二、孕鑲鉆頭所用的金剛石的粒度小，而且藏于胎體之中，其實際破巖機理和砂輪磨削類似。刃具面多而小的硬質(zhì)點—金剛石對巖石進行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。因此孕鑲鉆頭要取得應(yīng)有的效率需要高轉(zhuǎn)速工作，為了有效地磨削巖石，需要使胎體適當(dāng)?shù)乇荒ノg。孕鑲鉆頭工作實質(zhì)：1、依靠小而多的硬質(zhì)點(金剛石)刻劃磨削巖石，要高轉(zhuǎn)速工作才能取得應(yīng)用效率；2、胎體應(yīng)有自磨自銳作用。根據(jù)施加軸向力方式的不同，鉆頭的鉆進可分為：1、保持金剛石上的軸向力為一定值，稱為自由給進；2、保持金剛石的切削深度為一定值，稱為強制給進。孕鑲金剛石鉆頭鉆進是自磨自銳性質(zhì)，在保持正常鉆進的狀態(tài)下，其鉆速應(yīng)當(dāng)是一定的，即鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量應(yīng)是一定的。鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量是評定金剛石鉆頭鉆進效果的重要指標(biāo)之一第三節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器金剛石鉆頭與擴孔器是直接破巖的工具，質(zhì)量與巖層適應(yīng)程度直接影響鉆進效率、質(zhì)量和成本。一、金剛石鉆頭的技術(shù)參數(shù)影響鉆頭適應(yīng)性的主要技術(shù)參數(shù)包括胎體的端面形狀、性能，水路系統(tǒng)，金剛石的質(zhì)量、粒度、出刃量、濃度、排列等。1、鉆頭的鋼體鉆頭的鋼體用中碳鋼制成，為了加強鋼體同胎體的粘結(jié)強度，鋼體下端加工成棱嵌式、階梯式、方形或螺紋形等。鋼體主要分為單管和雙管：2、胎體的唇面形狀孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀多為平底唇面，鉆進過程中會自然形成圓弧形。因鉆頭壁較厚或鉆進堅硬而弱研磨性巖層時,鉆頭容易打滑，往往把唇面制成同心環(huán)或交錯環(huán)的鋸齒狀。為了克服在鉆進堅硬巖層時鉆頭內(nèi)、外環(huán)磨耗不均，將鉆頭制成梯形唇面。表鑲金剛石鉆頭的唇面形狀有多種，隨巖石的性質(zhì)、鉆頭壁厚、工作穩(wěn)定性和要求不同來選用。3、鉆頭的水口和水路①鉆頭的水路包括鉆頭的水口和水槽。常用的幾種水品及水槽形狀:直水口;正螺旋水口;反螺旋水口;底噴水口.②鉆頭的水路要保證鉆頭破巖面上的熱量及時被沖洗液帶走，有效地冷卻鉆頭和金剛石；③大部分沖洗液經(jīng)鉆頭內(nèi)壁水槽均勻分布到整個鉆頭端面；④水口的形式有直水口、正螺旋水口、反螺旋水口及底噴水口等。4、金剛石在唇面上的排列①金剛石在唇面上的排列和分布是表鑲鉆頭的一個重要結(jié)構(gòu)參量；金剛石面上的三種排列方式:放射狀;螺旋狀;等距狀.②鉆進過程中，邊刃負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)刃；③優(yōu)質(zhì)金剛石用于邊部，品級較高的用于底部，品級較低及回收金剛石用于側(cè)部。④充滿度：單位面積內(nèi)擺放金剛石的數(shù)目。充滿度過小，金剛石工作面過小，相對單粒金剛石負(fù)擔(dān)過大，鉆頭壽命短；充滿度過大，鉆頭成本高，且影響孔底沖洗。⑤金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射狀、螺旋狀和等間距狀。⑥金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)狀排列，并在徑向必須有一定的重疊度，減少鉆頭部位拉槽的可能性。5、金剛石的粒度①金剛石的粒度決定了金剛石在鉆頭唇面的出刃高度、分布密度、切入巖石的深度、金剛石與巖石的接觸面積和孕鑲鉆頭的自銳能力等，對鉆進指標(biāo)有明顯影響。②巖層越硬、越致密，越應(yīng)選小粒度的金剛石鉆頭。6、金剛石的含量金剛石的含量取決于鉆頭直徑和巖石性質(zhì)：鉆頭直徑大，克取巖石面積大，所需金剛石的數(shù)量多；同一直徑的鉆頭，巖層研磨性強，金剛石磨耗快，金剛石的數(shù)量也應(yīng)增加.金剛石濃度：是胎體工作層單位體積中所含的金剛石量（體積濃度）。對孕鑲鉆頭金剛石含量還與金剛石的濃度有關(guān)：確定胎體的金剛石濃度時，應(yīng)考慮巖石性質(zhì)和金剛石的質(zhì)量、粒度，巖層愈堅硬、致密，金剛石的濃度應(yīng)降低，金剛石質(zhì)量好、粒度細、濃度取低值，反之，取高值。7、胎體的性能①胎體成分主要由骨架材料和粘結(jié)金屬組成，改變骨架材料和粘結(jié)金屬的配方就能改變胎體的硬度和耐磨性；②對于表鑲鉆頭，胎體的作用主要是牢固包鑲金剛石并與鉆頭體牢固焊接；③對于孕鑲鉆頭，胎體的作用除了牢固包鑲金剛石與鋼體牢固焊接外，還要保證金剛石在鉆進過程中有自銳作用；④胎體硬度和耐磨性應(yīng)與所鉆進的巖層相適應(yīng)；⑤胎體的磨耗略超前于金剛石磨耗，使得金剛石在旋轉(zhuǎn)方向的背后形成蝌蚪狀的胎體支撐，用手觸摸時有粗糙感。8、保徑層①表鑲鉆頭因有內(nèi)外側(cè)刃，無需保徑；②孕鑲鉆頭通常采用人造聚晶金剛石、針狀合金或質(zhì)量差的天然金剛石進行保徑補強，提高內(nèi)外徑的耐磨性二、金剛石擴孔器金剛石鉆頭一般要配用擴孔器。擴孔器位于鉆頭和巖心管之間，直徑略大于鉆頭直徑：一般大0.5mm。擴孔器的作用：（1)修整孔壁，保持鉆孔直徑均勻，避免或減少新鉆頭掃孔；(2)增加鉆具的穩(wěn)定性，減少擺動現(xiàn)象，提高鉆頭的壽命。三、金剛石鉆頭的制造1、無壓浸漬法－主要用于制造表鑲鉆頭。先將金剛石按設(shè)計要求擺放入石墨模具上預(yù)先準(zhǔn)備的坑內(nèi)，再把骨架金屬放入模槽，并安放鉆頭鋼體。裝模后輕輕敲擊模壁，使骨架粉末密實。最后把粘結(jié)合金碎片放于模心之內(nèi)，上面撒上助熔劑和保溫砂，即可放入馬弗爐中加熱燒結(jié)。當(dāng)溫度達到1100度時，粘結(jié)金屬熔化，很快滲入骨架金屬之中，形成有硬質(zhì)點的胎體，把金剛石與鉆頭鋼體粘結(jié)在一起。也可制造擴孔器。2、熱壓法－主要制造孕鑲鉆頭。先將胎體的骨架金屬粉末和粘結(jié)金屬粉末按設(shè)計比例混合，并在胎體工作層混入一定濃度的金剛石，裝入石墨模具內(nèi)。在電阻熱壓爐上燒結(jié)，邊加溫邊加壓，按照設(shè)計的燒結(jié)工藝流程（一般全壓10－15MPa，最高溫度1000度左右）即可制成孕鑲金剛石鉆頭。3、電鑄法－主要制造孕鑲鉆頭。原理：在電鍍槽內(nèi)將鎳、鈷一類金屬沉積到鉆頭體上，同時分層分次把金剛石微粒撒到電鍍面上，利用沉積的金屬把金剛石孕鑲在胎體中。也可制造擴孔器。優(yōu)點：在制造中金剛石不接觸高溫。第四節(jié)金剛石鉆進規(guī)程鉆進規(guī)程包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量3個參量。表鑲和孕鑲金剛石鉆頭的特點和碎巖機理，決定它們必須采用以高轉(zhuǎn)速為主體的鉆進規(guī)程。特別是孕鑲鉆頭，由于粒度小，切入量有限，要獲得較高的鉆進速度必須依靠高轉(zhuǎn)速。同時，考慮到金剛石性質(zhì)較脆和不耐高溫等弱點，必須配合適當(dāng)?shù)你@壓和足夠的沖洗液量。評定金剛石鉆進規(guī)程是否合理，要綜合鉆速、鉆頭的總進尺和單位進尺金剛石的耗量3個方面的指標(biāo)來衡量。一、鉆壓鉆壓對鉆速和金剛石鉆頭磨損的影響分為三個區(qū)域：（I）表面研磨破碎（II）疲勞破碎區(qū)（III）鉆壓切入巖石的體積破碎區(qū)鉆壓的計算公式：（1）表鑲金剛石鉆頭的鉆壓：P=G?p。式中Ｇ——鉆頭上金剛石的粒數(shù)，粒；p——單粒金剛石上允許的壓力，kgf/粒。對細粒金剛石：p∽１～１.５kgf/粒；對中粒金剛石：p∽1.5～２kgf/粒；對粗粒金剛石：p∽２～３kgf/粒。2、孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓ＷＷ＝Ｆ?q式中：Ｆ－鉆頭實際工作唇面面積，cm2；q－單位底唇面積允許的壓力，kgf/cm2對中硬巖石：q∽40～50kgf/cm2；對堅硬巖或金剛石質(zhì)量高的鉆頭：q∽60～70kgf/cm23、不同金剛石鉆頭的鉆壓推薦值實際影響鉆壓的因素很多，在生產(chǎn)中鉆壓的確定必須依具體情況分別對待：（１）巖石的性質(zhì)：在破碎、非均質(zhì)巖石中鉆進，應(yīng)視裂隙密度適當(dāng)減小鉆壓，一般降低25%～40%，在研磨性巖層中鉆進應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，幅度為20%～30%。（２）鉆頭的類型和技術(shù)參數(shù)表鑲鉆頭的鉆壓要適當(dāng)稍大于孕鑲鉆頭的鉆壓。鉆頭口徑大、壁厚、胎體較軟時，應(yīng)采用較大的鉆壓；反之應(yīng)采用較小鉆壓。鉆頭上的金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時，應(yīng)選用較大的鉆壓；反之，應(yīng)選用較小的鉆壓。（３）鉆頭的初磨新鉆頭在使用時先進行初磨，即采用較小鉆壓和轉(zhuǎn)速；正常鉆進時不要輕易改變鉆壓；鉆頭磨鈍時，轉(zhuǎn)速下降，可適當(dāng)增加壓力；切忌盲目加壓，以免損壞金剛石鉆頭。二、轉(zhuǎn)速1、轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆進效率的主要因素，在通常條件下，轉(zhuǎn)速越快鉆速越高；2、轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜，若其它條件正常，二者之間存在一個合理值，即在某一轉(zhuǎn)速下，金剛石磨損量最??；3、在選擇轉(zhuǎn)速時還應(yīng)注意鉆桿轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，因為往往在某一轉(zhuǎn)速時，鉆桿便發(fā)生強烈振動，此時金剛石的單位磨耗量急劇增加；4、金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速一般根據(jù)其圓周線速度計算。5、金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速可按下式計算：n=60VR/D；式中：n－鉆頭的轉(zhuǎn)速，r/min；D－鉆頭直徑，m；VR－推薦的線速度，m/s。影響鉆頭轉(zhuǎn)速的因素很多，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整：（1）巖層的性質(zhì)：在中硬完整的巖層中鉆進，可采用高轉(zhuǎn)速；在巖層破碎、裂隙發(fā)育、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)、孔徑不均勻，應(yīng)采用較低的轉(zhuǎn)速。（2）鉆孔的結(jié)構(gòu)和深度：鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)空間隙小、孔深不大，應(yīng)盡量選用高轉(zhuǎn)速鉆進；反之，則須降低轉(zhuǎn)速。在實際鉆進中，常常隨鉆孔的延深不斷降低轉(zhuǎn)速。（3）鉆探設(shè)備：如果鉆機的穩(wěn)定性差，鉆桿質(zhì)量不好，鉆頭轉(zhuǎn)速要相應(yīng)降低；鉆具級配不合理也應(yīng)降低轉(zhuǎn)速；如果采用優(yōu)質(zhì)沖洗液或減振潤滑劑及其它減振措施，則鉆頭轉(zhuǎn)速可提高，反之應(yīng)降低轉(zhuǎn)速。三、沖洗液量1、沖洗液量－指送往孔內(nèi)的水量。①沖洗液量是金剛石鉆頭的另一重要規(guī)程參數(shù)，它必須保證有效地冷卻鉆頭和清除巖粉。②在孕鑲鉆頭鉆進中,有時還利用它的變化來調(diào)節(jié)鉆頭的金剛石出刃。③就沖洗液本身的性質(zhì)而言，它還有保護孔壁和潤滑鉆具等功能。④在實際鉆進中，排粉所需沖洗液量大于冷卻鉆頭所需沖洗液量，這是確定沖洗液量的主要因素。⑤沖洗液量不足，使巖粉堆積于孔底，降低機械鉆速，增大鉆頭金剛石和胎體的磨損，散熱困難易燒鉆，減少鉆頭壽命。⑥沖洗液量太大，使鉆具的離舉力增大，抵消一部分鉆壓，同時會沖壞孔壁、沖蝕巖心，易造成巖心堵塞事故，甚至造成鉆具的振蕩。⑦以沖洗液的上返流速來計算金剛石鉆進所需的泵量，即：Q=6VF；式中：Q－沖洗液量，l/min；V－環(huán)空間隙上返流速，對金剛石鉆進v≧0.3~0.5m/s；F－鉆孔的環(huán)空面積，cm2⑧金剛石鉆進中常用的沖洗液量如下表：沖洗液量的選定根據(jù)實際生產(chǎn)需要綜合考慮：（1）巖層性質(zhì)及完整程度：①鉆進堅硬致密巖石時，鉆速低、巖粉少，可選用較小泵量；②鉆進中、硬、顆粒粗的巖層時，鉆速高，應(yīng)選用較大泵量；③鉆進研磨性較高的巖層，適量增大泵量以增強冷卻(泵量增加不宜超過30%~40%)，泵量太大，攜帶巖粉的高速液流會嚴(yán)重沖蝕胎體而使金剛石過早脫落；④鉆進弱研磨性巖石時，在鉆頭端面必須保持有一定數(shù)量的巖屑，以免巖屑磨損胎體使金剛石出刃，因而要減少泵量；⑤泵量的選擇要考慮地層的裂隙程度，補償沖洗液的漏失。（2）鉆頭類型①孕鑲鉆頭由于金剛石粒度小，為了及時冷卻金剛石和胎體，應(yīng)采用較大的泵量和較高的泵壓強制循環(huán)；②表鑲鉆頭金剛石出刃量比孕鑲鉆頭大，排粉和冷卻條件好，泵量和泵壓可以稍小些。鉆頭的胎體、水口、轉(zhuǎn)速、鉆壓和鉆速及沖洗液本身性能等對泵量都各自有不同的影響。(3)泵壓泵壓表示沖洗液流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的總阻力。借助泵壓的變化判斷沖洗液的循環(huán)狀況和孔底鉆進的工作狀況：①泵壓發(fā)生小幅度上升或下降，一般是孔底換層的征兆，這時要注意進尺的情況；②在鉆進效率突然降低，或不進尺的同時，泵壓猛然大幅度增高，通常是發(fā)生嚴(yán)重巖心堵塞的反映，要盡快將鉆具提離孔底，否則就可能發(fā)生燒鉆事故；③如果泵壓突然大幅度下降，通常是鉆具折斷或脫扣，應(yīng)停止鉆進進行檢查。第五節(jié)金剛石鉆進技術(shù)1、鉆具的組配(1)鉆具的分類：單管鉆具；普通雙管鉆具；繩索取心用雙管鉆具。（2）鉆進前鉆具組配工作應(yīng)注意的問題：①鉆具的級配：鉆具級配指鉆桿與鉆頭外徑的配合關(guān)系，二者的外徑差小，鉆桿柱穩(wěn)定，級配就好。②擴孔器與鉆頭的配合：擴孔器的直徑應(yīng)比鉆頭直徑大0.3~0.5mm，在硬巖中一般不能超過0.3mm。擴孔器外徑過大，易加劇自身的磨損；過小，起不到擴孔保護鉆頭的作用。雙層巖心管金剛石取心鉆具組合：1巖心管接頭；2外管；3.內(nèi)管4擴孔器；5卡簧（生產(chǎn)中也有用砂子扭斷巖心）；6卡簧座；7鉆頭（3）卡簧與鉆頭的配合：卡簧自由內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑應(yīng)小0.3mm左右，最大不超過0.5mm；卡簧的作用是卡取巖心，過小巖心易堵塞，過大，卡心不牢，巖心易脫落。（4）內(nèi)管底端與短接和卡簧座的配合：內(nèi)管底端與短接和卡簧座3個部件裝好后，將雙管鉆具放在垂直位置時，它們不致自由脫落，而且稍加用力才能拔開。這樣可防止部件在鉆進中脫落，造成蹩水和巖心堵塞。另外，雙管鉆具組裝后，卡簧座底端離鉆頭臺階應(yīng)有3~4mm的間隙，同樣是為防止蹩水和巖心堵塞。二、鉆頭的選擇和使用1、選擇的原則*①軟、中硬和完整均質(zhì)的巖層宜用表鑲鉆頭；硬的、堅硬和硬脆的、軟硬不均的、裂隙性巖層宜用孕鑲鉆頭。②巖層研磨性愈強、愈硬，選用的金剛石粒度越細，金剛石品級應(yīng)愈好。高研磨性巖層和特硬巖層均宜用孕鑲鉆頭。③鉆頭胎體硬度應(yīng)根據(jù)巖層的研磨性、破碎程度、硬度、顆粒等因素選擇。一般巖層研磨性強、破碎嚴(yán)重、較