第三節(jié)-金剛石鉆進(jìn).ppt

1、工程鉆探學(xué)課件,第三章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭與工藝,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),金剛石鉆進(jìn)是當(dāng)前鉆探工藝中一種比較先進(jìn)的鉆進(jìn)方法。由于這種方法的鉆進(jìn)效率比較高，鉆孔質(zhì)量比較好，施工勞動(dòng)強(qiáng)度比較輕，鉆探成本比較低，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。,工程鉆探學(xué)課件,第三章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭與工藝,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),一、金剛石鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn),鉆進(jìn)效率高，特別是在巖石硬度大的地層，鉆進(jìn)效率提高的幅度較大。 鉆孔質(zhì)量好，巖心采取率比較高，而且?guī)r心完整、光滑。 金剛石鉆進(jìn)的鉆孔彎曲較小。 孔內(nèi)事故少，應(yīng)用范圍廣。 裝備輕，勞動(dòng)強(qiáng)度低，鉆探成本小。,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,而四面體的每一頂

2、角為相鄰4個(gè)四面體所共有。每個(gè)四面體中心與四頂角的碳原子以共價(jià)鍵緊密相連。碳原子間聯(lián)系十分牢固。所以金剛石具備高硬度、高熔點(diǎn)、不導(dǎo)電（少數(shù)為半導(dǎo)體）和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等一系列特殊性能。,1、金剛石的結(jié)構(gòu),金剛石是碳的結(jié)晶變體之一，屬等軸晶系礦物。 在金剛石晶體格架中，碳原子呈對(duì)稱性排列。每個(gè)碳原子周圍皆有4個(gè)碳原子排列在正四面體的錐角頂端，,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,1、金剛石的結(jié)構(gòu),由于金剛石在生長過程中的物理化學(xué)環(huán)境不同，其晶體形態(tài)是多種多樣的。最常見的是八面體，其次是菱形十二面體，立方體較少。,1一八面體；2一十二面體； 3一立方體；4一復(fù)合晶體； 5一凸八面

3、體；6一凸十二面體； 7一凸立方體；8一凸復(fù)合晶體,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),天然金剛石純凈晶體的顏色一般為無色透明的。由于其中微量元素和包裹體的影響，往往帶有不同的顏色。 如：深棕色金剛石，硬而脆，沖擊韌性差。 綠豆色金剛石強(qiáng)度低，質(zhì)量差。 黃色金剛石含黃色素超過15以上時(shí)硬度較低。, 顏色,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),金剛石具有極大的靜抗壓強(qiáng)度（簡稱強(qiáng)度）。強(qiáng)度取決于金剛石的晶體形態(tài)、晶體的完好程度、雜質(zhì)的成分和含量、晶體的組織結(jié)構(gòu)等。 一般地說，渾圓狀的、結(jié)晶完好的金剛石強(qiáng)度

4、大；有微裂隙、內(nèi)部有缺陷的、含氣泡的和包裹體的金剛石強(qiáng)度小。從結(jié)晶形態(tài)來看，十二面體、八面體的比無定形的好，不同晶形的金剛石強(qiáng)度可相差2-4倍。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度約為8600MPa，約為剛玉的3. 5倍，硬質(zhì)合金的1. 5倍，鋼的9倍。目前，用于鉆探的人造金剛石強(qiáng)度，一般要求2500MPa以上。, 抗壓強(qiáng)度,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),金剛石具有極高的耐磨性，是剛玉的90倍，硬質(zhì)合金的40200倍，鋼的20005000倍。這就決定了它用作鉆頭時(shí)不易磨損。, 耐磨性, 熱膨脹系數(shù),金剛石在低溫時(shí)的熱膨脹系數(shù)極?。ū扔操|(zhì)合金、碳化硅、剛玉低

5、得多），這有利于對(duì)金剛石的鑲嵌。但隨溫度升高，其膨脹系數(shù)急劇增加。,工程鉆探學(xué)課件,二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),金剛石的導(dǎo)熱率高，有良好的導(dǎo)熱性，即易吸收和散發(fā)熱量。這對(duì)降低地質(zhì)鉆頭切削區(qū)的溫度是很重要的。,導(dǎo)熱性,熱穩(wěn)定性,金剛石的熱穩(wěn)定性較差。因此，在使用金剛石鉆頭時(shí)要充分冷卻。如果鉆頭冷卻不良，胎體部分的溫度會(huì)不斷升高。當(dāng)達(dá)到7208000C時(shí)，金剛石即會(huì)石墨化，此時(shí)，金剛石鉆頭表現(xiàn)為嚴(yán)重磨損乃至燒鉆。 溫度對(duì)金剛石強(qiáng)度影響較大，特別是對(duì)粒度較細(xì)的人造金剛石，隨著溫度升高、強(qiáng)度下降。,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),金剛

6、石的電阻率很大，是不良導(dǎo)體；但也有少數(shù)金剛石是良好的半導(dǎo)體材料。 金剛石一般沒有磁性，當(dāng)含有磁性包裹體時(shí)，金剛石就具有磁性。合成人造金剛石時(shí)，由于帶入鐵、鉆、鎳等觸媒雜質(zhì)，使金剛石具有磁性。, 電磁性,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),二、鉆探用金剛石,2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì),金剛石在陰極射線、紫外線、X射線的照射下常發(fā)出藍(lán)、黃、綠等鮮艷的熒光。 據(jù)有關(guān)資料介紹，紫外線照射時(shí)不發(fā)光的金剛石比發(fā)光的耐磨性好；但在動(dòng)載作用下，不發(fā)光的強(qiáng)度最??；發(fā)藍(lán)色、綠色、黃色、玫瑰色的光，其動(dòng)載強(qiáng)度依次升高。, 熒光,工程鉆探學(xué)課件,三、金剛石的分類,金剛石按成因分為天然的、人造的兩大類。,(1)“包爾

7、茲”(Bortz) ，顏色變化很大，一般呈無色、黃色、灰色或黑色，從透明到不透明。凡結(jié)構(gòu)異于“黑色金剛石”和“巴拉斯”，又不夠?qū)毷?jí)金剛石的皆屬于此類。它多呈不規(guī)則或放射狀的亞顯微晶體結(jié)構(gòu)，外形常為渾圓粒狀，具有高的硬度，價(jià)格較便宜。目前絕大多數(shù)表鑲鉆頭均采用此類金剛石。某些等級(jí)只適合于破碎成不同尺寸的粉末（粉碎包爾茲），作孕鑲鉆頭或其他磨料使用。,1、天然金剛石,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,(2)“剛果”(Congo)亦稱“剛果包爾茲”，產(chǎn)于扎伊爾。剛果金剛石從無光澤到半透明，顏色有白、灰、黃、綠等。細(xì)晶結(jié)構(gòu)，硬度略低于“包爾茲”，是一種較低品級(jí)的金剛石。大多呈

8、碎粒狀，可作孕鑲鉆頭用。精選“剛果”亦可制作表鑲鉆頭，用于軟至中硬巖層的鉆進(jìn)。,1、天然金剛石,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,人造單晶金剛石在晶形生長發(fā)育良好的情況下呈八面體、十二面體及它們的聚形，而且晶面完整、晶棱清晰。質(zhì)量較次的則往往晶形不完整，常出現(xiàn)連晶以及晶面有蝕坑等。 人造單晶是人造金剛石的最基本品種。由于合成時(shí)使用觸媒不同，因而具有不同顏色，而以不同深淺的黃綠色晶體以及含硼黑色晶體為主。這是我國目前金剛石鉆探使用的最主要品種。,2、人造單晶金剛石,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,金剛石鉆進(jìn)由于人造單晶金剛石本身的特性（如硬度非常

9、大等）在硬地層和堅(jiān)硬地層中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于金剛石單晶顆粒?。ㄈ嗽靻尉Я讲怀^lmm），限制了這種鉆進(jìn)方法在鉆探上的應(yīng)用，在軟一中硬地層中不能發(fā)揮其鉆進(jìn)的優(yōu)越性。為了改變這種狀況，在人造單晶金剛石問世之后，相繼研究出了人造聚晶金剛石，亦稱金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片。,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片,工程鉆探學(xué)課件,第三節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,由90左右微細(xì)的或各種粒度組成的微粉金剛石加人適量（10左右）的粘結(jié)劑（如Ni鎳、Si、B硼、Ti鈦、Zr鎬、 Re錸等元素）在高溫和超高壓下燒結(jié)而成。,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片, 金剛石聚晶燒結(jié)體,工程鉆探學(xué)課件

10、,第二節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,它的特點(diǎn)是： (1）耐熱性好，有的達(dá)12000C時(shí)熱穩(wěn)定性性能基本不變，可與天然金剛石媲美，甚至超過天然金剛石； (2）抗壓強(qiáng)度高達(dá)3000MPa (3）可以直接合成所需的片、塊、圓柱等形狀和一定大小的單體； (4）致密、晶體交互生成，無裂隙；耐磨性能好。 (5）用于鉆進(jìn)中硬及部分硬地層。但由于硬度較低，不能用于大部分硬和堅(jiān)硬地層。,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片, 金剛石聚晶燒結(jié)體,工程鉆探學(xué)課件,三、金剛石的分類,金剛石復(fù)合片是將聚晶金剛石層（約為0. 5lmm厚）附著粘結(jié)在硬質(zhì)合金襯底上的復(fù)合材料。由于它兼有金剛石聚晶層極高的耐磨性和硬質(zhì)合

11、金高的抗沖擊韌性，并且金剛石層能始終保持銳利的切削刃，因而在地質(zhì)鉆探的軟至中硬地層鉆探中使用效果非常好。,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片, 金剛石復(fù)合片,1-金剛石層； 2-過度層； 3-硬合金層,工程鉆探學(xué)課件,三、金剛石的分類,復(fù)合片的特點(diǎn)： (1)復(fù)合片金剛石層中的金剛石含量高達(dá)99%，粘結(jié)金屬含量僅占1左右，故金剛石層硬度高、耐磨性極好； (2)復(fù)合片金剛石層很薄，一般控制在0. 51mm左右。因此，刃口鋒利而且始終保持自銳；,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片, 金剛石復(fù)合片,工程鉆探學(xué)課件,第二節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),三、金剛石的分類,復(fù)合片的特點(diǎn)： (3)復(fù)合片襯底硬質(zhì)合金含鈷量

12、高，強(qiáng)度高，大大提高了整個(gè)復(fù)合片在孔底的抗沖擊能力； (4）由于聚晶金剛石層本身耐熱性差，同時(shí)與硬質(zhì)合金片的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，故復(fù)合片耐熱性能較差，一般在750 0C以內(nèi)； (5）由于復(fù)合片刃口鋒利，耐磨性好，故復(fù)合片鉆頭鉆速高、壽命長、取心率高、所需鉆壓小、孔斜小、鉆孔質(zhì)量好。,3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片, 金剛石復(fù)合片,工程鉆探學(xué)課件,四、金剛石鉆頭的種類,金剛石鉆頭由三部分組成，即金剛石、胎體和鉆頭體。 金剛石鉆頭形式多樣，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。,用各種天然或人造金剛石制作的鉆頭統(tǒng)稱為金剛石鉆頭。,工程鉆探學(xué)課件,四、金剛石鉆頭的種類,金剛石鉆頭按胎體中的包鑲形式分為兩類： 表鑲鉆

13、頭：金剛石鑲嵌在胎體的表層； 孕鑲鉆頭：金剛石是鑲嵌在胎體之中。,(a)表鑲鉆頭： 1底刃金剛石；2邊刃金剛石； 3側(cè)刃金剛石； 4胎體； 5鉆頭體,(b)-孕鑲鉆頭： 1金剛石； 2工作部分胎體； 3非工作部分胎體； 4鉆頭體; h-孕鑲層高度,工程鉆探學(xué)課件,四、金剛石鉆頭的種類,工程鉆探學(xué)課件,四、金剛石鉆頭的種類,工程鉆探學(xué)課件,五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理,金剛石鉆頭破巖過程存在著研磨、切削、壓裂、壓碎等破巖形式。,工程鉆探學(xué)課件,五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理,表鑲鉆頭：分析其破碎巖石過程時(shí)，取單顆金剛石為研究對(duì)象，并將其視為球體，如上圖所示。 理論和試驗(yàn)表明：表鑲金剛石鉆頭破碎堅(jiān)硬脆性

14、巖石時(shí)，其主要破碎方式為壓裂、壓碎加體積剪切，而切削破碎方式是次要的。 在破碎塑性大的硬及中硬巖右時(shí)，則主要以切削方式破碎巖石，而以壓裂壓碎為輔。,工程鉆探學(xué)課件,第二節(jié) 金剛石鉆頭鉆進(jìn),五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理,孕鑲鉆頭： 所用的金剛石的粒度小，且埋藏于胎體之中，其實(shí)際碎巖機(jī)理和砂輪磨削類似，如圖所示。以刃具面多而小金剛石對(duì)巖石進(jìn)行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,金剛石是鉆頭的刃部，對(duì)于表鑲鉆頭，金剛石鑲嵌在胎體的表層，按照鑲嵌位置的不同，分為底刃金剛石、邊刃金剛石和側(cè)刃金剛石。 底刃金剛石是克取巖石的主力； 邊刃金剛石其作用除克取巖石外，還要保持鉆頭內(nèi)外徑

15、；側(cè)刃金剛石其作用僅是保持鉆頭內(nèi)外徑。,1）金剛石部分,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,鉆頭體是指鉆頭的鋼體部分，用中碳鋼制成。 單管鉆頭的鋼體長為71mm，上端車有外絲扣，絲扣長度為30mm。 雙管鉆頭的鋼體長為115mm，上端車有內(nèi)絲扣，絲扣長為33mm。,2）鉆頭體,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,金剛石鉆頭胎體用于包鑲金剛石并與鋼件牢固連接。不同類型鉆頭對(duì)胎體性能有不同的要求，主要取決于鉆頭的工作特性及所鉆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。,3）金剛石鉆頭胎體,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,對(duì)鉆頭胎體性能的要求為： (1)胎體要牢固地包鑲金剛石； （2）應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，具有一定的抗沖擊性能，胎體與

16、剛體之間的連接要牢固； （3）胎體的硬度、抗沖蝕性能、耐磨性要與所鉆巖石的壓如入硬度、抗壓強(qiáng)度、巖粉的沖蝕性、巖石的研磨性相適應(yīng)。,3）金剛石鉆頭胎體,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,表鑲金剛石鉆頭胎體表面單位面積內(nèi)金剛石含量的多少稱為金剛石在胎體表面分布的密度（以下簡稱密度），以粒cm2表示。 對(duì)于不同粒度的金剛石有不同的密度。,4）金剛石在胎體中的濃度（密度）,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,孕鑲鉆頭胎體中單位體積內(nèi)金剛石含量的多少稱為胎體中金剛石的體積濃度，其單位為（克拉/cm3）。 目前生產(chǎn)廠家用的濃度制，主要是采用“金剛石制品國際濃度標(biāo)準(zhǔn)”來表示，即100的濃度表示每lcm3中含金剛

17、石4. 39克拉。如75的濃度相應(yīng)為含金剛石3.3克拉/cm3。,4）金剛石在胎體中的濃度（密度）,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,濃度偏高，鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大，單粒金剛石上所承受的壓力較小，相應(yīng)壓入巖石的深度減小。當(dāng)金剛石上的壓強(qiáng)小于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，金剛石就不能壓入巖石，表現(xiàn)為鉆頭不進(jìn)尺，在孔底打滑。 相反，濃度偏低，在鉆頭胎體端面上出露的金剛石太少，一是不能布滿孔底巖石的環(huán)狀面積，出現(xiàn)大片的無金剛石空白區(qū)；二是造成單粒金剛石上的壓強(qiáng)太大，在新的金剛石未出露之前，已出露的金剛石就過早地磨鈍或崩刃、脫粒，鉆進(jìn)狀況惡化，甚至被迫停止鉆進(jìn)。 所以，從理論上來說每一類巖層都有一

18、個(gè)相對(duì)應(yīng)的最佳濃度值。,4）金剛石在胎體中的濃度（密度）,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,在保證金剛石質(zhì)量的前提條件下，孕鑲鉆頭在硬和堅(jiān)硬的巖層中宜采用較小的粒度，以利于失去工作能力的金剛石在鉆進(jìn)過程中不斷脫落，新的金剛石不斷投人工作，實(shí)現(xiàn)金剛石鉆頭的自銳。而在軟至中硬巖層中則相反，應(yīng)采用較粗粒的金剛石，以保證鉆頭端面有較大的出刃及切入深度，維持鉆頭有較高的鉆速。,5）金剛石的粒度,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,金剛石在胎體端面的出刃值必須遵守下列幾條原則：,6）金剛石的出刃,（1）保證在正常的泵壓條件下巖粉能從鉆頭端面順利通過； （2）金剛石出露刃在鉆進(jìn)時(shí)不易被折斷； （3）金剛石在胎體中

19、包鑲牢固。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,其出露的數(shù)值取決于金剛石粒度的大小和所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。 在軟的、粘性的及脆弱膠結(jié)的粗粒巖石中，設(shè)計(jì)較大的出刃值； 在厚層的硬巖中以及在破碎的裂隙巖層中設(shè)計(jì)較小的出刃值。,6）金剛石的出刃,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。 一般設(shè)計(jì)為兩種類型：半出刃型和全出刃型。,6）金剛石的出刃,半出刃型復(fù)合片,半出刃型三角形聚晶,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。 一般設(shè)計(jì)為兩種類型：半出刃型和全出刃型。,6）金剛石的出刃,全出刃型復(fù)

20、合片,全出刃型三角形聚晶,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。 一般設(shè)計(jì)為兩種類型：半出刃型和全出刃型。,6）金剛石的出刃,半出刃型適用于鉆進(jìn)中硬的灰?guī)r、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、頁巖等； 全出刃型適用于鉆進(jìn)軟的松散的砂巖及易糊鉆的泥質(zhì)巖層。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,表鑲鉆頭 金剛石在胎體上排列的原則： 1）金剛石要均勻地布滿鉆頭的胎體表面，不能有空隙，以便有效克取巖石； 2）便于沖洗液排除巖粉； 3）充分冷卻金剛石。,7）金剛石在胎體上的排列,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,表鑲鉆頭 目前常用的幾種排列形式如圖所示。,7）金剛石在胎體

21、上的排列,放射狀,圓弧狀,螺旋狀,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,表鑲鉆頭 在軟巖中為排粉暢通，采用螺旋形水口時(shí)，最好排列為螺旋狀； 在中硬和硬巖層多采用直槽和斜形水口時(shí)，可采用放射狀排列和圓弧形排列。,7）金剛石在胎體上的排列,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,1）復(fù)合片在鉆頭上鑲嵌數(shù)量。 鉆頭上鑲嵌復(fù)合片的數(shù)量與地層密切相關(guān)，較硬地層密度大，以減少鉆頭的磨損速度，反之則少。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,2)復(fù)合片擺放的位置 a交錯(cuò)排列。當(dāng)復(fù)合片直徑小于鉆

22、頭胎體壁厚時(shí)，可以布置成一片具有外出刃；另一片具有內(nèi)出刃，兩片交錯(cuò)排列,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,2)復(fù)合片擺放的位置 b同徑排列。當(dāng)復(fù)合片直徑與標(biāo)準(zhǔn)鉆頭胎體壁厚相同時(shí)，每個(gè)復(fù)合片都具有相同的內(nèi)外出刃，即外出刃在同一外徑上，內(nèi)出刃在同一內(nèi)徑上。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,2)復(fù)合片擺放的位置 c底出刃一致排列。用于直徑相同的復(fù)合片，保持底出刃一致。 d高低出刃排列。用于直徑不同的復(fù)合片，在鉆頭底唇面上出刃高低不一，在孔底相應(yīng)鉆出凸凹不平的自由面，有

23、利于破碎巖石，提高鉆速，小直徑的復(fù)合片也起到輔助增強(qiáng)的作用。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,3)復(fù)合片鑲嵌的角度(),切削角a 其數(shù)值減小時(shí)，切削作用加強(qiáng)，即在同樣的鉆壓下切削角小的切削具切削深度大，可以鉆出較大的巖屑，從而在其他相同的條件下可獲得較高的鉆速。但是較小的切削角在鉆硬地層時(shí)因跳動(dòng)沖擊而易損壞。一般依據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)切削角設(shè)計(jì)為100150，既能具有較高的鉆速又能保持一定的壽命。,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：,3)復(fù)合片的徑向角,徑向角 該角是切削

24、具表面和鉆頭徑向平面之間的夾角。具有徑向角的復(fù)合片可將巖屑引導(dǎo)到外環(huán)空間，不易被巖粉粘附，而且徑向角的角度越大巖屑粘附切削具的可能性越小。從有利于切削巖石和排除巖粉兩方面考慮，一般徑向角設(shè)計(jì)為50200,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì),7）金剛石在胎體上的排列,工程鉆探學(xué)課件,六、金剛石鉆頭,不同的巖層采用不同的保徑方式，在中硬和硬地層中采用圓柱狀人造聚晶，每個(gè)扇形塊的內(nèi)外徑可排列23排，每排12粒，其規(guī)格為直徑1. 82mm，長度為3. 54mm。 在硬一堅(jiān)硬巖層中可采用天然金剛石保徑，每個(gè)扇活塊的內(nèi)外徑處排列23排，每排為23粒天然金剛石，其粒度為1520?？死?。 在

25、軟巖層中可采用低鉆針狀硬質(zhì)合金，排列方式同圓柱狀人造聚晶。 在一般中硬巖層中采用單晶保徑。 硬、脆、碎地層中可用天然金剛石及人造聚晶保徑，在關(guān)鍵部位水口的前后用硬合金條補(bǔ)強(qiáng)，或用硬合金補(bǔ)強(qiáng)。,8）金剛石在鉆頭保徑層上的排列,工程鉆探學(xué)課件,七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng),為使鉆頭水路具更好的排粉和冷卻性能，須隨地層而異設(shè)計(jì)不同型式的水口。,金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)包括水口、漫流區(qū)過水間隙和內(nèi)外環(huán)間隙。,1、水口,工程鉆探學(xué)課件,七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng),直槽型（圖 a），用于軟一硬的地層，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，采用最為普遍。 斜槽型（圖 b），適用于厚壁鉆頭，其特點(diǎn)是可以促使巖粉沿斜水口迅速排至外環(huán)狀空間

26、。 全面沖洗型（圖 c），又稱梅花形水口，用于表鑲鉆頭鉆進(jìn)硬一堅(jiān)硬地層。此型水口的特點(diǎn)是迫使沖洗液沿著金剛石的出刃，在胎體和孔底巖石之間的間隙形成液流，能充分冷卻金剛石。,1、水口,工程鉆探學(xué)課件,七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng),螺旋型（圖d），用于鉆進(jìn)軟地層。螺旋形水路在旋轉(zhuǎn)過程中使巖粉能及時(shí)地被沖洗液沿水口攜帶到外環(huán)狀間隙中。 傾斜槽型（圖e )，其特點(diǎn)是扇形塊的端部呈傾斜的楔形，內(nèi)外水槽間隔分布錯(cuò)開排列，并超過扇形塊的頂點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是沖洗液可充分冷卻鉆頭。此型水口主要用于制造孕鑲鉆頭。 主副水路型（圖 f），用于鉆進(jìn)軟地層，其副水路可以輔助主水路排粉和冷卻厚壁鉆頭胎體的中心部分。 底噴型（圖 g

27、），適用于硬、碎巖層及粉狀巖層。由于無內(nèi)水槽，沖洗液主要由胎體中的水眼流至底唇，能防止沖洗液對(duì)巖心的沖蝕，保證巖心采取率。,1、水口,工程鉆探學(xué)課件,七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng),表鑲鉆頭與孔底接觸后，除水口以外的過水面積稱漫流區(qū)。沖洗液總量中的一部分將從過水間隙處通過，實(shí)現(xiàn)冷卻金剛石和清洗各金剛石之間的巖粉。如果此處間隙值太小，則易引起糊鉆，所以在軟巖中出刃要大；反之，在硬巖中出刃可小。 孕鑲鉆頭主要依靠胎體金屬的不斷沖蝕和研磨，從而使金剛石保持一定的出露量。該出露量值比較小，所以，孕鑲鉆頭主要依靠減少水口寬度，增加水口數(shù)量使胎體每個(gè)扇形塊都有良好的冷卻條件。,2、漫流區(qū)過水間隙,工程鉆探學(xué)課件

28、,七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng),鉆頭鋼體外表面與孔壁之間的外環(huán)狀間隙，及鋼體內(nèi)表面與巖心之間的內(nèi)環(huán)狀間隙。 此水路系統(tǒng)必須考慮地層特性、沖洗液類型等因素。 例如：鉆探水敏性地層、易縮徑地層并采用泥漿護(hù)壁時(shí)，需相應(yīng)增大內(nèi)外環(huán)狀空間，以減小水力損失，否則會(huì)增大鉆頭壓強(qiáng)，造成泵壓增高，甚至蹩泵。,3、內(nèi)外環(huán)狀間隙,工程鉆探學(xué)課件,八、金剛石鉆頭的選擇,選擇金剛石鉆頭的原則： (1）軟至中硬和完整均質(zhì)巖層，一般宜用天然表鑲鉆頭、復(fù)合片鉆頭、聚晶鉆頭，部分可用燒結(jié)體鉆頭。 (2)硬至堅(jiān)硬致密的巖層（712級(jí)），一般宜用孕鑲鉆頭，或細(xì)粒表鑲金剛石鉆頭。 (3）在破碎、軟硬互層、裂隙發(fā)育或強(qiáng)研磨性巖層，如煤系地

29、層，宜用耐磨性好的、補(bǔ)強(qiáng)的電鍍?cè)需傘@頭。,工程鉆探學(xué)課件,八、金剛石鉆頭的選擇,選擇金剛石鉆頭的原則： (4）強(qiáng)研磨性巖層，用高耐磨性胎體；中等研磨性巖層，用中等耐磨性胎體；弱研磨性巖層，選用低耐磨性胎體。 (5)復(fù)雜巖層，研磨性越強(qiáng)、越硬，選用金剛石品級(jí)好、粒度相對(duì)細(xì)的鉆頭。 (6）強(qiáng)研磨性、較破碎的巖層，在保證金剛石包鑲良好的條件下，選用金剛石濃度較高的鉆頭。反之，均質(zhì)致密、弱研磨性的巖層，選用金剛石濃度較低的鉆頭。 (7）巖層軟，排粉多，選用復(fù)合片鉆頭或聚晶鉆頭。,工程鉆探學(xué)課件,九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程,鉆頭選定后，金剛石鉆進(jìn)的效率有賴于鉆進(jìn)規(guī)程的選擇。鉆進(jìn)規(guī)程包括：鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量

30、3個(gè)參量。 影響鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的因素很多，主要有：巖層的性質(zhì)和特點(diǎn)、鉆頭的類型、所用設(shè)備和鉆具的性能、鉆孔的直徑和深度，其他工藝技術(shù)條件等。,工程鉆探學(xué)課件,九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程,金剛石鉆進(jìn)也分為3個(gè)不同的區(qū)域：(I)為表面研磨破碎，雖也呈線性正比關(guān)系，但鉆速極低；()為疲勞破碎區(qū)，這是一個(gè)過渡帶，依靠多次重復(fù)，裂紋擴(kuò)展而碎巖；（）為鉆刃切入巖石的體積破碎區(qū)。該區(qū)內(nèi)鉆速隨鉆壓增長很快。但與此同時(shí)，單位進(jìn)尺金剛石的耗量也隨鉆壓的增長而增大，并且還會(huì)導(dǎo)致鉆速下降。對(duì)二者權(quán)衡，決定鉆壓最佳區(qū)域。,1、鉆壓,一般來說，在一定范圍內(nèi)鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的,工程鉆探學(xué)課件,九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程,轉(zhuǎn)速亦是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素之一。 關(guān)于轉(zhuǎn)速的選擇，大體遵循以下幾個(gè)原則： 在中硬至硬、中等研磨性的完整巖層中鉆進(jìn)，一般可采用較高轉(zhuǎn)速； 在堅(jiān)硬致密的巖層中鉆進(jìn)，主要靠鉆壓破碎巖石，宜采用較低轉(zhuǎn)速