勘探鉆進(jìn)原理

1、勘探鉆進(jìn)原理Exploration drilling principals緒緒 論論 (Preface) 一、一、“鉆探工藝學(xué)鉆探工藝學(xué)”課程的內(nèi)容、地位課程的內(nèi)容、地位和任務(wù)和任務(wù) 二、鉆進(jìn)技術(shù)的用途二、鉆進(jìn)技術(shù)的用途 三、鉆進(jìn)方法的分類(lèi)三、鉆進(jìn)方法的分類(lèi) 四、學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問(wèn)題四、學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問(wèn)題一、一、“勘探鉆進(jìn)原理勘探鉆進(jìn)原理”課程的內(nèi)容、地位課程的內(nèi)容、地位Contents and status of “Exploration Drilling Principles” 1、內(nèi)容、內(nèi)容 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與碎巖機(jī)理巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與碎巖機(jī)理 鉆頭與鉆進(jìn)工藝鉆頭與鉆進(jìn)工藝 鉆

2、探質(zhì)量（鉆孔彎曲、取芯等）鉆探質(zhì)量（鉆孔彎曲、取芯等） 2、地位、地位 2.1 從專(zhuān)業(yè)課的課時(shí)分配上說(shuō)明從專(zhuān)業(yè)課的課時(shí)分配上說(shuō)明 2.2 從與其它專(zhuān)業(yè)課的關(guān)系上進(jìn)行說(shuō)明從與其它專(zhuān)業(yè)課的關(guān)系上進(jìn)行說(shuō)明 2.3 從專(zhuān)業(yè)歷史沿革進(jìn)行說(shuō)明從專(zhuān)業(yè)歷史沿革進(jìn)行說(shuō)明二、鉆進(jìn)技術(shù)的用途二、鉆進(jìn)技術(shù)的用途Application fields of drilling technology 找礦（地質(zhì)普查、地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)鉆探、工找礦（地質(zhì)普查、地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、油氣鉆探、地?zé)徙@探、海洋鉆探、程地質(zhì)鉆探、油氣鉆探、地?zé)徙@探、海洋鉆探、極地鉆探、科學(xué)鉆探）極地鉆探、科學(xué)鉆探） 開(kāi)采礦產(chǎn)資源開(kāi)采礦

3、產(chǎn)資源 工程施工（橋墩、大壩防滲注漿、鋪設(shè)管道鉆孔、工程施工（橋墩、大壩防滲注漿、鋪設(shè)管道鉆孔、通風(fēng)孔等）通風(fēng)孔等）三、鉆進(jìn)方法的分類(lèi)三、鉆進(jìn)方法的分類(lèi)Classification of drilling method 按鉆頭所用切削材料分類(lèi)：金剛石鉆進(jìn)、硬質(zhì)按鉆頭所用切削材料分類(lèi)：金剛石鉆進(jìn)、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、鋼粒鉆進(jìn)合金鉆進(jìn)、鋼粒鉆進(jìn) 按碎巖方式分類(lèi)：回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)、沖擊按碎巖方式分類(lèi)：回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)。 按沖洗液循環(huán)方式鉆進(jìn)：正循環(huán)鉆進(jìn)、反循環(huán)按沖洗液循環(huán)方式鉆進(jìn)：正循環(huán)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、孔底局部反循環(huán)鉆進(jìn)鉆進(jìn)、孔底局部反循環(huán)鉆進(jìn) 按

4、鉆進(jìn)目的分類(lèi)：地質(zhì)鉆進(jìn)、石油鉆進(jìn)、水井按鉆進(jìn)目的分類(lèi)：地質(zhì)鉆進(jìn)、石油鉆進(jìn)、水井鉆進(jìn)、工程施工鉆進(jìn)鉆進(jìn)、工程施工鉆進(jìn)（a）正循環(huán)）正循環(huán)（b）正循環(huán)）正循環(huán)（c）孔底局）孔底局 部部 反循環(huán)反循環(huán)四、學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問(wèn)題四、學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意的問(wèn)題Problems noted in learning the subject 1.理論聯(lián)系實(shí)際，課本描述性語(yǔ)言多, 注意總結(jié),結(jié)合實(shí)踐,上升理論； 2.理論、實(shí)踐并重； 3.注重實(shí)驗(yàn)課； 4.注重工程實(shí)例。第一章第一章 巖石鉆進(jìn)過(guò)程與破碎機(jī)理巖石鉆進(jìn)過(guò)程與破碎機(jī)理Chapter 1 Drilling process of rocks Chapter 1

5、 Drilling process of rocks and fracturing mechanismand fracturing mechanism 第一節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí)第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí) 第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式要方式 第四節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)第四節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài) 第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過(guò)程第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過(guò)程第一章 巖石鉆進(jìn)過(guò)程與破碎機(jī)理Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturin

6、g mechanism 第一節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí)第二節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí) 第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主第三節(jié)、鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式要方式 第四節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)第四節(jié)、靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài) 第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過(guò)程第五節(jié)、外載作用下巖石的破碎過(guò)程第一節(jié)第一節(jié) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)Physical & mechanical properties of rocks一、巖石的組成與分類(lèi)一、巖石的組成與分類(lèi) 巖石是礦物顆粒的集合體。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變巖石是礦物顆粒的集合體

7、。按成因分：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。質(zhì)巖。 巖漿巖：內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿的殼巖漿巖：內(nèi)力地質(zhì)作用的產(chǎn)物，系地殼深處的巖漿沿的殼裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。 沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬遷、沉沉積巖：在地表?xiàng)l件下母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，經(jīng)搬遷、沉積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質(zhì)成分有積和硬結(jié)等成巖作用而形成的巖石。組成沉積巖的物質(zhì)成分有顆粒和膠結(jié)物兩大類(lèi)。顆粒和膠結(jié)物兩大類(lèi)。 變質(zhì)巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化變質(zhì)巖：沉積巖或變質(zhì)巖本身在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響而變質(zhì)形成的巖石（原巖成分和變質(zhì)巖特學(xué)活動(dòng)性流體的

8、影響而變質(zhì)形成的巖石（原巖成分和變質(zhì)巖特有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。有的，如石墨、滑石，蛇紋石，硅灰?guī)r等）。二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 巖石的微觀組織特征，即巖石的結(jié)構(gòu)，它與礦物粒度的巖石的微觀組織特征，即巖石的結(jié)構(gòu)，它與礦物粒度的大小、形狀和表面特征有關(guān)，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。大小、形狀和表面特征有關(guān)，反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。 巖石構(gòu)造是表示巖石宏觀組織特征，它說(shuō)明礦物顆粒之間巖石構(gòu)造是表示巖石宏觀組織特征，它說(shuō)明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性和裂的組合形式和空間分布狀況，它決定了巖石的各向異性和裂隙性。巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與巖石

9、的成因類(lèi)型、形成條件及存隙性。巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與巖石的成因類(lèi)型、形成條件及存在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。 巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成巖漿巖是由巖漿冷卻形成凝固而形成的巖石，由于生成環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不環(huán)境和冷卻速度不同，巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不等，形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。等，形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 巖漿巖：晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者巖漿巖：晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高，同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。往往研磨性較大。 沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是沉積巖：顆粒和膠結(jié)物組成，沉積巖的主要構(gòu)造特征是有

10、鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。有鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的層理，與鉆進(jìn)有關(guān)。 變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理（如石墨和滑石）變質(zhì)巖：主要構(gòu)造特征是片理（如石墨和滑石）.巖石沿巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。 圖11 晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型圖13 層理產(chǎn)生的原因圖1-2 膠結(jié)物的類(lèi)型 巖巖 石石 照照 片片花崗石花崗石花崗石花崗石花崗巖花崗巖白云巖白云巖第二節(jié)第二節(jié) 巖石的自然性質(zhì)巖石的自然性質(zhì)Natural properties of rocks 巖石的自然性質(zhì)巖石的自然性質(zhì)：巖石在生成過(guò)程中，構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化過(guò)程中自然形成的特性。 密度密度:單位體積巖石的質(zhì)量.容重:

11、單位體積巖石的重量. 比重比重:單位體積巖石骨架體積的重量.巖石體積=固相骨架體積+巖石中孔隙體積. 一般來(lái)說(shuō),密度越高,強(qiáng)度越大。 孔隙度孔隙度:巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來(lái)說(shuō),孔隙度越大,強(qiáng)度越低. 含水性含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性透水性:KW=ql/A(Pi- Po) 巖石的孔隙越大,裂隙越多,水對(duì)它的影響就越小。如石灰?guī)r,用水浸透后,強(qiáng)度下降明顯。第三節(jié)第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)Mechanical properties of rocks 巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和

12、表面特的特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和表面特性。性。 變形特性：彈性、塑性和脆性變形特性：彈性、塑性和脆性 強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性1.3.1、變形特性、變形特性（deformation properties） 彈性變形 塑性變形巖石破壞的形式巖石破壞的形式Broken form of rocks脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）塑脆性破壞（彈性變形不明顯，塑性破壞）(a)(b)(c)影響巖石彈性、塑性和脆性的因素影響巖石彈性、塑性和脆性的因素 （Fact

13、s affecting rocks elasticity and plasticity）1、巖石物質(zhì)成分2、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造3、應(yīng)力狀態(tài)4、載荷性質(zhì)5、受力條件6、溫度和濕度巖石彈塑性的測(cè)定巖石彈塑性的測(cè)定Measure of rocks elasticity and plasticityKp=SOABC/ SODE圖圖 1.110 由應(yīng)力由應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線確定彈性模數(shù)曲線確定彈性模數(shù)圖圖 1.111 巖石壓入時(shí)的載荷侵深曲線巖石壓入時(shí)的載荷侵深曲線1.3.2、強(qiáng)度性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)（Strength properties） 巖石強(qiáng)度巖石強(qiáng)度：巖石在載荷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石所能承

14、受的最大載荷，單位面積上的最大載荷。根據(jù)受力條件不同，巖石強(qiáng)度又可分為抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。有單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度，多向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。圖圖 1.114 巖石單軸抗壓試驗(yàn)巖石單軸抗壓試驗(yàn) 1巖樣；巖樣；2球座；球座；3鋼墊板鋼墊板 圖圖 1.115 巖石單軸拉伸試驗(yàn)巖石單軸拉伸試驗(yàn)1巖樣；巖樣；2夾頭；圖中尺寸單位：夾頭；圖中尺寸單位：cmiPPaA圖1.116 圓盤(pán)劈裂試驗(yàn) 圖1.117 剪切試驗(yàn)1巖樣； 2上下剪切模具；3模套；4斜鍥塊；5上下墊板； 6鋼滾子t=2p/3.14DL影響巖石強(qiáng)度的因素影響巖石強(qiáng)度的因素（Factors affecting rocks st

15、rength） 1、巖石的物質(zhì)成份、巖石的物質(zhì)成份2、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造3、巖石的容重和孔隙度、巖石的容重和孔隙度4、受力條件、受力條件5、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)6、載荷速度、載荷速度7、巖樣的線性尺寸、巖樣的線性尺寸8、濕度和溫度、濕度和溫度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties) 巖石的硬度巖石的硬度：巖石表面對(duì)工具壓入的反抗特性。巖石硬度與抗壓強(qiáng)度有一定聯(lián)系，又有很大區(qū)別。巖石抗壓強(qiáng)度是巖石整塊抗破碎的能力。巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的（1+2）倍。測(cè)定壓入硬度實(shí)際上使巖樣產(chǎn)生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行的。 巖石的研磨性巖石的研

16、磨性：在用機(jī)械方法破碎巖石的過(guò)程中，鉆頭與巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間斷的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時(shí)，其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的能力。影響巖石硬度的因素影響巖石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness） 巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造 應(yīng)力狀態(tài) 載荷速度 液體介質(zhì) 工具形狀和尺寸影響巖石研磨性的因素影響巖石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness） 巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征 正壓力 滑動(dòng)速度 介質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 巖石可鉆性及其分級(jí)巖石可鉆性及其分級(jí)（Drillability of rocks and i

17、ts classification） 巖石可鉆性是決定鉆進(jìn)效率的基本因素，它反映了鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的難易程度。 它是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)，同時(shí)也是制訂鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)。 巖石可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù)。它不僅受控于巖石的性質(zhì)，而且與外界技術(shù)條件和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系。1.4.1 巖石可鉆性分級(jí)的觀點(diǎn)巖石可鉆性分級(jí)的觀點(diǎn)(Viewpoints on classification of rock drillability) 用巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用實(shí)鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用微鉆速度評(píng)價(jià)巖石的可鉆性 用碎巖比功評(píng)價(jià)巖石的可鉆性1.4.2 劃分巖石可

18、鉆性的具體方法劃分巖石可鉆性的具體方法(Methods for classification of rock drillability) 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法 實(shí)際鉆進(jìn)速度法實(shí)際鉆進(jìn)速度法 模擬鉆進(jìn)速度法模擬鉆進(jìn)速度法 破碎比功法破碎比功法 第五節(jié)第五節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式（Main mode of action between rock-broken tool and rock）第六節(jié)第六節(jié) 靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)靜載作用下的巖石應(yīng)力狀態(tài)（Stress conditions of rock under static load） 一、平底

19、圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)( )222rPpa ar2Ppa圖圖1.134 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布圖圖1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分球形壓頭壓力面上的壓力分布布圖圖1.137 平底壓頭壓入時(shí)沿平底壓頭壓入時(shí)沿 對(duì)稱(chēng)軸的應(yīng)力分布對(duì)稱(chēng)軸的應(yīng)力分布三、軸向力和切向力共同作用時(shí)壓頭下方巖石的應(yīng)力狀態(tài)三、軸向力和切向力共同作用時(shí)壓頭下方巖石的應(yīng)力狀態(tài)圖215 軸向力作用時(shí)巖石 內(nèi)的應(yīng)力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布 （a）等應(yīng)力線圖；（b）應(yīng)力狀態(tài)特征 壓應(yīng)力區(qū)；拉應(yīng)力區(qū)；過(guò)渡區(qū) 在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，

20、破碎巖石工具以軸向和切向載荷作用于巖石上。彈性力學(xué)研究表明：只有軸向力單獨(dú)作用于壓頭時(shí)，彈性半無(wú)限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對(duì)稱(chēng)的（如圖215）。而軸向力和切向力共同作用時(shí)，等應(yīng)力線分布則是非均勻的、不對(duì)稱(chēng)的（如圖216）。在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而切應(yīng)力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力，在半無(wú)線體內(nèi)（如圖216(b)所示），形成正應(yīng)力區(qū)（）、拉應(yīng)力區(qū)（）和過(guò)渡區(qū)（） 。由此可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對(duì)巖石的作用具有以下的特點(diǎn)： 1. 軸向力和切向力共同作用時(shí)，可視為碎巖工具對(duì)孔底巖石表面以某一角度施加作用力。巖石破碎效果將由此作用力的數(shù)值和方向來(lái)決定。軸向力和切向力之間存在

21、最優(yōu)比值，或者說(shuō)有最優(yōu)的作用力方向。這一方向?qū)τ诓煌膸r石可能是不同的。所以鉆進(jìn)不同巖石時(shí)，軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度應(yīng)用一個(gè)合理的配合關(guān)系。 2. 軸向力與切向力共同作用時(shí)，碎巖工具下方巖石中產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力狀態(tài)。壓縮區(qū)隨軸向力增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而縮小；拉伸區(qū)則與上述情況相反；過(guò)渡區(qū)內(nèi)既有正應(yīng)力的作用，又有拉應(yīng)力的作用。 3. 當(dāng)巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時(shí)，在拉應(yīng)力區(qū)開(kāi)始破碎。 第七節(jié)第七節(jié) 外載作用下巖石的破碎過(guò)程外載作用下巖石的破碎過(guò)程（Failure process of rock under exterior load） 一、巖石的變形破碎方

22、式一、巖石的變形破碎方式圖圖1.145 破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關(guān)系 1根據(jù)黎金格爾定律；根據(jù)黎金格爾定律；2根據(jù)基爾切夫定律根據(jù)基爾切夫定律圖圖1.146 轉(zhuǎn)速與載荷的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)速與載荷的關(guān)系曲線 二、平底壓?；蚯驙钋邢骶邏喝霑r(shí)的巖石變形破碎過(guò)程二、平底壓?；蚯驙钋邢骶邏喝霑r(shí)的巖石變形破碎過(guò)程 三、尖楔狀切削切削具壓入時(shí)和沖擊碎巖機(jī)理圖 221 液體壓差下的碎巖機(jī)理圖 220 尖楔狀切削具碎巖機(jī)理第二章、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一節(jié)、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程第一節(jié)、硬質(zhì)合

23、金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 第二節(jié)、硬質(zhì)合金鉆頭第二節(jié)、硬質(zhì)合金鉆頭 第三節(jié)、鉆探用金剛石及其孔底碎巖過(guò)程第三節(jié)、鉆探用金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 第四節(jié)、金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器第四節(jié)、金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 第五節(jié)、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程第五節(jié)、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 第六節(jié)、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程第六節(jié)、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 第七節(jié)、全面鉆頭第七節(jié)、全面鉆頭第二章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 第三節(jié)

24、第三節(jié) 鉆探用金剛石及其孔底碎巖過(guò)程鉆探用金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 第五節(jié)第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 第六節(jié)第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 第七節(jié)第七節(jié) 全面鉆頭全面鉆頭第一節(jié)第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit 一、鉆探用硬質(zhì)合金一、鉆探用硬質(zhì)合金(hardmetal for drilling) 通常鉆頭切削具采用鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金。碳化

25、鎢為骨架材料，鈷為粘結(jié)材料。 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)一般適用于軟、中硬巖層鉆進(jìn)。 硬質(zhì)合金切削具主要有薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等形狀。薄片狀：1-5級(jí)軟巖；方柱狀、八角柱狀：4-7級(jí)中硬巖石；其中八角柱狀：較硬巖層和裂隙發(fā)育；針狀：自磨式鉆頭，在硬地層或研磨性巖石中使用。表表41 YG類(lèi)硬質(zhì)合金的性能表類(lèi)硬質(zhì)合金的性能表合金牌號(hào)化學(xué)成分（）物理機(jī)械性質(zhì)特性及用途W(wǎng)CCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗彎強(qiáng)度（MPa）YG3x97315.015.3921050耐磨性最好，沖擊韌性最差，用于金屬切削YG4c96414.915.2901400適用于均質(zhì)和軟質(zhì)互層地層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YA69193614.41

26、5.0921400加有少量TaC成分，提高了硬度YG694614.615.089.51400適用于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，使用效果僅次于YG4cYG6x94614.615.0911350細(xì)粒合金，強(qiáng)度接近YA6，耐磨性較YA6高YG892814.014.8891500地質(zhì)勘探和石油回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用主要品種YG8c92814.014.8881750粗粒合金，沖擊韌性較高適于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YG11c891114.014.4872000耐磨性最差，沖擊韌性最高，適于沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖YG15851513.914.1872000注：硬質(zhì)合金中的附加字母“x”表示細(xì)粒合金，“c”表示粗粒合金。 二、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程二

27、、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit) 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速vm=60nmh1 影響切入深度影響切入深度h1的主要因素有：軸向力大小，的主要因素有：軸向力大小，巖石的性質(zhì)及巖屑被清除的速度。切削具的性質(zhì)、巖石的性質(zhì)及巖屑被清除的速度。切削具的性質(zhì)、幾何形狀及排布方式；鉆頭的轉(zhuǎn)速與切削具的磨鈍幾何形狀及排布方式；鉆頭的轉(zhuǎn)速與切削具的磨鈍程度。程度。 1、塑性巖石的孔底破碎過(guò)程、塑性巖石的孔底破碎過(guò)程 2、脆性巖石的孔底破碎過(guò)程、脆性巖石的孔底破碎過(guò)程 3、切入

28、與切削同時(shí)作用下的碎巖過(guò)程、切入與切削同時(shí)作用下的碎巖過(guò)程式中： Py一個(gè)切削具上的軸向壓力；S0切削具與巖石的接觸面積； 巖石的臨界抗壓入強(qiáng)度（相當(dāng)于在該條件下巖石的硬度）。 Py . S0是切削具切入巖石的必要條件，否則，切削具在井底不能切入巖石，碎巖過(guò)程只能是切削具對(duì)巖石的表面磨蝕，碎巖效果很差。因此，在硬質(zhì)合金鉆進(jìn)中，必須有足以使切削具切入巖石的軸向壓力。 在塑性巖石中，切削具切入巖石的情況如圖1.31所示。一個(gè)單斜刃的切削具在軸向壓力的作用下，切入巖石的深度為。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O并非垂直切入巖石，而是沿著與垂直線成角的線方向切入巖石。因此，在切入的過(guò)程中,在前面

29、OB上產(chǎn)生的正壓力及摩擦力（ 等于摩擦一、塑性巖石的碎巖情況：一、塑性巖石的碎巖情況：巖石切入巖石底過(guò)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（和最小等于）巖石的抗壓強(qiáng)度（壓入硬度），即：0yps（1.31）f )。系數(shù)同理，在后斜面OA上產(chǎn)生正壓力及摩擦力。各作用力平衡關(guān)系如下：0 xF21cos()cosNN0yF21sin()cosyPN tgN（1.32）（1.33）12sin(2 )cosypN010. .sin. .cosnhNbOAbh b tg02sin(2 )cosyph b tg20cossin(2 )yphb tg2cossin(2

30、)0yphb tg式中：式中： b切削具的寬度；切削具的寬度； nOA面上的法線壓強(qiáng)；面上的法線壓強(qiáng)； 垂直于垂直于AB的壓強(qiáng)，它等于巖石的抗壓入強(qiáng)度（壓入硬度）。的壓強(qiáng)，它等于巖石的抗壓入強(qiáng)度（壓入硬度）。將式（將式（1.35）代入式（）代入式（1.34）中，則有：）中，則有：因此，切入深度因此，切入深度h0為：為：若設(shè)：若設(shè)： 則有：則有：式中：式中：v由切削具刃尖角由切削具刃尖角和切削具與巖石的摩擦角和切削具與巖石的摩擦角所決定的一個(gè)系數(shù)。所決定的一個(gè)系數(shù)。在一般情況下，在一般情況下，v0.880.97。根據(jù)切削具切入巖石的條件知：根據(jù)切削具切入巖石的條件知： 圖圖1.32 塑性巖石中的

31、回轉(zhuǎn)切削塑性巖石中的回轉(zhuǎn)切削Py-軸向壓力；軸向壓力； Px-水平力；水平力； h0-切入深度；切入深度；b-切削槽寬（切削具寬度）切削槽寬（切削具寬度） 圖圖1.35 脆性巖石的回轉(zhuǎn)切削過(guò)程脆性巖石的回轉(zhuǎn)切削過(guò)程Py-軸向壓力；軸向壓力；Px-回轉(zhuǎn)水平壓力；回轉(zhuǎn)水平壓力； 刃角刃角h0-切入深度；切入深度； abc-大剪切體；大剪切體； abc-第二次大剪切體；第二次大剪切體；B1大剪切時(shí)巖面槽寬；大剪切時(shí)巖面槽寬； 圖圖1.34 單面鍥形切削具切入脆性巖石單面鍥形切削具切入脆性巖石Py-軸向壓力；軸向壓力；h0-切入深度；切入深度；kok-崩落巖穴崩落巖穴 當(dāng)鉆頭的直徑較大時(shí)，當(dāng)鉆頭的直徑

32、較大時(shí)，很小，即很小，即cos=1，sin0，則式（，則式（1.310）、）、（1.311）寫(xiě)成：）寫(xiě)成： 圖圖1.37 切入切削同時(shí)作用的井底碎巖情況切入切削同時(shí)作用的井底碎巖情況 Py-給進(jìn)力；給進(jìn)力； Px-切削力；切削力； R巖石底抗壓入阻力；巖石底抗壓入阻力； Q刃前阻力；刃前阻力；N,T-R的分力；的分力；f-摩擦系數(shù)；摩擦系數(shù)；-切削角；切削角； -切削具前面與巖石破碎面底夾角；切削具前面與巖石破碎面底夾角；-井底切削面傾角井底切削面傾角三、硬質(zhì)合金切削具的磨損三、硬質(zhì)合金切削具的磨損(Wear of tungsten carbide cutter )1. 關(guān)于切削具磨損和轉(zhuǎn)速問(wèn)

33、題的研究關(guān)于切削具磨損和轉(zhuǎn)速問(wèn)題的研究 費(fèi)得洛夫等人用魚(yú)尾鉆頭對(duì)硬質(zhì)合金切削具的磨損問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，得出如圖45中的磨損曲線。該曲線反映了切削具單位時(shí)間磨損量W與切削具刃端面積上比壓的關(guān)系。橫坐標(biāo)的分界點(diǎn) 表示巖石的壓入硬度，在其前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損。 （1）曲線當(dāng) 0時(shí)，切削具未能有效地吃入巖石，鉆進(jìn)處于表面破碎狀態(tài)，此時(shí)切削具單位時(shí)間的磨損量W正比于切削具上的比壓。 （2）曲線當(dāng) 0時(shí)，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓增大，單位時(shí)間的磨損量W不但未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。即在體積破碎的條件下，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(zhì)及切削具的磨鈍面積

34、。 費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具磨鈍面積與其初始面積和鉆進(jìn)時(shí)間有關(guān)。S（t）=S0+t 式中： S0 切削具的初始面積，mm2；t磨損時(shí)間，min； 取決于巖石性質(zhì)的磨損系數(shù)，mm2/min。 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的機(jī)械轉(zhuǎn)速隨著切削具接觸面積的增大而下降，其機(jī)械轉(zhuǎn)速vm與切削刃磨鈍面積的平凡成反比： （45）式中：A系數(shù)。當(dāng)巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時(shí)它為常量。 設(shè)鉆進(jìn)的初始參數(shù)為v0=A/so2 ，（45）式可寫(xiě)成 （46）式中：k0=/S0,，k0轉(zhuǎn)速下降的特征系數(shù)； 鉆頭在t時(shí)間內(nèi)的總進(jìn)尺為，將（46）代入，則有。因此，平均轉(zhuǎn)速為，通過(guò)變換可寫(xiě)成： （47） （47）式表明，平均轉(zhuǎn)速可寫(xiě)成以進(jìn)

35、尺H為自變量的一元線性方程。其中，v0是在縱坐標(biāo)上的截距，k0為直線的斜率。進(jìn)尺H是在鉆進(jìn)過(guò)程中容易準(zhǔn)確測(cè)得的參數(shù)，我們可以用一元線性回歸分析的方法，在若干觀察值的基礎(chǔ)上求出k0值，從而利用（47）式萊預(yù)測(cè)切削具磨損對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。 2.切削具在孔底磨損的實(shí)際情況切削具在孔底磨損的實(shí)際情況 前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實(shí)際上在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭硬質(zhì)合金切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的（圖46），即：y外y內(nèi)y，t外t內(nèi)y 切削具底端也不是想象底那樣被磨損成平面，而是呈圓弧形，刃前端和后緣磨損更加厲害（圖47） 3.減輕切削具磨損底措施減輕切削具磨損底措施 雖然切削具的磨損是不

36、可避免的，但我們應(yīng)設(shè)法把它控制在最低限度內(nèi)?？刹扇〉闹饕胧┦牵?（1）避免切削具在表面破碎狀態(tài)下工作。尤其是在高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的條件下鉆進(jìn)研磨性巖石時(shí)，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，巖石的研磨性、裂隙性等性質(zhì)，還取決于切削具在鉆頭唇面的布置。應(yīng)根據(jù)巖性選用合適的硬質(zhì)合金牌號(hào)和型號(hào)，采用合理的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)。 圖圖45 不同比壓下切削具的磨損情況不同比壓下切削具的磨損情況 表面碎巖；表面碎巖；體積碎巖體積碎巖 圖圖47 切削具刃端磨損的切削具刃端磨損的理想情況（理想情況（a）與實(shí)際情況（）與實(shí)際情況（b） 圖圖46 切削刃的實(shí)際磨損情況切削刃的實(shí)際

37、磨損情況y切削刃磨損高度；切削刃磨損高度； r,R-環(huán)槽內(nèi)外徑環(huán)槽內(nèi)外徑t-刃端磨損高度；刃端磨損高度； t內(nèi)，內(nèi)，t外刃端內(nèi)、外側(cè)磨損寬度；外刃端內(nèi)、外側(cè)磨損寬度；b-環(huán)槽寬度；環(huán)槽寬度； y內(nèi)，內(nèi)，y外外-切削刃內(nèi)外側(cè)磨損高度；切削刃內(nèi)外側(cè)磨損高度；第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭(Carbide-insert bit) 分為取芯鉆頭和不取芯鉆頭分為取芯鉆頭和不取芯鉆頭 取芯式硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素取芯式硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素 鉆頭體，切削具出刃，切削具鑲焊角鉆頭體，切削具出刃，切削具鑲焊角度，切削具在鉆頭體上的布置方式，切削度，切削具在鉆頭體上的布置方式，切削具在鉆頭體上的數(shù)目，鉆

38、頭的水口與水槽具在鉆頭體上的數(shù)目，鉆頭的水口與水槽鉆頭體鉆頭體(Bit blank)圖圖 1.315 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭切削具出刃切削具出刃(Protruding edge of cutter)巖石性質(zhì)巖石性質(zhì)內(nèi)出刃內(nèi)出刃外出刃外出刃底出刃底出刃松軟、塑性、粘性、弱研磨性松軟、塑性、粘性、弱研磨性2-2.52.5-33-5中硬、強(qiáng)研磨性中硬、強(qiáng)研磨性1-1.51.5-22-3圖圖 1.316 硬質(zhì)合金鉆頭底出刃示意圖硬質(zhì)合金鉆頭底出刃示意圖 b-環(huán)槽寬度；環(huán)槽寬度；r環(huán)槽內(nèi)半徑環(huán)槽內(nèi)半徑 圖圖 1.317 硬質(zhì)合金切削具底出刃和補(bǔ)強(qiáng)硬質(zhì)合金切削具底出刃和補(bǔ)強(qiáng)H切削具底出刃；切削具底出刃；

39、h0-切入深度；切入深度；h1-鉆頭底面過(guò)水間鉆頭底面過(guò)水間切削具的鑲焊角度切削具的鑲焊角度Welding / soldering angle of cutter 選擇原則選擇原則：對(duì)所鉆巖切入和回轉(zhuǎn)阻力??；鑲焊形式有利于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(shí)排除巖粉，磨損后的切削具應(yīng)保持一定的切削能力。 比較三種鑲焊方式的排粉條件、受力情況、鋒利情況切削具在鉆頭體上的布置方式切削具在鉆頭體上的布置方式Layout of cutters on the crown of bit blank布置時(shí)應(yīng)考慮以下：能保證鉆頭工作平穩(wěn)；多環(huán)、不同底出刃的排列，有利于形成多個(gè)破巖自由面，提

40、高效率；使每個(gè)切削具破巖工作量相近，避免局部磨損；切削具之間應(yīng)保持一定的距離，利于排粉；利于鑲焊和修磨。 圖圖411 切削具在鉆頭體上底布置切削具在鉆頭體上底布置 （1）單環(huán)排列；（）單環(huán)排列；（b）雙環(huán)排列；（）雙環(huán)排列；（c）多環(huán)排列）多環(huán)排列切削具在鉆頭體上的數(shù)目切削具在鉆頭體上的數(shù)目(Numbers of cutter on the crown of bit blank) 切削具在鉆頭底面上的數(shù)目，應(yīng)包括切削具的切削具在鉆頭底面上的數(shù)目，應(yīng)包括切削具的組數(shù)和每組的顆數(shù)。組數(shù)和每組顆數(shù)之乘積就是切組數(shù)和每組的顆數(shù)。組數(shù)和每組顆數(shù)之乘積就是切削具在鉆頭體上的數(shù)目。削具在鉆頭體上的數(shù)目。 機(jī)

41、械鉆速與切削具組數(shù)的關(guān)系：機(jī)械鉆速與切削具組數(shù)的關(guān)系：v=hqn （q：切：切削具的組數(shù)）削具的組數(shù)） 鉆頭上的切削具數(shù)目的選擇應(yīng)根據(jù)可能施加的鉆頭上的切削具數(shù)目的選擇應(yīng)根據(jù)可能施加的鉆壓、切削的型式（決定切入面積）和巖石壓入硬鉆壓、切削的型式（決定切入面積）和巖石壓入硬度等因素而定。度等因素而定。mP/s鉆頭的水口與水槽鉆頭的水口與水槽(Waterways of bit)1、水口的數(shù)目與面積 每組切削具配備一個(gè)水口，水口面積應(yīng)大于鉆頭與巖芯之間的或者鉆頭與井壁之間的環(huán)狀間隙的面積。2、水口的形狀3、水槽圖圖 1.328 硬質(zhì)合金鉆頭的各種水口和水槽硬質(zhì)合金鉆頭的各種水口和水槽一一 取芯式硬質(zhì)

42、合金鉆頭取芯式硬質(zhì)合金鉆頭(Carbide-insert bits for coring) 分為磨銳式鉆頭與自磨式鉆頭分為磨銳式鉆頭與自磨式鉆頭圖圖 1.329 磨銳式切削具和自磨式切削具磨銳式切削具和自磨式切削具圖圖 1.330 磨銳式鉆頭和自磨式鉆頭的鉆進(jìn)曲線磨銳式鉆頭和自磨式鉆頭的鉆進(jìn)曲線 磨銳式鉆頭；磨銳式鉆頭；自磨式鉆頭自磨式鉆頭典型鉆頭結(jié)構(gòu)舉例典型鉆頭結(jié)構(gòu)舉例磨銳式鉆頭磨銳式鉆頭：在鉆進(jìn)遇水膨脹、粘結(jié)性的地層肋骨鉆頭和薄和薄片鉆頭片鉆頭；在鉆進(jìn)中硬及較硬地層分環(huán)式、掏槽式自磨式鉆頭自磨式鉆頭：針狀硬質(zhì)合金鉆頭（胎塊式，鋼柱式）和薄片硬質(zhì)合金鉆頭分分環(huán)環(huán)式式鉆鉆頭頭掏掏 槽槽 式式

43、鉆鉆 頭頭胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭常用常用硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金鉆頭選型鉆頭選型類(lèi)別類(lèi)別鉆頭類(lèi)型鉆頭類(lèi)型 巖石可鉆性級(jí)別巖石可鉆性級(jí)別巖石巖石磨磨銳銳式式鉆鉆頭頭螺旋肋骨鉆頭螺旋肋骨鉆頭松散可塑性巖層松散可塑性巖層階梯肋骨鉆頭階梯肋骨鉆頭頁(yè)巖，砂頁(yè)巖頁(yè)巖，砂頁(yè)巖薄片式鉆頭薄片式鉆頭砂頁(yè)巖，碳質(zhì)泥巖砂頁(yè)巖，碳質(zhì)泥巖方柱狀鉆頭方柱狀鉆頭均質(zhì)大理巖，灰?guī)r，軟均質(zhì)大理巖，灰?guī)r，軟砂巖，頁(yè)巖砂巖，頁(yè)巖單雙粒鉆頭單雙粒鉆頭中研磨性砂巖，灰?guī)r中研磨性砂巖，灰?guī)r晶字形型鉆頭晶字形型鉆頭灰?guī)r，大理巖，細(xì)砂巖灰?guī)r，大理巖，細(xì)砂巖破擴(kuò)式鉆頭破擴(kuò)式鉆頭砂碩巖，碩巖砂碩巖，碩巖負(fù)前角階梯鉆頭負(fù)前角階梯鉆頭

44、玄武巖，砂巖，輝長(zhǎng)巖，玄武巖，砂巖，輝長(zhǎng)巖，灰?guī)r灰?guī)r自自磨磨式式胎體針狀鉆頭胎體針狀鉆頭中研磨性片麻巖，閃長(zhǎng)中研磨性片麻巖，閃長(zhǎng)巖巖鋼柱針狀鉆頭鋼柱針狀鉆頭研磨性石英砂巖，混合研磨性石英砂巖，混合巖巖薄片式自磨鉆頭薄片式自磨鉆頭研磨性粉沙巖，砂頁(yè)巖研磨性粉沙巖，砂頁(yè)巖表表43 常用硬質(zhì)合金鉆頭及其使用范圍表常用硬質(zhì)合金鉆頭及其使用范圍表第三節(jié)第三節(jié) 鉆探用金剛石及孔底碎巖過(guò)程鉆探用金剛石及孔底碎巖過(guò)程Diamond for drilling and downhole failure process 一、鉆探用金剛石鉆探用金剛石(diamond for drilling)1、分類(lèi)分類(lèi)(Class

45、ification) 天然(Natural diamond)與人造(Synthetic diamond)。人造金剛石包括單晶(Monocrystalline diamond)、聚晶(Polycrystalline diamond)和復(fù)合片Polycrystalline diamond compact)。(Explain them briefly)2、特性特性：晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，元素為C，最硬、抗壓強(qiáng)度最大、抗磨能力最強(qiáng)。脆性大，熱穩(wěn)定性差。 3、與鉆探有關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)與鉆探有關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)(Mechanical properties for diamond pertaining to d

46、rilling) 硬度(Hardness) 強(qiáng)度(Strength) 耐磨性(Wear resistance) 熱性能(Thermal properties) 4、鉆探用金剛石的粒度與品級(jí)鉆探用金剛石的粒度與品級(jí)(Quality and size of diamond for drilling) 金剛石的計(jì)量單位為克拉（carat），度量常用一克拉多少粒表示（對(duì)于粗顆粒而言），或“目”表示。表表44 天然金剛石品級(jí)分類(lèi)表天然金剛石品級(jí)分類(lèi)表級(jí)別代號(hào)用途級(jí)別代號(hào)用途特級(jí)（AAA）TT特硬地層或繩索取心鉆頭低級(jí)（C）TD中硬地層優(yōu)質(zhì)級(jí)（AA）TY堅(jiān)硬、硬地層或繩索取心鉆頭等外級(jí)TX擇優(yōu)后用于制造孕

47、鑲鉆頭標(biāo)準(zhǔn)級(jí)（A）TB硬和中硬地層TS表表45 人造金剛石品級(jí)分類(lèi)表人造金剛石品級(jí)分類(lèi)表金剛石品級(jí)代號(hào)單晶強(qiáng)度（MPa）單晶強(qiáng)度（N/粒）應(yīng)用地層特 級(jí)RT220050堅(jiān)硬優(yōu)質(zhì)級(jí)RY180022004050硬標(biāo)準(zhǔn)級(jí)RB150018003440中硬硬表表46 人造金剛石聚晶品級(jí)分類(lèi)表人造金剛石聚晶品級(jí)分類(lèi)表聚 晶 級(jí) 別代 號(hào)磨 耗 比特 級(jí)RJT1:30000優(yōu)質(zhì)級(jí)RJY1：200001：30000標(biāo)準(zhǔn)級(jí)RJB1：150001：20000第四節(jié)第四節(jié) 金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器(Diamond bit and reamer shell)1、金剛石鉆頭的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)、金剛石鉆頭的規(guī)格和標(biāo)

48、準(zhǔn)(Specifications and standard of diamond bit)（注意（注意“級(jí)級(jí)配配”） 圖圖 1.410 雙層巖心管金剛石取心鉆具組合雙層巖心管金剛石取心鉆具組合1巖心管接頭；巖心管接頭；2外管；外管；3內(nèi)管；內(nèi)管；4擴(kuò)孔器；擴(kuò)孔器；5卡簧；卡簧； 6卡簧座；卡簧座； 7鉆頭鉆頭圖圖 1.411 金剛石鉆具級(jí)配金剛石鉆具級(jí)配 圖圖 1.412 金剛石鉆頭金剛石鉆頭（a）表鑲金剛石鉆頭；（）表鑲金剛石鉆頭；（b）孕鑲金剛石鉆頭；（）孕鑲金剛石鉆頭；（c）復(fù)合片鉆頭）復(fù)合片鉆頭 圖圖 1.413 金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) （a）表鑲鉆頭；）表鑲鉆頭； （b）孕

49、鑲鉆頭；）孕鑲鉆頭；1金剛石；金剛石；2胎體；胎體；3鉆頭體；鉆頭體；4水口水口 圖圖 1.41.414 14 金剛石鉆頭刃部金剛石鉆頭刃部( (a)a)表鑲鉆頭：表鑲鉆頭： 1 1底刃金剛石；底刃金剛石；2 2保徑金剛石；保徑金剛石； 3 3側(cè)刃金剛石；側(cè)刃金剛石； 4 4胎體；胎體； 5 5鉆頭體鉆頭體(b)-(b)-孕鑲鉆頭：孕鑲鉆頭： 1 1金剛石；金剛石； 2 2工作部分胎體；工作部分胎體； 3 3非工作部分胎體；非工作部分胎體；4 4鉆頭體鉆頭體; h-; h-孕鑲層高度孕鑲層高度Surface-set diamond bitImpregnated diamond bit Poly

50、crystalline diamond compact bit（PDC bit）2、表鑲金剛石鉆頭（Surface-set diamond bit） diamond sizeCoarse grainMedium grainSmall grainStones per carat15-2525-4040-60Strata Medium hardHard Stiff hardVarious size of diamond used in surface-set diamond bitOthers of surface-set diamond bit 1. Layout of diamond on t

51、he crown of the surface-set bit； 2. Crown configuration of surface-set diamond bit； 3. Waterways of surface-set diamond bit； 4. Manufacture method of surface-set diamond bit； 3、孕鑲金剛石鉆頭（Impregnated diamond bit） Diamond quality and diamond size Diamond concentration Classification of matrix properties

52、 of impregnated diamond bit and the relationship between matrix properties and rock properties Crown configuration of impregnated diamond bit Manufacturing method of impregnated diamond bitVarious mesh size of diamond used in impregnated diamond bitDiamond size （mesh）Syntheticdiamond4646-6060-8080-1

53、00Natural diamond20-3030-4040-6060-80Strata Medium hard-hardHard stiff hardRecommended diamond concentrations of impregnated bit for different rocksCode12345Con. 44%50%75%100%125%Vol. Con. 11%12.5%18.8%25%31.5%Diamond contents1.93carat/cm32.2carat/cm33.3carat/cm34.4carat/cm35.5 carat/cm3Strata drill

54、able Hard stiff hard,Low abrasivenessHard stiff hard,Low abrasivenessHard med.hard,Med.abrasivenessHard med. hard, high abrasivenessClassification of matrix properties and the relationship between them and rock propertiesa: matrix wears properly, diamond expose normally;b: matrix wears fast,diamond

55、easily break or drop off;c: matrix wears slowly,diamonds do not expose. Hardness-one of matrix properties Grade Code Matrix hardnessFormation drillableExtra soft010-20Very hard and compact rockSoft 120-30Very hard rock with medium abrasivenessMedium soft230-35Hard rock with medium abrasivenessMedium

56、 hard335-40Medium hard,medium high abrasivenessHard 440-45Hard, high abrasivenessExtra hard545Hard-brittle-fractured rock二、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程二、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程(Failure process of downhole rocks drilled by diamond bit) 1、表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過(guò)程、表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 試驗(yàn)研究了表鑲金剛石鉆頭的碎巖過(guò)程，試驗(yàn)裝置如下圖：試驗(yàn)研究了表鑲金剛石鉆頭的碎巖過(guò)程，試驗(yàn)裝置如下圖：試驗(yàn)巖石如下表：

57、試驗(yàn)巖石如下表： Pro.Sam.Hardness (Mpa)Plastic coefficient(K)DrillabilityPenetration rateSpecific weightFriction coefficient Elastic modulus(Mpa)光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃516013.860.1154700霏細(xì)斑巖霏細(xì)斑巖81301.55100.592.550.13流紋斑巖流紋斑巖71702.30110.252.830.14（表鑲）金剛石切削碎巖的基本過(guò)程（表鑲）金剛石切削碎巖的基本過(guò)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(lèi)似壓入碎巖的作用，同時(shí)在金剛石轉(zhuǎn)

58、動(dòng)的前方，則以剪切作用產(chǎn)生貝殼狀剪切體，且在靠金剛石一方的厚度最大。圖1.4-31表示金剛石切削破碎巖石時(shí)所產(chǎn)生的大、小剪切體示意圖。用金剛石切削典型的脆性體光學(xué)玻璃時(shí)，其剪切破碎作用發(fā)育得十分完全，同時(shí)在切槽內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的裂紋，并有超前裂紋。由圖可知，其裂紋狀況與大、小剪切相互對(duì)應(yīng)。隨著巖石塑性系數(shù)塑性系數(shù)的增大，其剪切破碎效果較差。 在鉆進(jìn)過(guò)程中能量的消耗既體現(xiàn)著巖石破碎的難易程度，又表示著選用的工具和工藝的優(yōu)劣程度。由圖1.4-35知，切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(xì)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(xì)斑巖。斑巖。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)過(guò)程孕鑲金剛石

59、鉆頭的鉆進(jìn)過(guò)程 孕鑲鉆頭的工作實(shí)質(zhì)是孕鑲鉆頭的工作實(shí)質(zhì)是：1、依靠小而多的硬質(zhì)點(diǎn)（即金剛石）刻劃磨削巖石，要高轉(zhuǎn)速工作才能取得應(yīng)用的效率；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(jìn)可分為：根據(jù)施加軸向力方式的不同，鉆頭的鉆進(jìn)可分為：1、保持金剛石上的軸向力為一定值，稱(chēng)為自由給進(jìn)；2、保持金剛石的切削深度為一定值，稱(chēng)為強(qiáng)制給進(jìn)。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)是自磨自銳性質(zhì)，在保持正常鉆進(jìn)的狀態(tài)下，其鉆速應(yīng)當(dāng)是一定的，亦即鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量應(yīng)當(dāng)是一定的。 試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明：試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明：鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量是評(píng)定金剛石鉆頭鉆進(jìn)效果的重要指標(biāo)之一。第五節(jié)第五節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)及孔底碎

60、巖過(guò)程鋼粒鉆進(jìn)及孔底碎巖過(guò)程（Chilled-steel shot drilling） 用未鑲焊切削具的鉆頭壓住可連續(xù)補(bǔ)給的鋼粒，并帶動(dòng)他們用未鑲焊切削具的鉆頭壓住可連續(xù)補(bǔ)給的鋼粒，并帶動(dòng)他們?cè)诳椎追瓭L而破碎巖石的鉆進(jìn)方法稱(chēng)為鋼粒鉆進(jìn)。鋼粒鉆進(jìn)在孔底翻滾而破碎巖石的鉆進(jìn)方法稱(chēng)為鋼粒鉆進(jìn)。鋼粒鉆進(jìn)曾廣泛用于曾廣泛用于7-12級(jí)的巖石，一般用于大口徑鉆進(jìn)。級(jí)的巖石，一般用于大口徑鉆進(jìn)。一、鋼粒及鋼粒鉆進(jìn)用鉆具一、鋼粒及鋼粒鉆進(jìn)用鉆具 1、鋼粒的材質(zhì)（、鋼粒的材質(zhì)（60號(hào)、號(hào)、70號(hào)，直徑號(hào)，直徑2.5，3.5，4mm圓柱體，圓柱體，高度與直徑基本相等。）高度與直徑基本相等。） 鋼粒中含有較高的碳量，主要是