國(guó)家精品課程巖土鉆掘工程學(xué)第4章——回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

1、第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭 一、硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過(guò)程 二、金剛石鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 三、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 四、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 五、全面鉆進(jìn)與鉆頭 國(guó)家精品課程 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭 巖土鉆進(jìn)（井）方法絕大多數(shù)是機(jī)械方式，主要有： 伴有循環(huán)沖洗介質(zhì)的硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和長(zhǎng)螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 采用液動(dòng)、氣動(dòng)孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)； 振動(dòng)鉆進(jìn)。使用最廣泛的是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是在回轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上增加孔底沖擊載荷；鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)主要用于水井施工；振動(dòng)鉆進(jìn)、長(zhǎng)螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）。 7/13/20

2、22整理ppt回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)選擇鉆頭的一般原則是： 在軟巖和中硬巖層中用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)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(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進(jìn)小口徑，又可鉆進(jìn)大口徑水井、工程施工孔和淺井。 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 0、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念與特點(diǎn) 1、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念 利用鑲焊在鉆頭鋼體上的硬質(zhì)合金切削具作為碎巖的工具，這種鉆進(jìn)方法稱為硬合金鉆

3、進(jìn)。 硬合金鉆進(jìn)是巖土鉆掘工程中的一種主要鉆進(jìn)方法，它用于軟巖層及中硬巖層的鉆進(jìn)（14級(jí)軟的沉積巖、中硬的57級(jí)及部分8級(jí)巖漿巖和變質(zhì)巖）。7/13/2022整理ppt第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 一、鉆探用硬質(zhì)合金 1、硬質(zhì)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(jié)劑，用粉末冶金方法制成。稱為YG類合金。 （2）牌號(hào)的意義：如YG8c：YG鎢-鈷系硬質(zhì)合金；8鈷的百分含量為8%；c（x）粗（細(xì)）粒合金。 （3）硬質(zhì)合金特性：含鈷量相對(duì)密度,硬度,耐磨性,抗彎強(qiáng)度,沖擊韌性；WC的顆粒硬度,耐磨性；反之WC的顆粒則抗彎強(qiáng)度、韌性。 7/13/2

4、022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 2、選用硬質(zhì)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。7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 選擇切削具形狀的一般原則是： （1）片狀硬質(zhì)合金：刃薄易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于級(jí)軟巖； （2）柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強(qiáng)，壓入阻力也較小，主要適用于級(jí)中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強(qiáng)，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(yīng)用廣泛； （3）針狀和薄片狀硬質(zhì)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。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆

5、進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 二、硬合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 硬合金鉆進(jìn)的過(guò)程，實(shí)際上是切削具在軸向力的作用下，壓入巖石；在回轉(zhuǎn)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(jù)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。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 （一）塑性巖石的碎巖情況 1、切入巖石的過(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

6、與巖石的接觸面積。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 塑性巖石中，切削具切入巖石如圖示（切削具未磨鈍），根據(jù)各力的平衡關(guān)系，可推導(dǎo)出切入深度的關(guān)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）。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)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(huì)很快崩裂，實(shí)際上角的最小值為4550。 7/13/2022整理p

7、pt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 2、回轉(zhuǎn)切削過(guò)程 切削具切入巖石并回轉(zhuǎn)，在水平力Px作用下，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(shí)際上，由于振動(dòng)、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(dú)作用下切入更容易，也切入的更深。 7/13/2022整理ppt第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 （二）彈塑性巖石的孔底破碎過(guò)程 彈塑性巖石是硬質(zhì)合金鉆頭的主要鉆進(jìn)對(duì)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(shí)作用下實(shí)際的Py力

8、為（1/61/13）。碎巖顯著特點(diǎn)：以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體分三個(gè)階段： 1、切入巖石，巖石剪切破碎，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(chǎn)生若干次小剪切。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 3、當(dāng)刃前接觸面較大時(shí)，前進(jìn)受阻。繼續(xù)擠壓刃前巖石（部分被壓成粉狀）；同時(shí)，Px 力急劇增大，當(dāng)Px 力達(dá)到極限值時(shí)，產(chǎn)生大的剪切破碎，然后Px力突然減小。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 切削具不斷向前推進(jìn)，重復(fù)著壓碎、小剪切、大剪切的循環(huán)過(guò)程。切槽斷面近似于梯形。切槽寬度有規(guī)律地變化，B1為大

9、剪切時(shí)的切槽寬?？椎椎钠扑檫^(guò)程沿著傾角為的螺旋面進(jìn)行。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 綜上所述，用切削具破碎彈-塑性巖石時(shí)，在每個(gè)剪切循環(huán)中和各個(gè)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(méi)有顯著的變化，基本上是常量。 三、硬質(zhì)合金切削具的磨損 1.關(guān)于切削具磨損和鉆速問(wèn)題的研究 費(fèi)得洛夫得出磨損曲線。反映切削具單位時(shí)間磨損量W與切削具刃端面積上比壓 關(guān)系。在分界點(diǎn)=0前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損 。7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)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

10、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(zhì)及切削具的磨鈍面積。費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具 的磨鈍面積與其初始面積和鉆進(jìn)時(shí) 間有關(guān) S(t)=S0+t ； 磨損系數(shù)7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 A巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時(shí)為常量。 切削具的磨損面積與鉆進(jìn)時(shí)間成正比，而機(jī)械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。設(shè)鉆進(jìn)的初始鉆速為 v0=A/S02，上式可寫(xiě)成：式中： k0鉆速下降的特征系數(shù)，k0=/S0。 鉆頭在t時(shí)間內(nèi)總進(jìn)尺為 得到 7/13/2022整理ppt第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 平均鉆速是進(jìn)尺H 的一

11、元線性方程，v0 是縱坐標(biāo)上的截距，k0 為直線的斜率。平均鉆速和進(jìn)尺H 在鉆進(jìn)很容易測(cè)得，可以用一元回歸分析的方法，在若干觀測(cè)計(jì)算值的基礎(chǔ)上求出 k0 和 v0 ，從而利用（4-7）式來(lái)預(yù)測(cè)切削具磨損對(duì)鉆速的影響。 Hvmv0k07/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 2、硬質(zhì)合金切削具在孔底磨損的實(shí)際狀況 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)際鉆進(jìn)中，切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的，即： y外y內(nèi)y， t外t內(nèi)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。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過(guò)程 3

12、、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(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)。 (3) 及時(shí)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(qiáng)度磨損的原則，對(duì)磨損嚴(yán)重的內(nèi)外側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。 (5) 采用有潤(rùn)滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕切削具的磨損。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素一定數(shù)量的硬質(zhì)合

13、金切削具，按一定的形式排布在鉆頭體上，形成鉆進(jìn)不同地層的鉆頭結(jié)構(gòu)。硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)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，傳遞軸載和扭矩，承受切削具破巖的反作用力、孔底的動(dòng)載和摩擦。DZ-40無(wú)縫鋼管制成。上有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁有內(nèi)錐，便于卡取巖心。7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 2、切削具出刃 （1） 內(nèi)、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(guò)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(guò)小，流阻增大，容易堵塞巖心、沖毀孔壁、漂浮鉆

14、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(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、外出刃36mm ，底出刃45mm 。 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)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^(guò)水間隙兩部分組成。 H值過(guò)大，在硬巖和裂隙性巖層中容易造成崩刃，應(yīng)增加補(bǔ)強(qiáng)。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(chǎn) 生體積破碎。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 3、切削具的鑲

15、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(jìn)效果。 切削具在鉆頭唇面上有三種鑲焊方式：正斜鑲，直鑲，負(fù)斜鑲。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （1）刃角的選擇： =4550，級(jí)非裂隙性巖石；=65，級(jí)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(fù)斜鑲）應(yīng)考慮下述原則：對(duì)所鉆巖石切入和回轉(zhuǎn)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(shí)排除巖粉；磨損后的端面接觸面積不能過(guò)快增大，應(yīng)保持一定的切削能力。上述條件很難同時(shí)滿足，設(shè)計(jì)鉆頭應(yīng)根據(jù)巖性有所側(cè)重地考慮。 7/13/

16、2022整理ppt(3)三種鑲焊形式的特征分析切入深度相同時(shí)，切入所需軸向力Py和水平力Px： 正斜鑲 直鑲負(fù)斜鑲磨損體積相同時(shí)，切削刃端的磨損面積: 正斜鑲直鑲 負(fù)斜鑲?cè)叱鋈幸恢聲r(shí)，切削刃上的彎矩: 正斜鑲直鑲負(fù)斜鑲排粉條件: 正斜鑲直鑲負(fù)斜鑲通常正斜鑲的鉆頭在軟巖 中具有高鉆速，而負(fù)斜鑲鉆頭適用于硬巖和非均質(zhì)巖層，最常用的是直鑲。 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 4、硬質(zhì)合金切削具在鉆頭體上的布置方式 切削具的排列方式有：?jiǎn)苇h(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(shí)，每個(gè)切削具只破碎孔

17、底的一部分，疊加起來(lái)完成整個(gè)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(gè)切削具負(fù)擔(dān)的破巖量接近，避免局部磨損過(guò)甚； 切削具之間應(yīng)保持一定的距離，以利于排粉； 對(duì)切削具的鑲焊和修磨方便。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （2）切削具布置方式 單環(huán)排列：一個(gè)或二個(gè)切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡(jiǎn)單； 多環(huán)排列：多個(gè)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(gè)切削具集中為一組排列，前刃掏槽，后刃擴(kuò)槽，相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)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(diǎn)就多，單

18、位時(shí)間完成的切削量就大，鉆速也越高，鉆頭壽命較長(zhǎng)。但是，由于軸向載荷有限，單個(gè)切削具上的載荷不足，只能形成表面破碎；同時(shí)，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(duì)軟巖取較少的數(shù)量，對(duì)較硬和非均質(zhì)及研磨性巖石，為保證鉆頭壽命，一般應(yīng)取密集式排列。7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 6、鉆頭的水口和水槽 （1）作用：是沖洗液流經(jīng)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(shí)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(yīng)大于或等于鉆頭

19、外環(huán)空間（包括回水槽）的面積。 7/13/2022整理ppt 二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭 取心式硬質(zhì)合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。 1、磨銳式硬質(zhì)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(jìn)中，隨切削具磨損，機(jī)械鉆速逐漸下降。一般適用于研磨性小的軟及中硬巖石。 2、自磨式硬質(zhì)合金鉆頭 采用小斷面切削刃，磨損后，接觸面積不變，無(wú)變鈍的弱點(diǎn)，機(jī)械鉆速基本平穩(wěn)。 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 3、典型鉆頭結(jié)構(gòu)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

20、力小，使孔底比較干凈，避免重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率。 適用于鉆進(jìn)級(jí)（部分級(jí)）松軟巖層、粘土層、風(fēng)化砂巖及鋁土頁(yè)巖等。7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)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(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖。 （3）“品”字形硬合金鉆頭三顆合金呈“品”字形焊成一組。中間的出刃較大掏槽，兩邊的出刃較小擴(kuò)槽。 主要用于級(jí)和軟硬互層的巖石。切削具可以直鑲也可 以正斜鑲。 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （4）針狀自磨式鉆頭 把預(yù)制好的胎塊焊在鉆頭體上。胎塊內(nèi)包裹針狀硬質(zhì)合金。支撐體胎體硬度要合適，保證超前

21、磨耗，以利于針狀硬質(zhì)合金自磨出刃。鉆頭可用于鉆進(jìn)57級(jí)中等研磨性的巖石。7/13/2022整理ppt三、硬質(zhì)合金鉆頭選型表 鉆頭類型 巖石可鉆性級(jí)別 巖 石螺旋肋骨鉆頭 松散可塑性巖層階梯肋骨鉆頭 頁(yè)巖， 砂頁(yè)巖薄片式鉆頭 砂頁(yè)巖 ，碳質(zhì)泥巖方柱狀鉆頭 均質(zhì)大理巖,灰?guī)r,軟砂巖,頁(yè)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，細(xì)砂巖破擴(kuò)式鉆頭 砂礫巖 ，礫巖負(fù)前角階梯鉆頭 玄武巖 ，砂巖，輝長(zhǎng)巖，灰?guī)r胎體針狀鉆頭 中研磨性片麻巖，閃長(zhǎng)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(yè)巖 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石及

22、其孔底碎巖過(guò)程金剛石是迄今最堅(jiān)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(kù)特”（）主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用。7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程人造金剛石單晶人造金剛石聚晶由細(xì)小的金剛石顆粒、粘合劑燒結(jié)成較大顆粒的多晶金剛石人造金剛石復(fù)合片（PDC）由一層金剛石多晶薄層、一層較厚的硬質(zhì)合金層復(fù)合而成。2. 天然金剛

23、石的特性 金剛石為結(jié)晶體碳原子之間以共價(jià)鍵相連，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。金剛石的弱點(diǎn)：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(guò)程中，須隔氧，避長(zhǎng)時(shí)間高溫；在使用中，須避免承受沖擊載荷并及時(shí)冷卻切削刃。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 3. 與鉆探有關(guān)的金剛石物理力學(xué)性質(zhì)(1) 硬度極高，研磨硬度是剛玉的150倍，石英的1000倍。(2) 有極大的抗靜壓強(qiáng)度。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度大約8600MPa，約為剛玉的3.5倍，硬質(zhì)合金的1.5倍，鋼的9倍。用于鉆探的人造金剛石一般要求強(qiáng)度達(dá)2500MPa以上。(3) 極高的耐磨性是剛玉的90倍，硬

24、質(zhì)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(dǎo)體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。線膨脹系數(shù)僅為硬質(zhì)合金的1/41/5，鋼的1/81/10，但隨溫度升高而增長(zhǎng)較快，這對(duì)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(qiáng)度、耐磨性已受到嚴(yán)重影響。所以鉆進(jìn)中必須充分冷卻，防止發(fā)生金剛石鉆頭燒鉆事故。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 4、鉆探用金剛石的粒度和品級(jí) （1）金剛石的粒度 國(guó)際上通用的計(jì)量單位是克拉。鉆探用金剛石常用一克拉(0.2g) 多少?；蜻^(guò)篩

25、網(wǎng)目數(shù)來(lái)衡量。鉆探用的金剛石粒度： 粗粒520粒/克拉； 中粒2040粒/克拉； 細(xì)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(kuò)孔器，細(xì)、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴(kuò)孔器。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 （2）金剛石的品級(jí)7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 二、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 1. 表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 把鉆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(dòng)的切削具， 巖石破碎時(shí)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

26、 f金剛石與巖石的摩擦系數(shù)； Py 每粒金剛石上的載荷。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)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(chǎn)生大小剪切體，切槽寬度金剛石顆粒直徑。金剛石被磨鈍時(shí)，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(jié)構(gòu)被改變?？椎啄骋稽c(diǎn)經(jīng)多次重復(fù)加載產(chǎn)生破碎，具有疲勞破碎的性質(zhì)。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 2. 孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 孕鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過(guò)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(jìn)規(guī)程中保持自磨出刃的性能（“自銳”），才能維持鉆速

27、恒定而不衰減。其碎巖機(jī)理類似于砂輪磨削工件。以唇面上多而小的硬質(zhì)點(diǎn)（金剛石）對(duì)加工件（孔底巖石）進(jìn)行刻劃、磨削，隨著硬質(zhì)點(diǎn)的逐漸磨損和消失及粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點(diǎn)又裸露出來(lái)參加工作。唇面金剛石出露較好時(shí)，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程如果胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒(méi)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(guò)程中表現(xiàn)為鉆頭“打滑”，鉆速迅速下降。微動(dòng)載碎巖 有學(xué)者認(rèn)為，無(wú)論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過(guò)程中，孔底還存在著微動(dòng)載的碎巖過(guò)程。鉆壓、鉆柱彈性變形、回轉(zhuǎn)振動(dòng)和泵壓脈動(dòng)對(duì)孔底巖石的破碎

28、起到了積極的促進(jìn)作用。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 根據(jù)碎巖特點(diǎn)，可分為表鑲金剛石鉆頭、孕鑲金剛 石鉆頭和聚晶燒結(jié)體(包括復(fù)合片)金剛石鉆頭。7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)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(xì)粒粒/克拉152525404060巖層中硬硬堅(jiān)硬7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 2. 金剛石在唇面的排列 鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭外側(cè)的規(guī)徑刃和內(nèi)邊棱

29、部的金剛石負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)刃。制造鉆頭時(shí)須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作規(guī)徑刃和內(nèi)邊刃，用回收的金剛石作側(cè)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(jìn)中不會(huì)在孔底形成“巖脊”。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 3. 鉆頭的唇面斷面形狀(1) 圓弧形唇面：較好保護(hù)內(nèi)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(guò)分磨損，適用于堅(jiān)硬和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(dǎo)

30、向；(4) 內(nèi)錐形唇面：用于強(qiáng)研磨性和破碎巖層及內(nèi)邊刃過(guò)早磨損的巖層，也可鉆礫巖用于厚壁鉆頭； 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jìn)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(qiáng)制沖洗，有效地冷卻唇面金剛石和及時(shí)排除孔底巖粉。7/13/2022整理ppt二、孕鑲金剛石鉆頭 我國(guó)鉆探生產(chǎn)主要用孕鑲鉆頭，比表鑲鉆頭優(yōu)越性：對(duì)于金剛石品級(jí)的要求低于表鑲鉆頭；抗沖擊載荷能力較好，如果唇面金剛石發(fā)生剪崩對(duì)鉆進(jìn)效果的影響小，對(duì)違反操作規(guī)程

31、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(guò)程更簡(jiǎn)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(kuò)孔器粒度(目)人造464660608080100天然2030304040606080巖層中硬硬硬堅(jiān)硬7/13/2022整理ppt2. 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(dāng)金剛石的體積占胎體工作層體積1/4時(shí)濃度為100%，全部是金剛石濃度400%。選擇金剛石濃度的依據(jù)是所鉆巖性、金剛石的品級(jí)和粒度，兼顧胎體的包鑲能力和鉆壓值的大小。巖石越堅(jiān)硬致密，金剛石

32、質(zhì)量好，粒度細(xì)，濃度宜較低；唇面比壓較大時(shí)可選較高的濃度，這樣對(duì)提高胎體耐磨性也有好處。常用濃度70%120%，過(guò)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(kuò)孔器7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 3. 鉆頭的胎體性能 孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，胎體的磨損速度應(yīng)適當(dāng)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(guò)早的崩刃或脫粒，從而失去鉆進(jìn)能力、鉆頭壽命縮短。合適的胎體耐磨性應(yīng)能使唇面金剛石正常出刃，且在每粒金剛石的后面形成蝌蚪狀支撐。7/13/2022整理pp

33、t 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器當(dāng)巖石更硬時(shí)，金剛石磨損得更快，但這時(shí)產(chǎn)生的巖屑更薄，數(shù)量更少，因此巖屑對(duì)胎體的磨蝕作用弱于稍軟的巖石。所以在堅(jiān)硬的巖石中鉆進(jìn)時(shí)，必須選擇低耐磨性（硬度較?。┑奶ンw。由于測(cè)定硬度的方法簡(jiǎn)單，雖然胎體的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍習(xí)慣用胎體的硬度來(lái)表示其耐磨性。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jiǎn)單，多為平底形，在孔內(nèi)磨合一段時(shí)間后便自然形成圓弧形。堅(jiān)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面。孕鑲金剛石鉆頭常用聚晶保徑，可取得滿

34、意的鉆進(jìn)效果。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 5. 鉆頭的水口與水路 對(duì)孕鑲金剛石鉆頭而言，因?yàn)樗慕饎偸鋈蟹浅Ｐ?，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(rùn)）區(qū)，用于冷卻和排粉的水流主要通過(guò)水口和水槽。孕鑲鉆頭往往設(shè)計(jì)成多水口、小水口，這樣對(duì)防止燒鉆有利。 7/13/2022整理ppt第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 三、金剛石擴(kuò)孔器 金剛石擴(kuò)孔器安裝于鉆頭和巖心管之間，是金剛石鉆進(jìn)不可缺少的組成部分。擴(kuò)孔器的作用： 修擴(kuò)孔壁，保證鉆孔直徑符合要求減少新鉆頭下孔的擴(kuò)孔量； 保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉(zhuǎn)速下保持動(dòng)平衡狀態(tài)；

35、 四、金剛石鉆頭及 擴(kuò)孔器制造 無(wú)壓浸漬法 熱壓法 電鑄法 7/13/2022整理ppt第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 用未鑲焊切削具的鉆頭壓住自由狀態(tài)的鋼粒，并帶動(dòng)它們?cè)诳椎诐L動(dòng)而破碎巖石的鉆進(jìn)方法稱為鋼粒鉆進(jìn)。曾廣泛用于級(jí)巖石，隨著金剛石鉆進(jìn)普及，它在中小口徑中已逐漸被取代。但在大口徑硬巖鉆進(jìn)中仍有一席之地。 一、鋼粒及鋼粒鉆進(jìn)用鉆具1. 鋼粒的特性抗壓碎強(qiáng)度、硬度、耐磨性和屈服極限較高，可減少破巖過(guò)程中自身的消耗 ，在軸向載荷下不至于產(chǎn)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(zhì)：一般60號(hào)、70號(hào)高碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)、

36、淬火可達(dá)到較高硬度。7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)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(zhuǎn)力傳遞給鋼粒，帶動(dòng)其在孔底翻滾。鉆頭呈圓筒形 下開(kāi)弧形水口，用于排除巖粉、分選鋼粒和“導(dǎo)砂” 。整套鉆具由鉆頭、巖心管、異徑接頭、取 粉管和鉆桿柱組成。7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 二、鋼粒鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 圓柱形鋼粒在鉆頭軸向和回轉(zhuǎn)力（聯(lián)系力）作用下 在孔底巖面不斷翻滾，以動(dòng)壓入體積破碎方式和動(dòng)疲勞破碎方式破巖。 1. 動(dòng)壓入體積破碎圓柱形鋼粒在孔底每翻滾一次都會(huì)給巖石一個(gè)微動(dòng)載作用。完整鋼粒的棱邊與巖石接觸類似于楔形工

37、具動(dòng)壓入破巖，鋼粒與巖石的接觸面積很小，壓應(yīng)力集中，周圍的巖石出現(xiàn)裂紋，繼而產(chǎn)生跳躍式體積破碎。由于孔 底不平，可能軸載瞬時(shí)集中在少數(shù)鋼粒上，更加強(qiáng)了這種動(dòng)壓入體積破碎。 7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 2. 動(dòng)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(shí)，類 似于球形壓模動(dòng)壓入巖石的情況，下部巖石存在著兩個(gè)危險(xiǎn)極值帶，壓力邊緣存在拉伸應(yīng)力，有助于產(chǎn)生一定深度的表面裂紋。7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 眾多鋼粒的重復(fù)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(lái)離

38、 開(kāi)母體。這就是鋼粒鉆進(jìn)的主要破巖方式動(dòng)疲勞破碎。若軸載越大，則造成疲勞破碎所 需要的重復(fù)次數(shù)越少，破巖效果越好。 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，上述兩種破巖方式往往是同時(shí)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(jīng)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(dòng)加劇，這種振動(dòng) 對(duì)鋼粒動(dòng)壓入、動(dòng)疲勞破巖是有利的 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 0. 牙輪鉆進(jìn)概述牙輪鉆進(jìn)利用牙輪鉆頭在井底回轉(zhuǎn)，使牙輪在井底滾動(dòng)，以沖擊和壓碎剪切方式破碎巖石的一種鉆進(jìn)方法。牙輪鉆進(jìn)一般不取心，廣泛用于油氣和大口

39、徑施工鉆進(jìn)，適應(yīng)性廣，在級(jí)的巖石中效果最好。牙輪鉆的類型：銑齒、鑲齒；有體式、無(wú)體式；單牙輪、雙牙輪和三牙輪等。生產(chǎn)中以三牙輪鉆頭應(yīng)用最多。 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 塑性巖石：自洗式牙輪鉆頭。硬和堅(jiān)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(jié)構(gòu)由鉆頭體、牙輪爪、牙輪、軸承、水眼和儲(chǔ)油密封補(bǔ)償系統(tǒng)等組成。7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 1. 牙輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)牙齒隨鉆頭一起繞鉆頭軸線順

40、時(shí)針旋轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)， 速度=鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度。外齒公轉(zhuǎn)線速度最大。牙齒繞牙輪軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)。牙輪自轉(zhuǎn)是破巖時(shí)牙齒與地層巖石之間相互作用的結(jié)果。 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)。鉆頭在孔底的縱向振動(dòng)，使鉆柱不斷壓縮與伸張，周期變化的彈性能通過(guò)牙齒轉(zhuǎn)化為沖擊作用破碎巖石，與靜載壓入一起形成了鉆頭對(duì)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(dòng)及對(duì)地層的沖擊、壓碎作用7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 3

41、.牙齒對(duì)地層的剪切作用 剪切作用主要是由于牙輪在滾動(dòng)的同時(shí)還伴有牙齒對(duì)孔底的滑動(dòng)而產(chǎn)生的，產(chǎn)生滑動(dòng)的原因在于牙輪的超頂、復(fù)錐和移軸三種結(jié)構(gòu)。 3.1 超頂引起的滑動(dòng) 牙輪錐頂超過(guò)鉆頭軸心的結(jié)構(gòu)稱為超頂，超過(guò)的距離ob為超頂距c。 設(shè)工作時(shí)牙輪上每一點(diǎn)的公轉(zhuǎn)為b，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為c。 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 牙輪與地層接觸母線上x(chóng)點(diǎn)，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(diǎn)vcb=0。速度合成后，在ob段形成向后滑動(dòng)速度vsx，此時(shí)牙輪受一滑動(dòng)阻力Ps，因而有滑動(dòng)阻力矩Ms(-)=PsR

42、。使牙輪的角速度c降低。在oa段由vbx和vcx合成的滑動(dòng)速度vsx。近o處產(chǎn)生與Ms(-)同向的滑動(dòng)阻力矩Ms(-)，在近a處產(chǎn)生一個(gè)Ms(-)反向的滑動(dòng)阻力矩Ms(+) 。7/13/2022整理ppt第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 Ms(-)、Ms(-)及Ms(+)達(dá)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(duì)于巖石的滑動(dòng)速度，呈直線與ab線交于M點(diǎn)，vsM=0為純滾動(dòng)點(diǎn)，bM段向后滑動(dòng)，aM段向前滑動(dòng)?；瑒?dòng)速度隨超頂距c的增大而增大。3.2 復(fù)錐引起的滑動(dòng) 復(fù)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?/13/2022整理ppt 第六節(jié)

43、 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 復(fù)錐牙輪線速度不作直線而是折線分布，所以產(chǎn)生滑動(dòng)。 3.3移軸引起的滑動(dòng)牙輪軸線在鉆頭水平投影沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離牙輪的移軸。移軸后將產(chǎn)生牙輪的軸向滑動(dòng)。低硬、高塑巖層，偏移大；高硬度、低 塑性巖層，偏移值??；研磨性的硬地層，偏移為零。7/13/2022整理ppt第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 綜上所述：超頂和復(fù)錐引起切線方向滑動(dòng)，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(dòng)，可剪掉齒圈之間的巖脊，軸向滑動(dòng)雖可提高破巖效率但牙齒也磨損劇烈，因此須銑齒加固。實(shí)際上，用于軟中硬地層的鉆頭一般兼有移軸、超頂和復(fù)錐；一部分用于中硬

44、 或硬地層鉆頭有超頂和復(fù)錐；用于堅(jiān)硬和強(qiáng)研磨性地層的牙輪鉆頭是純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)的（即 單錐，不超頂，也不移軸）。 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 4.牙輪鉆頭的自洗 牙齒鉆頭在軟地層鉆進(jìn)時(shí)，牙齒間易積存巖屑產(chǎn)生泥包，影響鉆進(jìn)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(gè)牙輪的牙齒間積存的巖屑由另一個(gè)牙輪的牙齒剔除。 7/13/2022整理ppt 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 三、牙輪鉆頭的分類法 1. 我國(guó)三牙輪鉆頭的分類和代號(hào) 三牙輪鉆頭分為2大類8個(gè)系列，系列代號(hào)用漢語(yǔ)拼音表示，鉆頭型號(hào)表示方法如下： 鉆頭直徑用數(shù)字表示； 系列名稱代號(hào)用

45、表4-10規(guī)定的字母表示 型號(hào)代號(hào)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(hào) （自習(xí)）7/13/2022整理ppt第七節(jié) 全面鉆頭 0、全面鉆頭概述全面鉆進(jìn)鉆進(jìn)中不采取巖心，全面破碎孔底巖石。全面鉆進(jìn)所使用的鉆頭全面鉆頭。使用全面鉆頭不受回次進(jìn)尺的限制，可節(jié)約大量升降鉆具和取心的輔助作業(yè)時(shí)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(yīng)用。全面鉆頭包括硬質(zhì)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(zhì)合金和金剛石全面鉆頭的破巖機(jī)理與取心鉆頭類似。7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 一、硬質(zhì)合金全面鉆頭 1. 翼片式全面鉆頭 翼片式

46、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(jìn)松軟巖層鉆進(jìn)； 翼片鉆頭的翼片切削具采用直鑲，多用于鉆進(jìn)軟中硬巖層。 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(yú)尾鉆頭。 7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 （2）切削角：角越大，吃入深度越深，但角過(guò)大時(shí)，剪切破碎困難，鉆進(jìn)阻力大。一般= 7085，軟地層角應(yīng)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(shí)刀翼的受力類似于懸臂梁；背部應(yīng)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(jié)構(gòu)角

47、 （1）刃尖角：表示刀刃的尖銳程度。越 小，切入巖石的能力越強(qiáng)但強(qiáng)度小。軟巖層810；巖石較硬1215；夾層多， 孔較深時(shí)角也適當(dāng)增大。7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 1.3 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(gè)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(cè)底刃既掏槽又保徑，蹩鉆嚴(yán)重。大慶油田根據(jù)反階梯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了反錐形刮刀鉆頭，刀翼的底刃可設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)斜面，使孔底形成一兩個(gè)截錐體。 7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 1. 4 提高刀翼的耐磨性為保證足夠的

48、強(qiáng)度，刀翼一般用高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成。刀翼表面平鋪一層YG8硬質(zhì)合金塊，以增強(qiáng)耐磨性和防止泥漿對(duì)刀翼的沖刷。側(cè)部鑲焊YG-8硬質(zhì)合金保徑。 1.5 典型翼片鉆頭舉例 （1）常用二翼、三翼鉆頭 適用于級(jí)的巖層。三翼鉆頭在大口徑鉆進(jìn)中應(yīng)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(jī)械鉆速。7/13/2022整理ppt第七節(jié) 全面鉆頭 （2）三翼片階梯鉆頭：可鉆進(jìn)級(jí)巖層。階梯翼片直焊。根據(jù)不同巖性取不同的翼片偏心距，保證中心處能剪切碎巖。 7/13/2022整理ppt 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(jí)的研磨性巖層中鉆進(jìn)。

49、7/13/2022整理ppt 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(jié)構(gòu)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(dǎo)正圈間距鉆頭直徑，外側(cè)面加焊合金肋骨修擴(kuò)鉆孔。翼板按一定的角度焊在下導(dǎo)正圈的內(nèi)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(lái)，在鉆進(jìn)基巖和卵礫石層時(shí)，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。 7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 2.2 鉆頭的特點(diǎn) （1）單腰帶鉆頭鉆進(jìn)阻力小，鉆速比雙腰鉆頭高； （2）雙腰帶鉆頭具有良好的導(dǎo)正作用，超前的四翼錐形小鉆頭主要起定向作用（并保護(hù)出漿口不被阻塞），使鉆頭工作平穩(wěn)，擴(kuò)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(jìn)，故孔底破巖自由面大，鉆效高。 （4）小鉆頭可對(duì)砂礫層起松動(dòng)作用，少量不易破碎的卵礫石可擠進(jìn)圓籠內(nèi)，不妨礙繼續(xù)鉆進(jìn)。 7/13/2022整理ppt 第七節(jié) 全面鉆頭 3.