項目二-2.2回轉(zhuǎn)鉆進

項目2.1工程施工鉆發(fā)展2023/1/142.1.1工程施工鉆的產(chǎn)生與發(fā)展

用作工程施工為目的的工程鉆，開始用于礦山豎井、采礦爆破、供水井及其它工程技術(shù)鉆孔，一般來說深度較淺．但口徑較大。

荷蘭最早于1927年采用回轉(zhuǎn)法鉆直徑2m以上大口徑工程井；美國1930年英格索·蘭公司采用大口徑鋼粒鉆進工程孔；蘇聯(lián)1941年用轉(zhuǎn)盤鉆打大口徑孔，并制丁“莫茲巴斯”5.5m大口徑鉆機；西德和法國都在50年代分別錳成泵吸反循環(huán)鉆機和“貝諾特”大口徑工程鉆機；到1970年前后，日本就引進和發(fā)展了數(shù)十種大口徑工程施工鉆機。美國自1961年開始地下核試驗以來，試驗場上的大口徑鉆井技術(shù)一直在不斷演變。2.1.2工程施工鉆的應(yīng)用

目前工程施工鉆按照工況條件與目的的不同，其應(yīng)用領(lǐng)域大致分為以下三個方面：1、各種地面或地下大型建筑物基礎(chǔ)工程施工

各項基礎(chǔ)工程施工方法很多，除了根據(jù)工程要求與地層情況而采用直接基礎(chǔ)、底座基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)等傳統(tǒng)施工方法外，大量現(xiàn)代基礎(chǔ)工程多采用大口徑樁基礎(chǔ)，包括預(yù)制樁和就地灌注樁。因此，目前各種鉆孔樁用途愈來愈廣泛。（1）鉆孔灌注樁

就地鉆孔、下籠、灌注混凝土成樁，常用作大型建筑物、閘墩、橋墩、碼頭、港口、倉庫等基礎(chǔ)。其目的是用人工方法改善原來基礎(chǔ)條件之不足，提高承載與抗風、抗震能力，防止下沉、傾斜、倒塌、滑坡，延長建筑物使用年限?；鶚犊资┕げ粌H可用作地面和地下建筑，亦可用作水下和海中建筑物等的支承樁（如海上開采油、氣平臺的支承樁）。

（2）管樁

亦屬就地成樁，分鋼管樁和混凝土管樁，與上不同的是沉樁后有的逐在管內(nèi)鉆巖成孔、下鋼筋楚和灌注混凝土，將管柱與塾措牢固連接戚艇．同樣，還可用作橋基礎(chǔ)與其它重型建筑物基礎(chǔ)。（3）地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻分：排桂式和壁式兩種施工方式，廣泛用于上下水道、輸水涵洞、地下鐵道、地下公路、地下街道、地下倉庫以及儲水池、油庫、水庫作為擋土墻、隔水墻、重力壩防滲墻等地面和地下建筑骨架。它大量代替?zhèn)鹘y(tǒng)式的露天或地下開挖造墻、鋼板樁等施工方式，

（4）錨柱

錨樁廣泛用于錨錠結(jié)構(gòu)物，錨固易坍倒塌方的擋土墻和順層坡等；也用于加固地下建筑和坑道、涵洞的頂幫．為確保建筑物的安全，均宜采用錨樁錨固。此外，還有專門治理滑坡而采用斜坡基礎(chǔ)樁或滑坡防措錨固鏈2、各種已竣工程基礎(chǔ)的注漿加固處理

這方面用途日益廣泛，現(xiàn)簡舟如下。

（1）原有混凝土橋墩、壩基、港口碼頭等基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)裂隙、滲藹，利用鉆孔注漿予以加固處理，

（2）原有混凝土、磚石及其它各類蓮蕕物基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)縫隙，利用鉆孔注漿堵塞粘舍，

（3）古建筑物基礎(chǔ)下沉不牢，利用鉆孔注漿加固處理。

（4）路基沉降，利用鉆孔注漿加固充填。

（5）各類建筑物或路基下基巖發(fā)現(xiàn)裂縫或溶蝕（洞穴）面下陷，利用鉆孔注漿充填等3、各種工程技術(shù)鉆孔（井）方面

這方面的工程技術(shù){奇孔（并）崩途更多，應(yīng)用亦較早，現(xiàn)今其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴大，例如：

（1）礦山采礦爆破運輸、通風、排水孔（井）等。

（2）原來的常規(guī)的礦山采礦豎井開挖法已被安全的鉆井法所代替，我國已制成9m直徑的大型豎井鉆機。

（3）地下核試驗，大部分地下菝試驗都是在鉆井中進行的?？趶揭堰_5m以上，并深可達200-500m。

（4）監(jiān)視地震、觀測地殼運動和觀測以及用來解決地面沉降。

（5）敷設(shè)地下管道、埋置地下線纜。

（6）沼氣釋放、儲存液化石油氣、排放廢渡廢氣、回藩儲能、倔學凍結(jié)等。

（7）應(yīng)急救險、檢查工程質(zhì)量、大型供水井（國外有火力發(fā)電始用筆直餮5m、井深60m的供水井）。

（8）考古挖掘鉆孔等，2.1.3國內(nèi)外工程施工鉆的現(xiàn)狀

用鉆探方式作為某種工程施工手段的工程施工鉆，目前國內(nèi)外應(yīng)用日益廣泛。工程量最多的是基礎(chǔ)工程。首先是鉆孔灌注樁的施工，其次就是排柱式地下連續(xù)墻的施工。1、樁孔施工

灌注樁孔的直徑，根據(jù)工程目的和要求而異。除微型樁直徑小300mm外，一般灌注樁直徑從500-800mm以至l000-1500mm；大型灌注樁孔直徑達1500-3000mm以至4000--5000mm。鉆孔深度一般在20--30mm以內(nèi)，只有承載層很深的情況下，才需達到60～70m左右。

灌注樁施工的優(yōu)點主要是：效率高、成本低、無噪音、場地小、可以通過第四系地層，亦可鉆人基巖，樁的剛性大，樁的直徑、長度、型式可視工程需要而定。強度和承載力大。灌注樁亦有缺點：如成樁受天氣影響，某些地層如不能控制流失、塌孔，會給成樁帶來困難，質(zhì)量檢驗手段還不夠完善等。

項目2.2回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

一、硬質(zhì)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2023/1/14中國地質(zhì)大學勘查教研室?guī)r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(zhì)的硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進；②

采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進；③

鋼絲繩沖擊鉆進；④

振動鉆進。上述方法中，使用最廣泛的是回轉(zhuǎn)鉆進。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是在回轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上增加孔底沖擊載荷；鋼絲繩沖擊鉆進主要用于水井施工；振動鉆進、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）?；剞D(zhuǎn)鉆進選擇鉆頭的一般原則是：

①

在軟巖和中硬巖層中用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆頭；②

在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭；③

在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭；④

在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。⑤

金剛石鉆頭主要用于59、76（75）、91mm的小口徑；⑥

鋼粒鉆頭主要用于91mm以上的口徑；⑦硬質(zhì)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。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

一、硬質(zhì)合金鉆進的基本概念與特點

1、硬質(zhì)合金鉆進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，這種鉆進方法稱為硬合金鉆進。硬合金鉆進是巖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（1—4級軟的沉積巖、中硬的5—7級及部分8級巖漿巖和變質(zhì)巖）。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

一、硬質(zhì)合金鉆進的基本概念與特點

2、硬質(zhì)合金鉆進的特點

（1）切削具固定在鉆頭體上，它可以鉆進任意傾角的鉆孔。不受孔向、孔徑和孔深的限制；（2）鉆出的孔壁及巖心直徑比較一致，表面比較光滑，有利于安全鉆進和保證取心；（3）可以根據(jù)不同的巖性和要求，合理地設(shè)計和選擇鉆頭的結(jié)構(gòu)，以便在不同的巖層中取得較優(yōu)的效果；（4）鉆進中操作簡便，容易掌握。（5）鉆孔質(zhì)量容易保證，巖心采取率較高，孔斜較小。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

二、鉆探用硬質(zhì)合金

1、硬質(zhì)合金的特性（1）鉆探用的鎢—鈷合金：主要是碳化鎢（WC）—鈷(Co)系硬質(zhì)合金。它以碳化鎢粉末為骨架金屬，鈷粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。這類硬質(zhì)合金稱為YG類硬質(zhì)合金。

（2）牌號的意義：合金牌號如YG8c的意義為：YG—鎢-鈷系硬質(zhì)合金；8—鈷的百分含量為8%；c（x）—粗（細）粒合金。

（3）硬質(zhì)合金的特性：合金中含鈷量增加，相對密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗彎強度、沖擊韌性增高；WC的顆粒越細，硬度越大、耐磨性越強；反之，則抗彎強度、韌性增強。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

二、鉆探用硬質(zhì)合金

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。2023/1/14

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

二、鉆探用硬質(zhì)合金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Ⅰ～Ⅴ級軟巖；

（2）柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強，壓入阻力也較小，主要適用于Ⅳ～Ⅶ級中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強，利于排粉和破巖，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。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

三、硬合金鉆進的孔底碎巖過程

硬合金鉆進的過程，實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。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。2023/1/14

第一節(jié)

硬質(zhì)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：

Py≥HyF0

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。

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第一節(jié)

硬質(zhì)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；

β——切削具的刃角，度；

Hy——巖石的壓入硬度；

η——摩擦力影響系數(shù)（η小于1）。2023/1/14

第一節(jié)

硬質(zhì)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

上式表明：塑性巖石切削具的切入深度h0與軸向力Py成正比，而與切削具的刃角β、刃寬b、巖石的壓入硬度Hy成反比。雖然β角越小切削具刃尖切入巖石越容易，但如果β很小則切削具會很快崩裂，實際上β角的最小值為45°～50°。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

（一）塑性巖石的碎巖情況

2、回轉(zhuǎn)切削過程

切削具切入巖石并回轉(zhuǎn)時，在水平力Px作用下，壓迫其前面的巖石，使之發(fā)生塑性變形并不斷地向自由面滑移，稱為切削作用。在切屑的裂隙尚未發(fā)展到全段面斷裂之前，下一部分切屑又發(fā)生滑移。因此，其切屑應(yīng)該是連續(xù)的、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬是相同的。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

（一）塑性巖石的碎巖情況

2、回轉(zhuǎn)切削過程

實際上，由于鉆具的振動、沖洗液的沖刷，切削的巖屑是碎裂成巖粉被沖洗液帶至地表；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。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

三、硬合金鉆進的孔底碎巖過程

（二）彈塑性巖石的孔底破碎過程

彈塑性巖石是硬質(zhì)合金鉆頭的主要鉆進對象。理論上，按切削具的切入條件，需要很大的軸向力，而實際的Py力要小得多（1/6~1/3），究其原因，主要是切削具并非以靜壓入的方式破巖，而是在雙向力的同時作用下破碎巖石。

其碎巖的顯著特點則是在切削具的作用下以跳躍式的剪切破碎為主。巖石破碎大體分三個階段：

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

（二）彈塑性巖石的孔底破碎過程

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。

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(chǎn)生大的剪切破碎，然后Px力突然減小。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

（二）彈塑性巖石的孔底破碎過程

切削具不斷向前推進，重復(fù)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γ的螺旋面進行。

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硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損硬合金鉆進時，隨著切削具破碎孔底巖石，切削具本身不斷被磨損，對機械鉆速產(chǎn)生影響。機械鉆速vm取決于切削具切入巖石的深度h和鉆頭轉(zhuǎn)速n

，其表達式為vm=60n?m?h

，鉆進中，由于切削具被磨損，h減小，鉆速將逐漸衰減。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

1、切削具磨損和鉆壓的關(guān)系費得洛夫等研究了單位時間磨損量與刃端面積上比壓的關(guān)系。

（1）曲線Ⅰσ＜σ0，切削具未能有效吃入巖石，鉆進處于表面破碎。此時切削具單位時間的磨損量W正比于切削具上的比壓σ。

（2）曲線Ⅱσ＞σ0，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓σ增大，W不僅未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢。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(zhì)及切削具的磨鈍面積。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

2、切削具的磨損與鉆進時間、鉆進速度的關(guān)系

費得洛夫提出，在一定條件下切削具的磨鈍面積S和機械鉆速vm分別為：

S（t）=S0+θt

；

式中：S0——切削具的初始面積，mm2；

t——磨損時間，min；

θ——取決于巖石性質(zhì)的磨損系數(shù)，mm2/min。

A——系數(shù)，當巖性、鉆進規(guī)程及鉆頭一定時它為常量。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。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

3、關(guān)于切削具的磨損問題的研究設(shè)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=θ/S0。鉆頭在t時間內(nèi)總進尺為，代入vm得到。因此，平均鉆速為，通過變換可寫成

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

3、關(guān)于切削具的磨損問題的研究（4-7）（4-7）式表明，平均鉆速是進尺H的一元線性方程，其中，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(chǔ)上求出k0和v0，從而利用（4-7）式來預(yù)測切削具磨損對鉆速的影響。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

4、硬質(zhì)合金切削具在孔底磨損的實際狀況

前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實際鉆進中，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（圖4-7）。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

5、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、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)合金牌號和型號，采用合理的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)。

(3)及時修磨切削具，減小初始接觸面積，降低其磨損率。

(4)采取等強度磨損的原則，對磨損嚴重的側(cè)面進行補強。

(5)采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕磨損。

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第二節(jié)

取心式硬質(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(jié)構(gòu)。這些決定鉆頭結(jié)構(gòu)的因素稱為硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素。

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。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素

1、鉆頭體

鉆頭體是硬質(zhì)合金切削具的支撐體，傳遞軸載和扭矩給切削具，承受切削具破巖的反作用力、孔底的動載和摩擦。鉆頭體是DZ-40無縫鋼管制成。上端車有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁上設(shè)計有內(nèi)錐，便于卡取巖心。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素

2、切削具出刃

鑲焊在鉆頭體上的切削具必須突出鉆頭體一定的量，此突出部分稱為切削具的出刃。切削具出刃有：內(nèi)出刃、外出刃和底出刃。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

2、切削具出刃

（1）

內(nèi)、外出刃作用：保證鉆頭體與孔壁、巖心之間有一定的間隙，避免鉆頭體摩擦孔壁和巖心，為循環(huán)沖洗提供通道。設(shè)置不合理的危害：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：主要取決于巖層，一般為1~3mm。巖層較硬、孔壁穩(wěn)固、鉆速較低，取小值；反之，取較大的值。在遇水膨脹或有大量巖粉的軟地層鉆進時，必須加焊肋骨，增大內(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、外出刃3～6mm，底出刃4～5mm。

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第二節(jié)

取心式硬質(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^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(yīng)補強。一般為2~5mm。

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。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素

3、切削具的鑲焊角度具有一定刃角β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α，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。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

3、切削具的鑲焊角度（1）刃角β的選擇：

①

β=45°～50°，用于Ⅰ～Ⅳ級非裂隙性巖石；②

β=65°，用于Ⅴ～Ⅶ級巖石；③

β=90°的小切削具，用于自磨式鉆頭。（2）切削角α的選擇：根據(jù)所鉆巖性來選擇。①

鉆進軟巖，選擇切削性能較好的正斜鑲，α=70°～80°；②

脆性和較硬巖石，切削具主要按壓碎和剪切作用碎巖，切削具易磨鈍，應(yīng)選擇入巖較鋒利的直鑲、負斜鑲，α=90°～105°。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(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：單（雙）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：

①

能保證鉆頭在孔底工作平穩(wěn)；②

多環(huán)排列時，每個切削具只破碎孔底的一部分，疊加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；③

盡量使每個切削具負擔的破巖量接近，避免局部磨損過甚；④

切削具之間應(yīng)保持一定的距離，以利于排粉；⑤對切削具的鑲焊和修磨方便。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

4、硬質(zhì)合金切削具在鉆頭體上的布置方式（2）切削具布置方式

①

單（雙）環(huán)排列：一個或二個切削具覆蓋唇面，加工簡單；

②

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；

③

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。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(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(zhì)及研磨性巖石，為保證鉆頭壽命，一般應(yīng)取密集式排列。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(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)大于或等于鉆頭外環(huán)空間（包括回水槽）的面積。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭（一）取心式硬質(zhì)合金鉆頭分類

按切削具的磨損形態(tài)，硬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須用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、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，無變鈍的弱點，機械鉆速基本平穩(wěn)。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭（二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭

1、松軟及中軟巖層所用的鉆頭在中軟巖層中鉆進的特點是：①巖石壓入硬度較小，可在較小的軸向壓力下切入巖石；②切入深度較大，巖屑的顆粒也較大；③鉆速高，單位時間產(chǎn)生的巖屑量大，要求鉆頭易于排粉；④該類巖層粘結(jié)性大，容易發(fā)生糊鉆和遇水膨脹等問題，因此，鉆具和孔壁間、巖心管和巖心間要有較大的間隙；⑤巖層的研磨性較小，可以選用鋒利的切削刃。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

1、松軟及中軟巖層所用的鉆頭（1）肋骨式鉆頭：主要用于鉆進遇水膨脹、粘性較大的軟巖。依鉆頭結(jié)構(gòu)不同，分為螺旋肋骨鉆頭和階梯式肋骨鉆頭。①

螺旋肋骨鉆頭特點：流通載面大，孔底干凈，鉆進效率較高。②階梯式肋骨鉆頭的特點：肋骨片較厚，水口寬，孔底呈階梯狀?？摄@進3~5級巖石。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

（二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭

1、松軟及中軟巖層所用的鉆頭

（2）薄片硬合金鉆頭：特點是：底出刃和內(nèi)、外出刃較大，沖洗巖屑的間隙較大，切削刃尖銳鋒利。有菱形與斜角薄片等形式。主要用以鉆進粘結(jié)性較小的軟巖。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

（二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭

2、中硬及較硬巖層用的鉆頭

這類巖層中鉆進的特點是：①巖石的壓入硬度較大，為了保證切削具切入巖石，需有大的軸向壓力，因此，要求切削具有承受較大的抗彎能力；②切削具切入深度較小，鉆速相對較低，單位時間產(chǎn)生的巖粉量也較軟巖要少；③巖石脆性較大、粘性小，排粉問題不很突出。因此，在這類巖層中鉆進，主要的問題是碎巖和磨損。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

（二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭

2、中硬及較硬巖層用的鉆頭

鉆進該類巖層鉆頭形式很多，主要有：（1）內(nèi)外鑲硬質(zhì)合金鉆頭：將四方柱或大八角硬質(zhì)合金在鉆頭底唇面分內(nèi)外出刃分環(huán)排列，斜鑲或直鑲。四方柱內(nèi)外鑲鉆頭適用于3~5級巖石，大八角內(nèi)外鑲鉆頭適用于5~7級巖石。2023/1/14

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

2、中硬及較硬巖層用的鉆頭

（2）單雙粒硬合金鉆頭和品字形硬合金鉆頭：把3顆硬合金切削具焊成一組呈品字形，可分散排列（單雙粒硬合金鉆頭），也可集中排列（品字形硬合金鉆頭）。其特點：單粒掏槽，雙粒擴槽。單雙粒硬合金鉆頭可鉆進4~5級巖石，品字形硬合金鉆頭可鉆進4~6級巖石。

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第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

二、取心式硬質(zhì)合金鉆頭（二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭

3、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)按一定原則包裹針狀硬質(zhì)合金，支撐體的胎體硬度要合適，保證超前磨耗，以利于針狀硬質(zhì)合金自磨出刃。這種鉆頭可用于鉆進5~7級中等研磨性的巖石。2023/1/14

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

金剛石是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最堅硬的研磨切削材料，已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。地質(zhì)鉆探用金剛石約占世界工業(yè)金剛石用量的五分之一，主要用于金剛石鉆進的鉆頭、擴孔器和其他金剛石切削工具一、金剛石鉆進的概念與特點

1、金剛石鉆進的概念金剛石鉆進是一種比較先進的鉆進方法。它是將金剛石材料采用一定的方法包裹于基體（胎體）中，并與鉆頭鋼體固結(jié)為一體形成金剛石鉆頭，用于回轉(zhuǎn)碎巖的一種方法。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

一、金剛石鉆進的概念與特點

2、金剛石鉆進的特點

（1）主要用于硬巖和堅硬巖石，也可鉆進軟-中硬巖石；（2）鉆進效率高；（3）鉆孔質(zhì)量好；（4）施工勞動強度比較輕；（5）鉆探成本比較低，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

二、鉆探用金剛石

1、鉆探用金剛石的分類鉆探用金剛石按成因分為天然的、人造的兩大類。

（1）制造鉆頭的天然金剛石可分為“包布茲”（Bortz），“剛果”（Congo），“卡邦納多”（Carbonado），“巴拉斯”（Ballas）和“雅庫特”（Якут）五類。其中，“包布茲”主要用于制造表鑲鉆頭，“剛果”主要用于孕鑲鉆頭，“卡邦納多”和“巴拉斯”現(xiàn)已很少用于做鉆頭，“雅庫特”產(chǎn)于俄羅斯，主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

二、鉆探用金剛石

1、鉆探用金剛石的分類

（2）人造金剛石包括單晶、聚晶和金剛石復(fù)合片等。聚晶是由細小的金剛石顆粒、粘合劑燒結(jié)成較大顆粒的多晶金剛石；金剛石復(fù)合片（PDC）是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。2023/1/14

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

1、鉆探用金剛石的分類

金剛石單晶：強度高、耐磨性好，在硬-堅硬地層中鉆進能取得良好的效果；但由于其粒度小，在軟-中硬地層中難以取得較高的鉆速，且由于出刃量小，容易發(fā)生糊鉆事故。

金剛石聚晶：高溫穩(wěn)定性好，強度較高，耐磨性好，能直接合成所需的形狀，在中硬地層中能取得較好的鉆進效果，但其強度較單晶小，所以不適用于大部分硬-堅硬的巖層鉆進。

金剛石復(fù)合片：綜合了金剛石的耐磨性和硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性，且在鉆進中金剛石層保持了銳利的切削角，所以，在軟-中硬地層能取得較好的效果。2023/1/14第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

2、金剛石的特性（1）金剛石為碳的結(jié)晶體，晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，碳原子之間以共價鍵相連，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。（2）典型的晶形有立方體、八面體和十二面體等。（3）金剛石是世界上最硬、抗壓強度最大、抗磨損能力最強的材料。其莫氏硬度為10級，是石英的1000倍；天然金剛石的抗壓強度約為8600MPa，是鋼的9倍。耐磨性是鋼的2000~5000倍。（4）它的脆性較大，遇到?jīng)_擊載荷會出現(xiàn)碎裂；（5）熱穩(wěn)定性較差，在高溫下遇氧便氧化并被轉(zhuǎn)化為石墨（“石墨化”）。因此，在金剛石工具的制造過程中，須隔氧，避免長時間受高溫；在使用中，須及時冷卻切削刃。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

3、鉆探用金剛石的粒度和品級

（1）金剛石的粒度通用的計量單位是克拉（carat）。鉆探用金剛石常用一克拉（0.2g）多少?；蜻^篩網(wǎng)目數(shù)（每平方英寸的網(wǎng)格數(shù)）來衡量。鉆探用的金剛石粒度：粗?！?～20粒/克拉；中?！?0～40粒/克拉；細?！?0～100粒/克拉；粉?！?00～400粒/克拉。其中，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。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

（2）金剛石的品級：主要根據(jù)晶形和強度來判定。人造單晶晶形分為5種：

①完整晶體。晶形好、強度高、耐沖擊，是理想的切磨耗材。

②等積形。晶體長軸與短軸之比不超過1.5﹕1的稱為等積形。強度較高，但形狀尚好，在鉆探中的應(yīng)用占有一定比例。

③非等積形。晶體長軸與短軸之比超過1.5﹕1者為非等積形。質(zhì)量差，形狀不好，強度很低，在鉆探中不宜采用。

④連晶。共晶面或晶棱的晶體、非完整晶體的連生體。將連晶破碎為單晶，經(jīng)整形分選，得到質(zhì)量較好的金剛石在鉆探上使用。

⑤聚晶體。許多小的晶體無規(guī)則地聚合叢生稱為聚晶體。質(zhì)量差，強度很低，鉆探中不能采用。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

二、鉆探用金剛石

3、鉆探用金剛石的粒度和品級（2）金剛石的品級：主要根據(jù)晶形和強度來判定。

按強度區(qū)分是金剛石的品級：工業(yè)上衡量人造單晶金剛石質(zhì)量的可計量指標是單軸抗壓強度。用于鉆探的人造金剛石強度一般在2500Mpa以上，即：60#（60目）單晶單粒的抗壓值在85N以上。2023/1/14

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

三、金剛石鉆進的孔底碎巖過程

表鑲鉆頭（鉆頭胎體上的金剛石顆粒較大）與孕鑲鉆頭（胎體上的金剛石顆粒較?。┑乃閹r機理有著顯著的不同。

國內(nèi)外研究表明，金剛石鉆進的孔底碎巖過程存在有以下幾種機理

1、壓碎剪切與疲勞破碎

2、犁掘作用原理

3、多刃研磨切削

4、微動載碎巖2023/1/14

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

1、壓碎剪切與疲勞破碎表鑲鉆頭上的單粒金剛石在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、小剪切體破碎，切槽寬度＞金剛石顆粒直徑。當金剛石被磨鈍時，在Py、Px的作用下，產(chǎn)生壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)，巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋，裂紋的數(shù)量及深度取決于軸載和轉(zhuǎn)速?？椎啄骋稽c經(jīng)多次重復(fù)加載，產(chǎn)生破碎，碎巖過程具有疲勞破碎的性質(zhì)。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

2、犁掘作用原理（塑性破碎）鉆進時，孔底巖石是在三向應(yīng)力狀態(tài)下（圍巖壓力、液柱壓力和軸向載荷），隨圍壓的增加，巖石的塑性增大。當以塑性破碎為主時，將發(fā)生明顯的犁掘作用過程，即：鉆頭唇面上出露的金剛石，在軸向壓力作用下侵入巖石表面，在切向力作用下沿橫向滑移時，滑移前方的壓縮應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生張應(yīng)力滑移區(qū)，在滑移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生向前、向左、向右、向下的裂紋，當應(yīng)力增加時，裂紋擴展。應(yīng)力超過巖石強度時，首先在金剛石的正前方出現(xiàn)溝槽形的破碎，在其兩側(cè)也將沿薄弱面產(chǎn)生破碎。2023/1/14

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

3、多刃研磨切削孕鑲鉆頭金剛石顆粒小，且埋藏于胎體之中，鉆進中必須自磨出刃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(zhì)點（金剛石）對加工件（孔底巖石）進行刻劃、磨削，隨著硬質(zhì)點的逐漸磨損和粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點又裸露出來參加工作。當唇面金剛石出露較好時，在磨削的同時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。如果孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒有足夠的鉆壓，胎體不能超前磨耗，鉆進中表現(xiàn)為鉆頭“打滑”，鉆速迅速下降。

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第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

4、微動載碎巖

有些學者認為，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。在軸向壓力（鉆壓）下，鉆頭被緊壓在孔底巖石表面，鉆具的回轉(zhuǎn)振動和鉆柱彈性變形對孔底鉆壓的加強或減弱、泵送流體的壓力脈動，對孔底巖石的破碎起到了積極的促進作用。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

一、金剛石鉆頭的種類

金剛石鉆頭、金剛石擴孔器組成一套鉆具。

金剛石鉆頭的種類有：天然、人造；電鍍、熱壓；單管、雙管；繩索取心、定向鉆進；取心、全面；礦山、油井；等等。根據(jù)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(jié)體(包括復(fù)合片)金剛石鉆頭。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

一、金剛石鉆頭的種類

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

一、金剛石鉆頭的種類

我國在鉆探生產(chǎn)中主要采用的是孕鑲金剛石鉆頭，與表鑲鉆頭相比孕鑲鉆頭的優(yōu)越性表現(xiàn)在：

(1)對金剛石品級的要求低于表鑲鉆頭；

(2)孕鑲鉆頭抗沖擊載荷的能力較好，對鉆進效果的影響小于表鑲鉆頭，對違反操作規(guī)程的敏感程度也小于表鑲鉆頭；

(3)制造過程簡單，不必按規(guī)定布置擺放金剛石顆粒。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

二、金剛石鉆頭的規(guī)格和標準

金剛石鉆頭的規(guī)格尺寸是很嚴格的，我國的金剛石鉆頭規(guī)格系列為：36.5，46.5，59．5，75（76），91mm等。鉆頭、擴孔器、巖心管與套管之間有嚴密的級配關(guān)系。

(1)所鉆的鉆孔要為下入該級套管提供足夠的間隙，

(2)當套管下入后，其內(nèi)徑須為下一級鉆頭及擴孔器的下入提供足夠的間隙。

(3)巖心管的外徑與孔壁應(yīng)有足夠的間隙以便沖洗液暢通，其內(nèi)徑應(yīng)該能容納巖心。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

三、金剛石鉆頭胎體和胎體中的金剛石參數(shù)

(一)金剛石鉆頭胎體

金剛石鉆頭胎體用于包裹金剛石，并與鉆頭鋼體牢固連接。對鉆頭胎體性能的要求是：

1、胎體能牢固地包鑲金剛石。

2、胎體應(yīng)有足夠的強度和抗沖擊性能。

3、胎體的硬度、耐磨性要與所鉆巖石的硬度、研磨性相適應(yīng)。孕鑲鉆頭對這些性能要求更加嚴格。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

(一)金剛石鉆頭胎體

孕鑲鉆頭鉆進時，胎體的磨損速度應(yīng)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(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。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

（二）金剛石在胎體中密度（濃度）

1、金剛石在胎體中的密度

金剛石在胎體中的密度是表鑲鉆頭金剛石含量的表示方法，其含義為：胎體表面單位面積金剛石的顆粒數(shù)。其范圍一般為16~41粒/cm2，根據(jù)金剛石顆粒大小和所鉆地層適當調(diào)節(jié)。大顆粒的、軟地層的選用低密度，小顆粒的、硬地層的選用高密度。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

2、金剛石在胎體中濃度

孕鑲鉆頭使用濃度來表示金剛石在胎體中的含量，鉆頭胎體工作層中金剛石體積的百分含量

。“400%濃度制”。孕鑲鉆頭中的金剛石濃度一般為70~120%，濃度過高，端面金剛石與巖石的接觸面積增大，單粒金剛石上的壓力較小，壓入巖石的深度減小。當小于巖石抗壓強度時，其為表面破碎和疲勞破碎，鉆速很低，甚至不進尺；濃度過低，在端面上出露的金剛石太少，不能滿足全斷面切削孔底巖石，同時還造成單粒金剛石上的壓強太大，出露的金剛石就過早地磨鈍或崩刃、脫粒。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

（三）金剛石的出刃

1、表鑲鉆頭金剛石出刃原則：

（1）正常的泵壓條件下巖粉能從鉆頭端面順利通過；（2）金剛石出刃在鉆進時不易被折斷；（3）金剛石在胎體中包鑲牢固。

出刃值取決于金剛石粒度和所鉆巖石的物理力學性質(zhì)。一般，以不超過金剛石直徑的25％一30％為宜。軟、粗粒巖石中，出刃值應(yīng)較大；硬巖及破碎巖層中，出刃值應(yīng)較小。

2、孕鑲鉆頭的金剛石出刃

孕鑲鉆頭金剛石的出刃自銳的過程，設(shè)計金剛石出刃值的實質(zhì)是設(shè)計好胎體的性能。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

（四）金剛石在胎體上的排列

金剛石在胎體上的排列主要是指表鑲鉆頭唇面上的金剛石顆粒的排列，其原則為：

1、金剛石均勻布滿鉆頭的胎體表面，并有一定的重疊度；

2、便于沖洗液排除巖粉，充分冷卻金剛石；

3、鉆進中，唇面內(nèi)外兩側(cè)的棱部金剛石負擔最重，其次為底刃，再次為側(cè)面刃。須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作規(guī)徑刃和內(nèi)邊刃。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

（四）金剛石在胎體上的排列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。螺旋排列一般用于軟巖鉆進，其排粉效果最好。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

四、鉆頭的唇面形狀（一）表鑲金剛石鉆頭的唇面形狀

1、圓弧形唇面（圓弧直徑≥胎體厚度）——規(guī)徑處可布置較多的金剛石，保徑效果好，適用于中硬和硬巖層；

2、多階梯形唇面——多用于壁厚大的鉆頭，適用于中硬和硬巖層，有利于破巖和導向；

3、內(nèi)錐形唇面——鉆頭內(nèi)邊刃保強；適用于研磨性強、破碎的巖層。

4、外錐形唇面——鉆頭外邊刃保強；適用于較軟、易碎地層，多用于雙管和繩索取心鉆頭。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

（二）孕鑲金剛石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(nèi)磨合一段時間后便自然形成圓弧形。如果堅硬、弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚，可把鉆頭唇面做成同心環(huán)槽、鋸齒狀或階梯形，以形成較多的破巖自由面。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

五、鉆頭的水口與水槽

（一）表鑲鉆頭的水口與水槽表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙，強制沖洗液從主水路通過，有效地冷卻唇面金剛石和及時排除孔底巖粉，唇面上的水口和水槽的數(shù)目不能太多，常用的水口形狀見圖4-23。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

五、鉆頭的水口與水槽

由于表鑲鉆頭的金剛石粒徑與布排與孕鑲鉆頭不同，其水口與水槽也有所不同。

（二）孕鑲鉆頭的水口與水槽孕鑲金剛石鉆頭的金剛石出刃非常小，它的主水路不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而是水口。在鉆頭唇面與孔底巖石之間只存在漫流（或濕潤）區(qū)，用于冷卻和排粉的水流主要通過水口和水槽。因此，孕鑲鉆頭往往設(shè)計成多水口、小水口，這樣對防止燒鉆有利。2023/1/14

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

六、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。

（一）擴孔器的作用

1、修擴孔壁，保證鉆孔直徑符合要求；

2、保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)條件下保持良好的動平衡狀態(tài)；

3、延長鉆頭壽命。減少新鉆頭下孔的擴孔量，防止鉆頭早期磨損。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器

六、金剛石擴孔器

（二）擴孔器的結(jié)構(gòu)類型擴孔器由鋼體和含金剛石的凸起胎體組成（形成水槽）現(xiàn)用擴孔器的樣式很多，有單管的、雙管的、繩索取心的；有天然金剛石、人造單晶金剛石、人造聚晶金剛石的；有直棱、直條、螺旋棱、螺旋條的等等。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

一、鋼粒鉆進的基本原理

1、鋼粒鉆進的基本概念用未鑲焊切削具的鉆頭壓住不與鉆頭鋼體鑲在一起、呈自由狀態(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。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

2、鋼粒鉆進的基本原理

巖心管的下端接有鋼粒鉆頭（鉆頭鋼體），鉆頭上開有口?？椎淄队幸欢康摹白杂伞钡匿摿?，受周圍巖石的限制，鋼粒壓在鉆頭的底唇之下和兩側(cè)。鉆進中，鉆頭向下施加一定的軸向壓力，并作回轉(zhuǎn)運動。隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動，鋼粒在鉆頭與巖石之間不斷滾動，對孔底巖石進行碾壓，達到破碎巖石的目的。同時，泵送的沖洗液由鉆頭內(nèi)間隙流經(jīng)孔底，再由鉆頭外間隙上返流出，沖排巖屑和磨損失去工作能力的鋼粒屑。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

3、鋼粒鉆進的特點（1）作為碎巖磨料的鋼粒，并不固定在鉆頭體上，而是自由地壓在鉆頭底面和兩側(cè)；（2）鋼粒碎巖的過程是一個對孔底巖石碾壓的過程；（3）回轉(zhuǎn)的離心力和沖洗液的沖刷力使鋼粒在孔底的分布：鉆頭外側(cè)多于內(nèi)側(cè)；

（4）沖洗液的循環(huán)對孔底的鋼粒能起到分選作用，磨損變小的和失去工作能力的鋼粒懸浮于外側(cè)間隙中，未被磨損的或磨損少的在孔底工作。改變沖洗液量可改變分選狀態(tài)；2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

3、鋼粒鉆進的特點（5）由于碎巖過程本身的特點，決定了這種方法可以破碎比鋼粒自身還要硬的巖石，可用于鉆進中等硬度以上的堅硬巖石（9～12級的巖石），但鉆進效率較低；（6）鋼粒、鉆頭鋼體和管材的磨耗量很大；（7）鉆探質(zhì)量較差（孔壁與巖心表面粗糙、巖心直徑變化大、采取率低、孔壁間隙大、鉆孔易彎曲等）（8）不能鉆水平、向上和大頂角的鉆孔，也不宜于在大裂隙、空洞和涌水量大的地層中采用；（9）鉆進工藝較復(fù)雜，特別是沖洗液量的控制。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

二、鋼粒與鋼粒鉆頭

（一）鋼粒

1、鋼粒的形狀與材質(zhì)（1）鋼粒的形狀：是直徑為2.5~4mm的圓柱體，圓柱體的高等于其直徑，有利于鋼粒在孔底的滾動。

（2）鋼粒的材質(zhì)與性能：一般是60號、70號高碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)、淬火可達到較高硬度。其抗壓強度可達到1000kg/粒，硬度HRC（洛氏硬度）≥50。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（一）鋼粒

2、鋼粒的粒度通常，鋼粒的粒度按2.5、3、3.5、4mm分成四個粒度級別。（1）粒度與鉆進速度的關(guān)系根據(jù)實驗，隨著鋼粒粒度的增大，鉆速與功耗增大；鋼粒和鉆頭磨耗減小。從這種意義上講，增大鋼粒的粒度是有益的。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（一）鋼粒

2、鋼粒的粒度（2）鋼粒的粒度與鉆進質(zhì)量的關(guān)系鉆粒粒度還直接影響到鉆進質(zhì)量，鋼粒過大會產(chǎn)生下列危害：①

內(nèi)環(huán)狀間隙增大，使巖心變細，容易發(fā)生巖心堵塞、巖心脫落、殘留巖心等問題，巖心采取率低。②

外環(huán)間隙增大，孔徑被擴大，鉆桿和粗徑鉆具轉(zhuǎn)動不穩(wěn)，會造成過大的鉆孔彎曲。2023/1/14第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（一）鋼粒

2、鋼粒的粒度（3）鋼粒的粒度與鉆頭壁厚的配合關(guān)系

在鉆頭壁厚一定時，如果鋼粒直徑超過一定限度，鉆頭唇底不能穩(wěn)定壓砂，就不能有效地破碎巖石。一般，鋼粒直徑與鉆頭壁厚的配合關(guān)系為：

t=（3~4）d式中：t——鉆頭壁厚，毫米；

d——鋼粒直徑，毫米。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（二）鋼粒鉆頭

1、鋼粒鉆頭的功用和結(jié)構(gòu)（1）鋼粒鉆頭的功用與性能：鋼粒鉆頭的功用是將鉆桿傳來的軸向壓力及回轉(zhuǎn)力傳遞給鋼粒。鉆頭唇面把鉆粒壓在孔底巖面上，并依靠其本身的彈塑性變形及摩擦力帶動鋼粒在孔底巖石上滾動，破碎巖石，鉆頭本身不直接破碎巖石，但受鋼粒及巖屑的作用，不斷被磨損。良好的鋼粒鉆頭應(yīng)具有以下的性能：

①

能很好地壓住鋼粒，并能帶動鋼粒沿孔底滾動；

②

能順利地流通沖洗液，排除鉆粉；

③

鉆頭應(yīng)耐磨，并能保持良好的導砂性能和補砂性能。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

1、鋼粒鉆頭的功用和結(jié)構(gòu)（2）鋼粒鉆頭的結(jié)構(gòu)

①

鋼粒鉆頭的結(jié)構(gòu)呈圓筒狀。材料一般為45號中炭鋼，硬度低于鋼粒，以保證與鋼粒間有一定的連系力，牽動鋼粒滾動。②

外徑上下一致，內(nèi)壁上部有1﹕100的錐度，以便卡取巖心。③

鉆頭外徑有：75，91、110、130、150毫米等級別，壁厚9~11毫米。④

鉆頭底部開有水口，用于流通沖洗液和向鉆頭唇面下補給鋼粒。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（二）鋼粒鉆頭

2、鋼粒鉆頭的水口（1）水口的功用

①

提供比較穩(wěn)定的過水斷面，保證沖洗液流通；

②良好的導砂作用，把鋼粒導入鉆頭底唇之下，保證鉆頭唇部有足夠的鋼粒在井底工作。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

（2）水口的形式

鋼粒鉆頭的水口一般只有一個，水口不宜過寬，通常不大于鉆頭周長的1／4。否則，將減少鉆頭“壓砂”工作端面，其形式如圖。

弧形邊比直斜邊的導砂性能要好，但加工較困難。單斜邊和單弧形加工較簡單，但底開口較大，鉆頭工作端面較小，且沿高度磨損時，水口面積變化較大；雙弧形水口效果最好。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

三、鋼粒鉆進的碎巖機理

鋼粒鉆進破碎孔底巖石主要有以下機理：

1、壓碎碎巖——體積破碎

（1）尖楔壓入破碎巖石——鉆進開始階段（2）球形壓模壓入碎巖——鉆進中后期

2、疲勞破碎——鋼粒鉆進的主要碎巖方式

3、脈動沖擊碎巖——鋼粒鉆進全過程

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

1、壓碎碎巖（1）尖楔壓入破碎巖石：開始時，鋼粒呈柱狀，當邊棱與巖石接觸時，接觸面積小，壓力集中，接觸面上的壓強較大，達到巖石的壓入硬度，鋼粒壓入巖石，巖石呈體積破碎方式破裂。

（2）球形壓模壓入碎巖：當鋼粒磨成球形，接觸面積雖有所增加，但鋼粒大小不均，仍存在壓力集中，如果鉆壓足夠大，壓強達到了巖石壓入硬度，同樣發(fā)生壓入碎巖（類似球模壓入碎巖）。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

1、壓碎碎巖

壓碎碎巖方式雖屬于體積式碎巖，但在鋼粒鉆進中，它所占的碎巖比率不大，因為這種碎巖方式主要是靠接觸面積小而造成大的壓強來實現(xiàn)的。由于接觸面本身甚小，所以每次碎巖的量也不大。同時在鉆進中以棱角壓巖石的機會也比較少。還有鋼粒上的這些棱角在發(fā)生壓碎巖石的同時，鋼粒本身不斷地被磨損。至于靠分布不勻壓力集中以達到壓碎巖石的情況，產(chǎn)生的機會也較少。

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第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

2、疲勞破碎疲勞破碎是由鋼粒的碾壓作用而產(chǎn)生的碎巖方式，鉆進中被成球形或橢球形的鋼粒，以一定的壓力壓于巖石表面，當壓力未達到巖石壓入硬度時，不會壓入巖石，但其下部巖石中存在著兩個危險極值帶，壓力邊緣處存在拉伸應(yīng)力，這種壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的作用，加上鉆粒的變形、與巖石的摩擦力，將巖石壓裂和撕裂成一定深度的許多裂紋，稱之為碾壓作用。隨著眾多鋼粒的重復(fù)碾壓，裂紋加深加密，使交叉發(fā)育的裂紋以巖屑的形式被剝離下來離開母體。2023/1/14

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

3、脈動沖擊碎巖鋼粒鉆進中，由于鋼粒本身和每個鋼粒存在尺寸不均勻、井底的不平、鉆桿柱本身產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，回轉(zhuǎn)時，對井底巖石產(chǎn)生脈動沖擊破碎巖石。由于鋼粒鉆進中，這種脈動沖擊比較強烈。會產(chǎn)生較大的體積破碎，同時，也會促進碾壓裂隙的發(fā)展。正是由于碾壓疲勞碎巖和脈動沖擊碎巖，所以，鋼粒鉆進可以破碎比鋼粒和鉆頭體本身還要硬的巖石。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

牙輪鉆進的概念：牙輪鉆進是利用牙輪鉆頭在井底回轉(zhuǎn)，使鉆頭上的牙輪在井底滾動，以滾動沖擊和壓碎剪切方式破碎巖石的一種鉆進方法。

牙輪鉆進的應(yīng)用：牙輪鉆進一般是不取心的全面鉆進，廣泛應(yīng)用于油氣鉆井和大口徑施工鉆進，適用于Ⅰ～Ⅻ級的巖石，在Ⅵ～Ⅹ級的巖石中效果最好。

牙輪鉆頭的類型：有銑齒式、鑲齒式；有體式、無體式；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。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

一、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)

（一）牙輪鉆頭的組成

牙輪鉆頭由

鉆頭體、牙輪爪

（巴掌）、牙輪、軸承、水眼和儲油密封補償系統(tǒng)等部分組成。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

（二）牙輪鉆頭的基本參數(shù)

1、牙輪

帶有牙齒的錐體，用以破碎巖石。外錐面有1—3種錐度。單錐牙輪由主錐和背錐組成；復(fù)錐牙輪由主錐、副錐和背錐組成。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

（二）牙輪鉆頭的基本參數(shù)

2、牙輪軸線偏移（移軸）為了使牙輪產(chǎn)生滑動，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離（或使牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個角度）。

牙輪軸線的偏移值，應(yīng)根據(jù)巖層的特性來定。低硬度、高塑性的巖層，偏移值較大；高硬度、低塑性的巖層，偏移值較?。谎心バ缘挠驳貙雍蛨杂驳貙?，偏移值為零。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

3、牙輪的布置（1）不超頂布置。牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心。牙輪純滾動，無滑動。齒圈不嚙合。適用于鉆硬地層。（2）超頂不移軸布置。軸線交于鉆頭軸線，主錐超頂。牙輪在孔底有滑動，齒圈嚙合，可自洗。適用于軟及中硬地層鉆進。（3）超頂、移軸。牙輪軸線偏移，且主錐超頂，牙輪可自洗，且可以使牙輪產(chǎn)生軸向滑動。適用于軟及中硬地層鉆進。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

（二）牙輪鉆頭的基本參數(shù)

4、牙輪鉆頭的牙齒牙齒可分為銑齒和鑲齒兩大類。（1）銑齒：由牙輪毛坯經(jīng)過銑削加工而成。為了提高牙齒的耐磨性，在齒面上敷焊硬合金粉。牙齒的抗沖擊韌性較好，主要用于軟地層、中硬地層。（2）鑲齒：牙齒由硬質(zhì)合金鑲焊而成。硬度高，主要用于堅硬地層，也用于中硬和軟地層。2023/1/14

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

牙輪鉆頭的孔底碎巖過程主要有以下幾種作用：

牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用

靜載壓入碎巖

沖擊動載碎巖牙齒對地層的剪切作用超頂引起的滑動復(fù)錐引起的滑動移軸引起的滑動2023/1/14

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

（一）牙輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)

1、牙輪的公轉(zhuǎn)鉆頭繞鉆柱軸線順時針方向旋轉(zhuǎn)時，帶動牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉(zhuǎn)運動，這種運動稱為“公轉(zhuǎn)”。

2、牙輪的自轉(zhuǎn)

在牙輪隨鉆柱公轉(zhuǎn)的同時，由于與地層間的相互作用，牙輪還繞自身軸線作反時針方向旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)稱為“自轉(zhuǎn)”。

在孔底無滑動的情況下，牙輪自轉(zhuǎn)速度與鉆頭旋轉(zhuǎn)速度之比等于鉆頭直徑與牙輪直徑之比。

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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

（二）牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用

牙輪鉆頭鉆進是沖擊動載與靜載壓入一起形成了鉆頭對地層的沖擊、壓碎作用。

1、靜載壓入碎巖鉆進時，鉆頭上的鉆壓經(jīng)牙齒作用在巖石上，這是靜載尖楔壓頭壓入碎巖的過程。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

2、沖擊動載碎巖

由于牙輪的滾動，牙輪齒與孔底巖石呈單齒、雙齒交替接觸。單齒接觸孔底時，牙輪中心處于高點；雙齒接觸時牙輪中心處于低點。牙輪在滾動過程中，牙輪中心的位置不斷上下交替，使鉆頭沿軸向作上下往返運動，產(chǎn)生鉆頭的縱向振動。實際鉆進中，由于鉆頭在孔底的縱向振動，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，加之孔底的不平，在牙輪滾振的基礎(chǔ)上還疊加了振幅較大的低頻振動，對地層產(chǎn)生沖擊作用破碎巖石。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

（三）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而產(chǎn)生的，產(chǎn)生滑動的原因在于牙輪的超頂、復(fù)錐和移軸三種結(jié)構(gòu)。

1、超頂引起的滑動如圖，牙輪錐頂超過鉆頭軸心的結(jié)構(gòu)稱為超頂，超過的距離ob為超頂距c。設(shè)工作時牙輪上每一點的公轉(zhuǎn)為ωb，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為ωc。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

1、超頂引起的滑動（1）在牙輪與地層接觸母線上任一點x，由ωb引起的的速度Vbx是呈直線分布的，在oa段方向向前，在ob段向后，在鉆頭中心o處速度vbO=0。（2）由ωc引起的速度vcx也是呈直線分布的，方向向后，在b點vcb=0。（3）速度合成后，在ob段形成一個向后的滑動速度vsx，此時牙輪受到一滑動阻力Ps（與滑動方向相反），因而有滑動阻力矩Ms（-）=PsR。使牙輪的角速度ωc降低。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

1、超頂引起的滑動（4）由于牙輪角速度降低，在oa段由vbx和降低的vcx合成一個滑動速度vsx（靠近o的一端向后，靠近a的一端向前）。同時，在靠近o的部分產(chǎn)生一個與Ms（-）方向相同的滑動阻力矩M′s（-），在靠近a的部分產(chǎn)生一個與Ms（-）方向相反的滑動阻力矩Ms（+）。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

1、超頂引起的滑動

（5）Ms（-）、M′s（-）及Ms（+）達到平衡，使ΣMs=0。于是牙輪的角速度便穩(wěn)定在一個新數(shù)值下，不再減慢。（6）vsx=vbx+vcx即牙輪相對于巖石的滑動速度，呈直線分布，它與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。滑動速度隨超頂距c的增大而增大。2023/1/14

第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程