巖土鉆掘與設(shè)備 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭2011

第三章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

一、硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底碎巖過程二、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(jìn)與鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第二章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

巖土鉆進(jìn)（井）方法絕大多數(shù)是機械方式，主要有：①

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)和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；②

采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；③

鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)；④

振動鉆進(jìn)。上述方法中，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；振動鉆進(jìn)、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）。

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第二章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(jìn)小口徑，又可鉆進(jìn)大口徑水井、工程施工孔和淺井。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

一、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念與特點

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)（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(jìn)孔底碎巖過程

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

一、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念與特點

2、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的特點

（1）切削具固定在鉆頭體上，它可以鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(xì)）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(xì)，硬度越大、耐磨性越強；反之，則抗彎強度、韌性增強。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室合金牌號化學(xué)成分物理機械性質(zhì)特性及用途W(wǎng)CCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗彎強度（MPa）YG3x97315.0～15.3921050耐磨性最好，沖擊韌性最差，用于金屬切削YG4c96414.9～15.2901400適用于均質(zhì)和軟質(zhì)互層地層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YA691～93614.4～15.0921400加有少量TaC成分，提高了硬度YG694614.6～15.089.51400適用于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，使用效果僅次于YG4cYG6x94614.6～15.0911350細(xì)粒合金，強度接近YA6，耐磨性較YA6高YG892814.0～14.8891500地質(zhì)勘探和石油回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用主要品種YG8c92814.0～14.8881750粗粒合金，沖擊韌性較高適于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YG11c891114.0～14.4872000耐磨性最差，沖擊韌性最高，適于沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖YG15851513.9～146/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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。第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室硬質(zhì)合金2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(jìn)孔底碎巖過程

三、硬合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過程

硬合金鉆進(jìn)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(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；

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）。第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程受力分析:2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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°。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室η/tgβ～β曲線2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(jìn)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，也切入得更深。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

三、硬合金鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)刃前接觸面較大時，前進(jìn)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(dāng)Px力達(dá)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(jìn)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(jìn)，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?？椎椎钠扑檫^程沿著傾角為γ的螺旋面進(jìn)行。

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

四、硬質(zhì)合金切削具的磨損硬合金鉆進(jìn)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(dá)式為vm=60n?m?h

，鉆進(jìn)中，由于切削具被磨損，h減小，鉆速將逐漸衰減。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程四、硬質(zhì)合金切削具的磨損

1、切削具高度的磨損

h=h0-y

根據(jù)切削具的磨損體積和摩擦功成正比，有

V=ωA

刃尖磨損的體積：

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第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)時間、鉆進(jìn)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(dāng)巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時它為常量。切削具的磨損面積與鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)尺H的一元線性方程，其中，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。

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程（1）（2）(1)×2-(2)得2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(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（圖4-7）。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)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(jìn)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，以降低其磨損率。

(4)采取等強度磨損的原則，對磨損嚴(yán)重的內(nèi)外側(cè)面進(jìn)行補強。

(5)采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕切削具的磨損。

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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(jìn)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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。

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭體第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭體尺寸規(guī)范表2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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：主要取決于巖性，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(jìn)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)增加補強。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。

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭階梯形底出刃鉆進(jìn)特點：

(1)階梯形井底對破碎巖石有良好的效果，可形成更多的自由面，使巖石更易破碎。鉆下的巖粉顆粒較大，單位體積破碎功減小，尤其對脆性及較硬的巖石，效果更為顯著。

(2)多環(huán)合金鉆頭的效果與加于切削具上的軸向壓力有密切的關(guān)系。如果壓力不足，切削具不能切入巖石，僅僅以表面破碎方式破碎巖石，則上述優(yōu)點即不復(fù)存在，只有在切入深度大于0.1～0.13mm時，階梯作用才能發(fā)揮出來。

(3)在階梯鉆頭中，其底出刃最大的切削具負(fù)擔(dān)著最繁重的工作量，因而最易被磨損或被折斷。這是階梯出刃式鉆頭在研磨性大的巖層中鉆進(jìn)時，效率很快地下降的原因。

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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(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。

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)軟巖，應(yīng)選擇切削性能較好的正斜鑲，α=70°～80°；②

脆性和較硬的巖石，切削具主要按壓碎和剪切作用碎巖，切削具易被磨鈍，應(yīng)選擇入巖較鋒利的直鑲、負(fù)斜鑲，α=90°～105°。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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，疊加起來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(fù)擔(dān)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

單環(huán)排列：一個或二個切削具并聯(lián)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(kuò)槽，相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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)。總面積應(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(jìn)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(jìn)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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(jìn)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。可鉆進(jìn)3~5級巖石。第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭適用地層：

2～4級較軟的巖層、覆蓋層、粘土層、風(fēng)化砂巖等技術(shù)規(guī)范：鉆頭壓力：5000～8000N

轉(zhuǎn)速：200～300rpm

泵量：100～120l/m特點：巖粉上升速度快，孔底清潔。需使用較鉆頭體大一級的巖心管接頭螺旋肋骨鉆頭第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭適用地層：

3～5級巖層，如頁巖、砂頁巖、膠結(jié)不緊密砂巖技術(shù)規(guī)范：

鉆壓：500～800kg

轉(zhuǎn)速：150～300rpm

泵量：120～150l/m特點：

能有效防止巖心膨脹、孔壁縮徑造成的糊鉆、巖心管堵塞

階梯肋骨鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖。

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

適用地層：

3～4級弱摩擦性巖層，如頁巖、均質(zhì)頁巖技術(shù)規(guī)程:

鉆壓：5000～8000N

轉(zhuǎn)速：250～450rpm

泵量：100～150l/m特點：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。（2）薄片硬質(zhì)合金鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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(jìn)，主要的問題是碎巖和磨損。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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。第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭內(nèi)外鑲硬合金鉆頭適用地層：

4～6級完整巖層，如白云巖、片巖等技術(shù)規(guī)程:

鉆壓：6000～10000N

轉(zhuǎn)速：150～400rpm

泵量：100～150l/m特點：方柱硬合金分環(huán)鑲嵌，保徑效果好第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭適用地層：

5～7弱研磨性、均質(zhì)性差的輝長巖、玄武巖、閃長巖等技術(shù)規(guī)程:

鉆壓：8000～13000N

轉(zhuǎn)速：200～500rpm

泵量：90～120l/m特點：切削具不容易崩刃

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(kuò)槽。單雙粒硬合金鉆頭可鉆進(jìn)4~5

級巖石，如鐵質(zhì)及鈣質(zhì)砂巖；品字形硬合金鉆頭可鉆進(jìn)4~6級巖石，如石灰?guī)r、大理巖。

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭

第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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。自磨式硬合金鉆頭可用于鉆進(jìn)硬而研磨性大的可鉆性5～8級及部分9級巖石。第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭第二節(jié)

取心式硬質(zhì)合金鉆頭2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)的鉆頭、擴(kuò)孔器和其他金剛石切削工具一、金剛石鉆進(jìn)的概念與特點

1、金剛石鉆進(jìn)的概念金剛石鉆進(jìn)是一種比較先進(jìn)的鉆進(jìn)方法。它是將金剛石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(jìn)的概念與特點

2、金剛石鉆進(jìn)的特點

（1）主要用于鉆進(jìn)硬巖和堅硬巖石，也可鉆進(jìn)軟-中硬巖石；（2）鉆進(jìn)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。

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）天然金剛石

包爾茲（Bortz）：剛果（Congo）：卡邦納多（Carbonado）：

巴拉斯（Ballas）：

雅庫特（Якут）：主要產(chǎn)于西非，外形為十二面體、八面體或渾圓狀；顏色有無色、黃色至灰色；透明度由半透明到透明；通常有解理或肉眼觀察不到的裂紋和包裹體。這種金剛石具有高的硬度和一定的抗沖擊能力。價格比較便宜。高級的用于表鑲鉆頭，低級的用于孕鑲鉆頭。

亦稱剛果包爾茲，性質(zhì)和Bortz接近，但硬度略低，大多數(shù)呈碎粒狀。多用于孕鑲鉆頭，精選的可用于表鑲鉆頭。

主要產(chǎn)于巴西。接近球形，暗褐色，是由微晶或隱晶組成的集合體，無解理、具有高的抗沖擊能力，硬度略低于Bortz。

多產(chǎn)于巴西，是Bortz和Carbon的中間型，有硬度很高的硬殼，故具有很大的工業(yè)價值。

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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)合片等品種。其中，聚晶是由細(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；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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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，所以，在中硬地層中能取得較好的鉆進(jìn)效果，但由于其強度較單晶小，所以不適用于大部分硬-堅硬的巖層鉆進(jìn)。

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(jìn)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。第三節(jié)金剛石及其孔底碎巖過程金剛石單晶金剛石聚晶

金剛石復(fù)合片第三節(jié)金剛石及其孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(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）金剛石的粒度國際上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(xì)?！?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(kuò)孔器，細(xì)、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴(kuò)孔器。

第三節(jié)金剛石及其孔底碎巖過程粒度號（＃）通過網(wǎng)孔公稱尺寸（微米）不通過網(wǎng)孔公稱尺寸（微米）25/3071060030/3560050035/4050042540/4542535545/5035530050/6030025060/7025021270/8021218080/100180150100/120150125人造金剛石單晶尺寸范圍表第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程PPC（ParticlesPerCarat）：每克拉金剛石的顆粒數(shù)粒度PPC18/2015020/2525025/3044030/3572035/40138040/45265045/50500050/60830060/701400070/8013000GE公司產(chǎn)品的PPC值粒度PPC20/30260±1025/35400±2030/40660±3035/401075±5040/501850±8045/603000±15050/704800±240

DeBeers公司SDA+產(chǎn)品的PPC值2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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。

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(biāo)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第三節(jié)

金剛石及其孔底碎巖過程

三、金剛石鉆進(jìn)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小）的碎巖機理有著顯著的不同。國內(nèi)外研究表明，金剛石鉆進(jìn)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

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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(dāng)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)變，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(jìn)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(dāng)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(dāng)應(yīng)力增加時，裂紋擴(kuò)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)中必須自磨出刃（“自銳”）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(jìn)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(dāng)唇面金剛石出露較好時，存在磨削的同時，也有可能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，胎體不能超前磨耗使喪失破巖能力的金剛石顆粒自行脫落，在孔底鉆進(jìn)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(xué)者認(rèn)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(jìn)作用。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

一、金剛石鉆頭的種類

用金剛石制作的破碎孔底巖石的工具統(tǒng)稱為金剛石鉆頭。在鉆頭的上部安置一個金剛石擴(kuò)孔器，與鉆頭組成一套鉆具。

金剛石鉆頭的種類有：天然的、人造的；電鍍的、熱壓的；單管的、雙管的；繩索取心的、定向鉆進(jìn)的；取心的、全面的；礦山的、油井的；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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

一、金剛石鉆頭的種類

一、金剛石鉆頭的種類

表鑲金剛石鉆頭：第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器孕鑲金剛石鉆頭：第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jìn)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)定用手工布置擺放金剛石顆粒。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

二、金剛石鉆頭的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)

金剛石鉆頭的規(guī)格尺寸是很嚴(yán)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(kuò)孔器、巖心管與套管之間有嚴(yán)密的級配和間隙關(guān)系。(1)鉆頭和擴(kuò)孔器所鉆的鉆孔要為下入該級套管提供足夠的間隙，(2)當(dāng)套管下入后其內(nèi)徑又須為下一級鉆頭及擴(kuò)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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，表鑲金剛石鉆頭更是如此；

2、應(yīng)有足夠的強度，具有一定的抗沖擊性能，胎體與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入硬度、抗壓強度、研磨性相適應(yīng)。孕鑲鉆頭對這些性能要求更加嚴(yán)格。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

(一)金剛石鉆頭胎體

孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時，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。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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(dāng)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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

?！?00%濃度制”，當(dāng)金剛石的體積占胎體工作層體積的1/4時，其濃度為100%

。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(dāng)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(jìn)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jìn)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(xué)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是一個自銳的過程，設(shè)計其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(kuò)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(jìn)中，唇面內(nèi)外兩側(cè)的棱部金剛石負(fù)擔(dān)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jìn)，其排粉效果最好。

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第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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（如繩索取心），適用于中硬和硬巖層，有利于破巖和導(dǎo)向；

3、內(nèi)錐形唇面——適用于研磨性強的和破碎的巖層及容易起鉆頭內(nèi)邊刃過早磨損的巖層；

4、外錐形唇面——適用于較軟和易碎的地層，多用于雙管和繩索取心鉆頭。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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(kuò)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)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。在唇面扇形塊的下面只存在漫流（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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第四節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

六、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。

（一）擴(kuò)孔器的作用

1、修擴(kuò)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(kuò)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(kuò)孔器

六、金剛石擴(kuò)孔器

（二）擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)類型擴(kuò)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(kuò)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(jìn)的基本原理

1、鋼粒鉆進(jìn)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(jìn)方法稱為鋼粒鉆進(jìn)。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

2、鋼粒鉆進(jìn)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＃苤車鷰r石的限制，鋼粒壓在鉆頭的底唇之下和兩側(cè)。鉆進(jìn)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(jìn)行碾壓，達(dá)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(jìn)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)；2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

3、鋼粒鉆進(jìn)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(jìn)中等硬度以上的堅硬巖石（9～12級的巖石），但鉆進(jìn)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(jìn)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(dá)到較高硬度。其抗壓強度可達(dá)到1000kg/粒，硬度HRC（洛氏硬度）≥50。

50~58HRC最優(yōu)。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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。

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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(jìn)質(zhì)量的關(guān)系鉆粒粒度還直接影響到鉆進(jìn)質(zhì)量，過大的鋼粒會產(chǎn)生下列危害：①

內(nèi)環(huán)狀間隙增大，使巖心變細(xì)，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(kuò)大，鉆桿和粗徑鉆具轉(zhuǎn)動不穩(wěn)，會造成過大的鉆孔彎曲。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第五節(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(dǎo)砂性能和補砂性能。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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?dāng)嗝?，保證沖洗液流通；

②良好的導(dǎo)砂作用，把鋼粒導(dǎo)入鉆頭底唇之下，保證在鉆頭唇部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(dǎo)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第五節(jié)

鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程

三、鋼粒鉆進(jìn)的碎巖機理

鋼粒鉆進(jìn)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(jìn)開始階段（2）球形壓模壓入碎巖——鉆進(jìn)中后期

2、疲勞破碎——鋼粒鉆進(jìn)的主要碎巖方式

3、脈動沖擊碎巖——鋼粒鉆進(jìn)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(dāng)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(dá)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(dāng)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(dá)到了巖石壓入硬度，同樣發(fā)生壓入壓碎巖石（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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)中被磨成球形或橢球形的鋼粒，以一定的壓力壓于巖石表面，當(dāng)壓力未達(dá)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。2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的概念：牙輪鉆進(jìn)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(jìn)方法。

牙輪鉆進(jìn)的應(yīng)用：牙輪鉆進(jìn)一般是不取心的全面鉆進(jìn)，廣泛應(yīng)用于油氣鉆井和大口徑施工鉆進(jìn)，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。

2024/6/17中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

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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。

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第六節(jié)

牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程

（一）牙輪鉆頭的組成

1、鉆頭體鉆頭體是牙輪鉆頭的本體，上部有螺紋與鉆桿柱連接，下部有牙輪爪。牙輪爪與牙輪相連，用以支承牙輪。鉆頭體上裝有水眼或噴嘴。

有體式鉆頭