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1、2023/8/13,工程钻探,1,1 钻进碎岩方法概述2 钻探用硬合金切削具3 硬质合金钻进的孔底碎岩过程4 硬合金钻进特点及应用范围5 硬合金钻头结构参数6 硬合金钻进规程7 各类地层钻进特性及典型硬合金钻头举例,硬合金钻进,2023/8/13,工程钻探,2,4.1 钻进碎岩方法概述,岩心钻探的钻进碎岩方法，可按破碎岩石原理分为物理的、化学的和机械的三个大类。,4.1.1 物理破碎方法 高压水射流法 利用高速水射流冲击产生的压力使岩石破碎。在水中加入气泡或者磨料可加强破碎效果。该法已进入实用，对软岩直接破碎（如土层钻孔、水力割煤机等等）；对硬岩辅助破碎（如石油钻井里的牙轮钻头加喷嘴喷射钻进）
2、。在深孔中，由于钻孔水柱压力的影响，破碎效果变差，故应用孔深受限。,2023/8/13,工程钻探,3,爆破法 利用爆炸产生的高压冲击波破碎孔底岩石。需采用专门的爆破弹，其可将爆炸产生的高压冲击波定向聚能引导到孔底。该法在我国已进入实用，目前还不能连续钻孔，只用于爆破孔底坚硬岩体（如卵砾石地层中的大孤石）。由于爆破弹属于危险品，使用不够方便。激光法 利用高能量激光束产生的高温溶化岩石进行破碎。该法可与光谱分析装置结合，在孔内破碎岩石的同时，进行岩矿分析，因而勘探效率很高。随着激光技术的快速发展，这种方法的应用前景很好。,2023/8/13,工程钻探,4,火焰法 利用燃气或燃料喷射燃烧的高温熔化岩
3、石形成钻孔。又称火焰钻进。研究历史很长，现仍未见大量进入钻探实用。电弧法 原理类似电弧焊，将高压电分别施加在钻头和岩石上，形成电弧高温，熔融破碎岩石。研究历史较长，现也未见进入实用。该法只适用于导电性好的岩石，如磁铁矿等等。,其它还有：微波法、超声波法、等离子体法，等等。,2023/8/13,工程钻探,5,4.1.2 化学破碎岩石方法,溶解法如盐类矿床等易溶解矿物的钻孔采矿。气化法如地下煤层的气化采矿。软化法用化学剂使岩石软化，可以辅助碎岩。,2023/8/13,工程钻探,6,4.1.3 机械破碎岩石方法,对岩石施加机械外力，利用岩石的力学性质来破碎岩石的方法。这是目前使用最为广泛的方法。,机
4、械破碎法分类：按破碎岩石钻头所用切削具的材质分,硬合金钻进钢粒钻进金刚石钻进,按施加外力的方式分,冲击钻进回转钻进冲击回转钻进,2023/8/13,工程钻探,7,4.2 钻探用硬合金切削具,硬质合金最早广泛应用于金属切削加工，是用量最大的金属切削刀具。上世纪初的一战时期，德国工程师洛曼首先建议并实施了将铸造碳化钨硬合金作为钻进切削具。上世纪三十年代，前苏联发明自磨式硬合金钻头，硬合金钻进适用的地层更加广泛、用量增加。目前，硬合金钻进是世界上使用范围最广、用量最大的钻进方法。,2023/8/13,工程钻探,8,材料成分主要成分：碳化钨（WC），含量一般占8597%。碳化钨硬度高，耐磨性强，耐温性
5、也比较好；在钻探切削具中用作骨架材料。次要成分：钴（Go），含量一般占3 15%。钴的硬度也很高，钴在钻探切削具中用作粘接材料，其功能是固结碳化钨颗粒，由于其充填在碳化钨颗粒之间，就使其具有了较好的韧性，抗弯能力提高。有时，为提高耐高温性能，在硬合金切削具表面增加碳化钛镀层。但由于钛的价格昂贵，而低转速钻进温度有限，故一般不用。,2023/8/13,工程钻探,9,制造方法 将粉末状碳化钨和钴按比例搅拌均匀；加入石蜡或其它临时粘接剂，放入型模加压成型；将压制好的切削具坯料放入电炉里烧结，即得到切削具产品。,2023/8/13,工程钻探,10,*硬质合金中的附加字母x表示细粒合金，c表示粗粒合金。
6、,牌号及性能,2023/8/13,工程钻探,11,常用形状、型号及规格,按照我国的行业标准，硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状和针状等形状。（参看教材P.65，表2-2-2。）,:单一材质和形状的硬合金切削具（即切削具是一整片或一整块硬合金）又称为磨锐式钻头用切削具。用这类切削具镶嵌的钻头被称为磨锐式钻头。,2023/8/13,工程钻探,12,在确定硬质合金的牌号后，选择切削具形状与规格的一般原则是：,薄片状：片状硬质合金刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力差，适用于级软岩。柱状：柱状硬质合金抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适用于级中硬岩石，其中八角柱状切削具抗崩能力强，利于排粉和破
7、岩，并易于焊牢，故在较硬岩层和裂隙发育的地层中得到广泛的应用。针状（块状）：针状硬质合金，主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。,2023/8/13,工程钻探,13,针状合金及自磨式钻头 所谓自磨式钻头，是指采用薄片状或针状硬合金镶嵌的钻头。由于硬合金截面尺寸小，并且截面尺寸不随磨损变化，所以能够长期保持切削能力。为提高小截面尺寸硬合金的抗弯能力，一般采用软钢或铸造碳化钨胎体进行支撑或包镶。,图4.1 针状硬合金自磨式钻头 1-针状硬质合金；2-胎体；3-钻头体；4-水槽,2023/8/13,工程钻探,14,4.3 硬质合金钻进的孔底碎岩过程,塑性岩石的孔底破碎过程单向力作用：切
8、削具切入条件：PyHyF0（Hy-岩石压入硬度；F0-切削具刃尖与岩石接触面积。）,破碎特征：,硬合金切削具在轴向压力Py作用下切入岩石，同时在回转扭矩产生的横向推力Px的作用下压迫“前面”的岩石，使之发生塑性变形，不断向自由面滑移。,图4.3 切削具在双向力作用下破碎塑性岩石,连续的切屑宽度相同的切槽平整的槽底。,双向力作用下的破碎过程：,破碎实质：剪切破碎。,2023/8/13,工程钻探,15,弹塑性岩石的孔底破碎过程,切削具在双向力作用下吃入岩石，进而推挤前面岩石，使岩石若干次小剪切破碎，继续向前推进可能重复产生，至前面接触大面积岩石时，Px力急剧增大达到极限，迫使岩石沿剪切面产生大的剪
9、切破碎。切削具不断向前推进，重复着碰撞、压碎、小剪切、大剪切的循环过程。,碎裂的切屑宽度变化的切槽凹凸不平的槽底,破碎特征：,破碎实质：压裂压碎（跳跃式剪切破碎循环）。,2023/8/13,工程钻探,16,钻孔加深过程,钻头硬合金切削具在轴向压力和水平回转推力的共同作用下连续地切入岩石，是钻孔孔底发生螺旋式不断加深。,图4-6 钻孔孔底螺旋加深展开图,2023/8/13,工程钻探,17,切削具材料性能较好，适应岩层范围广。,硬合金的硬度高（HRC8792，比莫氏硬度9级的刚玉硬度还高），强度和耐磨性适中，可以适应几乎所有级的软中硬岩层及部分级岩层钻进。这一级别范围的岩层在地壳中最多，所以其使用
10、范围最广、用量最大。但是，由于耐磨性只是中等，容易磨钝，故不适用于坚硬、研磨性强的地层。,三种碎岩工具的适应岩层范围,硬合金,钢粒,金刚石,4.4 硬合金钻进特点及应用范围,2023/8/13,工程钻探,18,切削具出刃较大，碎岩过程比较平稳，规程参数容易控制。,总的来看，在塑性和弹塑性两种岩石的钻进碎岩过程中，钻进是比较平稳的。这样钻出的孔壁比较完整、岩心比较光滑、钻孔弯曲质量和取心质量比较好，故硬合金广泛用于取心钻进。切削具出刃较大，对钻压、转速、水量等不是那么敏感，要求不需要非常准确，故钻进操作容易；由于碎岩过程比较平稳，钻机规程参数也好掌握、易调整，故操作容易，使用的人自然就多，这也是
11、其使用范围广、用量大的原因之一。,2023/8/13,工程钻探,19,切削具在钻头上固定，可适应于多种钻进工艺和钻孔条件。,切削具固定在钻头上，可通过控制钻具来控制钻进过程，故可以适应冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等工艺；对钻孔的孔径、孔深及任何方向的钻进条件都能适应，故应用范围广。,2023/8/13,工程钻探,20,切削具规格多样，形状规则，可根据地层情况灵活设计钻头结构，方便使用。,硬合金原材料是粉末，采用模具制作成切削具，其形状、尺寸可根据钻进地层的需要制造。切削具一经做定，形状和规格尺寸就非常规则。钻头设计时切削具选择范围大，可多种组合，布置由人，能方便地制造出地层适应性好的钻头。
12、,2023/8/13,工程钻探,21,切削具价格不高，钻头制造工艺简单，使用成本低。,硬合金材料来源广，使用量很大，价格与金刚石相比相对较低（一般几十块钱一公斤）。钻头制造采用普通的焊接即可，工艺比较简单，对设备和技术没有太高要求，一般的钻探单位，甚至在野外现场都能生产，故而使用成本低，深受人们欢迎。这也是其使用范围广、用量大的原因之一。,2023/8/13,工程钻探,22,4.5 硬合金钻头的结构与功用,钻头体,钻头体又称空白钻头体。它是切削具的支撑体，通过其把轴载和扭矩传递给切削具，承受切削具破岩的反作用力和孔底的动载效应，并长时间处于孔底的摩擦环境中。钻头体用DZ-40地质钻探用无缝钢管
13、制成，一般由专门工厂制造。钻头体上端加工有与岩心管连接的外螺纹，其内壁加工有为卡取岩心设计的内锥度。,钻头的结构是指钻头各部结构形状和尺寸，是钻头技术性能的集中体现。,2023/8/13,工程钻探,23,切削具出刃,切削具出刃指的是切削具在钻头体表面（内、外和底唇）突出的高度（尺寸）。切削具破碎形成的断面空间尺寸，必须大于钻具中任何尺寸，钻进才能进行。切削具出刃量直接影响钻进破碎效率和钻头寿命，其大小取决于岩石的硬度、均质性和耐磨损程度。,2023/8/13,工程钻探,24,外出刃,硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。,保证粗径钻具外径与
14、钻孔之间的环状间隙。它的大小直接决定钻孔的直径大小、冲洗液的上返阻力和钻头的使用寿命。,取值范围：,功用：,一般取 1.5-3毫米，具体根据地层情况确定。,取值方法：,2023/8/13,工程钻探,25,内出刃,硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。,保证岩心与钻头体内径之间环状间隙。它的大小直接决定岩心的直径大小、冲洗液从钻具内流出的阻力和钻头的使用寿命。,取值范围：,功用：,一般取 1-2毫米，具体根据地层情况确定。,取值方法：,由于内外出刃存在速度差（直径差导致），内出刃破碎岩石工作量小于外出刃，所以，同一个钻头上，内出刃的取值比外出
15、刃取值小0.5-1毫米为宜。,2023/8/13,工程钻探,26,保证切削具切入深度、为冲洗液冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。底出刃的概念应包括出刃大小和底刃排列方式两方面的内容。,图4.7 切削具底出刃和补强示意图1-切削具；2-钻头体；3-补强,底出刃,功用：,硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。,取值范围：,一般取 2-5毫米，具体根据地层情况确定。,取值方法：,2023/8/13,工程钻探,27,阶梯式底出刃,钻头的底出刃可以排成平底式，也可以排成阶梯式。后者可使孔底岩石破碎成台阶形（图4-8），即在孔底形成掏槽。这样为上面一排
16、切削具破碎岩石创造了第二个自由面，使体积破碎更容易。尤其对具有一定脆性及较硬的岩层效果更佳。,底出刃的排列方式：,平底式底出刃,2023/8/13,工程钻探,28,单位：mm,表4.2 常见硬质合金切削具出刃规格,2023/8/13,工程钻探,29,切削具在钻头唇面上有三种镶焊方式：直镶、正斜镶和负斜镶。,切削具的镶焊角度,2023/8/13,工程钻探,30,在切入深度相同的条件下，切入岩石所需的轴向力Py和水平力Px正斜镶最大，直镶次之，负斜镶最小；当三者出刃大小一致时，切削刃上的弯矩正斜镶最大，直镶次之，负斜镶最小；当磨损高度相同时，切削刃端的磨损面积正斜镶最大，直镶次之，负斜镶最小；排粉
17、条件是正斜镶最好，直镶次之，负斜镶最差。,三种镶焊方式之比较：,2023/8/13,工程钻探,31,图4.9 切削具的镶焊方式-切削角;-刃角;-前角;-切削具相对于钻头径向的扭转角;(a)、(b)、(c)、(d)、(e)-切削具在钻头体上的不同状态,通常，正斜镶的钻头在软岩中具有高钻速，而负斜镶钻头适用于硬岩和非均质岩层，最常用的是直镶。,2023/8/13,工程钻探,32,切削具排列布置,图4.10 切削具在钻头体上的布置(a)-单环排列；(b)-双环排列；(c)-多环排列,切削具的排列布置应当遵循以下原则：切削具必须充满钻孔环状破碎带，不能留有空白，并且最好有一定的重叠系数。最好让每颗切
18、削具破碎岩石工作量相同，即做到等磨损。切削具或切削具组之间应当留有足够间隙，便于岩粉排出和冷却，避免重复破碎。前切削具为后切削具创造更多的自由面，有利于碎岩。,2023/8/13,工程钻探,33,切削具数量,机械钻速与切削具组数的关系式：v=hqn(4.3)式中：v-机械钻速，h-切入深度，q-切削具组数，n-钻头转速。应当说，在一个破碎环槽宽度上的切削具越多越好，在一转中的破碎层数越多，当然钻速越快。但是，切削具数量受钻头直径和钻头能够得到的压力的限制。一般，最少不得少于4组。,不在一条直线上的三点确定一个平面。钻头受压时，切削具相当于支撑点，要使钻头底唇平面稳定，不发生倾斜，必须有三个以上
19、的支点。三点还足够确定一条曲线，也就是有了三点，确定一个圆也已经足够了。,2023/8/13,工程钻探,34,钻头的水口、水槽,水口：水口是冲洗液在钻头底部的通道，它直接影响钻头的冷却和岩粉的排除。,水槽：水槽布置在钻头体的外或内表面上，用于弥补外环或内环过流面积的不足。,2023/8/13,工程钻探,35,水口、水槽设计原则：水口的位置：为及时冷却钻头和排除岩粉，水口应当尽量靠近切削具。水口的数量：水口的数量应当与切削具组数相等。水口的面积：应当与内环或外环间隙过水面积相适应。水口的形状：水口形状可以有矩形、半圆形、梯形和三角形等。从水力学理论上说，在水口面积确定以后，水口的高度应当是越低越
20、好。水槽：必须与水口连接。倾斜水槽有利于减小岩粉颗粒运动阻力。,2023/8/13,工程钻探,36,4.6 硬合金钻进规程,钻进规程：一般指钻压（轴向压力），转速（回转速度）和冲洗液量（泵量）三个钻进过程中可以控制的工艺参数。,广义来讲，钻进规程还应该包括提高钻进效率、保证质量和降低钻进成本的一些技术措施。,一般讲到的钻进规程有三种：最优钻进规程强力钻进规程特殊钻进规程,2023/8/13,工程钻探,37,钻进规程是钻探技术的重要组成部分。钻进规程应当根据地层条件、钻头类型、钻探设备及管材和技术水平确定。,硬合金钻进规程参数的设计计算方法,1、钻压 P,计算：选择确定单颗切削具所需压力。(P.
21、71表2-2-4）根据单颗切削具所需压力和钻头上的切削具数量计算确定钻头所需总钻压值。计算公式：P=pm，p单颗切削具所需压力；m钻头切削具总数。调整：根据钻进地层情况调整总钻压值。根据设备器具条件调整总钻压值。根据钻孔条件调整总钻压值。根据钻孔质量要求或其它要求调整总钻压值。,2023/8/13,工程钻探,38,硬合金钻进规程参数的设计计算方法,2、转速 n,计算：选择确定切削具的线速度。(P.72表2-2-5）根据切削具的线速度和钻头直径计算确定钻头所需转速。计算公式：n=。n=转/分，v线速度，m/s；D钻头直径，毫米。调整：根据钻进地层情况调整转速n值。根据设备器具条件调整转速n值。根
22、据钻孔条件调整总钻压值。根据钻孔质量要求或其它要求调整总钻压值。,2023/8/13,工程钻探,39,硬合金钻进规程参数的设计计算方法,3、冲洗液量 Q,计算：选择确定环状空间冲洗液上返速度V返。(P.73表2-2-6）一般，在清水中的沉降速度V00.25m/s，在泥浆中的沉降速度V00.20m/s。V返 V0。根据冲洗液上返速度和环状空间面积计算确定冲洗液量Q。计算公式：Q=FV返 米3/秒，F环空面积，m3；V返=m/s；调整：根据钻进地层情况调整Q值。根据设备器具条件调整Q值。根据钻孔条件调整Q值。根据钻孔质量要求或其它要求调整Q值。,2023/8/13,工程钻探,40,硬合金钻进规程参
23、数的设计计算方法,4、P、n、Q 之合理配合,三参数的选择计算是独立进行的，但实际上三参数对钻进速度的影响并不是独立的，而是相互关联的。各自独立计算确定的都是最优参数，但加在一起，就不一定是最优。要以取得综合最优为目标。,2023/8/13,工程钻探,41,4.7 各类地层钻进特性及典型硬合金钻头举例,松软及软地层,岩层举例：腐植土，次生土，砂土，黄土，粘土，风化变质的页岩，泥灰岩，烟煤等等。一般钻孔在上部覆盖层最先钻遇的就是这类地层。地层描述：完整或较完整，弱研磨性，可钻性13级。钻进特性：硬度低，钻速快，岩粉多，遇水易膨胀，对切削具磨损小。典型钻头举例：均采用薄片硬合金钻头或肋骨式钻头，大
24、出刃、大水口。,2023/8/13,工程钻探,42,图4.11 薄片式硬质合金钻头,图4.12 螺旋肋骨钻头 1-钻头体；2-肋骨；3-切削具,单位：mm,2023/8/13,工程钻探,43,中硬及硬地层,岩层举例：页岩，泥质板岩，石灰岩，无烟煤等等。一般沉积岩地层钻遇的差不多就是这类地层。地层描述：完整或较完整，中等研磨性，可钻性47级。钻进特性：岩石脆，硬度中等，钻速较快，岩粉不多，对切削具磨损较大。典型钻头举例：品字形硬质合金钻头。这种钻头采用柱状小八角硬合金，能承受较大钻压；出刃和水口不大，单双间隔排列，前后掏槽。,2023/8/13,工程钻探,44,图4-16 品字形硬质合金钻头,2
25、023/8/13,工程钻探,45,研磨性强和裂隙发育的硬地层,岩层举例：硅质石灰岩，千枚岩，辉长岩，长石石英砂岩，角砾岩，微风化花岗岩等等。一般在含矿段常常钻遇这类地层。地层描述：破碎，强研磨性，可钻性68级。钻进特性：岩石硬、脆、碎，钻速低，对切削具磨损严重。典型钻头举例：采用针状合金自磨式钻头。这种钻头胎块抗弯强度大，不会崩刃，切削具可自磨出刃。,2023/8/13,工程钻探,46,图4.13 针状硬合金自磨式钻头 1-针状硬质合金；2-胎体；3-钻头体；4-水槽,2023/8/13,工程钻探,47,总结,按施加外力的方式分为：冲击钻进 回转钻进 冲击回转钻进,按破碎岩石钻头所用切削具材质
26、分为：硬合金钻进 钢粒钻进 金刚石钻进,1.钻进方法（机械破碎法）分类：,2023/8/13,工程钻探,48,钻进弹塑性岩石：(压裂压碎）以交替出现的大、小剪切破碎为主，钻进过程跳跃式变化，切屑碎裂，切槽宽度变化，槽底凹凸不平。,钻进塑性岩石：(剪切切削）以平稳的连续切削破碎为主，钻进过程平稳，切屑连续，切槽宽度相等，槽底平整。,2.硬合金钻进碎岩过程根据岩石性质不同有两种情况：,2023/8/13,工程钻探,49,切削具材料性能较好，适应岩层范围较广（）。切削具出刃较大，碎岩过程比较平稳，规程参数容易控制。切削具在钻头上固定，可适应于多种钻进工艺和钻孔条件。切削具规格多样，形状规则，可根据地
27、层情况灵活设计钻头结构，方便使用。切削具价格不高，钻头制造工艺简单，使用成本低。,3.硬合金钻进特点及应用范围：,2023/8/13,工程钻探,50,切削具必须充满孔底环状破碎带，不能留有空白，并且最好有一定的重叠系数。最好让每颗切削具破碎岩石工作量相同，即做到等磨损。切削具或切削具组之间应当留有足够间隙，便于岩粉排出和冷却，避免重复破碎。前切削具为后切削具创造更多的自由面，有利于碎岩。,4.切削具排列布置应当遵循以下原则：,2023/8/13,工程钻探,51,计算选择确定基本参数（单位参数）。计算确定参数值。调整根据钻进地层情况调整参数值。根据设备器具条件调整参数值。根据钻孔条件调整参数值。根据钻孔质量要求或其它要求调整参数值。根据三参数合理配合调整确定各参数值。,6.硬合金钻进规程参数的设计计算方法：,2023/8/13,工程钻探,52,思考题,1、硬质合金切削具在塑性和脆性岩石中的碎岩过程有何不同？2、硬质合金钻进有哪些特点？其适用地层范围是什么？3、确定钻进规程的主要理论依据是什么？试述硬合金钻进规程（P、n、Q）三参数的确定方法。,
