《回转钻进用钻头》ppt课件

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1、第二章 回转钻进用钻头,一、硬质合金钻头及其孔底的碎岩过程 二、金刚石钻头及其孔底碎岩过程 三、钢粒钻头及其孔底碎岩过程 四、牙轮钻头及其孔底碎岩过程 五、全面钻进与钻头,第二章 回转钻进用钻头,岩土钻进（井）方法绝大多数是机械方式，主要有： 伴有循环冲洗介质的硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻头 回转钻进和长螺旋干式回转钻进； 采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进； 钢丝绳冲击钻进； 振动钻进。 上述方法中，使用最广泛的是回转钻进。冲击回转钻进是在 回转的基础上增加孔底冲击载荷；钢丝绳冲击钻进主要用于水 井施工；振动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤和软 岩中打浅孔（工程施工）。,第二章

2、回转钻进用钻头,回转钻进选择钻头的一般原则是： 在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头； 在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头； 在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头； 在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。 金刚石钻头主要用于59、76（75）、91 mm的小口径； 钢粒钻头主要用于91mm以上的口径； 硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径，又可钻进大口径水井、工程施工孔和浅井。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,一、硬质合金钻进的基本概念与特点 1、硬质合金钻进的基本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，

3、它用于软岩层及中硬岩层的钻进（14级软的沉积岩、中硬的57级及部分8级岩浆岩和变质岩）。,一、硬质合金钻进的基本概念与特点 2、硬质合金钻进的特点 切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。不受孔向、孔径和孔深的限制； 钻出的孔壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安全钻进和保证取心； 可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结构，以便在不同的岩层中取得较优的效果； 钻进中操作简便，容易掌握。 钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,二、钻探用硬质合金 1、硬质合金的特性 钻探用的钨钴合金：主要是碳化钨（WC）钴(Co)系硬 质合金。它

4、以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG类硬质合金。 牌号的意义：合金牌号如YG8c的意义为：YG钨-钴系硬质合金；8钴的百分含量为8%；c（x）粗（细）粒合金。 硬质合金的特性：合金中含钴量增加，相对密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗弯强度、冲击韧性增高；WC的颗粒越细，硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,二、钻探用硬质合金 2、选用硬质合金切削具的基本原则 合金切削具形状主要有：薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,二、钻探用硬质合金 选择切削具形状的一般原则是： （1）

5、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； （2）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；八角柱状合金的抗崩能力强，利于排粉和破岩，并易于焊牢，在裂隙发育和较硬地层中应用广泛； （3）针状和薄片状硬质合金：主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,三、硬合金钻进的孔底碎岩过程 硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。 根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩

6、和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（一）塑性岩石的碎岩情况 1、切入岩石的过程 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。即： PyHy F0 式中：Hy岩石的压入硬度； F0切削具刃尖处与岩石的接触面积。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（一）塑性岩石的碎岩情况 1、切入岩石的过程 塑性岩石中，切削具切入岩石如图示（切削具未磨钝），根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关系式： 式中：Py切削具上的轴载力，N； b切削具的刃宽，mm； 切削具的刃角，度； Hy岩石的压入硬度； 摩擦力影响系数（小于1）

7、。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（一）塑性岩石的碎岩情况 1、切入岩石的过程 上式表明： 塑性岩石切削具的切入深度h0与轴向力Py成正比，而与切削具的刃角、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。虽然角越小切削具刃尖切入岩石越容易，但如果很小则切削具会很快崩裂，实际上角的最小值为4550。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（一）塑性岩石的碎岩情况 2、回转切削过程 切削具切入岩石并回转时，在水平力Px作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自由面滑移，称为切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全段面断裂之前，下一部分切屑又发生滑移。因此，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃

8、宽是相同的。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（一）塑性岩石的碎岩情况 2、回转切削过程 实际上，由于钻具的振动、冲洗液的冲刷，切削的岩屑是碎裂成岩粉被冲洗液带至地表； 在Py 和Px 共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的更深。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,三、硬合金钻进的孔底碎岩过程 （二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，按切削具的切入条件，需要很大的轴向力，而实际的Py力要小得多（1/61/3），究其原因，主要是切削具并非以静压入的方式破岩，而是在双向力的同时作用下破碎岩石。 其碎岩的显著特点则是在切削具的作用下以跳跃式的剪

9、切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。 2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。 3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；同时，Px 力急剧增大，当Px 力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，B1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为的螺

10、旋面进行。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 硬合金钻进时，随着切削具破碎孔底岩石，切削具本身不断被磨损，对机械钻速产生影响。机械钻速vm取决于切削具切入岩石的深度h 和钻头转速n ，其表达式为 vm= 60nmh ，钻进中，由于切削具被磨损，h 减小，钻速将逐渐衰减。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 1、切削具磨损和钻压的关系 费得洛夫等研究了单位时间磨损量与刃端面积上比压的关系。 （1）曲线0，切削具未能有效吃入岩石，钻进处于表面 破碎。此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压。 （2）曲线0 ，岩石呈体积破碎。 随着切削具上的

11、比压增大，W不仅未增 加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎 条件下，切削具的磨损主要不取决于轴向 压力，而取决于岩石的硬度、切削具的材 质及切削具的磨钝面积。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 2、切削具的磨损与钻进时间、钻进速度的关系 费得洛夫提出，在一定条件下切削具的磨钝面积 S 和机械钻速vm分别为： S（t）=S0 +t ； 式中：S0切削具的初始面积，mm2； t磨损时间，min； 取决于岩石性质的磨损系数，mm2/min。 A系数，当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。 切削具的磨损面积与钻进时间成正比，而机械钻速与切削具接 触面积的平方成反比。,第一节

12、硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 3、关于切削具的磨损问题的研究 设钻进的初始钻速为 v0=A/S02，上式可写成： 式中： k0钻速下降的特征系数，k0=/S0。 钻头在t时间内总进尺为 ， 代入vm得到 。 因此，平均钻速为 ， 通过变换可写成 (下页）,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 3、关于切削具的磨损问题的研究 （4-7） （4-7）式表明，平均钻速是进尺H 的一元线性方程，其中，v0 是纵坐标上的截距，k0 为直线的斜率。平均钻速和进尺H 在钻进很容易测得，可以用一元回归分析的方法，在若干观测计算值的基础上求出 k0 和 v0 ，从而利

13、用（4-7）式来预测切削具磨损对钻速的影响。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,四、硬质合金切削具的磨损 4、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况 前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际钻 进中，切削具出刃的内、外侧 磨损量是不均匀的，即： y外y内y， t外t内t 切削具底端也不是被磨损成 平面，而是呈圆弧形，刃前缘 和后缘磨损更厉害（图4-7）。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,5、减轻切削具磨损的措施 (1) 避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻压 的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。 (2) 切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之 比、岩石

14、的研磨性、裂隙性等性质，还取决于切削具在钻头唇面的 布置。应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号，采用合理的钻 头唇面结构。 (3) 及时修磨切削具，减小初始接触面积，以降低其磨损率。 (4) 采取等强度磨损的原则，对磨损严重的内外侧面进行补强。 (5) 采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔，减轻切削具的磨损。,第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程,第二节 取心式硬质合金钻头,一、取心式硬质合金钻头结构要素 一定数量的硬质合金切削具，按一定的形式排布在钻头体上，形成钻进不同地层的钻头结构。这些决定钻头结构的因素称为硬质合金钻头的结构要素。 硬质合金钻头的结构要素主要包括：切削具出刃 、切削具的镶焊角度

15、、切削具在钻头体上的数目及布置方式等。,第二节 取心式硬质合金钻头,一、取心式硬质合金钻头结构要素 1、钻头体 钻头体是硬质合金切削具的支撑体，传递轴载和扭矩给切削具，承受切削具破岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。钻头体是DZ-40无缝钢管制成。上端车有外螺纹与岩心管连接，内壁上设计有内锥，便于卡取岩心。,第二节 取心式硬质合金钻头,一、取心式硬质合金钻头结构要素 2、切削具出刃 镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃。 切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。,第二节 取心式硬质合金钻头,2、切削具出刃 （1） 内、外出刃 作用：保证钻头体与孔壁、岩心之间有一定的间隙，避免钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。 设置不合理的危害：出刃过大，合金抗外力的能力降低、碎岩断面和功耗增大，钻孔易弯曲。出刃过小，流阻增大，容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。 合理选择：主要取决于岩层，一般为13 mm。岩层较硬、孔壁稳固、钻速较低，取小值；反之，取较大的值。在遇水膨胀或有大量岩粉的软地层钻进时，必须加焊肋骨，增大内、外环状空间，一般取内、外出刃36mm ，底出刃45mm 。,第二节 取心式硬质合金钻头,（2） 底出刃 作用：保证切削具能顺利地切入岩石，并为冲洗液冷却切削具和 排除孔底岩粉提供通道。 底出刃大小：由切入深度和过水间隙两部分