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1、回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling第一节第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节第二节 硬质合金钻头硬质合金钻头第三节第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节第四节 金刚石钻头和扩孔器金刚石钻头和扩孔器第五节第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节第七节 全面钻头全面钻头第一节第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failureprocessof
2、downholerockdrilledbycarbide-insertbit一、钻探用硬质合金一、钻探用硬质合金(hardmetal for drilling) 通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料，钴为粘结材料。硬质合金钻进一般适用于软、中硬岩层钻进。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。薄片状：1-5级软岩；方柱状、八角柱状：4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育；针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。表表41 YG类硬质合金的性能表类硬质合金的性能表合金牌号化学成分（）物理机械性质特性及用途WCCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗弯
3、强度（MPa）YG3x97315.015.3921050耐磨性最好，冲击韧性最差，用于金属切削YG4c96414.915.2901400适用于均质和软质互层地层中回转钻进YA69193614.415.0921400加有少量TaC成分，提高了硬度YG694614.615.089.51400适用于回转钻进，使用效果仅次于YG4cYG6x94614.615.0911350细粒合金，强度接近YA6，耐磨性较YA6高YG892814.014.8891500地质勘探和石油回转钻进用主要品种YG8c92814.014.8881750粗粒合金，冲击韧性较高适于冲击回转钻进YG11c891114.014.487
4、2000耐磨性最差，冲击韧性最高，适于冲击回转凿岩YG15851513.914.1872000注：硬质合金中的附加字母“x”表示细粒合金，“c”表示粗粒合金。二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit)回转钻进的机械钻速回转钻进的机械钻速vm=60nmh1 影响切入深度影响切入深度h1的主要因素有：轴向力大小，岩的主要因素有：轴向力大小，岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、几石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、几何形状及排布方式；
5、钻头的转速与切削具的磨钝程何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝程度。度。 1、塑性岩石的孔底破碎过程、塑性岩石的孔底破碎过程 2、脆性岩石的孔底破碎过程、脆性岩石的孔底破碎过程 3、切入与切削同时作用下的碎岩过程、切入与切削同时作用下的碎岩过程式中：Py一个切削具上的轴向压力；S0切削具与岩石的接触面积；岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的硬度）。Py .S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图1.31所示
6、。一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的深度为。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成角的线方向切入岩石。因此，在切入的过程中,在前面OB上产生的正压力及摩擦力（等于摩擦一、塑性岩石的碎岩情况：一、塑性岩石的碎岩情况：岩石切入岩石底过程：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（和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即：（1.31）f)。系数同理，在后斜面OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下：（1.32）（1.33）式中：式中： b切削具的宽度；切削具的宽度； nOA面上的法线压强；面上的法线压强； 垂
7、直于垂直于AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。将式（将式（1.35）代入式（）代入式（1.34）中，则有：）中，则有：因此，切入深度因此，切入深度h0为：为：若设：若设： 则有：则有：式中：式中：v由切削具刃尖角由切削具刃尖角和切削具与岩石的摩擦角和切削具与岩石的摩擦角所决定的一个系数。所决定的一个系数。在一般情况下，在一般情况下，v0.880.97。根据切削具切入岩石的条件知：根据切削具切入岩石的条件知： 图图1.32 塑性岩石中的回转切削塑性岩石中的回转切削Py-轴向压力；轴向压力； Px-水平力；水平力； h0-切入深度；切入深度；
8、b-切削槽宽（切削具宽度）切削槽宽（切削具宽度） 图图1.35 脆性岩石的回转切削过程脆性岩石的回转切削过程Py-轴向压力；轴向压力；Px-回转水平压力；回转水平压力； 刃角刃角h0-切入深度；切入深度； abc-大剪切体；大剪切体； abc-第二次大剪切体；第二次大剪切体；B1大剪切时岩面槽宽；大剪切时岩面槽宽； 图图1.34 单面锲形切削具切入脆性岩石单面锲形切削具切入脆性岩石Py-轴向压力；轴向压力；h0-切入深度；切入深度；kok-崩落岩穴崩落岩穴 当当钻钻头头的的直直径径较较大大时时，很很小小，即即cos=1，sin0，则则式式（1.310）、（1.311）写成：）写成： 图图1.3
9、7 切入切削同时作用的井底碎岩情况切入切削同时作用的井底碎岩情况 Py-给进力；给进力； Px-切削力；切削力； R岩石底抗压入阻力；岩石底抗压入阻力； Q刃前阻力；刃前阻力；N,T-R的分力；的分力；f-摩擦系数；摩擦系数；-切削角；切削角； -切削具前面与岩石破碎面底夹角；切削具前面与岩石破碎面底夹角；-井底切削面倾角井底切削面倾角三、硬质合金切削具的磨损三、硬质合金切削具的磨损(Wear of tungsten carbide cutter )1.关于切削具磨损和转速问题的研究关于切削具磨损和转速问题的研究费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究，得出如图45中的磨
10、损曲线。该曲线反映了切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压的关系。横坐标的分界点表示岩石的压入硬度，在其前后属于两种不同性质的磨损。（1）曲线当0时，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎状态，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）曲线当0时，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压增大，单位时间的磨损量W不但未增加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎的条件下，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。费得洛夫提出，在一定条件下切削具磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关。S（t）=S0+t式中：S0切削具的初始面积，mm2；t磨损时
11、间，min；取决于岩石性质的磨损系数，mm2/min。硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降，其机械转速vm与切削刃磨钝面积的平凡成反比：（45）式中：A系数。当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。设钻进的初始参数为v0=A/so2，（45）式可写成（46）式中：k0=/S0,，k0转速下降的特征系数；钻头在t时间内的总进尺为，将（46）代入，则有。因此，平均转速为，通过变换可写成：（47）（47）式表明，平均转速可写成以进尺H为自变量的一元线性方程。其中，v0是在纵坐标上的截距，k0为直线的斜率。进尺H是在钻进过程中容易准确测得的参数，我们可以用一元线性回归分析的方法，在若干观
12、察值的基础上求出k0值，从而利用（47）式莱预测切削具磨损对转速的影响。2.切削具在孔底磨损的实际情况切削具在孔底磨损的实际情况前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际上在钻进过程中，钻头硬质合金切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的（图46），即：y外y内y，t外t内y切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前端和后缘磨损更加厉害（图47）3.减轻切削具磨损底措施减轻切削具磨损底措施虽然切削具的磨损是不可避免的，但我们应设法把它控制在最低限度内。可采取的主要措施是：（1）避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其是在高转速、低钻压的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。（
13、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。图图45 不同比压下切削具的磨损情况不同比压下切削具的磨损情况 表面碎岩；表面碎岩；体积碎岩体积碎岩 图图47 切削具刃端磨损的切削具刃端磨损的理想情况（理想情况（a）与实际情况（）与实际情况（b） 图图46 切削刃的实际磨损情况切削刃的实际磨损情况y切削刃磨损高度；切削刃磨损高度； r,R-环槽内外径环槽内外径t-刃端磨损高度；刃端磨损高度； t内，内，t外刃端内、外侧磨损宽度；外刃端内、外侧磨损宽度；b-环槽
14、宽度；环槽宽度； y内，内，y外外-切削刃内外侧磨损高度；切削刃内外侧磨损高度；第二节第二节 硬质合金钻头硬质合金钻头(Carbide-insert bit)分为取芯钻头和不取芯钻头分为取芯钻头和不取芯钻头取芯式硬质合金钻头的结构要素取芯式硬质合金钻头的结构要素 钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角度，切削具在钻头体上的布置方式，切削度，切削具在钻头体上的布置方式，切削具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽钻头体钻头体(Bit blank)图图 1.315 硬质合金钻头硬质合金钻头切削具出刃切削具出刃(Protruding edge
15、 of cutter)岩石性质岩石性质内出刃内出刃外出刃外出刃底出刃底出刃松软、塑性、粘性、弱研磨性松软、塑性、粘性、弱研磨性2-2.52.5-33-5中硬、强研磨性中硬、强研磨性1-1.51.5-22-3图图 1.316 硬质合金钻头底出刃示意图硬质合金钻头底出刃示意图 b-环槽宽度；环槽宽度；r环槽内半径环槽内半径 图图 1.317 硬质合金切削具底出刃和补强硬质合金切削具底出刃和补强H切削具底出刃；切削具底出刃；h0-切入深度；切入深度；h1-钻头底面过水间钻头底面过水间切削具的镶焊角度切削具的镶焊角度Welding / soldering angle of cutter 选择原则选择原
16、则：对所钻岩切入和回转阻力小；镶焊形式有利于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利于及时排除岩粉，磨损后的切削具应保持一定的切削能力。比较三种镶焊方式的排粉条件、受力情况、锋利情况切削具在钻头体上的布置方式切削具在钻头体上的布置方式Layout of cutters on the crown of bit blank布置时应考虑以下：能保证钻头工作平稳；多环、不同底出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨。图图411 切削具在钻头体上底布置切削具在钻头体上底布置 （1）单环排列；（
17、）单环排列；（b）双环排列；（）双环排列；（c）多环排列）多环排列切削具在钻头体上的数目切削具在钻头体上的数目(Numbers of cutter on the crown of bit blank)切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切削具在钻头体上的数目。削具在钻头体上的数目。 机械钻速与切削具组数的关系：机械钻速与切削具组数的关系：v=hqn （q：切：切削具的组数）削具的组数） 钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的
18、钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬度等因素而定。度等因素而定。mP/s钻头的水口与水槽钻头的水口与水槽(Waterways of bit)1、水口的数目与面积每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头与岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积。2、水口的形状3、水槽图图 1.328 硬质合金钻头的各种水口和水槽硬质合金钻头的各种水口和水槽一一 取芯式硬质合金钻头取芯式硬质合金钻头(Carbide-insert bits for coring)分为磨锐式钻头与自磨式钻头分为磨锐式钻头与自磨式钻头图图 1.329 磨锐式切削具和自磨式切削具
19、磨锐式切削具和自磨式切削具图图 1.330 磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线 磨锐式钻头；磨锐式钻头；自磨式钻头自磨式钻头典型钻头结构举例典型钻头结构举例磨锐式钻头磨锐式钻头：在钻进遇水膨胀、粘结性的地层肋骨钻头和薄和薄片钻头片钻头；在钻进中硬及较硬地层分环式、掏槽式自磨式钻头自磨式钻头：针状硬质合金钻头（胎块式，钢柱式）和薄片硬质合金钻头分分环环式式钻钻头头掏掏 槽槽 式式 钻钻 头头胎块式针状硬质合金钻头胎块式针状硬质合金钻头常用常用硬质合金硬质合金钻头选型钻头选型类别钻头类型型 岩石可岩石可钻性性级别岩石岩石 磨磨锐式式钻头螺旋肋骨螺旋肋骨钻头松散可塑性岩
20、松散可塑性岩层阶梯肋骨梯肋骨钻头页岩，砂岩，砂页岩岩薄片式薄片式钻头砂砂页岩，碳岩，碳质泥岩泥岩方柱状方柱状钻头均均质大理岩，灰岩，大理岩，灰岩，软砂岩，砂岩，页岩岩单双粒双粒钻头中研磨性砂岩，灰岩中研磨性砂岩，灰岩晶字形型晶字形型钻头灰岩，大理岩，灰岩，大理岩，细砂岩砂岩破破扩式式钻头砂砂硕岩，岩，硕岩岩负前角前角阶梯梯钻头玄武岩，砂岩，玄武岩，砂岩，辉长岩，岩，灰岩灰岩自自磨磨式式胎体胎体针状状钻头中研磨性片麻岩，中研磨性片麻岩，闪长岩岩钢柱柱针状状钻头研磨性石英砂岩，混合研磨性石英砂岩，混合岩岩薄片式自磨薄片式自磨钻头研磨性粉沙岩，砂研磨性粉沙岩，砂页岩岩表表43 常用硬质合金钻头及其使
21、用范围表常用硬质合金钻头及其使用范围表第三节第三节 钻探用金刚石及孔底碎岩过程钻探用金刚石及孔底碎岩过程Diamond for drilling and downhole failure process一、钻探用金刚石钻探用金刚石(diamondfordrilling)1、分类分类(Classification)天然(Naturaldiamond)与人造(Syntheticdiamond)。人造金刚石包括单晶(Monocrystallinediamond)、聚晶(Polycrystallinediamond)和复合片Polycrystallinediamondcompact)。(Explain
22、thembriefly)2、特性特性：晶体结构为正四面体，元素为C，最硬、抗压强度最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。3、与钻探有关的物理力学性质与钻探有关的物理力学性质(Mechanical properties for diamond pertaining to drilling) 硬度(Hardness)强度(Strength)耐磨性(Wearresistance)热性能(Thermalproperties)4、钻探用金刚石的粒度与品级钻探用金刚石的粒度与品级(Quality and size of diamond for drilling)金刚石的计量单位为克拉（carat），度量
23、常用一克拉多少粒表示（对于粗颗粒而言），或“目”表示。表表44 天然金刚石品级分类表天然金刚石品级分类表级别代号用途级别代号用途特级（AAA）TT特硬地层或绳索取心钻头低级（C）TD中硬地层优质级（AA）TY坚硬、硬地层或绳索取心钻头等外级TX择优后用于制造孕镶钻头标准级（A）TB硬和中硬地层TS表表45 人造金刚石品级分类表人造金刚石品级分类表金刚石品级代号单晶强度（MPa）单晶强度（N/粒）应用地层特级RT220050坚硬优质级RY180022004050硬标准级RB150018003440中硬硬表表46 人造金刚石聚晶品级分类表人造金刚石聚晶品级分类表聚晶级别代号磨耗比特级RJT1:30
24、000优质级RJY1：200001：30000标准级RJB1：150001：20000第四节第四节 金刚石钻头与扩孔器金刚石钻头与扩孔器(Diamond bit and reamer shell)1、金刚石钻头的规格和标准、金刚石钻头的规格和标准(Specifications and standard of diamond bit)（注意（注意“级配级配”）图图 1.410 双层岩心管金刚石取心钻具组合双层岩心管金刚石取心钻具组合1岩心管接头；岩心管接头；2外管；外管；3内管；内管；4扩孔器；扩孔器；5卡簧；卡簧； 6卡簧座；卡簧座； 7钻头钻头图图 1.411 金刚石钻具级配金刚石钻具级配图
25、图 1.412 金刚石钻头金刚石钻头（a）表镶金刚石钻头；（）表镶金刚石钻头；（b）孕镶金刚石钻头；（）孕镶金刚石钻头；（c）复合片钻头）复合片钻头图图 1.413 金刚石钻头的结构金刚石钻头的结构 （a）表镶钻头；）表镶钻头； （b）孕镶钻头；）孕镶钻头；1金刚石；金刚石；2胎体；胎体；3钻头体；钻头体；4水口水口 图图 1.41.414 14 金刚石钻头刃部金刚石钻头刃部(a)(a)表镶钻头：表镶钻头： 1 1底刃金刚石；底刃金刚石；2 2保径金刚石；保径金刚石； 3 3侧刃金刚石；侧刃金刚石； 4 4胎体；胎体； 5 5钻头体钻头体(b)-(b)-孕镶钻头：孕镶钻头： 1 1金刚石；金刚
26、石； 2 2工作部分胎体；工作部分胎体； 3 3非工作部分胎体；非工作部分胎体；4 4钻头体钻头体; h-; h-孕镶层高度孕镶层高度Surface-set diamond bitImpregnated diamond bit Polycrystalline diamond compact bit（PDC bit）2、表镶金刚石钻头（Surface-setdiamondbit）diamondsizeCoarsegrainMediumgrainSmallgrainStonespercarat15-2525-4040-60StrataMediumhardHardStiffhardVarious s
27、ize of diamond used in surface-set diamond bitOthers of surface-set diamond bit1.Layoutofdiamondonthecrownofthesurface-setbit；2.Crownconfigurationofsurface-setdiamondbit；3.Waterwaysofsurface-setdiamondbit；4.Manufacturemethodofsurface-setdiamondbit；3、孕镶金刚石钻头（Impregnateddiamondbit）Diamondqualityanddia
28、mondsize DiamondconcentrationClassificationofmatrixpropertiesofimpregnateddiamondbitandtherelationshipbetweenmatrixpropertiesandrockpropertiesCrownconfigurationofimpregnateddiamondbitManufacturingmethodofimpregnateddiamondbitVariousmeshsizeofdiamondusedinimpregnateddiamondbitDiamond size （mesh）Synth
29、eticdiamond4646-6060-8080-100Natural diamond20-3030-4040-6060-80Strata Medium hard-hardHard stiff hardRecommended diamond concentrations of impregnated bit for different rocksCode12345Con.44%50%75%100%125%Vol.Con.11%12.5%18.8%25%31.5%Diamondcontents1.93carat/cm32.2carat/cm33.3carat/cm34.4carat/cm35.
30、5carat/cm3StratadrillableHardstiffhard,LowabrasivenessHardstiffhard,LowabrasivenessHardmed.hard,Med.abrasivenessHardmed.hard,highabrasivenessClassification of matrix properties and the relationship between them and rock propertiesa:matrixwearsproperly,diamondexposenormally;b:matrixwearsfast,diamonde
31、asilybreakordropoff;c:matrixwearsslowly,diamondsdonotexpose.Hardness-one of matrix propertiesGradeCode MatrixhardnessFormationdrillableExtrasoft010-20VeryhardandcompactrockSoft120-30VeryhardrockwithmediumabrasivenessMediumsoft230-35HardrockwithmediumabrasivenessMediumhard335-40Mediumhard,mediumhigha
32、brasivenessHard440-45Hard,highabrasivenessExtrahard545Hard-brittle-fracturedrock二、金刚石钻进的孔底碎岩过程二、金刚石钻进的孔底碎岩过程(Failure process of downhole rocks drilled by diamond bit)1、表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程、表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程，试验装置如下图：试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程，试验装置如下图：试验岩石如下表：试验岩石如下表： Pro.Sam.Hardness (Mpa)Plastic coef
33、ficient(K)DrillabilityPenetration rateSpecific weightFriction coefficient Elastic modulus(Mpa)光学玻璃光学玻璃516013.860.1154700霏细斑岩霏细斑岩81301.55100.592.550.13流纹斑岩流纹斑岩71702.30110.252.830.14（表镶）金刚石切削碎岩的基本过程（表镶）金刚石切削碎岩的基本过程在轴向力和切向力共同作用下，金刚石一方面吃入岩石，产生类似压入碎岩的作用，同时在金刚石转动的前方，则以剪切作用产生贝壳状剪切体，且在靠金刚石一方的厚度最大。图1.4-31表示金
34、刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体示意图。用金刚石切削典型的脆性体光学玻璃时，其剪切破碎作用发育得十分完全，同时在切槽内部产生相应的裂纹，并有超前裂纹。由图可知，其裂纹状况与大、小剪切相互对应。随着岩石塑性系数塑性系数的增大，其剪切破碎效果较差。在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度，又表示着选用的工具和工艺的优劣程度。由图1.4-35知，切切削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细斑岩。斑岩。孕镶金刚石钻头的钻进过程孕镶金刚石钻头的钻进过程 孕镶钻头的工作实质是孕镶钻头的工作实质是：1、依靠小而多的硬质点（即金刚石
35、）刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得应用的效率；2、胎体应有自磨自锐作用。 根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为：根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为：1、保持金刚石上的轴向力为一定值，称为自由给进；2、保持金刚石的切削深度为一定值，称为强制给进。孕镶金刚石钻头的钻进是自磨自锐性质，在保持正常钻进的状态下，其钻速应当是一定的，亦即钻头每转的切入量应当是一定的。 试验研究和生产实践表明：试验研究和生产实践表明：钻头每转的切入量是评定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一。第五节第五节 钢粒钻进及孔底碎岩过程钢粒钻进及孔底碎岩过程（Chilled-steel shot drilling）用未
36、镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒，并带动他们用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒，并带动他们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。钢粒钻进在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。钢粒钻进曾广泛用于曾广泛用于7-12级的岩石，一般用于大口径钻进。级的岩石，一般用于大口径钻进。一、钢粒及钢粒钻进用钻具一、钢粒及钢粒钻进用钻具 1、钢粒的材质（、钢粒的材质（60号、号、70号，直径号，直径2.5，3.5，4mm圆柱体，圆柱体，高度与直径基本相等。）高度与直径基本相等。） 钢粒中含有较高的碳量，主要是为了能有较高的淬火硬钢粒中含有较高的碳量，主要是为了能有较高的淬火硬度；锰和硅起固溶
37、强化作用，以提高钢粒的强度；硅元素还度；锰和硅起固溶强化作用，以提高钢粒的强度；硅元素还能增加钢粒的回火稳定性；少量的钒能有效地细化晶粒，强能增加钢粒的回火稳定性；少量的钒能有效地细化晶粒，强化基体组织，提高钢的强度和硬度。化基体组织，提高钢的强度和硬度。2、70号钢材的钢号钢材的钢粒热处理工艺粒热处理工艺采用钢粒的钢材成分，如表采用钢粒的钢材成分，如表1.51所示所示钢号号钢 材材 成成 分，分，备注注碳碳硅硅锰钒镍烙烙硫硫磷磷650.62 20.700.70 0.170.370.37 0.50.80.80.250.250.040.04DB 699-65700.670.750.75 0.17
38、0.370.37 0.50.80.80.250.250.040.04DB 699-6565锰0.620.700.70 0.170.370.37 0.91.21.20.250.250.040.04DB 699-6570锰0.670.750.75 0.170.370.37 0.90.91.21.20.250.250.040.04DB 699-6565锰硅硅钒0.600.700.70 1.101.401.40 0.90.91.21.2 0.05 50.120.120.250.250.0410 单位压力单位压力 （kg/cm2）30-3535-4040-45钢粒性能钢粒性能直径直径3mm，抗压强度，抗
39、压强度1200 kg/粒，硬度粒，硬度HRC50三、转速三、转速钻头的转速大小关系到钢粒在孔底滚动的速度和克取岩石的频率。钢粒的相对抗压强度是随岩石硬度的增加而降低的。在硬度大的岩石中，钢粒的抗压强度相应变小，如果转速过大，则更易使钢粒过早破损而失效，所以以采用较低的转速为宜。在硬度较低的岩石中，钢粒的相对抗压强度较大，所以可采用较高的转达速。图图1.515 不同岩石在转速变化时对机械转速的影响不同岩石在转速变化时对机械转速的影响 112级石英岩级石英岩 ；29级斜长花岗岩；级斜长花岗岩；38级花岗岩级花岗岩实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最优
40、转速要低得多。优转速要低得多。岩石级别岩石级别7-910孔深孔深(m)0-200200-4004000-300300转速转速r/min180-250180140-180180150-180110mm钢粒钻头的转速选择参考表钢粒钻头的转速选择参考表冲洗液量冲洗液量在钢粒钻进中在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩粉它不仅起着排除岩粉和冷却钻具的作用和冷却钻具的作用,更重要的还起着分选更重要的还起着分选更新钢粒和促使钻更新钢粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用。合理的冲洗液量应该头唇面下合理布砂的作用。合理的冲洗液量应该 是既能保证是既能保证有效地将钻粉冲走、保持孔内清洁
41、，能使多余的钢粒在外环有效地将钻粉冲走、保持孔内清洁，能使多余的钢粒在外环间隙中呈悬浮状态；又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的工间隙中呈悬浮状态；又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的工作过程。常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量：作过程。常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量： Q=kD 式中，式中， Q钢粒钻进的冲洗液量钢粒钻进的冲洗液量L/min ，D钻头直径钻头直径cm，k送水系数，送水系数，L/mincm。清水：。清水： k =5-3；泥浆：；泥浆： k =3-1.5 钻头水口的大小直接影响到该处的流速。在钻进过程钻头水口的大小直接影响到该处的流速。在钻进过程 中水口是随钻头的磨耗而变小的。为了不使水
42、口处液流速度中水口是随钻头的磨耗而变小的。为了不使水口处液流速度过大而影响正常的补砂，冲洗液量应随水口变小而减小。过大而影响正常的补砂，冲洗液量应随水口变小而减小。一次投砂时，孔底钢粒的数量不断地磨耗而变少，钢一次投砂时，孔底钢粒的数量不断地磨耗而变少，钢粒的平均尺寸也在不断地变小，所以应随砂量和砂粒的减粒的平均尺寸也在不断地变小，所以应随砂量和砂粒的减小而把冲洗液量逐渐改小。若采用连续投砂法，孔底砂量小而把冲洗液量逐渐改小。若采用连续投砂法，孔底砂量基本不变，冲洗液量也可不因砂量而变，但应随着钻头水基本不变，冲洗液量也可不因砂量而变，但应随着钻头水口变小而改变冲洗液量。在采用一次投砂法时，在整个回口变小而改变冲洗液量。在采用一次投砂法时，在整个回次钻程中，冲洗液量应分为数次、逐步改小，一般称为次钻程中，冲洗液量应分为数次、逐步改小，一般称为“改水改水”，不改水就会影响后期的钻进效率。，不改水就会影响后期的钻进效率。 冲洗液量的选取还必须依钻压和转达速的大小而改变冲洗液量的选取还必须依钻压和转达速的大小而改变.转速一定时转速一定时,钻压增加钻压增加,最优冲洗液量也应增加最优冲洗液量也应增加;钻压一定时钻压一定时,转速增加转速增加,最优冲洗液量有所下降。最优冲洗液量有所下降。图1.516最优冲洗液量与单位压力和转速的关系
