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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 u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 回转
2、钻进用钻头 uu回转钻进选择钻头的一般原则是：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。在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。 金刚石钻头主要用于金刚石钻头主要用于5959、7676（7575）、）、91 mm91 mm的小口径；的小口径； 钢粒钻头主要用于钢粒钻头主要用于91mm91mm以上的口径；以上的口径； 硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径
3、，又可钻进大口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。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一、硬质合金钻进的基本概念与特点点 1 1、硬质合金钻进的基本概念、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具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，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
4、点一、硬质合金钻进的基本概念与特点一、硬质合金钻进的基本概念与特点一、硬质合金钻进的基本概念与特点2 2 2 2、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点、硬质合金钻进的特点uu切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。不受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；孔向、孔径和孔深的限制；uu钻出的孔壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安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；全钻进和保证取心；uu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，可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结
5、构，以便在不同的岩层中取得较优的效果；以便在不同的岩层中取得较优的效果；uu钻进中操作简便，容易掌握。钻进中操作简便，容易掌握。uu钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。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、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 1 1 1 1、硬质合金的特性、硬质合金的特性、硬质合金的特性、硬质合金的特性uu钻探用的钨钻探用的钨钻探用的钨钻探用的钨钴合金：钴合金：钴合金：钴合金：主要是碳化钨（主要是碳化钨（WCWC）钴钴(Co)(Co)系硬系硬uu质质合合金金。它它以以碳碳化化钨钨粉粉末末为为
6、骨骨架架金金属属，钴钴粉粉末末为为粘粘结结剂剂，用用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YGYG类硬质合金。类硬质合金。uu牌牌牌牌号号号号的的的的意意意意义义义义：合合金金牌牌号号如如YG8cYG8c的的意意义义为为：YGYG钨钨- -钴钴系系硬硬质质合金；合金；8 8钴的百分含量为钴的百分含量为8%8%；c c（x x）粗（细）粒合金。粗（细）粒合金。uu硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金的的的的特特特特性性性性：合合金金中中含含钴钴量量增增加加，相相对对密密度度下下降降，硬硬度度、耐耐磨磨性性降降低低，而而抗抗弯弯强强度度、冲冲击击韧韧性性增增高高；WCWC
7、的的颗颗粒粒越越细细，硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。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、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 2 2、选用硬质合金切削具的基本原则、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、薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。八角柱状和针状等。 第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金二、钻探用硬质合金 选择切削具形状的一般原则是：选择切削具形状的一般原则是：选择切削具形状的一般原则是：选择切削具形状的一般原则是： （1 1 1 1）片片片
8、片状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：刃刃薄薄易易于于压压入入和和切切削削岩岩石石，但但抗抗弯能力差，适用于弯能力差，适用于级软岩；级软岩； （2 2 2 2）柱柱柱柱状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：抗抗弯弯能能力力较较强强，压压入入阻阻力力也也较较小小，主主要要适适用用于于级级中中硬硬岩岩石石；八八角角柱柱状状合合金金的的抗抗崩崩能能力力强强，利利于于排排粉粉和和破破岩岩，并并易易于于焊焊牢牢，在在裂裂隙隙发发育育和和较较硬硬地地层中应用广泛；层中应用广泛； （3 3 3 3）针针针针状状状状和和和和薄薄薄薄片片片片状状状状硬硬硬硬质质质质合合合合金金金金：主主要要用用于于镶
9、镶焊焊自自磨磨式式钻钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。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 硬硬合合金金钻钻进进的的过过程程，实实际际上上是是切切削削具具在在轴轴向向力力的的作作用用下下，压压入入岩岩石石；在在回回转转水水平平力力的的作作用用下下，沿沿孔孔底底切切削削碎碎岩岩；在在轴轴向向力力和和水水平平力力的的共共同同作作用用下下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。 根根据据所所钻钻岩岩石石的的不不同同，其其破破碎碎方方式式也也不不相相同同，可可分分为为塑塑性性岩岩石石的的碎碎岩岩和和弹弹- -
10、塑塑性性岩岩石石的的碎碎岩岩两两种种情况。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（一）塑性岩石的碎岩情况 1 1、切、切入岩石的过程入岩石的过程 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：硬度。即： P Py yH Hy y F F0 0 式中：式中：H Hy y岩石的压入硬度；岩石的压入硬度； F F0 0切削具刃尖处与岩石的接触面积。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
11、岩石的碎岩情况（一）塑性岩石的碎岩情况 1 1、切入、切入岩石的过程岩石的过程 塑性岩石中，切削具切入岩石如图示（切削具未磨钝），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：根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关系式： 式中：式中：P Py y切削具上的轴载力，切削具上的轴载力，N N； b b切削具的刃宽，切削具的刃宽，mmmm； 切削具的刃角，度；切削具的刃角，度； H Hy y岩石的压入硬度；岩石的压入硬度； 摩擦力影响系数（摩擦力影响系数（小于小于1 1）。）。 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（一）塑性岩
12、石的碎岩情况 1 1 1 1、切入、切入、切入、切入岩石的过程岩石的过程岩石的过程岩石的过程 上式表明：上式表明： 塑塑性性岩岩石石切切削削具具的的切切入入深深度度h h0 0与与轴轴向向力力P Py y成成正正比比，而而与与切切削削具具的的刃刃角角、刃刃宽宽b b、岩岩石石的的压压入入硬硬度度H Hy y成成反反比比。虽虽然然角角越越小小切切削削具具刃刃尖尖切切入入岩岩石石越越容容易易，但但如如果果很很小小则则切切削削具具会会很很快快崩崩裂裂，实实际际上上角的最小值为角的最小值为45455050。 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（一）塑性岩石的碎岩情况 2 2、回
13、转切削过程、回转切削过程 切切削削具具切切入入岩岩石石并并回回转转时时，在在水水平平力力P Px x作作用用下下，压压迫迫其其前前面面的的岩岩石石，使使之之发发生生塑塑性性变变形形并并不不断断地地向向自自由由面面滑滑移移，称称为为切切削削作作用用。在在切切屑屑的的裂裂隙隙尚尚未未发发展展到到全全段段面面断断裂裂之之前前，下下一一部部分分切切屑屑又又发发生生滑滑移移。因因此此，其其切切屑屑应应该该是是连连续续的的、平平稳稳的的，其其切切削削槽槽宽宽与与切切削削具具刃刃宽宽是是相相同的。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 2、回转切削过程、回转切削过程 实实际际
14、上上，由由于于钻钻具具的的振振动动、冲冲洗洗液液的的冲冲刷刷，切切削削的的岩岩屑屑是是碎碎裂成岩粉被冲洗液带至地表；裂成岩粉被冲洗液带至地表； 在在P Py y 和和P Px x 共共同同作作用用下下的的切切入入比比P Py y单单独独作作用用下下切切入入更更容容易易，也切入的更深。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
15、。 其碎岩的显著特点则是在切削具的作用下以跳跃式的剪切破碎为主。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（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 1 1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。 2 2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移、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。产生若干次小剪切。 3 3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石、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，（部分被压成粉状）；同时，P Px x 力急剧
16、增大，当力急剧增大，当P Px x 力达到极限力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后值时，产生大的剪切破碎，然后P Px x力突然减小。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（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，地变化，B B1 1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为为的螺旋面进行。的螺旋面进行。 第一节 硬质合金钻进孔底
17、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。机械钻具本身不断被磨损，对机械钻速产生影响。机械钻速速v vm m取决于切削具切入岩石的深度取决于切削具切入岩石的深度h h 和钻头转速和钻头转速n n ，其表达式为，其表达式为 v vm m= 60= 60n nm mh h ，钻进中，由于切，钻进中，由于切削具被磨损，削具被磨损，h h 减小，钻速将逐渐衰减。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、硬质合金切削具的四、硬质合金切削具的磨损磨损 1 1、切削具磨损和
18、钻压的关系、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。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 1）曲线）曲线0 0，切削具未能有效吃入岩石，钻进处于表面，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破碎。此时切削具单位时间的磨损量W W正比于切削具上的比压正比于切削具上的比压。 （2 2）曲线）曲线0 0 ，岩石呈体积破碎。，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压随着切削具上的比压增大，增大，W W不仅未增不仅未增加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎加，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
19、轴向条件下，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。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四、硬质合金切削具的磨损 2 2、切削具的磨损与钻进时间、钻进速度的关系、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费得洛夫提出，在一定条件下切削具的磨钝面积 S S 和机械钻和机械钻速速v vm m分别为：分别为： S S（t t）= =S S0 0 + +tt ； 式中：式中：S S0 0切削具的初始面积，切削具的初始面积，mmmm2 2
20、； t t磨损时间，磨损时间，minmin； 取决于岩石性质的磨损系数，取决于岩石性质的磨损系数，mmmm2 2/min/min。 A A系数，当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。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。触面积的平方成反比。 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四、硬质合金切削具的磨损 3 3、关于切削具的磨损问题的研究、关于切削具的磨损问题的研究 设钻进的初始钻速为设钻进的初始钻速为 v v0 0= =A A/ /S S
21、0 02 2，上式可写成：，上式可写成：式中：式中： k k0 0钻速下降的特征系数，钻速下降的特征系数，k k0 0=/S=/S0 0。 钻头在钻头在t t时间内总进尺为时间内总进尺为 ， 代入代入v vm m得到得到 。因此，平均钻速为因此，平均钻速为 ， 通过变换可写成通过变换可写成 ( (下页）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四、硬质合金切削具的磨损 3 3、关于切削具的磨损问题的研究、关于切削具的磨损问题的研究 （4-74-7） （4-74-7）式式表表明明，平平均均钻钻速速是是进进尺尺H H 的的一一元元线线性性方方程程，其其中中，v v0 0 是
22、是纵纵坐坐标标上上的的截截距距，k k0 0 为为直直线线的的斜斜率率。平平均均钻钻速速和和进进尺尺H H 在在钻钻进进很很容容易易测测得得，可可以以用用一一元元回回归归分分析析的的方方法法，在在若若干干观观测测计计算算值值的的基基础础上上求求出出 k k0 0 和和 v v0 0 ，从从而而利利用用（4-74-7）式式来来预预测切削具磨损对钻速的影响。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四、硬质合金切削具的磨损 4 4、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况、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，实际前
23、述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际钻钻进中，切削具出刃的内、外侧进中，切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的，即：磨损量是不均匀的，即： y y外外y y内内y y， t t外外t t内内t t 切削具底端也不是被磨损成切削具底端也不是被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前缘平面，而是呈圆弧形，刃前缘和后缘磨损更厉害（图和后缘磨损更厉害（图4-74-7）。）。 第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 5 5、减轻切削具磨损的措施、减轻切削具磨损的措施 (1) (1) 避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻压压的条件下钻进研磨性岩石时
24、，切削具磨损更快。的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更快。 (2) (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。头唇面结构。 (3) (3) 及时修磨切削具，减小初始接触面积，以降低其磨损率。及时修磨切削具，减小初始接触面积，以降低其磨损率。 (4) (4) 采取等强度磨损的原则，对磨
25、损严重的内外侧面进行补强。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) (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。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 一一定定数数量量的的硬硬质质合合金金切切削削具具，按按一一定定的的形形式式排排布布在在钻钻头头体体上上，形形成成钻钻进进不不同同地地层层的的钻钻头头结结构构。这这些些决决定定钻钻头头结结构构的的因因素素称称为为硬硬质质合合金金钻钻头头的的结结构构要素。要素。 硬硬质质合合金金钻钻头头的的结结构构要要素素
26、主主要要包包括括：切切削削具具出出刃刃 、切切削削具具的的镶镶焊焊角角度度、切切削削具具在在钻钻头头体体上上的的数数目及布置方式等。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一、取心式硬质合金钻头结构要素 1 1 1 1、钻头体、钻头体、钻头体、钻头体 钻头体是硬质合金切削具的支撑体，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。钻头岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。钻头体是体是DZ-40DZ-40无缝钢管制成。上端车有外螺纹无缝钢管制成。上端车有外螺纹与岩心管连接，内壁上
27、设计有内锥，便于与岩心管连接，内壁上设计有内锥，便于卡取岩心。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一、取心式硬质合金钻头结构要素 2 2、切削具出刃、切削具出刃 镶焊在钻头体上的切削具必镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃。分称为切削具的出刃。 切削具出刃有：内出刃、外切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。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 1） 内、外出刃内、外出刃 作作用用：保保证证钻钻头头体体与与孔孔壁壁、岩岩心心之之间间有有一一定定的的间间隙隙，避避免免钻头
28、体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。 设设置置不不合合理理的的危危害害：出出刃刃过过大大，合合金金抗抗外外力力的的能能力力降降低低、碎碎岩岩断断面面和和功功耗耗增增大大，钻钻孔孔易易弯弯曲曲。出出刃刃过过小小，流流阻阻增增大大，容容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。 合合理理选选择择：主主要要取取决决于于岩岩层层，一一般般为为13 13 mmmm。岩岩层层较较硬硬、孔孔壁壁稳稳固固、钻钻速速较较低低，取取小小值值；反反之之，取取较较大大的的值值。在在遇遇水水膨膨胀胀或或有有大大量量岩岩粉粉的的软软地地层层钻钻进进时时，必
29、必须须加加焊焊肋肋骨骨，增增大大内内、外外环环状空间，一般取内、外出刃状空间，一般取内、外出刃3 36mm 6mm ，底出刃，底出刃4 45mm 5mm 。 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组成。 H值过大，在硬岩和裂隙性岩层中容易造成崩刃，应增加补强。一般为25 mm。底出刃有平底式、阶梯式。阶梯式可增加切削具破碎岩石的自由面，容易产生体积破碎。 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 3、切削具的镶焊角度 具有一定刃角的切削具以不同的前角（亦
30、称镶焊角）镶焊在钻头体上，形成不同的切削角，从而获得不同的钻进效果。 切削具在钻头唇面上有三种镶焊方式：正斜镶，直镶，负斜镶。 第二节 取心式硬质合金钻头 3、切削具的镶焊角度 （1）刃角的选择： =4550，用于级非裂隙性岩石； =65，用于级岩石； =90的小切削具，用于自磨式钻头。 （2）切削角的选择：根据所钻岩性来选择。 钻进软岩，应选择切削性能较好的正斜镶，=7080； 脆性和较硬的岩石，切削具主要按压碎和剪切作用碎岩，切削具易被磨钝，应选择入岩较锋利的直镶、负斜镶，=90105。 第二节 取心式硬质合金钻头 4 4、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式、硬质合金切削具在钻头体上的布置
31、方式 切削具的排列方式有：单环排列、多环排列、密集排列等。 （1）确定切削具布置方式的原则： 能保证钻头在孔底工作平稳； 多环排列时，每个切削具只破碎孔底的一部分，叠加起来完成整个唇面的切削，若各环之间能相互造成自由面，则破岩效果更佳； 尽量使每个切削具负担的破岩量接近，避免局部磨损过甚； 切削具之间应保持一定的距离，以利于排粉； 对切削具的镶焊和修磨方便。 第二节 取心式硬质合金钻头 4 4、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式 （2）切削具布置方式 单环排列：一个或二个切削具并联覆盖唇面，加工简单； 多环排列：多个切削具分环覆盖唇面，造成多的碎岩自由面；
32、密集排列：多个切削具集中为一组排列，前刃掏槽，后刃扩槽，相互支撑，承载大，抗弯、抗磨损好。 第二节 取心式硬质合金钻头 5、切削具在钻头体上的数目 钻钻头头上上切切削削具具数数目目越越多多，切切削削点点就就多多，单单位位时时间间完完成成的的切切削削量量就就大大，钻钻速速也也越越高高，钻钻头头寿寿命命较较长长。但但是是，由由于于轴轴向向载载荷荷有有限限，单单个个切切削削具具上上的的载载荷荷不不足足，只只能能形形成成表表面面破破碎碎；同同时时，切切削削具具数数目目太太多多，使使剪剪切切体变小，孔底冷却效果变差。体变小，孔底冷却效果变差。 切切削削具具数数目目取取决决于于岩岩性性、钻钻头头直直径径和
33、和切切削削具具形形状状。对对软软岩岩取取较较少少的的数数量量，对对较较硬硬和和非非均均质质及及研研磨磨性性岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。 第二节 取心式硬质合金钻头 6 6 6 6、钻头的水口和水槽、钻头的水口和水槽、钻头的水口和水槽、钻头的水口和水槽 （1 1）作作用用：是是冲冲洗洗液液流流经经钻钻头头、冲冲洗洗孔孔底底并并返返回回钻钻柱柱外外环环空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。（2 2）水水口口形形状状：矩矩形形、半半圆圆形形、梯梯形形和和三三角角形形，三三角角弧弧形形水口效果最好
34、。水口效果最好。（3 3）水水口口的的数数目目：等等于于切切削削具具的的数数目目或或组组数数。总总面面积积应应大大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。 第二节 取心式硬质合金钻头 二、取心式硬质合金钻头二、取心式硬质合金钻头（一）取心式硬质合金钻头分类（一）取心式硬质合金钻头分类 按切削具的磨损形态，硬合金钻头分为磨锐式和自磨式。按切削具的磨损形态，硬合金钻头分为磨锐式和自磨式。 1 1、磨锐式硬质合金钻头、磨锐式硬质合金钻头 钻头上的合金切削具磨钝后须用用砂轮修钻头上的合金切削具磨钝后须用用砂轮修磨锐利的钻头。切削具一般是单斜面锐角，磨锐利的钻
35、头。切削具一般是单斜面锐角，钻进中，随切削具磨损，机械钻速逐渐下钻进中，随切削具磨损，机械钻速逐渐下降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。 2 2、自磨式硬质合金钻头、自磨式硬质合金钻头 采用小断面切削刃，磨损后，接触面积采用小断面切削刃，磨损后，接触面积不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。 第二节 取心式硬质合金钻头 二、取心式硬质合金钻头二、取心式硬质合金钻头二、取心式硬质合金钻头二、取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 1 1、松软及
36、中软岩层所用的钻头、松软及中软岩层所用的钻头 在中软岩层中钻进的特点是：在中软岩层中钻进的特点是： 岩石压入硬度较小，可在较小的轴向压力下切入岩石；岩石压入硬度较小，可在较小的轴向压力下切入岩石； 切入深度较大，岩屑的颗粒也较大；切入深度较大，岩屑的颗粒也较大； 钻速高，单位时间产生的岩屑量大，要求钻头易于排粉；钻速高，单位时间产生的岩屑量大，要求钻头易于排粉； 该类岩层粘结性大，容易发生糊钻和遇水膨胀等问题，因该类岩层粘结性大，容易发生糊钻和遇水膨胀等问题，因此，钻具和孔壁间、岩心管和岩心间要有较大的间隙；此，钻具和孔壁间、岩心管和岩心间要有较大的间隙； 岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削
37、刃。岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削刃。 第二节 取心式硬质合金钻头 1 1、松软及中软岩层所用的钻头、松软及中软岩层所用的钻头 （1）肋骨式钻头：主要用于钻进遇水膨胀、粘性较大的软岩。依钻头结构不同，分为螺旋肋骨钻头和阶梯式肋骨钻头。 螺旋肋骨钻头特点：流通载面大，孔底干净，钻进效率较高。 阶梯式肋骨钻头的特点：肋骨片较厚，水口宽，孔底呈阶梯状。可钻进35级岩石。 第二节 取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 1 1、松软及中软岩层所用、松软及中软岩层所用的钻头的钻头 （2 2）薄片硬合金钻头：）薄片硬合金钻头： 特点是：底出刃和内、外特点是：底出刃和内、
38、外出刃较大，冲洗岩屑的间隙较出刃较大，冲洗岩屑的间隙较大，切削刃尖锐锋利。有菱形大，切削刃尖锐锋利。有菱形与斜角薄片等形式。主要用以与斜角薄片等形式。主要用以钻进粘结性较小的软岩。钻进粘结性较小的软岩。 第二节 取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 2 2、中硬及较硬岩层用的钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 这类岩层中钻进的特点是：这类岩层中钻进的特点是： 岩岩石石的的压压入入硬硬度度较较大大，为为了了保保证证切切削削具具切切入入岩岩石石，需需有有大大的的轴轴向向压压力力，因因此此，要要求求切切削削具具有有承承受受较较大的抗弯能力；大的抗弯能力； 切切削削具具切切入
39、入深深度度较较小小，钻钻速速相相对对较较低低，单单位位时时间产生的岩粉量也较软岩要少；间产生的岩粉量也较软岩要少； 岩岩石石脆脆性性较较大大、粘粘性性小小，排排粉粉问问题题不不很很突突出出。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。 第二节 取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 2 2、中中硬硬及及较较硬硬岩岩层层用用的的钻钻头头钻钻进进该该类类岩岩层层钻钻头头形形式式很多，主要有：很多，主要有： （1 1）内内外外镶镶硬硬质质合合金金钻钻头头：将将四四方方柱柱或或大大八八角角硬硬质质合合金金在在钻钻头头底底
40、唇唇面面分分内内外外出出刃刃分分环环排排列列，斜斜镶镶或或直直镶镶。四四方方柱柱内内外外镶镶钻钻头头适适用用于于3535级级岩岩石石，大大八八角角内内外外镶镶钻钻头头适适用用于于5757级级岩石。岩石。 第二节 取心式硬质合金钻头 2 2、中硬及较硬岩层用的钻头、中硬及较硬岩层用的钻头 （2 2）单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头：）单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头： 把把3 3颗硬合金切削具焊成一组呈品字形，可分散排列颗硬合金切削具焊成一组呈品字形，可分散排列（单双粒硬合金钻头），也可集中排列（品字形硬合（单双粒硬合金钻头），也可集中排列（品字形硬合金钻头）。金钻头）。 其特点：单粒掏槽，
41、双粒扩槽。单双粒其特点：单粒掏槽，双粒扩槽。单双粒硬合金钻头可钻进硬合金钻头可钻进4545级岩石，品字形硬合金钻头可钻级岩石，品字形硬合金钻头可钻进进4646级岩石。级岩石。 第二节 取心式硬质合金钻头 二、取心式硬质合金钻头二、取心式硬质合金钻头 （二）取心式硬质合金钻头（二）取心式硬质合金钻头 3 3、针状自磨式钻头针状自磨式钻头 把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块内内按一定原则包裹针状硬质合金，支撑体的按一定原则包裹针状硬质合金，支撑体的胎体硬度要合适，保证超前磨耗，以利于胎体硬度要合适，保证超前磨耗，以利于针状硬质合金自磨出刃。这种钻头可用于针状硬质合金自
42、磨出刃。这种钻头可用于钻进钻进5757级中等研磨性的岩石。级中等研磨性的岩石。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，已金刚石是迄今为止人类发现的最坚硬的研磨切削材料，已广泛的应用于现代工业。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚广泛的应用于现代工业。地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的五分之一，主要用于金刚石钻进的钻头、扩孔器和其石用量的五分之一，主要用于金刚石钻进的钻头、扩孔器和其他金刚石切削工具他金刚石切削工具 一、金刚石钻进的概念与特点一、金刚石钻进的概念与特点 1 1、金刚石钻进的概念、金刚石钻进的概念 金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。它是
43、将金刚石材金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。它是将金刚石材料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固结料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固结为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。 一、金刚石钻进的概念与特点一、金刚石钻进的概念与特点 2 2 2 2、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点、金刚石钻进的特点 （1 1）主主要要用用于于钻钻进进硬硬岩岩和和坚坚硬硬岩岩石石，也也可可钻钻进进软软中硬岩石；中硬岩石； （2 2）钻进效率高；）钻进效率高； （3 3）钻孔质量好；）钻孔质量好； （4 4）施工
44、劳动强度比较轻；）施工劳动强度比较轻； （5 5）钻钻探探成成本本比比较较低低，因因此此得得到到越越来来越越广广泛泛的的应应用。用。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 二、钻探用金刚石 1 1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 钻探用金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。 （1）制造钻头的天然金刚石可分为“包布兹”（Bortz），“刚果”（Congo），“卡邦纳多”（Carbonado），“巴拉斯”（Ballas）和“雅库特”（）五类。其中，“包布兹”主要用于制造表镶钻头，“刚果” 主要用于孕镶钻头，“卡邦纳多”和“巴拉斯”现已很少用于做钻头，“雅库特” 产于俄罗斯，主要在前苏联境内使用。
45、 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石 1 1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 （2）人造金刚石包括单晶、聚晶和金刚石复合片等品种。其中，聚晶是由细小的金刚石颗粒、粘合剂烧结成较大颗粒的多晶金刚石；金刚石复合片（PDC）是由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 1 1、钻探用金刚石的分类、钻探用金刚石的分类 金金刚刚石石单单晶晶：强度高、耐磨性好，在硬-坚硬地层中钻进能取得良好的效果；但由于其粒度小，在软-中硬地层中难以取得较高的钻速，且由于出刃量小，容易发生糊钻事故。 金金刚刚石石聚聚晶晶：高温稳定性好，强度较
46、高，耐磨性好，能直接合成所需的形状，所以，在中硬地层中能取得较好的钻进效果，但由于其强度较单晶小，所以不适用于大部分硬-坚硬的岩层钻进。 金金刚刚石石复复合合片片：综合了金刚石的耐磨性和硬质合金的抗冲击韧性，且在钻进中金刚石层保持了锐利的切削角，所以，在软-中硬地层能取得较好的效果。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 2、金刚石的特性 （1）金刚石为碳的结晶体，晶体结构为正四面体，碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定。 （2）典型的晶形有立方体、八面体和十二面体等。 （3）金刚石是世界上最硬、抗压强度最大、抗磨损能力最强的材料。其莫氏硬度为10级，是石英的1000倍；天然金刚石的抗压强度约为8
47、600MPa，是钢的9倍。耐磨性是钢的20005000倍。 （4）它的脆性较大，遇到冲击载荷会出现碎裂； （5）热稳定性较差，在高温下遇氧便氧化并被转化为石墨（“石墨化”）。因此，在金刚石工具的制造过程中，须隔氧，避免长时间受高温；在使用中，须及时冷却切削刃。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 3 3、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级 （1 1）金刚石的粒度）金刚石的粒度 国际上通用的计量单位是克拉（carat）。钻探用金刚石常用一克拉（0.2g）多少粒或过筛网目数（每平方英寸的网格数）来衡量。 钻探用的金刚石粒度：钻探用的金刚石粒度： 粗粒520粒/克拉； 中粒2040粒/克
48、拉； 细粒40100粒/克拉； 粉粒100400粒/克拉。 其中，粗、中粒多用于表镶钻头和表镶扩孔器，细、粉粒多用于孕镶钻头和孕镶扩孔器。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 （2 2）金刚石的品级：）金刚石的品级：主要根据晶形和强度来判定。 人造单晶晶形分为5种： 完整晶体：完整晶体：晶形好、强度高、耐冲击，是理想的切磨耗材。 等积形：晶体长轴与短轴之比不超过1.51的称为等积形。强度较高，但形状尚好，在钻探中的应用占有一定比例。 非非等等积积形形：晶体长轴与短轴之比超过1.51者为非等积形。质量差，形状不好，强度很低，在钻探中不宜采用。 连连晶晶：共晶面或晶棱的晶体、非完整晶体的连生体。将连晶
49、破碎为单晶，经整形、分选，得到质量较好的金刚石在钻探上使用。 聚晶体：聚晶体：许多小的晶体无规则地聚合丛生称为聚晶体。质量差，强度很低，钻探中不能采用。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石 3 3 3 3、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级、钻探用金刚石的粒度和品级（2 2）金金刚刚石石的的品品级级：主要根据晶形和强度来判定。按强度区分是金刚石的品级：工业上衡量人造单晶金刚石质量的可计量指标是单单轴轴抗抗压压强强度度。用于钻探的人造金刚石强度一般在2500Mpa以上，即：60#（60目）单晶单粒的抗压值在85N以上。 第三
50、节 金刚石及其孔底碎岩过程 三、金刚石钻进的孔底碎岩过程 表镶钻头（钻头胎体上的金刚石颗粒较大）与孕镶钻头（胎体上的金刚石颗粒较小）的碎岩机理有着显著的不同。国内外研究表明，金刚石钻进的孔底碎岩过程存在有以下几种机理 1、压碎剪切与疲劳破碎 2、犁掘作用原理 3、多刃研磨切削 4、微动载碎岩 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 1 1、压碎剪切与疲劳破碎、压碎剪切与疲劳破碎 表镶钻头上的单粒金刚石表镶钻头上的单粒金刚石在在P Py y、P Px x联合作用下，类似联合作用下，类似球体压入岩石（弹脆性岩石）球体压入岩石（弹脆性岩石）产生大、小剪切体破碎，切产生大、小剪切体破碎，切槽宽度金刚石颗粒直径
51、。槽宽度金刚石颗粒直径。当金刚石被磨钝时，在当金刚石被磨钝时，在P Py y、P Px x的作用下，产生压缩应变的作用下，产生压缩应变和拉伸应，岩石中出现一些和拉伸应，岩石中出现一些微小的裂纹，裂纹的数量及深度取决于轴载和转速。孔底某一点经微小的裂纹，裂纹的数量及深度取决于轴载和转速。孔底某一点经多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎的性质。多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎的性质。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 2、犁掘作用原理（塑性破碎） 钻进时，孔底岩石是在三向应力状态下（围岩压力、液柱压力和轴向载荷），随围压的增加，岩石的塑性增大。当以塑性破碎为主时，将发生明显的犁掘
52、作用过程，即：钻头唇面上出露的金刚石，在轴向压力作用下侵入岩石表面，在切向力作用下沿横向滑移时，滑移前方的压缩应力区产生张应力滑移区，在滑移区内产生向前、向左、向右、向下的裂纹，当应力增加时，裂纹扩展。应力超过岩石强度时，首先在金刚石的正前方出现沟槽形的破碎，在其两侧也将沿薄弱面产生破碎。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 3、多刃研磨切削 孕孕镶镶钻钻头头金金刚刚石石颗颗粒粒小小，且且埋埋藏藏于于胎胎体体之之中中，钻钻进进中中必必须须自自磨磨出出刃刃（“ “自自锐锐” ”）才才能能维维持持钻钻速速恒恒定定而而不不衰衰减减。其其碎碎岩岩机机理理类类似似于于砂砂轮轮磨磨削削工工件件。以以唇唇面面上
53、上多多而而小小的的硬硬质质点点（金金刚刚石石）对对加加工工件件（孔孔底底岩岩石石）进进行行刻刻划划、磨磨削削，随随着着硬硬质质点点的的逐逐渐渐磨磨损损和和粘粘结结胎胎体体的的不不断断磨磨耗耗，新新的的硬硬质质点点又又裸裸露露出出来来参参加加工工作作。当当唇唇面面金金刚刚石石出出露露较较好好时时，存存在在磨磨削削的的同同时时，也也有有可可能能存存在在孔孔底底的的微微剪剪切切和和微微压压碎碎作作用用。如如果果孕孕镶镶金金刚刚石石钻钻头头的的胎胎体体性性能能与与所所钻钻岩岩石石不不适适应应或或没没有有足足够够的的钻钻压压，胎胎体体不不能能超超前前磨磨耗耗使使丧丧失失破破岩岩能能力力的的金金刚刚石石颗
54、颗粒粒自自行行脱脱落落，在在孔孔底底钻钻进进中中表表现现为为钻钻头头“ “打打滑滑” ”，钻钻速速迅迅速速下下降。降。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程 4、微动载碎岩 有有些些学学者者认认为为，无无论论表表镶镶或或孕孕镶镶钻钻头头在在孔孔底底的的碎岩过程中，孔底还存在着微动载的碎岩过程。碎岩过程中，孔底还存在着微动载的碎岩过程。 在在轴轴向向压压力力（钻钻压压）下下，钻钻头头被被紧紧压压在在孔孔底底岩岩石石表表面面，钻钻具具的的回回转转振振动动和和钻钻柱柱弹弹性性变变形形对对孔孔底底钻钻压压的的加加强强或或减减弱弱、泵泵送送流流体体的的压压力力脉脉动动，对对孔孔底底岩岩石石的的破碎起到了积极的
55、促进作用。破碎起到了积极的促进作用。 第三节 金刚石及其孔底碎岩过程第四节 金刚石钻头和扩孔器 一、金刚石钻头的种类 用金刚石制作的破碎孔底岩石的工具统称为金刚石钻头。在钻用金刚石制作的破碎孔底岩石的工具统称为金刚石钻头。在钻头头的上部安置一个金刚石扩孔器，与钻头组成一套钻具。的上部安置一个金刚石扩孔器，与钻头组成一套钻具。 金刚石钻头金刚石钻头的种类有：的种类有：天然的、人造的；电镀的、热压的；天然的、人造的；电镀的、热压的；单管的、双管的；绳索取心的、定单管的、双管的；绳索取心的、定向钻进的；取心的、全面的；矿山向钻进的；取心的、全面的；矿山的、油井的；等等。的、油井的；等等。 根据碎岩特
56、点，可分为表镶金刚根据碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头、孕镶金刚 石钻头和聚晶烧石钻头和聚晶烧结体结体( (包括复合片包括复合片) )金刚石钻头。金刚石钻头。 一、金刚石钻头的种类第四节 金刚石钻头和扩孔器 一、金刚石钻头的种类 我我国国在在钻钻探探生生产产中中主主要要采采用用的的是是孕孕镶镶金金刚刚石石钻钻头，与表镶钻头相比孕镶钻头的优越性表现在：头，与表镶钻头相比孕镶钻头的优越性表现在： (1) (1) 对金刚石品级的要求低于表镶钻头；对金刚石品级的要求低于表镶钻头； (2) (2) 孕孕镶镶钻钻头头抗抗冲冲击击载载荷荷的的能能力力较较好好，对对钻钻进进效效果果的的影影响响小
57、小于于表表镶镶钻钻头头，对对违违反反操操作作规规程程的的敏敏感感程程度也小于表镶钻头；度也小于表镶钻头； (3) (3) 制制造造过过程程简简单单，不不必必按按规规定定用用手手工工布布置置摆摆放金刚石颗粒。放金刚石颗粒。 第四节 金刚石钻头和扩孔器 二、金刚石钻头的规格和标准 金刚石钻头的规格尺寸是很严格的，我国的金刚金刚石钻头的规格尺寸是很严格的，我国的金刚石钻头规格系列为：石钻头规格系列为：36.536.5，46.546.5，59595 5，7575（7676），），91mm91mm等。等。 钻头、扩孔器、岩心管与套管之间有严密的级配钻头、扩孔器、岩心管与套管之间有严密的级配和间隙关系。和
58、间隙关系。 和扩孔器所钻的钻孔要为下入该级套管提供足够和扩孔器所钻的钻孔要为下入该级套管提供足够的间隙，当套管下人后其内径又须为下一级钻头及扩孔的间隙，当套管下人后其内径又须为下一级钻头及扩孔器的下入提供足够的间隙。岩心管的外径与孔壁应有足器的下入提供足够的间隙。岩心管的外径与孔壁应有足够的间隙以便冲洗液畅通，其内径应该能容纳岩心。够的间隙以便冲洗液畅通，其内径应该能容纳岩心。第四节 金刚石钻头和扩孔器 第四节 金刚石钻头和扩孔器 三、金刚石钻头胎体和胎体中的金刚石参数三、金刚石钻头胎体和胎体中的金刚石参数 ( (一一) )金刚石钻头胎体金刚石钻头胎体 金刚石钻头胎体用于包裹金刚石，并与钻头钢
59、体牢固连接。对钻头胎体性能的要求是：对钻头胎体性能的要求是： 1、胎体能牢固地包镶金刚石，表镶金刚石钻头更是如此； 2、应有足够的强度，具有一定的抗冲击性能，胎体与刚体之间的连接要牢固； 3、胎体的硬度、抗冲蚀性能、耐磨性要与所钻岩石的压入硬度、抗压强度、研磨性相适应。孕镶钻头对这些性能要求更加严格。 第四节 金刚石钻头和扩孔器 ( (一一) )金刚石钻头胎体金刚石钻头胎体 孕镶钻头钻进时，胎体的磨损速度应适当超前于金刚石的磨损速度，使金刚石不断出刃。如果胎体不磨损或磨损极慢，则金刚石出刃甚小，发挥不了多刃微切削作用，钻速很低。反之，如果胎体磨损太快，则造成金刚石过早的崩刃或脱粒，从而失去钻进
60、能力、钻头寿命缩短。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃，且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑。第四节 金刚石钻头和扩孔器 （二）金刚石在胎体中密度（浓度） 1 1、金刚石在胎体中的密度、金刚石在胎体中的密度 金金刚刚石石在在胎胎体体中中的的密密度度是是表表镶镶钻钻头头金金刚刚石石含含量量的的表表示示方方法法，其其含含义义为为：胎胎体体表表面面单单位位面面积积金金刚刚石石的的颗颗粒粒数数。其其范范围围一一般般为为16411641粒粒/cm/cm2 2，根根据据金金刚刚石石颗颗粒粒大大小小和和所所钻钻地地层层适适当当调调节节。大大颗颗粒粒的的、软软地地层层的的选选用用低低密密度度，小小颗颗粒粒
61、的的、硬硬地地层层的选用高密度。的选用高密度。第四节 金刚石钻头和扩孔器 2 2、金刚石在胎体中浓度、金刚石在胎体中浓度 孕孕镶镶钻钻头头使使用用浓浓度度来来表表示示金金刚刚石石在在胎胎体体中中的的含含量量，钻钻头头胎胎体体工工作作层层中中金金刚刚石石体体积积的的百百分分含含量量 。“ “400%400%浓浓度度制制” ”，当当金金刚刚石的体积占胎体工作层体积的石的体积占胎体工作层体积的1/41/4时，其浓度为时，其浓度为100% 100% 。 孕孕镶镶钻钻头头中中的的金金刚刚石石浓浓度度一一般般为为70120%70120%，浓浓度度过过高高，端端面面金金刚刚石石与与岩岩石石的的接接触触面面积
62、积增增大大，单单粒粒金金刚刚石石上上的的压压力力较较小小，压压入入岩岩石石的的深深度度减减小小。当当小小于于岩岩石石抗抗压压强强度度时时，其其为为表表面面破破碎碎和和疲疲劳劳破破碎碎，钻钻速速很很低低，甚甚至至不不进进尺尺；浓浓度度过过低低，在在端端面面上上出出露露的的金金刚刚石石太太少少，不不能能满满足足全全断断面面切切削削孔孔底底岩岩石石，同同时时还还造造成成单单粒粒金金刚刚石石上的压强太大，出露的金刚石就过早地磨钝或崩刃、脱粒。上的压强太大，出露的金刚石就过早地磨钝或崩刃、脱粒。第四节 金刚石钻头和扩孔器 （三）金刚石的出刃 1 1、表镶钻头金刚石出刃原则：、表镶钻头金刚石出刃原则： （
63、1 1）正常的泵压条件下岩粉能从钻头端面顺利通过；）正常的泵压条件下岩粉能从钻头端面顺利通过； （2 2）金刚石出刃在钻进时不易被折断；）金刚石出刃在钻进时不易被折断； （3 3）金刚石在胎体中包镶牢固。）金刚石在胎体中包镶牢固。 出出刃刃值值取取决决于于金金刚刚石石粒粒度度和和所所钻钻岩岩石石的的物物理理力力学学性性质质。一一般般，以以不不超超过过金金刚刚石石直直径径的的2525一一3030为为宜宜。软软、粗粗粒粒岩岩石中，出刃值应较大；硬岩及破碎岩层中，出刃值应较小。石中，出刃值应较大；硬岩及破碎岩层中，出刃值应较小。 2 2、孕镶钻头的金刚石出刃、孕镶钻头的金刚石出刃 孕孕镶镶钻钻头头金
64、金刚刚石石的的出出刃刃是是一一个个自自锐锐的的过过程程，设设计计其其金金刚刚石石出刃值的实质是设计好胎体的性能。出刃值的实质是设计好胎体的性能。 第四节 金刚石钻头和扩孔器 （四）金刚石在胎体上的排列 金金刚刚石石在在胎胎体体上上的的排排列列主主要要是是指指表表镶镶钻钻头头唇唇面上的金刚石颗粒的排列，其原则为：面上的金刚石颗粒的排列，其原则为：1 1、金金刚刚石石要要均均匀匀地地布布满满钻钻头头的的胎胎体体表表面面，并并有有一一定定的重叠度；的重叠度；2 2、便于冲洗液排除岩粉，充分冷却金刚石；、便于冲洗液排除岩粉，充分冷却金刚石；3 3、钻钻进进中中，唇唇面面内内外外两两侧侧的的棱棱部部金金
65、刚刚石石负负担担最最重重，其其次次为为底底刃刃，再再次次为为侧侧面面刃刃。须须选选择择优优质质金金刚刚石石作作规径刃和内边刃。规径刃和内边刃。第四节 金刚石钻头和扩孔器 （四）金刚石在胎体上的排列 金刚石在钻头唇面上的排列方式有放射排列，螺旋排列和等距离排列等。螺旋排列一般用于软岩钻，其排粉效果最好。第四节 金刚石钻头和扩孔器 四、钻头的唇面形状 （一）表镶金刚石钻头的唇面形状 1 1、圆圆弧弧形形唇唇面面（圆圆弧弧直直径径胎胎体体厚厚度度）规规径径处处可可布布置置较较多多的的金金刚刚石石，保保径径效效果果好好，适适用用于于中中硬硬和和硬岩层；硬岩层； 2 2、多多阶阶梯梯形形唇唇面面多多用用
66、于于壁壁厚厚大大的的钻钻头头（如如绳绳索取心），适用于中硬和硬岩层，有利于破岩和导向；索取心），适用于中硬和硬岩层，有利于破岩和导向； 3 3、内内锥锥形形唇唇面面适适用用于于研研磨磨性性强强的的和和破破碎碎的的岩岩层及容易起钻头内边刃过早磨损的岩层；层及容易起钻头内边刃过早磨损的岩层； 4 4、外外锥锥形形唇唇面面适适用用于于较较软软和和易易碎碎的的地地层层，多多用于双管和绳索取心钻头。用于双管和绳索取心钻头。第四节 金刚石钻头和扩孔器 （二）孕镶金刚石钻头的唇面形状 孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单，多为平底形，在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。 如果坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，
67、可把钻头唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形，以形成较多的破岩自由面。第四节 金刚石钻头和扩孔器 五、钻头的水口与水槽 （一）表镶钻头的水口与水槽 表镶钻头的主水路是唇面与孔底之间的间隙，强制冲洗液从主水路通过，有效地冷却唇面金刚石和及时排除孔底岩粉，唇面上的水口和水槽的数目不能太多，常用的水口形状见图4-23。第四节 金刚石钻头和扩孔器 五、钻头的水口与水槽 由于表镶钻头的金刚石粒径与布排与孕镶钻头不同，其水口与水槽也有所不同。 （二）孕镶钻头的水口与水槽（二）孕镶钻头的水口与水槽 孕镶金刚石钻头的金刚石出刃非常小，它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙，而是水口。在唇面扇形块的下面只存在漫流（或湿
68、润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。 因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。 第四节 金刚石钻头和扩孔器金刚石钻头唇面形状示意图示意图名称名称实物图实物图特点特点平底型平面呈矩形，加工制作简单，适用于地层广，工作一段时间后自动变为圆弧形；但导向性差，容易出现非正常磨损和破坏。圆弧型圆弧直径大于胎体厚度，金刚石分布及受力合理，适用中硬硬地层。同心圆尖齿型端面呈锯齿状，切削自由面多，剪切破碎岩石，钻速高，防斜效果好，适用坚硬弱研磨性地层。外锥型稳定性好，适用扩孔钻进，易孔斜地层多阶梯型钻进效率高，垂直孔中稳定性好，防止孔斜，适用软中硬岩层以及破碎地层。梯齿型综合了
69、梯形和尖齿形钻头的优点，钻进稳定性好，钻进效率高，唇面冷却效果好，适用硬岩层。高低齿型胎块一个高一个低，交替排列，钻进效率高，钻头寿命长。底喷型排粉能力强，钻头冷却效果好，对岩矿心保护好，适用于松散破碎及岩粉较多地层。多层次工作层独特的水力结构设计球齿钻头系列铁基钻头基基于于WCWC基基钻钻头头高高昂昂的的制制作作成成本本，选选用用FeFe作作为为钻钻头头胎胎体体的的硬硬质质颗颗粒粒。与与WCWC基基钻钻头头相相比比，铁铁基基粉粉末末制制作作的的钻钻头头，钻钻进进速速度度快快，寿寿命命则则相相差差不不多多。铁铁基基结结合合剂剂对对金金刚刚石石的的把把持持力力高高，胎胎体体自自锐锐性性好好，但但
70、其其抗抗弯弯强强度度和和冲冲击击韧韧性性不不高高。同同时时加加入入适适量量的的磷磷、硼硼，它它们们能能优优先先与与铁铁粉粉反反应应，抑抑制制铁铁对对金金刚刚石石的的侵侵蚀蚀作作用用，减减少少金金刚刚石石的的热热损损伤伤。这这样样，金金刚刚石石的的出出刃刃和和胎胎体体的的耐耐磨磨性性都都比比较较理理想想。此此外外，加加入入一一定定量量的的亲亲和和性性元元素素可可以以增增强强铁铁基基结结合合剂剂对对金金刚刚石石的的化化学学亲亲和和力力，如如加加入入3%3%的的CoCo可可以以大大幅幅提提高高结结合合剂剂对对金金刚刚石石的的把把持持力力。目目前前，铁铁基基钻钻头头在在实实践中应用非常普遍，尤其是江西
71、、广东、湖南等地区。践中应用非常普遍，尤其是江西、广东、湖南等地区。 六、金刚石扩孔器 金刚石扩孔器安装于钻头和岩心管之间，是金刚石钻进不可缺少的组成部分。 （一）扩孔器的作用（一）扩孔器的作用 1、修扩孔壁，保证钻孔直径符合要求； 2、保持孔内钻具的稳定性，使钻具在高转速回转条件下保持良好的动平衡状态； 3、延长钻头寿命。减少新钻头下孔的扩孔量，防止钻头早期磨损。 第四节 金刚石钻头和扩孔器第四节 金刚石钻头和扩孔器 六、金刚石扩孔器 （二）扩孔器的结构类型（二）扩孔器的结构类型 扩孔器由钢体和含金刚石的凸起胎体组成（形成水槽） 现用扩孔器的样式很多，有单管的、双管的、绳索取心的；有天然金刚
72、石、人造单晶金刚石、人造聚晶金刚石的；有直棱、直条、螺旋棱、螺旋条的等等。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 一、钢粒钻进的基本原理 1、钢粒钻进的基本概念 用未镶焊切削具的钻头压住不与钻头钢体镶在一起、呈自由状态的钢粒，并带动它们在孔底滚动而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。 2、钢粒钻进的基本原理 岩心管的下端接有钢粒钻头（钻头钢体），钻头上开有口。孔底投有一定量的“自由”的钢粒，受周围岩石的限制，钢粒压在钻头的底唇之下和两侧。钻进中，钻头向下施加一定的轴向压力，并作回转运动。随着钻头的转动，钢粒在钻头与岩石之间不断滚动，对孔底岩石进行碾压，达到破碎岩石的目的。同时，泵送的冲洗液由钻头内间隙
73、流经孔底，再由钻头外间隙上返流出，冲排岩屑和磨损失去工作能力的钢粒屑。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 3、钢粒钻进的特点 （1）作为碎岩磨料的钢粒，并不固定在钻头体上，而是自由地压在钻头底面和两侧； （2）钢粒碎岩的过程是一个对孔底岩石碾压的过程； （3）回转的离心力和冲洗液的冲刷力使钢粒在孔底的分布：钻头外侧多于内侧； （4）冲洗液的循环对孔底的钢粒能起到分选作用，磨损变小的和失去工作能力的钢粒悬浮于外侧间隙中，未被磨损的或磨损少的在孔底工作。改变冲洗液量可改变分选状态；第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 3、钢粒钻进的特点 （5 5）由由于于碎碎岩岩过过程程本本身身的的特特点点，决决定定
74、了了这这种种方方法法可可以以破破碎碎比比钢钢粒粒自自身身还还要要硬硬的的岩岩石石，可可用用于于钻钻进进中中等等硬度以上的坚硬岩石（硬度以上的坚硬岩石（9 91212级的岩石），但钻效较低；级的岩石），但钻效较低； （6 6）钢粒、钻头钢体和管材的磨耗量很大；）钢粒、钻头钢体和管材的磨耗量很大； （7 7）质质量量较较差差（孔孔壁壁与与岩岩心心表表面面粗粗糙糙、岩岩心心直直径径变化大、采取率低、孔壁间隙大、钻孔易弯曲等）；变化大、采取率低、孔壁间隙大、钻孔易弯曲等）； （8 8）不不能能钻钻水水平平、向向上上和和大大顶顶角角的的钻钻孔孔，也也不不宜宜于在大裂隙、空洞和涌水量大的地层中采用；于在大
75、裂隙、空洞和涌水量大的地层中采用； （9 9）钻进工艺较复杂，特别是冲洗液量的控制。）钻进工艺较复杂，特别是冲洗液量的控制。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 二、钢粒与钢粒钻头 （一）钢粒 1 1、钢粒的形状与材质、钢粒的形状与材质 （1）钢粒的形状：是直径为2.54mm的圆柱体，圆柱体的高等于其直径，有利于钢粒在孔底的滚动。 （2）钢粒的材质与性能：一般是60号、70号高碳钢，经调质、淬火可达到较高硬度。其抗压强度可达到1000 kg/粒，硬度HRC（洛氏硬度）50。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （一）钢粒 2 2、钢粒的粒度、钢粒的粒度 通常，钢粒的粒度按2.5、3、3.5、4mm
76、分成四个粒度级别。（1）粒度与钻进速度的关系 根据实验，随着钢粒粒度的增大，钻速与功耗增大；钢粒和钻头磨耗减小。从这种意义上讲，增大钢粒的粒度是有益的。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （一）钢粒 2、钢粒的粒度 （2）钢粒的粒度与钻进质量的关系 钻粒粒度还直接影响到钻进质量，过大的钢粒会产生下列危害： 内环状间隙增大，使岩心变细，容易发生岩心堵塞、岩心脱落、残留岩心等问题，岩心采取率低。 外环间隙增大，孔径被扩大，钻杆和粗径钻具转动不稳，会造成过大的钻孔弯曲。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （一）钢粒 2、钢粒的粒度 （3）钢粒的粒度与钻头壁厚的配合关系 在钻头壁厚一定时，如果钢粒直径超过
77、一定限度，钻头唇底不能稳定压砂，就不能有效地破碎岩石。一般，钢粒直径与钻头壁厚的配合关系为： t =（34）d式中：t钻头壁厚，毫米； d钢粒直径，毫米。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （二）钢粒钻头 1、钢粒钻头的功用和结构 （1）钢粒钻头的功用与性能：钢粒钻头的功用是将钻杆传来的轴向压力及回转力传递给钢粒。钻头唇面把钻粒压在孔底岩面上，并依靠其本身的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒在孔底岩石上滚动，破碎岩石，钻头本身不直接破碎岩石，但受钢粒及岩屑的作用，不断被磨损。良好的钢粒钻头应具有以下的性能： 能很好地压住钢粒，并能带动钢粒沿孔底滚动； 能顺利地流通冲洗液，排除钻粉； 钻头应耐磨，并能保
78、持良好的导砂性能和补砂性能。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 1、钢粒钻头的功用和结构 （2）钢粒钻头的结构 钢粒钻头的结构呈圆筒状。材料一般为45号中炭钢，硬度低于钢粒，以保证与钢粒间有一定的连系力，牵动钢粒滚动。 外径上下一致，内壁上部有1100的锥度，以便卡取岩心。 钻头外径有：75，91、110、130、150毫米等级别，壁厚911毫米。 钻头底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下补给钢粒。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （二）钢粒钻头 2、钢粒钻头的水口 （1）水口的功用 提供比较稳定的过水断面，保证冲洗液流通； 良好的导砂作用，把钢粒导入钻头底唇之下，保证在钻头唇部足够的钢
79、粒在井底工作。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 （2）水口的形式 钢钢粒粒钻钻头头的的水水口口一一般般只只有有一一个个，水水口口不不宜宜过过宽宽，通通常常不不大大于于钻钻头头周周长长的的1 14 4。否否则则，将将减减少少钻钻头头“ “压压砂砂” ”工作端面，其形式如图。工作端面，其形式如图。 弧弧形形边边比比直直斜斜边边的的导导砂砂性性能能要要好好，但但加加工工较较困困难难。单单斜斜边边和和单单弧弧形形加加工工较较简简单单，但但底底开开口口较较大大，钻钻头头工工作作端端面面较较小小，且且沿沿高高度度磨磨损损时时，水水口口面面积积变变化化较较大大；双弧形水口效果最好。双弧形水口效果最好。第五
80、节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 三、钢粒钻进的碎岩机理 钢粒钻进破碎孔底岩石主要有以下机理： 1、压碎碎岩体积破碎 （1）尖楔压入破碎岩石钻进开始阶段； （2）球形压模压入碎岩钻进中后期 ； 2、疲劳破碎钢粒钻进的主要碎岩方式； 3、脉动冲击碎岩钢粒钻进全过程； 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 1、压碎碎岩 （1）尖楔压入破碎岩石：开始时，钢粒呈柱状，当边棱与岩石接触时，接触面积小，压力集中，接触面上的压强较大，达到岩石的压入硬度，钢粒压入岩石，岩石呈体积破碎方式破裂。 （2）球形压模压入碎岩：当钢粒磨成球形，接触面积虽有所增加，但钢粒大小不均，仍存在压力集中，如果钻压足够大，压强达到了岩石压
81、入硬度，同样发生压入压碎岩石（类似球模压入碎岩）。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 1、压碎碎岩 压碎碎岩方式虽属于体积式碎岩，但在钢粒钻进中，它所占的碎岩比率不大，因为这种碎岩方式主要是靠接触面积小而造成大的压强来实现的。由于接触面本身甚小，所以每次碎岩的量也不大。同时在钻进中以棱角压岩石的机会也比较少。还有钢粒上的这些棱角在发生压碎岩石的同时，钢粒本身不断地被磨损。至于靠分布不匀压力集中以达到压碎岩石的情况，产生的机会也较少。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 2、疲劳破碎 疲劳破碎是由钢粒的碾压作用而产生的碎岩方式，钻进中被成球形或椭球形的钢粒，以一定的压力压于岩石表面，当压力未达到岩石压
82、入硬度时，不会压入岩石，但其下部岩石中存在着两个危险极值带，压力边缘处存在拉伸应力，这种压应力和拉伸应力的作用，加上钻粒的变形、与岩石的摩擦力，将岩石压裂和撕裂成一定深度的许多裂纹，称之为碾压作用。随着众多钢粒的重复碾压，裂纹加深加密，使交叉发育的裂纹以岩屑的形式被剥离下来离开母体。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 3、脉动冲击碎岩 钢粒钻进中，由于钢粒本身和每个钢粒存在尺寸不均匀、井底的不平、钻杆柱本身产生的弯曲和扭转振动，回转时，对井底岩石产生脉动冲击破碎岩石。由于钢粒钻进中，这种脉动冲击比较强烈。会产生较大的体积破碎，同时，也会促进碾压裂隙的发展。 正是由于碾压疲劳碎岩和脉动冲击碎岩，所
83、以，钢粒钻进可以破碎比钢粒和钻头体本身还要硬的岩石。第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 牙牙轮轮钻钻进进的的概概念念：牙牙轮轮钻钻进进是是利利用用牙牙轮轮钻钻头头在在井井底底回回转转，使使钻钻头头上上的的牙牙轮轮在在井井底底滚滚动动，以以滚滚动动冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。 牙牙轮轮钻钻进进的的应应用用：牙牙轮轮钻钻进进一一般般是是不不取取心心的的全全面面钻钻进进，广广泛泛应应用用于于油油气气钻钻井井和和大大口口径径施施工工钻钻进进，适适用用于于级级的的岩岩石石，在在级级的的岩岩石石中中效效果果最好。最好。 牙牙轮轮钻钻头头的的类类型型：有
84、有铣铣齿齿式式、镶镶齿齿式式；有有体体式式、无无体体式式；单单牙牙轮轮、双双牙牙轮轮和和三三牙牙轮轮等等。生生产产中中以三牙轮钻头应用最多。以三牙轮钻头应用最多。 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 一、牙轮钻头的结构 （一）牙轮钻头的组成（一）牙轮钻头的组成 牙轮钻头由钻头体、牙轮爪 （巴掌）、牙轮、 轴承、水眼和储 油密封补偿系统 等部分组成（图 11-1）。牙 轮 钻 头铣 齿 与 镶 齿牙轮钻头的轴承及其润滑喷嘴与牙轮清洗喷嘴与牙轮清洗牙掌、牙轮的保强设计牙轮钻头的镶齿报废牙轮钻头 （一）牙轮钻头的组成 1 1、钻头体、钻头体 钻头体是牙轮钻头的本体，上
85、部有螺纹与钻杆柱连接，下部有牙轮爪。牙轮爪与牙轮相连，用以支承牙轮。钻头体上装有水眼或喷嘴。 有体式钻头是钻头体与牙轮爪分别制造，然后牙轮爪焊接在钻头体的侧面，螺纹多为内螺纹。一般应用于大直径的钻头。 无体式钻头是由3个牙轮爪直接焊接成一体，上端直接车有外螺纹，一般应用于小直径的钻头。第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 （一）牙轮钻头的组成 2 2、牙轮爪（巴掌）、牙轮爪（巴掌） 牙轮爪上接钻头体，下带牙轮轴，掌背钻有一斜孔，直通滚珠跑道，牙轮与轴颈组装好后，由该孔装入滚珠，用销子插入，然后焊死。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 （一）牙轮钻头的组成 3 3、牙轮、牙轮 带带有有牙牙齿齿的的锥
86、锥体体，用用以以破破碎碎岩岩石石。外外锥锥面面有有1 13 3种种锥锥度度。单单锥锥牙牙轮轮由由主主锥锥和和背背锥锥组组成成；复复锥锥牙牙轮轮由由主主锥锥、副锥和背锥组成。副锥和背锥组成。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 （一）牙轮钻头的组成 4 4、轴承、轴承 每个牙轮内有3副径向轴承和12副止推轴承。径向轴承承受径向载荷，有滚柱、滚珠和滑动几种形式；止推轴承承受轴向载荷，一般是滑动轴承。 5 5、水水眼眼 是清洗孔底的通道。为防止水眼冲蚀，镶焊经渗碳淬火的钢质水眼套。喷射式钻头则镶装有硬质合金的喷嘴。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 （二）牙轮钻头的基本参数 1 1、牙轮轴线偏移（移轴
87、）、牙轮轴线偏移（移轴） 为为了了使使牙牙轮轮产产生生滑滑动动，常常使使牙牙轮轮轴轴线线沿沿钻钻头头旋旋转转方方向向平平移移一一段段距距离离（或或使使牙牙轮轮轴轴相相对对于于钻钻头头径径向向偏偏转转一一个个角角度）。度）。 牙牙轮轮轴轴线线的的偏偏移移值值，应应根根据据岩岩层层的的特特性性来来定定。低低硬硬度度、高高塑塑性性的的岩岩层层，偏偏移移值值较较大大；高高硬硬度度、低低塑塑性性的的岩岩层层，偏移值较小；研磨性的硬地层和坚硬地层，偏移值为零。偏移值较小；研磨性的硬地层和坚硬地层，偏移值为零。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 2 2、牙轮的布置、牙轮的布置 （1 1）不不超超顶顶布布置置
88、。牙牙轮轮轴轴线线、主主锥锥母母线线交交于于钻钻头头中中心心。牙牙轮轮纯纯滚动，无滑动。齿圈不啮合。适用于钻硬地层。滚动，无滑动。齿圈不啮合。适用于钻硬地层。 （2 2）超超顶顶不不移移轴轴布布置置。牙牙轮轮轴轴线线交交于于钻钻头头轴轴线线，主主锥锥超超顶顶。牙牙轮在孔底有滑动，齿圈啮合，可自洗。适用于软及中硬地层钻进。轮在孔底有滑动，齿圈啮合，可自洗。适用于软及中硬地层钻进。 （3 3）超超顶顶、移移轴轴。牙牙轮轮轴轴线线偏偏移移，且且主主锥锥超超顶顶，牙牙轮轮可可自自洗洗，且可以使牙轮产生轴向滑动。适用于软及中硬地层钻进。且可以使牙轮产生轴向滑动。适用于软及中硬地层钻进。第六节 牙轮钻头及
89、其孔底碎岩过程 （二）牙轮钻头的基本参数 3 3、牙轮钻头的牙齿、牙轮钻头的牙齿 牙齿可分为铣齿和镶齿两大类。牙齿可分为铣齿和镶齿两大类。 （1 1）铣铣齿齿：由由牙牙轮轮毛毛坯坯经经过过铣铣削削加加工工而而成成。为为了了提提高高牙牙齿齿的的耐耐磨磨性性，在在齿齿面面上上敷敷焊焊硬硬合合金金粉粉。牙牙齿齿的的抗抗冲冲击击韧韧性性较较好好，主主要要用用于于软软地地层层、中中硬硬地层。地层。 （2 2）镶镶齿齿：牙牙齿齿由由硬硬质质合合金金镶镶焊焊而而成成。硬硬度度高，主要用于坚硬地层，也用于中硬和软地层。高，主要用于坚硬地层，也用于中硬和软地层。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 二、牙轮钻头的
90、孔底碎岩过程 牙牙轮轮钻钻头头的的孔孔底底碎碎岩岩过过程程 主主要要有有以以下下几几种种作用：作用： u牙牙轮轮钻钻头头的的纵纵向向振振动动及及对对地地层层的的冲冲击击、压压碎碎作作用用 ；u静载压入碎岩；静载压入碎岩； u冲击动载碎岩；冲击动载碎岩；u牙齿对地层的剪切作用；牙齿对地层的剪切作用；u超顶引起的滑动；超顶引起的滑动；u复锥引起的滑动；复锥引起的滑动；u移轴引起的滑动。移轴引起的滑动。第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 二、牙轮钻头的孔底碎岩过程 （一）牙轮的自转与公转 1 1、牙轮的公转、牙轮的公转 钻头绕钻柱轴线顺时针方向旋转时，带动牙轮也绕钻头轴线作旋转运动，这种运动称为“公转
91、”。 2 2、牙轮的自转、牙轮的自转 在牙轮随钻柱公转的同时，由于与地层间的相互作用，牙轮还绕自身轴线作反时针方向旋转，这种旋转称为“自转”。 在孔底无滑动的情况下，牙轮自转速度与钻头旋转速度之比等于钻头直径与牙轮直径之比。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 二、牙轮钻头的孔底碎岩过程 （二）牙轮钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用 牙轮钻头钻进是冲击动载与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用。 1、静载压入碎岩 钻进时，钻头上的钻压经牙齿作用在岩石上，这是静载尖楔压头压入碎岩的过程。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 2 2、冲击动载碎岩、冲击动载碎岩 由于牙轮的滚动，牙轮齿与孔底
92、岩石呈由于牙轮的滚动，牙轮齿与孔底岩石呈单齿、双齿交替接触。单齿接触孔底时，单齿、双齿交替接触。单齿接触孔底时，牙轮中心处于高点；双齿接触时牙轮中心牙轮中心处于高点；双齿接触时牙轮中心处于低点。牙轮在滚动过程中，牙轮中心处于低点。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交替，使钻头沿轴向作上的位置不断上下交替，使钻头沿轴向作上下往返运动，产生钻头的纵向振动。下往返运动，产生钻头的纵向振动。 实实际际钻钻进进中中，由由于于钻钻头头在在孔孔底底的的纵纵向向振振动动，使使钻钻杆杆柱柱不不断断压压缩缩与与伸伸张张，加加之之孔孔底底的的不不平平，在在牙牙轮轮滚滚振振的的基基础础上上还还叠叠加加了了振振幅
93、幅较较大大的的低低频频振振动动，对对地地层层产产生冲击作用破碎岩石。生冲击作用破碎岩石。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 （三）牙齿对地层的剪切作用 剪切作用主要是由于牙轮在滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动而产生的，产生滑动的原因在于牙轮的超顶、复锥和移轴三种结构。 1 1、超顶引起的滑动、超顶引起的滑动 如图，牙轮锥顶超过钻头轴心的结构称为超顶，超过的距离ob为超顶距c。 设工作时牙轮上每一点的公转为b，自转转速为c。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 1 1、超顶引起的滑动、超顶引起的滑动 （1）在牙轮与地层接触母线上任一点x，由b引起的的速度Vbx是呈直线分布的，在oa段方向向前，在o
94、b段向后，在钻头中心o处速度vbO=0。 （2）由c引起的速度vcx也是呈直线分布的，方向向后，在b点vcb=0。 （3）速度合成后，在ob段形成一个向后的滑动速度vsx，此时牙轮受到一滑动阻力Ps（与滑动方向相反），因而有滑动阻力矩Ms（-）=PsR。使牙轮的角速度c降低。第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 1 1、超顶引起的滑动、超顶引起的滑动 （4 4）由由于于牙牙轮轮角角速速度度降降低低，在在oaoa段段由由vbxvbx和和降降低低的的vcxvcx合合成成一一个个滑滑动动速速度度vsxvsx（靠靠近近o o的的一一端端向向后后，靠靠近近a a的的一一端端向向前前）。同同时时，在在靠靠近近
95、o o的的部部分分产产生生一一个个与与MsMs（- -）方方向向相相同同的的滑滑动动阻阻力力矩矩MsMs（- -），在在靠靠近近a a的的部部分分产产生生一一个个与与MsMs（- -）方方向相反的滑动阻力矩向相反的滑动阻力矩MsMs（+ +）。）。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 1 1、超顶引起的滑动、超顶引起的滑动 （ 5） Ms（ -） 、 Ms（ -） 及Ms（+）达到平衡，使Ms=0。于是牙轮的角速度便稳定在一个新数值下，不再减慢。 （6）vsx=vbx+vcx即牙轮相对于岩石的滑动速度，呈直线分布，它与ab线交于M点，vsM=0为纯滚动点，bM段向后滑动，aM段向前滑动。滑动速度
96、随超顶距c的增大而增大。第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 2 2、复锥引起的滑动、复锥引起的滑动 复复锥锥牙牙轮轮包包括括主主锥锥和和副副锥锥（图图4-324-32），主主锥锥顶顶与与钻钻头头中中心心重重合合，而而副副锥锥锥锥顶顶的的延延伸伸线线是是超超顶顶的的。复复锥锥牙牙轮轮之之所所以以产产生生滑滑动动，主主要要是是牙牙轮轮线线速速度度不不再再作作直直线分布，而是作折线分布。线分布，而是作折线分布。 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 3 3、移轴引起的滑动、移轴引起的滑动 在钻头的水平投影面上，让牙轮轴线相对于钻头径向平移一段距离，这种结构称为牙轮的移轴。牙轮移轴后产生的滑动是轴向滑动。
97、综上所述，超顶和复锥引起的切线方向滑动，可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生的轴向滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。 牙齿的滑动虽然可以提高破岩效率，但也造成牙齿的剧烈磨损。软-中硬地层的钻头一般兼有移轴、超顶和复锥；部分中硬或硬地层的钻头有超顶和复锥；用于坚硬和强研磨性地层的牙轮钻头是纯滚动的（单锥，不超顶，也不移轴）。第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 第七节 全面钻头 全全面面钻钻进进与与全全面面钻钻头头：钻钻进进中中不不采采取取岩岩心心，对对孔孔底底岩岩石石进进行行全全面面破破碎碎的的钻钻进进方方法法称称之之为为全全面面钻钻进进，全面钻进所使用的钻头称为全面钻头。，全面钻进
98、所使用的钻头称为全面钻头。全全面面钻钻头头的的应应用用：使使用用全全面面钻钻头头不不受受回回次次进进尺尺的的限限制制，可可节节约约大大量量升升降降钻钻具具和和取取心心的的辅辅助助作作业业时时间间，因因此此在在油油气气钻钻井井、水水井井钻钻探探和和工工程程施施工工钻钻井井中中得得到到广广泛泛应应用。用。 全全面面钻钻头头的的类类型型：全全面面钻钻头头包包括括硬硬质质合合金金全全面面钻钻头头、金金刚刚石石全全面面钻钻头头、钢钢粒粒全全面面钻钻头头、牙牙轮轮钻钻头头和螺旋钻头等。和螺旋钻头等。 本本节节着着重重讨讨论论硬硬质质合合金金和和金金刚刚石石全全面面钻钻头头的的结结构，其破岩机理与取心钻头类
99、似。构，其破岩机理与取心钻头类似。 一、硬质合金全面钻头 （一）翼片式全面钻头 翼片式全面钻头主要包括刮刀钻头和翼片钻头。 刮刀钻头刀翼呈曲面形，切削具正斜镶，刃尖角较小，多用于钻进松软岩层钻进； 翼片钻头的翼片切削具采用直镶，多用于钻进软中硬岩层。 一般按翼片数量命名。如三刀翼的称为三刮刀钻头或三翼钻头，两刀翼的常叫做鱼尾钻头。 第七节 全面钻头 （一）翼片式全面钻头 1、刀翼的结构角 （1）刃尖角：刀翼尖端前后刃之间的夹角，表示刀刃的尖锐程度。越小，切入岩石的能力越强，但强度减小。钻软岩层时，取810；岩石较硬时，取1215；夹层多，孔较深时，角也应适当增大。 （2）切削角：刀翼前刃与水平
100、面之间的夹角。角越大，吃入深度越深，但角过大时，剪切破碎困难，钻进阻力大。一般= 7085，软地层角应小一些，硬地层角大一些。（3）刃后角：=-。必须大于孔底碎岩倾角。 第七节 全面钻头 2 2、刀翼底部几何形状、刀翼底部几何形状 刀翼底部有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种形状。 平底刀翼形成的孔底只有一个裸露自由面，阶梯钻头可形成较多自由面，碎岩速度较快，扭矩和功率消耗也较小，但正阶梯容易磨损成锥形，使钻孔缩径。反阶梯钻头可在一定程度上解决缩径问题，但刀翼外侧底刃既起掏槽作用又起保径作用，蹩钻严重。 第七节 全面钻头 3 3、刀翼背部几何形状、刀翼背部几何形状 钻进时，刀翼的受力类似于悬臂梁
101、，根据等强度要求，刀翼背部应成抛物线形状，且刀翼的厚度随距刃尖的距离增加而逐渐增厚。 4、提高刀翼的耐磨性 （1）为保证足够的强度，刀翼一般用高强度合金钢锻制而成。 （2）刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，以增强刀翼的耐磨性和防止泥浆对刀翼的冲刷。刀翼的侧部镶焊YG-8硬质合金以保径。 第七节 全面钻头 5 5、典型翼片钻头举例、典型翼片钻头举例 （1）常用二翼、三翼钻头适用于级的岩层。三翼钻头在大口径钻进中应 用广泛，它的钢体上装有可 更换喷嘴的水眼，使水流加速，提高机械钻速。 第七节 全面钻头 5 5、典型翼片钻头举例、典型翼片钻头举例 （2）三翼片阶梯钻头：可钻进级岩层。阶梯翼片直焊。根
102、据不同岩性取不同的翼片偏心距，保证中心处能剪切碎岩。 第七节 全面钻头 5 5、典型翼片钻头举例、典型翼片钻头举例 （3）针状自磨式全面钻头：可做成三翼、四翼或六翼。耐磨性能好，钻速均匀。适宜在级的研磨性岩层中钻进。 第七节 全面钻头 （二）单腰钻头和双腰钻头 适用于粘土、砂层和含少量砾石的土层。双腰钻头又称笼式钻头。 1 1、钻头的结构、钻头的结构 中心管、导正圈（12个“腰带”）、立柱、横支杆、斜支杆、翼板和超前小钻头等组成。上下导正圈间距钻头直径，外侧面加焊合金肋骨修扩钻孔。翼板按一定的角度焊在下导正圈的内壁上，合金切削具镶焊在翼板上（或螺栓固定）。一般为正斜镶，近年来，在钻进基岩和卵砾
103、石层时，采用一字形钎头直立焊的形式。翼板的数量视钻头直径而定：0.8m 4片；1.0m 46片。 第七节 全面钻头 （二）单腰钻头和双腰钻头 2 2、钻头的特点、钻头的特点 （1）单腰带钻头的腰带、支柱较少，钻进阻力小，钻速比双腰钻头要高； （2）双腰带钻头具有良好的导正作用，超前的四翼锥形小钻头主要起定向作用（并保护出浆口不被阻塞），使钻头工作平稳，扩孔率也小，钻孔的垂直精度较高。 （3）钻头底部呈锥形、阶梯状，端部有小钻头超前钻进，故孔底破岩自由面大，钻效高。 （4）小钻头可对砂砾层起松动作用，少量不易破碎的卵砾石可挤进圆笼内，不妨碍继续钻进。 第七节 全面钻头 （三）螺旋钻头 螺旋钻有长
104、螺旋钻和短螺旋钻两种形式。土层中成孔速度快，无冲洗液，不污染环境，在工程施工中应用广泛。长螺旋钻进靠整个钻杆柱上的螺旋面把岩屑输送至地表，短螺旋只是在靠近钻头部分有螺旋叶片，每次把岩屑积聚在有限几个螺旋面上，然后提至地表清除，所以短螺旋钻对地层的适应性比长螺旋广。 第七节 全面钻头 （三）螺旋钻头 1 1、平底螺旋钻头、平底螺旋钻头 由由心心管管、螺螺旋旋带带（双双头头螺螺旋旋）、平平刀刀与与中中心心刃刀等组成，平刀长度比螺旋叶片的外径大刃刀等组成，平刀长度比螺旋叶片的外径大101020mm20mm。适用于一般的土层。适用于一般的土层。2 2、耙式螺旋钻头、耙式螺旋钻头 由心管、螺旋带（双头螺
105、旋）、中心刃刀、由心管、螺旋带（双头螺旋）、中心刃刀、切削刀齿等组成。切削刀齿上镶焊硬质合金，切削刀齿等组成。切削刀齿上镶焊硬质合金，适用于含有大量砖头、瓦块的杂填土层及松适用于含有大量砖头、瓦块的杂填土层及松软岩层钻进。软岩层钻进。 第七节 全面钻头 二、金刚石全面钻头 （一）单晶金刚石全面钻头 1 1、钻头工作剖面的几何形状、钻头工作剖面的几何形状 双双锥锥阶阶梯梯形形剖剖面面 、双双锥锥形形剖剖面面、B B型型剖剖面面、带波纹的带波纹的B B型剖面。型剖面。 2 2、水力结构、水力结构 逼逼压压式式水水槽槽 、辐辐射射型型水水槽槽 、辐辐射射型型逼逼压压式式水水槽槽 、螺旋形水槽、螺旋形
106、水槽 。 3 3、金刚石粒度和排列、金刚石粒度和排列 第七节 全面钻头 1 1、钻头工作剖面的几何形状、钻头工作剖面的几何形状 （1）双锥阶梯形剖面：两个锥面，锥面上有阶梯，增加碎岩自由面，提高钻进效率，但锥顶面小，顶部金刚石受力很大。适用于软中硬的地层。 （2）双锥形剖面：工作面由内锥、外锥和顶部圆弧三部分组成。内锥6070，外锥4060。锥顶面较大，无阶梯（阶梯上的金刚石易碰碎），适应于在较硬和致密的岩石中钻进时。 第七节 全面钻头 1 1、钻头工作剖面的几何形状、钻头工作剖面的几何形状 （3）B型剖面：由内锥与圆弧面组成，内锥角不小于90。其结构特点是顶部较宽也较平缓，可均匀布置较多金刚
107、石，防止局部金刚石早期损坏。适用于适用于硬地层。 （4）带波纹的B型剖面：与B型剖面不同的是：内锥和圆弧面上带有螺旋形波纹槽。金刚石就镶在波纹的波峰上，适用于坚硬地层。 第七节 全面钻头 2 2、水力结构、水力结构 金刚石全面钻头采用水孔、水槽式的水力结构，保证金刚石的冷却、润滑和清洗。常用的水力结构有下述四种： （1）逼压式水槽：唇面上水槽分为高压水槽和低压水槽，高压水槽入口小，出口大，而低压水槽正好相反。高、低压水槽间形成一定的压差。在压差作用下，部分冲洗液从高压水槽漫过金刚石表面进入低压水槽，能有效地清洗、冷却和润滑唇面上的金刚石。这种水槽用于软地层。 第七节 全面钻头 2 2、水力结构
108、、水力结构 （2 2）辐辐射射型型水水槽槽：唇唇面面上上水水槽槽多多，呈呈放放射射形形均均匀匀分分布布，而而金金刚刚石石工工作作面面很很窄窄，所所以以，冲冲洗洗液液从从水水眼眼流流到到水水槽槽后后能能很很好好地地冲冲洗洗岩岩屑屑，冷冷却却金金刚刚石石。这这种水槽用于软种水槽用于软 中硬地层。中硬地层。 第七节 全面钻头 2 2、水力结构、水力结构 （3）辐射型逼压式水槽：是上述两种水槽结构的组合，适用于中硬硬地层钻头和涡轮钻金刚石钻头。 （4）螺旋形水槽：水槽为反螺旋流道，在高转速条件下强迫冲洗液流过金刚石工作表面。适用于高转速金刚石钻头。 第七节 全面钻头 3 3、金刚石粒度和排列、金刚石粒
109、度和排列 金刚石的粒度据地层而定。较软地层，粒度较大；较硬地层，粒度较小。 钻头唇面金刚石颗粒的排列方式与取心式钻头类似，必须注意钻头唇面的金刚石充满度、覆盖均匀和等强度磨损等问题。 第七节 全面钻头 二、金刚石全面钻头 （二）聚晶金刚石全面钻头 1 1、胎体、胎体PDCPDC钻头和钢体钻头和钢体PDCPDC钻头钻头 胎体钻头的钻头体用铸造碳化钨粉烧结而成，烧结时在钻头唇面上留有窝槽，然后将复合片直接焊接在窝槽上。钢体钻头的钻头体用合金钢加工而成，复合片镶焊在钢体上。 第七节 全面钻头 （二）聚晶金刚石全面钻头 2 2、钻头工作剖面的几何形状、钻头工作剖面的几何形状 工作面形状有内锥、顶部、侧
110、面、肩部及保径五个基本要素。内锥对钻头起导向和稳定作用，如果需要较高转速、较好的冲洗液流动控制能力，取浅内锥、大锥角（110160）；如果要突出钻头稳定性，提高孔斜控制能力，则为深内锥，小锥角较（60100）。顶部最先吃入地层，如果地层较硬，应选大半径的顶部结构；为了提高钻头吃入地层的能力，应选较小半径的顶部结构。保径部位除保证钻孔直径外，还有保持钻头工作稳定的作用，防斜钻头应取长保径，而造斜钻头应取短保径。 第七节 全面钻头 3 3、 PDCPDC钻头的水力结构和切削齿的分布钻头的水力结构和切削齿的分布 采用水眼或喷嘴供给钻井液，钻头有刮刀、单齿、组合式三种。 （1）刮刀式的布齿方式：1个水
111、眼或喷嘴清洗、冷却12个刮刀片上的切削齿，清洗冷却效果好。用于粘性的或软地层钻进。 （2）单齿式的布齿方式：切削齿单独布置在钻头唇面上，适当位置布置水眼或喷嘴。这种方式布齿区域大，密度高，可提高钻头寿命，但容易形成泥包钻头。 （3）组合式布齿方式：直线刮刀式和成组排列相结合的方式，适当位置布置喷嘴。具有上述两种方式的优点，可用于中硬地层。 第七节 全面钻头 4 4、PDCPDC钻头切削齿的工作角钻头切削齿的工作角 复复合合片片在在钻钻头头唇唇面面上上一一般般取取-10-10 -20-20的的负负斜斜镶镶，并并有有一一定定的的侧侧倾倾角角。负负斜斜镶镶有有利利于于保保护护复复合合片片，提提高高寿寿命命；侧侧倾倾角角有有利利于于切切削削齿齿在在切切削削地地层层时时对对岩岩屑屑产产生生侧侧向向推推力力，帮帮助助岩岩屑屑向向钻钻头头外外缘缘运运动，清洁孔底。动，清洁孔底。 第七节 全面钻头 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头 三、其他钻头图例图例 三、其他钻头图例图例 第七节 全面钻头
