《巖土鉆掘工程學(xué)》第四章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭培訓(xùn)

第四章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

一、硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程二、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)與鉆頭國(guó)家精品課程第四章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

巖土鉆進(jìn)（井）方法絕大多數(shù)是機(jī)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(zhǎng)螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；②

采用液動(dòng)、氣動(dòng)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(dòng)鉆進(jìn)。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(dòng)鉆進(jìn)、長(zhǎng)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）。

3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室回轉(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。

第四章

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

0、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本概念與特點(diǎn)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(jí)軟的沉積巖、中硬的5—7級(jí)及部分8級(jí)巖漿巖和變質(zhì)巖）。3/5/2023中國(guó)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、鉆探用硬質(zhì)合金

1、硬質(zhì)合金的特性（1）鉆探用的鎢(WC)

-鈷(Co)合金,以碳化鎢粉末為骨架，鈷粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。稱為YG類合金。（2）牌號(hào)的意義：如YG8c：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)合金特性：含鈷量↑——相對(duì)密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗彎強(qiáng)度↑,沖擊韌性↑；WC的顆?！捕取?耐磨性↑；反之WC的顆?！?jiǎng)t抗彎強(qiáng)度↑、韌性↑。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

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。3/5/2023中國(guó)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

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(jí)軟巖；

（2）柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強(qiáng)，壓入阻力也較小，主要適用于Ⅳ～Ⅶ級(jí)中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強(qiáng)，利于排粉和破巖，并易于焊牢，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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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔底碎巖過程

二、硬合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過程

硬合金鉆進(jìn)的過程，實(shí)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。Vm=60nmh1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。3/5/2023中國(guó)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。3/5/2023中國(guó)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

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）。3/5/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆進(jìn)孔底碎碎巖過程上式表明：：塑性巖石的的切入深度度h0與軸向力Py成正比，而而與切削具具的刃角β、刃寬b、巖石的壓入入硬度Hy成反比。雖然β角越小切削削具刃尖切切入巖石越越容易，但但如果β很小則切削削具會(huì)很快快崩裂，實(shí)實(shí)際上β角的最小值值為45°～50°。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)孔孔底碎巖過程2、回轉(zhuǎn)切削過程程切削具切入巖石石并回轉(zhuǎn)，在水水平力Px作用下，壓迫前前面的巖石使發(fā)發(fā)生塑性變形并并不斷地向自由由面滑移——切削作用。在切屑的裂隙尚尚未發(fā)展到全面面斷裂之前，下下一切屑又發(fā)生生滑移。因此切屑是連續(xù)、平平穩(wěn)的，其切削削槽寬與切削具具刃寬相同。實(shí)際上，由于振振動(dòng)、沖刷，巖屑將碎裂并被被沖洗液帶至地地表；在Py和Px共同作用下的切入比Py單獨(dú)作用下切入更容易，也切入的更深。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)進(jìn)孔底碎巖過過程（二）彈塑性性巖石的孔底底破碎過程彈塑性巖石是是硬質(zhì)合金鉆鉆頭的主要鉆鉆進(jìn)對(duì)象。理理論上，切削削具切入需要要很大的軸向向力，而在雙雙向力的同時(shí)時(shí)作用下實(shí)際際的Py力為（1/6~1/13）。碎巖顯著特點(diǎn)點(diǎn)：以跳躍式式的剪切破碎碎為主。巖石石破碎大體分分三個(gè)階段：：1、切入巖石，巖巖石剪切破碎碎，前移碰撞撞刃前巖石。。2、刃前接觸面很很小，擠壓力力較大，小剪剪切破碎。繼繼續(xù)前移產(chǎn)生若干次小小剪切。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)進(jìn)孔底碎巖過過程3、當(dāng)刃前接觸面較大時(shí)，前進(jìn)進(jìn)受阻。繼續(xù)續(xù)擠壓刃前巖石（部分被壓成粉狀狀）；同時(shí)，，Px力急劇增大，當(dāng)當(dāng)Px力達(dá)到極限值時(shí)時(shí)，產(chǎn)生大的剪切切破碎，然后后Px力突然減小。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)進(jìn)孔底碎巖過過程切削具不斷向向前推進(jìn)，重重復(fù)著壓碎、、小剪切、大大剪切的循環(huán)環(huán)過程。切槽斷面近似似于梯形。切槽寬度有規(guī)規(guī)律地變化，，B1為大剪切時(shí)的切槽槽寬?？椎椎牡钠扑檫^程沿沿著傾角為γ的螺旋面進(jìn)行行。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)進(jìn)孔底碎巖過過程綜上所述，用用切削具破碎碎彈-塑性巖石時(shí)，，在每個(gè)剪切切循環(huán)中和各各個(gè)循環(huán)之間間，水平力Px都是跳躍式；而在塑性巖石石中，水平力力Px沒有顯著的變變化，基本上上是常量。三、硬質(zhì)合金金切削具的磨磨損1.關(guān)于切削具磨磨損和鉆速問問題的研究費(fèi)得洛夫得出出磨損曲線。。反映切削具具單位時(shí)間磨磨損量W與切削具刃端端面積上比壓壓σ關(guān)系。在分界界點(diǎn)σ=σ0前后屬于兩種種不同性質(zhì)的的磨損。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)進(jìn)孔底碎巖過過程(1)曲線Ⅰσ<σ0，切削具未能有有效地吃入巖巖石，鉆進(jìn)處處于表面破碎碎狀態(tài)。切削削具單位磨損損量W正比于切削具具上的比壓σ;(2)曲線Ⅱσ>σ0，巖石呈體積破破碎。隨著切切削具上的比比壓↑，磨損損量W不僅未↑，反反而出現(xiàn)↓。。即在體積破破碎條件下，，切削具的磨磨損主要不不取決于軸向向壓力，而取取決于巖石的的硬度、切削削具的材質(zhì)及及切削具的磨磨鈍面積。費(fèi)得洛夫提出出，在一定條條件下切削具具的磨鈍面積與與其初始面積積和鉆進(jìn)時(shí)間有關(guān)S(t)=S0+θt；θ——磨損系數(shù)3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進(jìn)孔孔底碎碎巖過過程A——巖性、、鉆進(jìn)進(jìn)規(guī)程程及鉆鉆頭一一定時(shí)時(shí)為常常量。。切削具具的磨磨損面面積與與鉆進(jìn)進(jìn)時(shí)間間成正正比，，而機(jī)機(jī)械鉆鉆速與與切削削具接接觸面面積的的平方方成反反比。。設(shè)鉆進(jìn)進(jìn)的初初始鉆鉆速為為v0=A/S02，上式可可寫成成：式中：：k0——鉆速下下降的的特征征系數(shù)數(shù)，k0=θ/S0。鉆頭在在t時(shí)間內(nèi)內(nèi)總進(jìn)進(jìn)尺為為得得到到3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進(jìn)孔孔底碎碎巖過過程平均鉆鉆速是是進(jìn)尺尺H的一元元線性性方程程，v0是縱坐坐標(biāo)上上的截截距，，k0為直線線的斜斜率。。平均鉆鉆速和和進(jìn)尺尺H在鉆進(jìn)進(jìn)很容容易測(cè)測(cè)得，，可以用用一元元回歸歸分析析的方方法，在若干干觀測(cè)測(cè)計(jì)算算值的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上求求出k0和v0，從而利利用（（4-7）式來來預(yù)測(cè)測(cè)切削削具磨磨損對(duì)對(duì)鉆速速的影影響。。Hvmv0k03/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進(jìn)孔孔底碎碎巖過過程2、硬質(zhì)質(zhì)合金金切削削具在在孔底底磨損損的實(shí)實(shí)際狀狀況前述理理論分分析的的基礎(chǔ)礎(chǔ)是假假定切切削具具刃部部為均均勻磨磨損，，實(shí)際際鉆進(jìn)中，，切削具具出刃刃的內(nèi)內(nèi)、外外側(cè)磨損量量是不不均勻勻的，，即：y外＞y內(nèi)＞y，t外＞t內(nèi)＞t切削具底端端也不是被被磨損成平面，而是是呈圓弧形形，刃前緣緣和后緣磨損損更厲害。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆進(jìn)孔底碎碎巖過程3、減輕切削削具磨損的的措施(1)避免切削具具在表面破破碎狀態(tài)下下工作。尤其在高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、低鉆鉆壓的條件下鉆鉆進(jìn)研磨性性巖石時(shí)，，切削具磨磨損更快。。(2)切削具的磨磨損速度取取決于切削削具的硬度度與所鉆巖巖石的硬度度之比、巖石的的研磨性、、裂隙性等等性質(zhì)，還還取決于切切削具在鉆鉆頭唇面的的布置。應(yīng)根據(jù)巖性性選用合適適的硬質(zhì)合合金牌號(hào)和和型號(hào)，采采用合理的的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)構(gòu)。(3)及時(shí)修磨切切削具，減小初始接接觸面積，，以降低其其磨損率。。(4)采取等強(qiáng)度度磨損的原原則，對(duì)磨損嚴(yán)重重的內(nèi)外側(cè)側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)。(5)采用有潤(rùn)滑滑作用的乳乳化液或泥泥漿洗孔，，減輕切削具具的磨損。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆頭一、取心式式硬質(zhì)合金金鉆頭結(jié)構(gòu)構(gòu)要素一定數(shù)量的的硬質(zhì)合金金切削具，，按一定的的形式排布布在鉆頭體體上，形成成鉆進(jìn)不同同地層的鉆鉆頭結(jié)構(gòu)。。硬質(zhì)合金鉆鉆頭的結(jié)構(gòu)構(gòu)要素主要要包括：切切削具出刃刃、切削具具的鑲焊角角度、切削削具在鉆頭頭體上的數(shù)數(shù)目及布置置方式等。。1、鉆頭體硬合金切削削具的支撐撐體，傳遞遞軸載和扭扭矩，承受受切削具破破巖的反作作用力、孔孔底的動(dòng)載載和摩擦。。DZ-40無縫鋼管制制成。上有有外螺紋與與巖心管連連接，內(nèi)壁壁有內(nèi)錐，，便于卡取取巖心。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第二節(jié)硬質(zhì)合金金鉆頭2、切削具具出刃（1）內(nèi)、外出出刃——使鉆頭體與與孔壁、、巖心之之間的間間隙，避避免摩擦擦孔壁和和巖心，，提供循循環(huán)沖洗洗通道。。出刃過大大，合金金抗外力力的能力力降低、、碎巖斷面和功功耗增大大，鉆孔孔易彎曲。出刃過小小，流阻阻增大，容易易堵塞巖巖心、沖沖毀孔壁壁、漂浮浮鉆具。。合理選擇擇出刃：一般1~3mm。巖硬、孔孔壁穩(wěn)、、鉆速低低，取小小值；反反之取大大值。遇水膨脹脹或大量量巖粉的的軟地層層，加焊焊肋骨，，增大內(nèi)內(nèi)、外環(huán)環(huán)狀空間間，一般般取內(nèi)、、外出刃刃3～6mm，底出刃4～5mm。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第二節(jié)硬質(zhì)合金金鉆頭（2）底出刃作用：保證切削削具能順順利地切切入巖石石，并為為沖洗液液冷卻切切削具和和排除孔底底巖粉提提供通道道。底出刃大大小：由切入深深度和過過水間隙隙兩部分組成。H值過大，，在硬巖巖和裂隙隙性巖層層中容易造成成崩刃，，應(yīng)增加加補(bǔ)強(qiáng)。。一般為為2~5mm。底出刃有有平底式式、階梯梯式。階梯式可可增加切削削具破碎碎巖石的的自由面面，容易易產(chǎn)生體積破破碎。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭3、切削具的鑲鑲焊角度具有一定刃角β的切削具以不不同的前角（亦稱鑲焊角））鑲焊在鉆頭體上，形成成不同的切削角α，從而獲得不不同的鉆進(jìn)進(jìn)效果。切削具在鉆鉆頭唇面上上有三種鑲焊方方式：正斜鑲，直鑲，負(fù)斜鑲。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆頭（1）刃角β的選擇：β=45°~50°，Ⅰ～Ⅳ級(jí)非裂隙性性巖石；β=65°，Ⅴ～Ⅶ級(jí)巖石；β=90°的小切削具具，用于自自磨式鉆頭頭。（2）選擇鑲焊形形式（正斜斜鑲、直鑲鑲、負(fù)斜鑲鑲）應(yīng)考慮慮下述原則則：對(duì)所鉆巖石石切入和回回轉(zhuǎn)阻力小??；可保證鉆頭頭體上的切切削具有較較大的抗彎彎和抗磨損損能力；有利于及時(shí)時(shí)排除巖粉粉；磨損后的端端面接觸面面積不能過過快增大，，應(yīng)保持一一定的切削削能力。上述條件很很難同時(shí)滿滿足，設(shè)計(jì)計(jì)鉆頭應(yīng)根根據(jù)巖性有有所側(cè)重地地考慮。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室(3)三種鑲焊形形式的特征征分析切入深度相相同時(shí)，切入所需軸軸向力Py和水平力Px：正斜鑲>直鑲>負(fù)斜鑲磨損體積相相同時(shí)，切切削刃端的的磨損面積積:正斜鑲>直鑲>負(fù)斜鑲?cè)叱鋈幸灰恢聲r(shí)，切切削刃上的的彎矩:正斜鑲>直鑲>負(fù)斜鑲排粉條件:正斜鑲>直鑲>負(fù)斜鑲通常正斜鑲鑲的鉆頭在在軟巖中中具有高鉆鉆速，而負(fù)負(fù)斜鑲鉆頭頭適用于硬硬巖和非均均質(zhì)巖層，，最常用的的是直鑲。。第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆頭3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆鉆頭4、硬質(zhì)合金金切削具在在鉆頭體上上的布置方方式切削具的排排列方式有有：?jiǎn)苇h(huán)排排列、多環(huán)環(huán)排列、密密集排列等等。（1）確定切削削具布置方方式的原則則：①能保證鉆頭頭在孔底工工作平穩(wěn)；；②多環(huán)排列時(shí)時(shí)，每個(gè)切切削具只破破碎孔底的的一部分，，疊加起來來完成整個(gè)唇面的的切削，若若各環(huán)之間間能相互造造成自由面面，則破巖巖效果更佳佳；③盡量使每個(gè)個(gè)切削具負(fù)負(fù)擔(dān)的破巖巖量接近，，避免局部部磨損過甚甚；④切削具之間間應(yīng)保持一一定的距離離，以利于于排粉；⑤對(duì)切削具的的鑲焊和修修磨方便。。3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第二節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆頭（2）切削削具布布置方方式①單環(huán)排排列：：一個(gè)或或二個(gè)個(gè)切削削具并并聯(lián)覆覆蓋唇唇面，，加工工簡(jiǎn)單單；②多環(huán)排排列：：多個(gè)切切削具具分環(huán)環(huán)覆蓋蓋唇面面，造造成多多的碎碎巖自自由面面；③密集排排列：：多個(gè)切切削具具集中中為一一組排排列，，前刃刃掏槽槽，后后刃擴(kuò)擴(kuò)槽，，相互支支撐，，承載載大，，抗彎彎、抗抗磨損損好。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭5、切削具在鉆頭體體上的數(shù)目鉆頭上切削具數(shù)目目越多，切削點(diǎn)就就多，單位時(shí)間完完成的切削量就大，鉆速也越越高，鉆頭壽命較較長(zhǎng)。但是，由于于軸向載荷有限，單個(gè)切削具上上的載荷不足，只只能形成表面破碎碎；同時(shí)，切削具數(shù)目太多，使使剪切體變小，孔孔底冷卻效果變差差。切削具數(shù)目取決于于巖性、鉆頭直徑徑和切削具形狀。。對(duì)軟巖取較少的數(shù)量，對(duì)較較硬和非均質(zhì)及研研磨性巖石，為保保證鉆頭壽命，一一般應(yīng)取密集式排排列。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭6、鉆頭的水口和水水槽（1）作用：是沖洗液流經(jīng)鉆頭頭、沖洗孔底并返返回鉆柱外環(huán)空間間的通道。保證切削削具的冷卻和孔底底及時(shí)排粉。（2）水口形狀：矩形、半圓形、梯梯形和三角形，三三角弧形水口效果最好。（3）水口的數(shù)目：等于切削具的數(shù)目目或組數(shù)?？偯娣e積應(yīng)大于或等于鉆頭外環(huán)空間間（包括回水槽））的面積。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室二、取心式硬質(zhì)合合金鉆頭取心式硬質(zhì)合金鉆鉆頭分為磨銳式和和自磨式。1、磨銳式硬質(zhì)合金金鉆頭鉆頭上的合金切削削具磨鈍后可用砂砂輪修磨銳利的鉆頭。切削具一般是單斜斜面銳角，鉆進(jìn)中，隨切削具具磨損，機(jī)械鉆速速逐漸下降。一般適用于研研磨性小的軟及中中硬巖石。2、自磨式硬質(zhì)合金金鉆頭采用小斷面切削刃刃，磨損后，接觸觸面積不變，無變鈍的弱弱點(diǎn)，機(jī)械鉆速基基本平穩(wěn)。第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3、典型鉆頭結(jié)構(gòu)舉例（1）螺旋肋骨鉆頭外焊三塊呈45°螺旋肋骨，有助液液流上返，提高清清粉能力。正斜鑲，利于切軟軟巖。通水截面積積大，循環(huán)阻力小小，使孔底比較干干凈，避免重復(fù)破破碎，提高鉆進(jìn)效效率。適用于鉆進(jìn)Ⅱ~Ⅳ級(jí)（部分Ⅴ級(jí)）松軟巖層、粘粘土層、風(fēng)化砂巖巖及鋁土頁(yè)巖等。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭（2）薄片硬合金鉆頭頭：切削具鋒利，采用用掏槽刃容易切入入巖石；出刃較大，保證較較大間隙沖洗巖粉粉；主要用于鉆進(jìn)粘結(jié)結(jié)性較小的軟巖。（3）“品”字形硬合金金鉆頭三顆合金呈“品””字形焊成一組。中間的出刃較大——掏槽，兩邊的出刃刃較小——擴(kuò)槽。主要用于Ⅳ~Ⅵ級(jí)和軟硬互層的巖巖石。切削具可以直鑲也也可以正斜鑲。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第二節(jié)硬質(zhì)合金金鉆頭（4）針狀自磨磨式鉆頭頭把預(yù)制好好的胎塊塊焊在鉆鉆頭體上上。胎塊塊內(nèi)包裹裹針狀硬硬質(zhì)合金金。支撐體胎胎體硬度度要合適適，保證證超前磨磨耗，以以利于針針狀硬質(zhì)質(zhì)合金自自磨出刃刃。鉆頭可用用于鉆進(jìn)進(jìn)5~7級(jí)中等研研磨性的的巖石。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室三、硬質(zhì)質(zhì)合金鉆鉆頭選型型表鉆頭類型型巖巖石石可鉆性性級(jí)別巖巖石石螺旋肋骨骨鉆頭Ⅱ~Ⅳ松散可塑塑性巖層層階梯肋骨骨鉆頭Ⅲ~ⅤⅤ頁(yè)巖，砂砂頁(yè)巖巖薄片式鉆鉆頭Ⅱ~ⅣⅣ砂頁(yè)巖，，碳質(zhì)質(zhì)泥巖方柱狀鉆鉆頭Ⅲ~ⅤⅤ均質(zhì)大理理巖,灰?guī)r,軟砂巖,頁(yè)巖單雙粒鉆鉆頭Ⅳ~ⅥⅥ中研磨性性砂巖，，灰?guī)r品字形鉆鉆頭Ⅳ~ⅥⅥ灰?guī)r，大大理巖巖，細(xì)砂砂巖破擴(kuò)式鉆鉆頭Ⅲ~ⅤⅤ砂礫巖，，礫巖巖負(fù)前角階階梯鉆頭頭Ⅴ~ⅦⅦ玄武巖，，砂巖巖，輝長(zhǎng)長(zhǎng)巖，灰灰?guī)r胎體針狀狀鉆頭Ⅵ~ⅧⅧ中研磨性性片麻巖巖，閃長(zhǎng)長(zhǎng)巖鋼柱針狀狀鉆頭Ⅵ~ⅧⅧ研磨性石石英砂砂巖，混混合巖薄片式自磨鉆頭頭Ⅵ~Ⅷ研磨性粉砂巖巖，砂頁(yè)巖第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程金剛石是迄今最最堅(jiān)硬的研磨切切削材料，鉆探用金剛石約約占世界工業(yè)金金剛石1/5。一、鉆探用金剛石1、鉆探用金剛石的分類鉆探用金剛石分分為天然的、人人造的兩大類。。天然金剛石“包布茲”（Bortz）——制造表鑲鉆頭；；天然金剛石“剛果”（Congo）——孕鑲鉆頭；天然“卡邦納多”（Carbonado）“巴拉斯”（Ballas）——首飾；天然“雅庫(kù)特”（якут）——主要在前蘇聯(lián)聯(lián)境內(nèi)使用。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第三節(jié)金剛石及其孔孔底碎巖過程程人造金剛石單單晶人造金剛石聚聚晶——由細(xì)小的金剛剛石顆粒、粘粘合劑燒結(jié)成成較大顆粒的的多晶金剛石石人造金剛石復(fù)復(fù)合片（PDC）——由一層金剛石石多晶薄層、、一層較厚的的硬質(zhì)合金層層復(fù)合而成。。2.天然金剛石的的特性金剛石為結(jié)晶晶體碳原子之之間以共價(jià)鍵鍵相連，結(jié)構(gòu)構(gòu)非常穩(wěn)定。金剛石的弱點(diǎn)：①①脆性較大，遇沖沖擊出現(xiàn)碎裂；②②熱穩(wěn)定性較差，，高溫下氧化并“石墨化”。金剛石工具制造過過程中，須隔氧，，避長(zhǎng)時(shí)間高溫；；在使用中，須避避免承受沖擊載荷荷并及時(shí)冷卻切削削刃。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底碎碎巖過程3.與鉆探有關(guān)的金剛剛石物理力學(xué)性質(zhì)質(zhì)(1)硬度極高，研磨硬硬度是剛玉的150倍，石英的1000倍。(2)有極大的抗靜壓強(qiáng)強(qiáng)度。天然金剛石石的抗壓強(qiáng)度大約約8600MPa，約為剛玉的3.5倍，硬質(zhì)合金的1.5倍，鋼的9倍。用于鉆探的人人造金剛石一般要要求強(qiáng)度達(dá)2500MPa以上。(3)極高的耐磨性是剛剛玉的90倍，硬質(zhì)合金的40~200倍，鋼的2000~5000倍。人造金剛石聚聚晶體一般與中硬硬碳化硅砂輪的磨磨耗比在1：30000以上。(4)金剛石是熱的良導(dǎo)導(dǎo)體，它散熱比硬硬質(zhì)合金刃具快。。線膨脹系數(shù)僅為為硬質(zhì)合金的1/4~1/5，鋼的1/8~1/10，但隨溫度升高而而增長(zhǎng)較快，這對(duì)對(duì)金剛石的包鑲和和鉆頭使用不利。金剛石容易受熱損損傷，雖然溫度低低于燃燒溫度，但但金剛石的強(qiáng)度、、耐磨性已受到嚴(yán)嚴(yán)重影響。所以鉆鉆進(jìn)中必須充分冷冷卻，防止發(fā)生金金剛石鉆頭燒鉆事事故。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底碎碎巖過程4、鉆探用金剛石的的粒度和品級(jí)（1）金剛石的粒度國(guó)際上通用的計(jì)量量單位是克拉。鉆探用金剛石常用用一克拉(0.2g)多少粒或過篩網(wǎng)目目數(shù)來衡量。鉆探用的金剛石粒粒度：粗粒——5～20粒/克拉；中?！?0～40粒/克拉；細(xì)?！?0～100粒/克拉；粉?！?00～400粒/克拉。粗、中粒多用于表表鑲鉆頭和表鑲擴(kuò)擴(kuò)孔器，細(xì)、粉粒粒多用于孕鑲鉆頭頭和孕鑲擴(kuò)孔器。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底碎碎巖過程（2）金剛石的品級(jí)3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底碎碎巖過程二、金剛石鉆進(jìn)的孔底底碎巖過程1.表鑲金剛石鉆頭的的孔底碎巖過程把鉆頭上的一粒金金剛石看作在軸向向壓力Py和切向力Px作用下沿巖石表面面移動(dòng)的切削具，巖石破碎時(shí)力Px克服巖石抵抗破碎碎的反力Pg和摩擦力T上，Px=Pg+T=Pg+Pyff——金剛石與巖石的摩摩擦系數(shù)；Py——每粒金剛石上的載載荷。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程表鑲單粒金剛石石在Py,Px聯(lián)合作用下，類類似球體壓入巖巖石(彈脆性巖石)產(chǎn)生大小剪切體體，切槽寬度＞＞金剛石顆粒直直徑。金剛石被磨鈍時(shí)時(shí)，在Py,Px作用下巖石中出出現(xiàn)一些微小的的裂紋，巖石的的致密結(jié)構(gòu)被改改變?？椎啄骋稽c(diǎn)經(jīng)多多次重復(fù)加載產(chǎn)產(chǎn)生破碎，具有有疲勞破碎的性性質(zhì)。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程2.孕鑲金剛石鉆頭頭的孔底碎巖過過程孕鑲金剛石鉆頭頭的孔底碎巖過過程不同于表鑲鑲鉆頭。金剛石顆粒小埋埋藏于胎體之中中，孕鑲鉆頭必必須在鉆進(jìn)規(guī)程程中保持自磨出出刃的性能（““自銳”），才才能維持鉆速恒恒定而不衰減。。其碎巖機(jī)理類似似于砂輪磨削工工件。以唇面上上多而小的硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)（金剛石））對(duì)加工件（孔孔底巖石）進(jìn)行行刻劃、磨削，，隨著硬質(zhì)點(diǎn)的的逐漸磨損和消消失及粘結(jié)胎體體的不斷磨耗，，新的硬質(zhì)點(diǎn)又又裸露出來參加加工作。唇面金剛石出露露較好時(shí)，也存存在孔底的微剪剪切和微壓碎作作用。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程如果胎體性能與與所鉆巖石不適適應(yīng)或沒有保證證足夠的鉆壓，，胎體不能超前前磨耗并讓喪失失破巖能力的金金剛石顆粒自行行脫落，則孔底底過程中表現(xiàn)為為鉆頭“打滑””，鉆速迅速下下降。微動(dòng)載碎巖有學(xué)者認(rèn)為，無無論表鑲或孕鑲鑲鉆頭在孔底的的碎巖過程中，，孔底還存在著著微動(dòng)載的碎巖巖過程。鉆壓、鉆柱彈性性變形、回轉(zhuǎn)振振動(dòng)和泵壓脈動(dòng)動(dòng)對(duì)孔底巖石的的破碎起到了積積極的促進(jìn)作用用。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第四節(jié)金剛剛石鉆頭和擴(kuò)孔孔器根據(jù)碎巖特點(diǎn)，，可分為表鑲金金剛石鉆頭、孕孕鑲金剛石鉆鉆頭和聚晶燒結(jié)結(jié)體(包括復(fù)合片)金剛石鉆頭。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第四節(jié)金剛剛石鉆頭和擴(kuò)孔孔器3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第四節(jié)金剛剛石鉆頭和擴(kuò)孔孔器一、表鑲金剛石石鉆頭1.金剛石的粒度和和選擇表鑲金剛石鉆頭頭大都選用天然然金剛石，常用用的粒度為15~60粒/克拉。表鑲鉆頭用的金金剛石粒度粒度粗粒中粒細(xì)粒粒/克拉15~2525~4040~60巖層中硬硬堅(jiān)硬3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第四節(jié)節(jié)金金剛剛石鉆鉆頭和和擴(kuò)孔孔器2.金剛石石在唇唇面的的排列列鉆進(jìn)過過程中中，鉆鉆頭外外側(cè)的的規(guī)徑徑刃和和內(nèi)邊邊棱部部的金金剛石石負(fù)擔(dān)擔(dān)最重重，其其次為為底刃刃，再再次為為側(cè)刃刃。制造鉆鉆頭時(shí)時(shí)須選選擇優(yōu)優(yōu)質(zhì)金金剛石石作規(guī)規(guī)徑刃刃和內(nèi)內(nèi)邊刃刃，用用回收收的金金剛石石作側(cè)側(cè)刃，，以求求均衡衡磨損損。金剛石石在鉆鉆頭唇唇面上上的排排列方方式有有放射射排列列，螺螺旋排排列和和等距距離排排列等等。金剛石石在鉆鉆頭唇唇面厚厚度方方向多多采用用同心心環(huán)分分列，，并在在徑向向有一一定的的重疊疊度，，以保保證鉆鉆進(jìn)中中不會(huì)會(huì)在孔孔底形形成“巖脊”。3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第四節(jié)節(jié)金金剛剛石鉆鉆頭和和擴(kuò)孔孔器3.鉆頭的的唇面面斷面面形狀狀(1)圓弧形形唇面面：較較好保保護(hù)內(nèi)內(nèi)外徑徑，用用于中中硬和和硬巖巖層；；(2)半圓形形唇面面：可可布置置較多多金剛剛石，，緩解解規(guī)徑徑刃過過分磨磨損，，適用用于堅(jiān)堅(jiān)硬和和軟硬硬互層層的研研磨性性巖層層；(3)多階梯梯形唇唇面：用于厚壁鉆鉆頭(繩索取心)用于中硬和和硬巖，有有利于破巖巖和導(dǎo)向；；(4)內(nèi)錐形唇面面：用于強(qiáng)研磨磨性和破碎碎巖層及內(nèi)內(nèi)邊刃過早早磨損的巖巖層，也可可鉆礫巖用用于厚壁鉆鉆頭；3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴(kuò)孔孔器(5)外錐形唇面面:用于較軟和和易碎地層層，雙管和和繩索取心心鉆頭。4.鉆頭的水口口與水槽鉆頭的水路路直接影響響著孔底沖沖洗及鉆進(jìn)進(jìn)效果。表鑲鉆頭的的主水路是是唇面與孔孔底之間的的間隙，水水口和水槽槽的數(shù)目不不能太多，，可強(qiáng)制沖沖洗，有效效地冷卻唇唇面金剛石石和及時(shí)排排除孔底巖巖粉。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室二、孕鑲金金剛石鉆頭頭我國(guó)鉆探生生產(chǎn)主要用用孕鑲鉆頭頭，比表鑲鑲鉆頭優(yōu)越越性：對(duì)于金剛石石品級(jí)的要要求低于表表鑲鉆頭；；抗沖擊載荷荷能力較好好，如果唇唇面金剛石石發(fā)生剪崩崩對(duì)鉆進(jìn)效效果的影響響小，對(duì)違違反操作規(guī)規(guī)程的敏感感程度也小小。不必用手工工擺放金剛剛石顆粒，，工業(yè)制造造過程更簡(jiǎn)簡(jiǎn)單。孕鑲鉆頭用用的金剛石石孕鑲鉆頭使使用的天然然和人造金金剛石粒度度取決于所所鉆巖性。第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴(kuò)孔孔器粒度(目)人造＞4646~6060~8080~100天然20~3030~4040~6060~80巖層中硬—硬硬—堅(jiān)硬3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室2.金剛石在胎胎體中的含含量濃度表示金金剛石在胎胎體中的含含量，是影影響孕鑲鉆鉆頭性能的的重要參數(shù)數(shù)。濃度沿用砂砂輪制造業(yè)業(yè)的“400%濃度制”，，當(dāng)金剛石石的體積占占胎體工作作層體積1/4時(shí)濃度為100%，全部是金金剛石濃度度400%。選擇金剛石石濃度的依依據(jù)是所鉆鉆巖性、金金剛石的品品級(jí)和粒度度，兼顧胎胎體的包鑲鑲能力和鉆鉆壓值的大大小。巖石越堅(jiān)硬硬致密，金金剛石質(zhì)量量好，粒度度細(xì)，濃度度宜較低；；唇面比壓壓較大時(shí)可可選較高的的濃度，這這樣對(duì)提高高胎體耐磨磨性也有好好處。常用用濃度70%~120%，過高了將將影響胎體體的包鑲能能力和鉆速速。第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴(kuò)孔孔器3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴(kuò)孔孔器3.鉆頭的胎體體性能孕鑲鉆頭鉆鉆進(jìn)時(shí)，胎胎體的磨損損速度應(yīng)適適當(dāng)超前于于金剛石的的磨損速度，使使金剛石不不斷出刃。。如果胎體不磨損損或磨損極極慢，則金金剛石出刃甚小，，發(fā)揮不了了多刃微切切削作用，鉆速很很低。反之之，如果胎胎體磨損太快，則則造成金剛剛石過早的的崩刃或脫粒，從從而失去鉆鉆進(jìn)能力、、鉆頭壽命縮短。。合適的胎胎體耐磨性性應(yīng)能使唇面金剛剛石正常出出刃，且在在每粒金剛石的后后面形成蝌蝌蚪狀支撐撐。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴(kuò)孔孔器當(dāng)巖石更硬硬時(shí)，金剛剛石磨損得得更快，但但這時(shí)產(chǎn)生生的巖屑更更薄，數(shù)量量更少，因因此巖屑對(duì)對(duì)胎體的磨磨蝕作用弱弱于稍軟的的巖石。所所以在堅(jiān)硬硬的巖石中中鉆進(jìn)時(shí)，，必須選擇擇低耐磨性性（硬度較較?。┑奶ヌンw。由于測(cè)定定硬度的的方法簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，雖雖然胎體體的硬度度不能完完全代表表其耐磨磨性，但但目前仍仍習(xí)慣用用胎體的的硬度來來表示其其耐磨性性。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴(kuò)孔孔器4.鉆頭的唇唇面形狀狀孕鑲金剛剛石鉆頭頭的唇面面形狀比比較簡(jiǎn)單單，多為為平底形形，在孔孔內(nèi)磨合合一段時(shí)時(shí)間后便便自然形形成圓弧弧形。堅(jiān)硬、弱弱研磨性性的巖石石或鉆頭頭壁較厚厚，唇面面做成同同心環(huán)槽槽、鋸齒齒狀或階階梯形，使比壓集集中并在在孔底形形成破巖巖自由面面。孕鑲金剛剛石鉆頭頭常用聚聚晶保徑徑，可取取得滿意意的鉆進(jìn)進(jìn)效果。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴(kuò)孔器5.鉆頭的水口與與水路對(duì)孕鑲金剛石石鉆頭而言，，因?yàn)樗慕鸾饎偸鋈蟹欠浅Ｐ。仕闹魉凡徊皇倾@頭唇面面與孔底的間間隙，而是水水口。在唇面扇形塊塊的下面只存存在漫流（或或濕潤(rùn)）區(qū)，，用于冷卻和和排粉的水流流主要通過水水口和水槽。。孕鑲鉆頭往往往設(shè)計(jì)成多水水口、小水口口，這樣對(duì)防防止燒鉆有利利。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴(kuò)孔器三、金剛石擴(kuò)擴(kuò)孔器金剛石擴(kuò)孔器器安裝于鉆頭頭和巖心管之之間，是金剛剛石鉆進(jìn)不可可缺少的組成部部分。擴(kuò)孔器的作用用：修擴(kuò)孔壁，保證鉆鉆孔直徑符合合要求減少新鉆頭下下孔的擴(kuò)孔量量；保持孔內(nèi)鉆具具的穩(wěn)定性，，使鉆具在高高轉(zhuǎn)速下保持持動(dòng)平衡狀態(tài)態(tài)；四、金剛石鉆鉆頭及擴(kuò)孔器制造無壓浸漬法熱壓法電鑄法3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其其孔底碎巖過過程用未鑲焊切削削具的鉆頭壓壓住自由狀態(tài)態(tài)的鋼粒，并并帶動(dòng)它們?cè)谠诳椎诐L動(dòng)而而破碎巖石的的鉆進(jìn)方法稱稱為鋼粒鉆進(jìn)進(jìn)。曾廣泛用于Ⅶ~Ⅻ級(jí)巖石，隨著著金剛石鉆進(jìn)進(jìn)普及，它在在中小口徑中中已逐漸被取取代。但在大大口徑硬巖鉆鉆進(jìn)中仍有一一席之地。一、鋼粒及鋼鋼粒鉆進(jìn)用鉆鉆具1.鋼粒的特性抗壓碎強(qiáng)度、、硬度、耐磨磨性和屈服極極限較高，可可減少破巖過過程中自身的的消耗，在在軸向載荷下下不至于產(chǎn)生生明顯的塑性性變形，利于于在孔底翻滾滾。為保證鋼粒在在孔底容易翻翻滾，鋼粒的形狀：：高等于直徑徑，2.5~4mm的圓柱體。鋼粒的材質(zhì)：：一般60號(hào)、70號(hào)高碳鋼，經(jīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)、淬火火可達(dá)到較高高硬度。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)勘查教研室室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其其孔底碎巖過過程2.鋼粒鉆頭與鉆具鋼粒鉆頭的功能是是將軸向載荷和水水平回轉(zhuǎn)力傳遞給給鋼粒，帶動(dòng)其在在孔底翻滾。鉆頭呈圓筒形下開弧形水口，用用于排除巖粉、分分選鋼粒和“導(dǎo)砂”。整套鉆具由鉆頭、、巖心管、異徑接接頭、取粉管和鉆桿柱組成成。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其孔底底碎巖過程二、鋼粒鉆進(jìn)的孔孔底碎巖過程圓柱形鋼粒在鉆頭頭軸向和回轉(zhuǎn)力（（聯(lián)系力）作用下下在孔底巖面不斷翻翻滾，以動(dòng)壓入體體積破碎方式和動(dòng)動(dòng)疲勞破碎方式破破巖。1.動(dòng)壓入體積破碎圓柱形鋼粒在孔底底每翻滾一次都會(huì)會(huì)給巖石一個(gè)微動(dòng)動(dòng)載作用。完整鋼粒的棱邊與與巖石接觸類似于于楔形工具動(dòng)壓入入破巖，鋼粒與巖石的接觸觸面積很小，壓應(yīng)應(yīng)力集中，周圍的的巖石出現(xiàn)裂紋，，繼而產(chǎn)生跳躍式式體積破碎。由于孔底不平，可能軸載載瞬時(shí)集中在少數(shù)數(shù)鋼粒上，更加強(qiáng)強(qiáng)了這種動(dòng)壓入體體積破碎。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其孔孔底碎巖過程2.動(dòng)疲勞破碎鋼粒在不斷翻滾滾中，逐漸被磨磨成橢球形或球球形。以一定的壓力壓壓于巖石表面時(shí)時(shí)，類似于球形壓模動(dòng)動(dòng)壓入巖石的情情況，下部巖石石存在著兩個(gè)危危險(xiǎn)極值帶，壓壓力邊緣存在拉拉伸應(yīng)力，有助助于產(chǎn)生一定深深度的表面裂紋紋。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其孔孔底碎巖過程眾多鋼粒的重復(fù)復(fù)碾壓，裂紋加深加加密，加之沖洗洗液的侵蝕作用用，使交叉發(fā)育育的裂紋以巖屑屑的形式被剝離離下來離開母體。這就是是鋼粒鉆進(jìn)的主主要破巖方式——?jiǎng)悠谄扑?。若軸載越大，則則造成疲勞破碎碎所需要的重復(fù)次數(shù)數(shù)越少，破巖效效果越好。在實(shí)際生產(chǎn)過程程中，上述兩種種破巖方式往往往是同時(shí)發(fā)生的的，只是新鮮的的圓柱形鋼粒以以第一種為主，，被磨圓的鋼粒粒以第二種為主主。由于孔底不平，，經(jīng)沖洗液分選選后的鋼粒形狀狀不一、尺寸不均、、壓力不均，加加之孔底環(huán)狀間間隙大，這些都都造成鋼粒鉆具具振動(dòng)加劇，這這種振動(dòng)對(duì)鋼粒動(dòng)壓入、、動(dòng)疲勞破巖是是有利的3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔孔底碎巖過程0.牙輪鉆進(jìn)概述牙輪鉆進(jìn)——利用牙輪鉆頭在在井底回轉(zhuǎn)，使使牙輪在井底滾滾動(dòng)，以沖擊和和壓碎剪切方式式破碎巖石的一一種鉆進(jìn)方法。。牙輪鉆進(jìn)一般不不取心，廣泛用于油氣和大口徑施工工鉆進(jìn)，適應(yīng)性性廣，在Ⅵ～Ⅹ級(jí)的巖石石中效果果最好。。牙輪鉆的的類型：：銑齒、、鑲齒；；有體式式、無體體式；單單牙輪、、雙牙輪輪和三牙牙輪等。。生產(chǎn)中中以三牙牙輪鉆頭頭應(yīng)用最最多。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第六節(jié)牙輪鉆頭頭及其孔孔底碎巖巖過程塑性巖石石：自洗洗式牙輪輪鉆頭。。硬和堅(jiān)硬硬巖石：：鑲齒式式牙輪鉆鉆頭。沖洗：中中心沖洗洗式和圓圓周沖洗洗式。帶帶噴嘴的的水力噴噴射式鉆鉆頭更有有利于提提高軟巖巖的破巖巖效果。。牙輪鉆頭頭的軸承承是最容容易磨損損的薄弱弱環(huán)節(jié)。。一、牙輪輪鉆頭的的結(jié)構(gòu)由鉆頭體、、牙輪爪爪、牙輪輪、軸承承、水眼眼和儲(chǔ)油油密封補(bǔ)補(bǔ)償系統(tǒng)統(tǒng)等組成。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第六節(jié)牙輪鉆頭頭及其孔孔底碎巖巖過程二、牙輪輪鉆頭的的孔底碎碎巖過程程1.牙輪的自自轉(zhuǎn)與公公轉(zhuǎn)牙齒隨鉆鉆頭一起起繞鉆頭頭軸線順順時(shí)針旋旋轉(zhuǎn)——公轉(zhuǎn)，速度=鉆機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度。。外齒公公轉(zhuǎn)線速速度最大大。牙齒繞牙牙輪軸逆逆時(shí)針旋旋轉(zhuǎn)——自轉(zhuǎn)。牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)是破巖巖時(shí)牙齒齒與地層層巖石之之間相互互作用的的結(jié)果。。3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第六節(jié)節(jié)牙輪鉆鉆頭及及其孔孔底碎碎巖過過程由牙輪輪牙齒齒與孔孔底單單齒、、雙齒齒交替替接觸觸，使使鉆頭頭沿軸軸向作作上下下往返返運(yùn)動(dòng)動(dòng)，造造成靜靜載外外的沖沖擊載載荷。。還由于于孔底底不平平疊加加了振振幅較較大的的低頻頻振動(dòng)動(dòng)。鉆頭在在孔底底的縱縱向振振動(dòng)，，使鉆鉆柱不不斷壓壓縮與與伸張張，周周期變變化的的彈性性能通通過牙牙齒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為為沖擊擊作用用破碎碎巖石石，與與靜載載壓入入一起起形成成了鉆鉆頭對(duì)對(duì)地層層的沖沖擊、、壓碎碎作用用，這這是牙牙輪鉆鉆頭的的主要要形式式。2、鉆頭的的縱向向振動(dòng)動(dòng)及對(duì)對(duì)地層層的沖沖擊、、壓碎碎作用用3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第六節(jié)節(jié)牙輪鉆鉆頭及及其孔孔底碎碎巖過過程3.牙齒對(duì)對(duì)地層層的剪剪切作作用剪切作作用主主要是是由于于牙輪輪在滾滾動(dòng)的的同時(shí)時(shí)還伴伴有牙牙齒對(duì)對(duì)孔底底的滑動(dòng)而而產(chǎn)生生的，，產(chǎn)生生滑動(dòng)動(dòng)的原原因在在于牙牙輪的的超頂頂、復(fù)復(fù)錐和和移軸軸三種結(jié)結(jié)構(gòu)。。3.1超頂引引起的的滑動(dòng)動(dòng)牙輪錐錐頂超超過鉆鉆頭軸軸心的的結(jié)構(gòu)構(gòu)稱為為超頂，，超過過的距距離ob為超頂頂距c。設(shè)工作作時(shí)牙牙輪上上每一一點(diǎn)的的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為ωb，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為為ωc。3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第六節(jié)節(jié)牙輪鉆鉆頭及及其孔孔底碎碎巖過過程牙輪與與地層層接觸觸母線線上x點(diǎn)，由由ωb引起的的的速速度Vbx呈直線線分布布，oa段向前前ob段向后后，vbo=0。由ωc引起的的速度度vcx也呈直直線分分布方方向向向后，，在b點(diǎn)vcb=0。速度合合成后后，在在ob段形成成向后后滑動(dòng)動(dòng)速度度vsx，此時(shí)牙牙輪受受一滑滑動(dòng)阻阻力Ps，因而有有滑動(dòng)動(dòng)阻力力矩Ms(-)=PsR。使牙輪輪的角角速度度ωc降低。。在oa段由vbx和vcx合成的的滑動(dòng)動(dòng)速度度vsx。近o處產(chǎn)生生與Ms(-)同向的的滑動(dòng)動(dòng)阻力力矩M’s(-)，在近a處產(chǎn)生生一個(gè)個(gè)Ms(-)反向的的滑動(dòng)動(dòng)阻力力矩Ms(+)。3/4/2023中國(guó)地地質(zhì)大大學(xué)勘勘查教教研室室第六節(jié)節(jié)牙輪鉆鉆頭及及其孔孔底碎碎巖過過程Ms(-)、M’s(-)及Ms(+)達(dá)到平平衡，，使ΣMs=0。于是牙牙輪的的角速速度穩(wěn)穩(wěn)定,不再減減慢。。牙輪相相對(duì)于于巖石石的滑滑動(dòng)速速度，，呈直直線與與ab線交于于M點(diǎn)，vsM=0為純滾滾動(dòng)點(diǎn)點(diǎn)，bM段向后后滑動(dòng)動(dòng)，aM段向前前滑動(dòng)動(dòng)。滑動(dòng)速速度隨隨超頂頂距c的增大大而增增大。。3.2復(fù)錐引引起的的滑動(dòng)動(dòng)復(fù)錐牙牙輪包包括主主錐和和副錐錐，主主錐頂頂與鉆鉆頭中中心重重合，，而副副錐錐錐頂?shù)牡难由焐炀€是是超頂頂?shù)??！?/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程復(fù)錐牙輪線線速度不作作直線而是是折線分布布，所以產(chǎn)產(chǎn)生滑動(dòng)。。3.3移軸引起的的滑動(dòng)牙輪軸線在在鉆頭水平平投影沿鉆鉆頭旋轉(zhuǎn)方方向平移一一段距離——牙輪的移軸軸。移軸后將產(chǎn)產(chǎn)生牙輪的的軸向滑動(dòng)動(dòng)。低硬、高塑塑巖層，偏偏移大；高高硬度、低低塑性巖層，，偏移值小小；研磨性性的硬地層層，偏移為為零。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程綜上所述：：超頂和復(fù)錐錐引起切線線方向滑動(dòng)動(dòng)，除沖擊擊、壓碎方方式碎巖外外，還可剪剪掉同一齒齒圈相鄰牙牙齒破碎坑坑之間的巖巖脊；移軸的軸向向滑動(dòng)，可可剪掉齒圈圈之間的巖巖脊，軸向向滑動(dòng)雖可可提高破巖巖效率但牙牙齒也磨損損劇烈，因因此須銑齒齒加固。實(shí)際上，用用于軟—中硬地層的的鉆頭一般般兼有移軸軸、超頂和和復(fù)錐；一一部分用于于中硬或硬地層鉆鉆頭有超頂頂和復(fù)錐；；用于堅(jiān)硬和和強(qiáng)研磨性性地層的牙牙輪鉆頭是是純滾動(dòng)而而無滑動(dòng)的的（即單錐，不超超頂，也不不移軸）。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程4.牙輪鉆頭的的自洗牙齒鉆頭在在軟地層鉆鉆進(jìn)時(shí)，牙牙齒間易積積存巖屑產(chǎn)產(chǎn)生泥包，，影響鉆進(jìn)進(jìn)效率。為為此，出現(xiàn)現(xiàn)了自潔式式鉆頭。這類鉆頭各各牙輪的牙牙齒互相嚙嚙合，一個(gè)個(gè)牙輪的牙牙齒間積存存的巖屑由由另一個(gè)牙牙輪的牙齒齒剔除。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大大學(xué)勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程三、牙輪鉆鉆頭的分類類法1.我國(guó)三牙輪輪鉆頭的分分類和代號(hào)號(hào)三牙輪鉆頭頭分為2大類8個(gè)系列，系系列代號(hào)用用漢語(yǔ)拼音音表示，鉆頭型號(hào)表示方方法如下：□——鉆頭直徑用數(shù)字字表示；□——系列名稱代號(hào)用用表4-10規(guī)定的字母表示示□——型號(hào)代號(hào)用表4-11規(guī)定的數(shù)字表示示2.IADC牙輪鉆頭分類方方法及編號(hào)（自習(xí)）3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第七節(jié)全面鉆頭0、全面鉆頭概述述全面鉆進(jìn)——鉆進(jìn)中不采取巖巖心，全面破碎碎孔底巖石。全全面鉆進(jìn)所使用用的鉆頭——全面鉆頭。使用全面鉆頭不受回次進(jìn)尺的的限制，可節(jié)約約大量升降鉆具具和取心的輔助助作業(yè)時(shí)間，因因此在油氣鉆井井、水井鉆探和和工程施工鉆井井中得到廣泛應(yīng)應(yīng)用。全面鉆頭包括硬質(zhì)合金全全面鉆頭、金剛剛石全面鉆頭、、鋼粒全面鉆頭頭、牙輪鉆頭和和螺旋鉆頭等。。硬質(zhì)合金和金剛剛石全面鉆頭的的破巖機(jī)理與取取心鉆頭類似。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘勘查教研室第七節(jié)全面鉆頭一、硬質(zhì)合金全全面鉆頭1.翼片式全面鉆頭頭翼片式全面鉆頭頭主要包括刮刀刀鉆頭和翼片鉆鉆頭。刮刀鉆頭刀翼呈曲面形，，切削具正斜鑲鑲，刃尖角較小小，多用于鉆進(jìn)松軟巖層層鉆進(jìn)；翼片鉆頭的翼片切削具采用用直鑲，多用于鉆鉆進(jìn)軟~中硬巖層。一般按翼片數(shù)量命命名。如三刀翼的稱為為三刮刀鉆頭或三三翼鉆頭，兩刀翼的常叫叫做魚尾鉆頭。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第七節(jié)全面鉆頭（2）切削角α：α角越大，吃入深度度越深，但α角過大時(shí)，剪切破破碎困難，鉆進(jìn)阻阻力大。一般α=70~85°，軟地層α角應(yīng)小一些，硬地地層α角大一些。（3）刃后角ψ：ψ=α-β。必須大于孔底碎巖巖傾角。1.2刀翼背部幾何形狀狀鉆頭工作時(shí)刀翼的的受力類似于懸臂臂梁；背部應(yīng)成拋物線形形狀，即厚度隨距距刃尖的距離而逐逐漸增厚。1.1刀翼的結(jié)構(gòu)角（1）刃尖角β：表示刀刃的尖銳程程度。β越小，切入巖石的能能力越強(qiáng)但強(qiáng)度小小。軟巖層——8~10°；巖石較硬——12~15°；夾層多，孔較深時(shí)β角也適當(dāng)增大。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第七節(jié)全面鉆頭1.3刀翼底部幾何形狀狀——平底、正階梯、反反階梯和反錐形平底刀翼形成的孔孔底只有一個(gè)裸露露自由面，階梯可形成較多自自由面碎巖速度較較快，扭矩和功耗耗較小，但容易磨磨損成錐形，使鉆鉆孔縮徑。反階梯鉆頭可防縮縮徑，但外側(cè)底刃刃既掏槽又保徑，，蹩鉆嚴(yán)重。大慶油田根據(jù)反階階梯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)計(jì)了反錐形刮刀鉆鉆頭，刀翼的底刃刃可設(shè)計(jì)一個(gè)或兩兩個(gè)斜面，使孔底底形成一兩個(gè)截錐錐體。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第七節(jié)全面鉆頭1.4提高刀翼的耐磨性性為保證足夠的強(qiáng)度度，刀翼一般用高高強(qiáng)度合金鋼鍛制制而成。刀翼表面平鋪一層層YG8硬質(zhì)合金塊，以增增強(qiáng)耐磨性和防止止泥漿對(duì)刀翼的沖沖刷。側(cè)部鑲焊YG-8硬質(zhì)合金保徑。1.5典型翼片鉆頭舉例例（1）常用二翼、三翼翼鉆頭適用于Ⅰ～Ⅳ級(jí)的巖層。三翼鉆鉆頭在大口徑鉆進(jìn)進(jìn)中應(yīng)用廣泛，它它的鋼體上裝有可可更換噴嘴的水眼眼，使水流加速，，提高機(jī)械鉆速。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查查教研室第七節(jié)全面鉆頭（2）三翼片階梯鉆頭頭：可鉆進(jìn)Ⅲ～Ⅴ級(jí)巖層。階梯翼片片直焊。根據(jù)不同巖性取不不同的翼片偏心距距，保證中心處能能剪切碎巖。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭（3）針狀自自磨式全全面鉆頭頭：可做成三三翼、四四翼或六六翼。耐耐磨性能好，，鉆速均均勻。適適宜在Ⅴ～Ⅶ級(jí)的研磨磨性巖層層中鉆進(jìn)進(jìn)。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭2.籠式全面面鉆頭——單腰鉆頭頭和雙腰腰鉆頭適用于粘粘土、砂砂層和含含少量礫礫石的土土層。2.1鉆頭的結(jié)結(jié)構(gòu)中心管、、“腰腰帶”、、立柱、、橫支桿桿、斜支支桿、翼翼板和超超前小鉆鉆頭等組組成。上下導(dǎo)正正圈間距距≮鉆頭頭直徑，，外側(cè)面面加焊合合金肋骨骨修擴(kuò)鉆鉆孔。翼翼板按一一定的角角度焊在在下導(dǎo)正正圈的內(nèi)內(nèi)壁上，，合金切切削具鑲鑲焊在翼翼板上（（或螺栓栓固定））。一般為正正斜鑲，，近年來來，在鉆鉆進(jìn)基巖巖和卵礫礫石層時(shí)時(shí)，采用一字字形釬頭頭直立焊焊的形式式。翼板的數(shù)數(shù)量視鉆鉆頭直徑徑而定。。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭2.2鉆頭的特特點(diǎn)（1）單腰帶帶鉆頭鉆鉆進(jìn)阻力力小，鉆鉆速比雙雙腰鉆頭頭高；（2）雙腰帶帶鉆頭具具有良好好的導(dǎo)正正作用，，超前的的四翼錐錐形小鉆鉆頭主要起起定向作作用（并并保護(hù)出出漿口不不被阻塞塞），使使鉆頭工工作平穩(wěn)，擴(kuò)孔孔率也小小，鉆孔孔的垂直直精度較較高。（3）鉆頭底底部呈錐錐形、階階梯狀，，端部有有小鉆頭頭超前鉆鉆進(jìn)，故故孔底破巖巖自由面面大，鉆鉆效高。。（4）小鉆頭頭可對(duì)砂砂礫層起起松動(dòng)作作用，少少量不易易破碎的的卵礫石石可擠進(jìn)圓圓籠內(nèi)，，不妨礙礙繼續(xù)鉆鉆進(jìn)。3/4/2023中國(guó)地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭3.螺旋鉆頭頭——長(zhǎng)螺旋鉆鉆、短螺螺旋鉆土層中成成孔速度度快，無無沖洗液液，不污污染環(huán)境境，在工工程施工工中應(yīng)用用廣泛。。長(zhǎng)螺旋鉆鉆進(jìn)靠整整個(gè)鉆桿桿柱上螺螺旋面把把巖屑輸輸送至