第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

第四章回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

Drillingbitsusedintherotary-tabledrilling第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭鉆進的孔底碎巖過程第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭第三節(jié)鉆探用金剛石及其孔底碎巖過程第四節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器第五節(jié)鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程第一節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭鉆進的孔底碎巖過程

Failureprocessofdownholerockdrilledbycarbide-insertbit

一、鉆探用硬質(zhì)合金(hardmetalfordrilling)

通常鉆頭切削具采用鎢鈷類硬質(zhì)合金。碳化鎢為骨架材料，鈷為粘結(jié)材料。硬質(zhì)合金鉆進一般適用于軟、中硬巖層鉆進。硬質(zhì)合金切削具主要有薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等形狀。薄片狀：1-5級軟巖；方柱狀、八角柱狀：4-7級中硬巖石；其中八角柱狀：較硬巖層和裂隙發(fā)育；針狀：自磨式鉆頭，在硬地層或研磨性巖石中使用。(請同學(xué)們上網(wǎng)查看相關(guān)硬質(zhì)合金網(wǎng)站)表4－1YG類硬質(zhì)合金的性能表合金牌號化學(xué)成分（％）物理機械性質(zhì)特性及用途W(wǎng)CCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗彎強度（MPa）YG3x97315.0～15.3921050耐磨性最好，沖擊韌性最差，用于金屬切削YG4c96414.9～15.2901400適用于均質(zhì)和軟質(zhì)互層地層中回轉(zhuǎn)鉆進YA691～93614.4～15.0921400加有少量TaC成分，提高了硬度YG694614.6～15.089.51400適用于回轉(zhuǎn)鉆進，使用效果僅次于YG4cYG6x94614.6～15.0911350細粒合金，強度接近YA6，耐磨性較YA6高YG892814.0～14.8891500地質(zhì)勘探和石油回轉(zhuǎn)鉆進用主要品種YG8c92814.0～14.8881750粗粒合金，沖擊韌性較高適于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進YG11c891114.0～14.4872000耐磨性最差，沖擊韌性最高，適于沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖YG15851513.9～14.1872000注：硬質(zhì)合金中的附加字母“x”表示細粒合金，“c”表示粗粒合金。二、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進的孔底碎巖過程(Failureprocessofdownholerockdrilledbycarbide-insertbit)

回轉(zhuǎn)鉆進的機械鉆速vm=60nmh1

影響切入深度h1的主要因素有：軸向力大小，巖石的性質(zhì)及巖屑被清除的速度。切削具的性質(zhì)、幾何形狀及排布方式；鉆頭的轉(zhuǎn)速與切削具的磨鈍程度。

1、塑性巖石的孔底破碎過程

2、脆性巖石的孔底破碎過程

3、切入與切削同時作用下的碎巖過程1、塑性巖石的碎巖情況：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（和最小等于）巖石的抗壓強度（壓入硬度），即：（1.3－1）（1.3－2）（1.3－3）在塑性巖石中，切削具切入巖石的情況如圖1.3－1所示。一個單斜刃的切削具在軸向壓力的作用下，切入巖石的深度為。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O并非垂直切入巖石，而是沿著與垂直線成γ角的線方向切入巖石。因此，在切入的過程中,在前面OB上產(chǎn)生的正壓力及摩擦力（等于摩擦f)。系數(shù)同理，在后斜面OA上產(chǎn)生正壓力及摩擦力。各作用力平衡關(guān)系如下：式中：b—切削具的寬度；

σn－OA面上的法線壓強；

σ－垂直于AB的壓強，它等于巖石的抗壓入強度（壓入硬度）。將式（1.3－5）代入式（1.3－4）中，則有：因此，切入深度h0為：若設(shè)：則有：式中：v－由切削具刃尖角β和切削具與巖石的摩擦角φ所決定的一個系數(shù)。在一般情況下，v＝0.88～0.97。根據(jù)切削具切入巖石的條件知：

圖1.3－2塑性巖石中的回轉(zhuǎn)切削Py-軸向壓力；Px-水平力；h0-切入深度；b-切削槽寬

圖1.3－5脆性巖石的回轉(zhuǎn)切削過程Py-軸向壓力；Px-回轉(zhuǎn)水平壓力；β－刃角h0-切入深度；abc-大剪切體；a'b'c'-第二次大剪切體；B1－大剪切時巖面槽寬；

圖1.3－4單面鍥形切削具切入脆性巖石Py-軸向壓力；h0-切入深度；kok'-崩落巖穴2、脆性巖石的碎巖情況

當(dāng)鉆頭的直徑較大時，γ很小，即cosγ=1，sinγ＝0，則式（1.3－10）、（1.3－11）寫成：

圖1.3－7切入切削同時作用的井底碎巖情況

Py-給進力；Px-切削力；R－巖石底抗壓入阻力；

Q－刃前阻力；N,T-R的分力；f-摩擦系數(shù)；α-切削角；

β-切削具前面與巖石破碎面底夾角；γ-井底切削面傾角f×Nf×Q，刃前磨損小f×N，刃后磨損大3、切入切削同時作用下的孔底碎巖過程三、硬質(zhì)合金切削具的磨損

(Wearoftungstencarbidecutter)1、

關(guān)于切削具磨損和轉(zhuǎn)速問題的研究費得洛夫等人對硬質(zhì)合金切削具的磨損問題進行了大量研究，得出如圖4－5中的磨損曲線。（1）曲線Ⅰ當(dāng)σ＜σ0時，切削具未能有效地吃入巖石，鉆進處于表面破碎狀態(tài)，此時切削具單位時間的磨損量W正比于切削具上的比壓σ。（2）曲線Ⅱ當(dāng)σ＞σ0時，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓σ增大，單位時間的磨損量W不但未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢。即在體積破碎的條件下，切削具的磨損主要不取決于軸向壓力，而取決于巖石的硬度、切削具的材質(zhì)及切削具的磨鈍面積。

圖4－5不同比壓下切削具的磨損情況

Ⅰ－表面碎巖；Ⅱ－體積碎巖費得洛夫提出，在一定條件下切削具磨鈍面積與其初始面積和鉆進時間有關(guān)。S（t）=S0+θt式中：S0－切削具的初始面積，mm2；t－磨損時間，min；θ－取決于巖石性質(zhì)的磨損系數(shù)，mm2/min。硬質(zhì)合金鉆進的機械轉(zhuǎn)速隨著切削具接觸面積的增大而下降，其機械轉(zhuǎn)速vm與切削刃磨鈍面積的平方成反比：式中：A－系數(shù)。當(dāng)巖性、鉆進規(guī)程及鉆頭一定時它為常量。(4-5)

設(shè)鉆進的初始參數(shù)為v0=A/so2，（4－5）式可寫成（4－6）式中：k0=θ/S0,，k0－轉(zhuǎn)速下降的特征系數(shù)；

鉆頭在t時間內(nèi)的總進尺為，將（4－6）代入，則有

因此，平均鉆速為：通過變換可寫成：（4－7）式表明，平均鉆速可寫成以進尺H為自變量的一元線性方程。其中，v0是在縱坐標(biāo)上的截距，k0為直線的斜率。進尺H是在鉆進過程中容易準(zhǔn)確測得的參數(shù)，我們可以用一元線性回歸分析的方法，在若干觀察值的基礎(chǔ)上求出k0值，從而利用（4－7）式來預(yù)測切削具磨損對鉆速的影響。（4-7）2.切削具在孔底磨損的實際情況前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實際上在鉆進過程中，鉆頭硬質(zhì)合金切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的（圖4－6），即：y外＞y內(nèi)＞y，t外＞t內(nèi)＞t

切削具底端也不是想象底那樣被磨損成平面，而是呈圓弧形，刃前端和后緣磨損更加厲害（圖4－7）

3.減輕切削具磨損的措施雖然切削具的磨損是不可避免的，但我們應(yīng)設(shè)法把它控制在最低限度內(nèi)?？刹扇〉闹饕胧┦牵海?）避免切削具在表面破碎狀態(tài)下工作。尤其是在高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的條件下鉆進研磨性巖石時，切削具磨損更快。（2）切削具的磨損速度取決于切削具的硬度與所鉆巖石的硬度之比，巖石的研磨性、裂隙性等性質(zhì)，還取決于切削具在鉆頭唇面的布置。應(yīng)根據(jù)巖性選用合適的硬質(zhì)合金牌號和型號，采用合理的鉆頭唇面結(jié)構(gòu)。

圖4－6切削刃的實際磨損情況y－切削刃磨損高度；r,R-環(huán)槽內(nèi)外徑t-刃端磨損高度；t內(nèi)，t外－刃端內(nèi)、外側(cè)磨損寬度；b-環(huán)槽寬度；y內(nèi)，y外-切削刃內(nèi)外側(cè)磨損高度；

圖4－7切削具刃端磨損的理想情況（a）與實際情況（b）第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭

(Carbide-insertbit)分為取芯鉆頭和不取芯鉆頭取芯式硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素鉆頭體，切削具出刃，切削具鑲焊角度，切削具在鉆頭體上的布置方式，切削具在鉆頭體上的數(shù)目，鉆頭的水口與水槽鉆頭體(Bitblank)圖4－8硬質(zhì)合金鉆頭體切削具出刃(Protrudingedgeofcutter)巖石性質(zhì)內(nèi)出刃外出刃底出刃松軟、塑性、粘性、弱研磨性2-2.52.5-33-5中硬、強研磨性1-1.51.5-22-3圖1.3－16硬質(zhì)合金鉆頭底出刃示意圖

b-環(huán)槽寬度；r－環(huán)槽內(nèi)半徑

圖1.3－17硬質(zhì)合金切削具底出刃和補強H－切削具底出刃；h0-切入深度；h1-鉆頭底面過水間切削具的鑲焊角度Welding/solderingangleofcutter

選擇原則：對所鉆巖切入和回轉(zhuǎn)阻力??；鑲焊形式有利于保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力；有利于及時排除巖粉，磨損后的切削具應(yīng)保持一定的切削能力。比較三種鑲焊方式的排粉條件、受力情況、鋒利情況切削具在鉆頭體上的布置方式Layoutofcuttersonthecrownofbitblank布置時應(yīng)考慮以下：能保證鉆頭工作平穩(wěn)；多環(huán)、不同底出刃的排列，有利于形成多個破巖自由面，提高效率；使每個切削具破巖工作量相近，避免局部磨損；切削具之間應(yīng)保持一定的距離，利于排粉；利于鑲焊和修磨。

圖4－11切削具在鉆頭體上底布置（1）－單環(huán)排列；（b）－雙環(huán)排列；（c）－多環(huán)排列切削具在鉆頭體上的數(shù)目(Numbersofcutteronthecrownofbitblank)

切削具在鉆頭底面上的數(shù)目，應(yīng)包括切削具的組數(shù)和每組的顆數(shù)。組數(shù)和每組顆數(shù)之乘積就是切削具在鉆頭體上的數(shù)目。機械鉆速與切削具組數(shù)的關(guān)系：v=hqn（q：切削具的組數(shù)）鉆頭上的切削具數(shù)目的選擇應(yīng)根據(jù)可能施加的鉆壓、切削的型式（決定切入面積）和巖石壓入硬度等因素而定。鉆頭的水口與水槽(Waterwaysofbit)1、水口的數(shù)目與面積每組切削具配備一個水口，水口面積應(yīng)大于鉆頭與巖芯之間的或者鉆頭與井壁之間的環(huán)狀間隙的面積。2、水口的形狀3、水槽圖1.3－28硬質(zhì)合金鉆頭的各種水口和水槽一取芯式硬質(zhì)合金鉆頭

(Carbide-insertbitsforcoring)分為磨銳式鉆頭與自磨式鉆頭圖1.3－29磨銳式切削具和自磨式切削具圖1.3－30磨銳式鉆頭和自磨式鉆頭的鉆進曲線

Ⅰ－磨銳式鉆頭；Ⅱ－自磨式鉆頭磨銳式鉆頭在鉆進遇水膨脹、粘結(jié)性的地層——肋骨鉆頭和薄片鉆頭；在鉆進中硬及較硬地層——分環(huán)式、掏槽式自磨式鉆頭針狀硬質(zhì)合金鉆頭（胎塊式，鋼柱式）薄片硬質(zhì)合金鉆頭典型鉆頭結(jié)構(gòu)舉例可鉆進3至5級地層如頁巖,砂頁巖和膠結(jié)不緊密的砂巖分環(huán)式鉆頭外鑲合金內(nèi)鑲合金適用:3-5級巖層:如均質(zhì)石灰?guī)r,大理巖,較松散的砂巖和頁巖等.掏槽式鉆頭三顆合金為一組;中間合金底出刃為3mm,內(nèi)外合金底出刃各為2mm.適用:4-6級巖層,如:石灰?guī)r,大理巖等.胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭適用:6-8級巖層針狀合金:Ф2mm左右;合金占胎塊面端面的12%-22%.常用硬質(zhì)合金鉆頭選型類別鉆頭類型

巖石可鉆性級別巖石ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ磨銳式鉆頭螺旋肋骨鉆頭－－－松散可塑性巖層階梯肋骨鉆頭－－－頁巖，砂頁巖薄片式鉆頭－－－砂頁巖，碳質(zhì)泥巖方柱狀鉆頭－－－均質(zhì)大理巖，灰?guī)r，軟砂巖，頁巖單雙粒鉆頭－－－中研磨性砂巖，灰?guī)r晶字形型鉆頭－－－灰?guī)r，大理巖，細砂巖破擴式鉆頭－－－砂碩巖，碩巖負前角階梯鉆頭－－－玄武巖，砂巖，輝長巖，灰?guī)r自磨式胎體針狀鉆頭－－－中研磨性片麻巖，閃長巖鋼柱針狀鉆頭－－－研磨性石英砂巖，混合巖薄片式自磨鉆頭－－－研磨性粉沙巖，砂頁巖表4－3常用硬質(zhì)合金鉆頭及其使用范圍表第三節(jié)鉆探用金剛石及孔底碎巖過程

Diamondfordrillinganddownholerock-brokenprocess一、鉆探用金剛石(diamondfordrilling)1、特性：晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，元素為C，最硬、抗壓強度最大、抗磨能力最強。脆性大，熱穩(wěn)定性差。2、分類(Classification)

天然(Naturaldiamond)與人造(Syntheticdiamond)。人造金剛石包括單晶(Mono-crystallinediamond)、聚晶(Polycrystallinediamond)和復(fù)合片Polycrystallinediamondcompact)。(Seethefollowingpicturesandexplainthembriefly)Mono-crystallinediamondDiamondmicro-powderPolycrystallinediamondPolycrystallinediamondcompactWC+CoPCD3、與鉆探有關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)(Mechanicalpropertiesfordiamondpertainingtodrilling)

硬度(Hardness)

強度(Strength)

耐磨性(Wearresistance)

熱性能(Thermalproperties)4、鉆探用金剛石的粒度與品級(Qualityandsizeofdiamondfordrilling)

金剛石的計量單位為克拉（carat），度量常用一克拉多少粒表示（對于粗顆粒而言），或“目”表示。表4－4天然金剛石品級分類表級別代號用途級別代號用途特級（AAA）TT特硬地層或繩索取心鉆頭低級（C）TD中硬地層優(yōu)質(zhì)級（AA）TY堅硬、硬地層或繩索取心鉆頭等外級TX擇優(yōu)后用于制造孕鑲鉆頭標(biāo)準(zhǔn)級（A）TB硬和中硬地層TS表4－5人造金剛石品級分類表金剛石品級代號單晶強度（MPa）單晶強度（N/粒）應(yīng)用地層特級RT>2200>50堅硬優(yōu)質(zhì)級RY1800～220040～50硬標(biāo)準(zhǔn)級RB1500～180034～40中硬－硬表4－6人造金剛石聚晶品級分類表聚晶級別代號磨耗比特級RJT>1:30000優(yōu)質(zhì)級RJY1：20000～1：30000標(biāo)準(zhǔn)級RJB1：15000～1：20000第四節(jié)金剛石鉆頭與擴孔器(Diamondbitandreamershell)1、金剛石鉆頭的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)(Specificationsandstandardofdiamondbit)（注意“級配”）

圖1.4－10雙層巖心管金剛石取心鉆具組合1－巖心管接頭；2－外管；3－內(nèi)管；4－擴孔器；5－卡簧；6－卡簧座；7－鉆頭圖1.4－11金剛石鉆具級配

圖1.4－12金剛石鉆頭（a）－表鑲金剛石鉆頭；（b）－孕鑲金剛石鉆頭；（c）－復(fù)合片鉆頭

圖1.4－13金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（a）－表鑲鉆頭；（b）－孕鑲鉆頭；1－金剛石；2－胎體；3－鉆頭體；4－水口

圖1.4－14金剛石鉆頭刃部(a)－表鑲鉆頭：1－底刃金剛石；2－保徑金剛石；

3－側(cè)刃金剛石；4－胎體；5－鉆頭體(b)-孕鑲鉆頭：1－金剛石；2－工作部分胎體；

3－非工作部分胎體；4－鉆頭體;h-孕鑲層高度Surface-setdiamondbitImpregnateddiamondbit

Polycrystallinediamondcompactbit（PDCbit）2、表鑲金剛石鉆頭（Surface-setdiamondbit）diamondsizeCoarsegrainMediumgrainSmallgrainStonespercarat15-2525-4040-60StrataMediumhardHardStiffhardVarioussizeofdiamondusedinsurface-setdiamondbitOthersofsurface-setdiamondbit

1.Layoutofdiamondonthecrownofthesurface-setbit；

2.Crownconfigurationofsurface-setdiamondbit；

3.Waterwaysofsurface-setdiamondbit；

4.Manufacturemethodofsurface-setdiamondbit；(Pleaserefertoourtextbooks)3、孕鑲金剛石鉆頭（Impregnateddiamondbit）Diamondqualityanddiamondsize

DiamondconcentrationClassificationofmatrixpropertiesofimpregnateddiamondbitandtherelationshipbetweenmatrixpropertiesandrockpropertiesCrownconfigurationofimpregnateddiamondbitManufacturingmethodofimpregnateddiamondbitVariousmeshsizeofdiamondusedinimpregnateddiamondbitDiamondsize（mesh）Syntheticdiamond>4646-6060-8080-100Naturaldiamond20-3030-4040-6060-80StrataMediumhard-hardHard–stiffhardRecommendeddiamondconcentrationsofimpregnatedbitfordifferentrocksCode12345Con.44%50%75%100%125%Vol.Con.11%12.5%18.8%25%31.5%Diamondcontents1.93carat/cm32.2carat/cm33.3carat/cm34.4carat/cm35.5carat/cm3StratadrillableHard–stiffhard,LowabrasivenessHard–stiffhard,LowabrasivenessHard–med.hard,Med.abrasivenessHard–med.hard,highabrasivenessClassificationofmatrixpropertiesandtherelationshipbetweenthemandrockpropertiesa:matrixwearsproperly,diamondexposenormally;b:matrixwearsfast,diamondeasilybreakordropoff;c:matrixwearsslowly,diamondsdonotexpose.Hardness---oneofmatrixproperties

GradeCodeMatrixhardnessFormationdrillableExtrasoft010-20VeryhardandcompactrockSoft120-30VeryhardrockwithmediumabrasivenessMediumsoft230-35HardrockwithmediumabrasivenessMediumhard335-40Mediumhard,medium–highabrasivenessHard440-45Hard,highabrasivenessExtrahard5>45Hard-brittle-fracturedrock二、金剛石鉆進的孔底碎巖過程(Failureprocessofdownholerocksdrilledbydiamondbit)1、表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程試驗研究了表鑲金剛石鉆頭的碎巖過程，試驗裝置如下圖：試驗巖石如下表：Pro.Sam.Hardness(Mpa)Plasticcoefficient(K)DrillabilityPenetrationrateSpecificweightFrictioncoefficientElasticmodulus(Mpa)光學(xué)玻璃516013.860.1154700霏細斑巖81301.55100.592.550.13流紋斑巖71702.30110.252.830.14塑性系數(shù)K=2.3塑性系數(shù)K=1.55塑性系數(shù)K=1（表鑲）金剛石切削碎巖的基本過程

在軸向力和切向力共同作用下，金剛石一方面吃入巖石，產(chǎn)生類似壓入碎巖的作用，同時在金剛石轉(zhuǎn)動的前方，則以剪切作用產(chǎn)生貝殼狀剪切體，且在靠金剛石一方的厚度最大。圖1.4-31表示金剛石切削破碎巖石時所產(chǎn)生的大、小剪切體示意圖。用金剛石切削典型的脆性體—光學(xué)玻璃時，其剪切破碎作用發(fā)育得十分完全，同時在切槽內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的裂紋，并有超前裂紋。由圖可知，其裂紋狀況與大、小剪切相互對應(yīng)。隨著巖石塑性系數(shù)的增大，其剪切破碎效果較差。在鉆進過程中能量的消耗既體現(xiàn)著巖石破碎的難易程度，又表示著選用的工具和工藝的優(yōu)劣程度。由圖1.4-35知，切削塑性大的流紋巖所消耗的能量大大地高于光學(xué)玻璃和霏細斑巖。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進過程

孕鑲鉆頭的工作實質(zhì)是：1、依靠小而多的硬質(zhì)點（即金剛石）刻劃磨削巖石，要高轉(zhuǎn)速工作才能取得應(yīng)用的效率；2、胎體應(yīng)有自磨自銳作用。根據(jù)施加軸向力方式的不同，鉆頭的鉆進可分為：1、保持金剛石上的軸向力為一定值，稱為自由給進；2、保持金剛石的切削深度為一定值，稱為強制給進。孕鑲金剛石鉆頭的鉆進是自磨自銳性質(zhì)，在保持正常鉆進的狀態(tài)下，其鉆速應(yīng)當(dāng)是一定的，亦即鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量應(yīng)當(dāng)是一定的。試驗研究和生產(chǎn)實踐表明：鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量是評定金剛石鉆頭鉆進效果的重要指標(biāo)之一。第五節(jié)鋼粒鉆進及孔底碎巖過程

（Chilled-steelshotdrillinganddown-holerock-brokenprocess）用未鑲焊切削具的鉆頭壓住可連續(xù)補給的鋼粒，并帶動他們在孔底翻滾而破碎巖石的鉆進方法稱為鋼粒鉆進。鋼粒鉆進曾廣泛用于7-12級的巖石，一般用于大口徑鉆進。一、鋼粒及鋼粒鉆進用鉆具

1、鋼粒的材質(zhì)（60號、70號，直徑2.5，3.5，4mm圓柱體，高度與直徑基本相等。）鋼粒中含有較高的碳量，主要是為了能有較高的淬火硬度；錳和硅起固溶強化作用，以提高鋼粒的強度；硅元素還能增加鋼粒的回火穩(wěn)定性；少量的釩能有效地細化晶粒，強化基體組織，提高鋼的