硬质合金钻进.pptx

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1、会计学1硬质合金钻进硬质合金钻进n n硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年的钻探工作量，硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年的钻探工作量，用硬质合金钻进法完成的约占用硬质合金钻进法完成的约占60%60%；在煤田地质勘探中约占；在煤田地质勘探中约占80%80%。n n硬质合金钻进，一般适用于可钻性为硬质合金钻进，一般适用于可钻性为1 16 6级及部分级及部分7 78 8级的岩石。级的岩石。钻孔直径为钻孔直径为35.535.5mmmm直至直至20002000mmmm，常用的钻头直径为，常用的钻头直径为7575、9191、110110、130130、150150mmmm等规格。硬质合金钻

2、进可钻进任何角度的钻孔。其钻等规格。硬质合金钻进可钻进任何角度的钻孔。其钻具组装如图具组装如图 2 2 1 1所示。所示。第1页/共80页图 2 硬质合金钻具1合金钻头；2岩心管；3异径接头；4钻杆接头；第2页/共80页n n硬质合金钻进的优点是：在软岩及中硬岩石中钻进效率高，钻进质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻进操作简便，钻探方法灵活，应用范围广泛。n n一般情况下，影响硬质合金钻进效率的主要因素有：岩石的性质、硬质合金钻头的质量及钻进时的操作技术和钻进规程等。第3页/共80页第一节第一节 硬质合金钻进原理硬质合金钻进原理n n硬质合金钻进是以坚硬的硬质合金作切削具来破碎（切削）岩石，即在

3、轴向硬质合金钻进是以坚硬的硬质合金作切削具来破碎（切削）岩石，即在轴向压力和钻具回转力作用下，由硬质合金克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。压力和钻具回转力作用下，由硬质合金克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。我们研究硬质合金钻进时，应研究以下四个过程；我们研究硬质合金钻进时，应研究以下四个过程；n n(1)(1)硬质合金钻头通过轴心压力和钻具的回转作用，克取破碎孔底岩石；硬质合金钻头通过轴心压力和钻具的回转作用，克取破碎孔底岩石；n n(2)(2)被克取破碎的岩石颗粒由注人孔内的冲洗液排出孔外；同时，冲洗液还起被克取破碎的岩石颗粒由注人孔内的冲洗液排出孔外；同时，冲洗液还起着冷却钻头的作用；着冷

4、却钻头的作用；n n(3)(3)钻进过程中，在岩石被克取破碎的同时，合金本身不断磨钝和磨损因此钻进过程中，在岩石被克取破碎的同时，合金本身不断磨钝和磨损因此必须定时更换钻头；必须定时更换钻头；n n(4)(4)钻进过程中必须定期采取岩钻进过程中必须定期采取岩(矿矿)心。心。第4页/共80页n n在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研究硬质合金钻进在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研究硬质合金钻进原理时应重点研究硬质合金钻进破碎岩石的过程和硬质合金本原理时应重点研究硬质合金钻进破碎岩石的过程和硬质合金本身的磨损问题。身的磨损问题。n n硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即塑性岩石

5、破碎过硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即塑性岩石破碎过程和脆性岩石破碎过程。前者是将岩石破碎过程看成具有明显的程和脆性岩石破碎过程。前者是将岩石破碎过程看成具有明显的高塑性，因而钻进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外高塑性，因而钻进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后者考虑到岩石破载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后者考虑到岩石破碎过程中存在着脆性破碎，因而是在孔底碎岩机理的基础上进行碎过程中存在着脆性破碎，因而是在孔底碎岩机理的基础上进行分析。分析。第5页/共80页n n硬质合金钻进的基本情况如图 22所示。钻进时，合金受到两

6、个力的作用。即轴心压力Py和回转力Px。当轴心压力Py达到一定值后，合金对岩石的单位压力超过岩石的抗压入阻力，合金便切入岩石一定深度h0；与此同时，在回转力Px的作用下，向前推挤岩石，如岩石较脆，则受力体被剪切推出；若岩石较软呈塑性体，则合金前部的岩石便被切削去一层，孔底工作面呈螺旋形式而不断加深。第6页/共80页第7页/共80页第8页/共80页n n钻进塑性岩石时，只有加在合金上的轴心压力钻进塑性岩石时，只有加在合金上的轴心压力C C0 0大于与岩石接触大于与岩石接触面上的抗压入强度时才能切入。即：面上的抗压入强度时才能切入。即：n nC C00SS0 0n n式中：式中：岩石的抗压入强度；

7、岩石的抗压入强度；n nS S0 0 合金刃与岩石的接触面积。合金刃与岩石的接触面积。n n钻进时，机械钻速主要取决于合金切入岩石的深度；而切入深度钻进时，机械钻速主要取决于合金切入岩石的深度；而切入深度则取决于轴心压力则取决于轴心压力C C0 0和岩石性质，并与钻头的转数、合金数量及和岩石性质，并与钻头的转数、合金数量及其几何形状有关。其几何形状有关。第9页/共80页n n钻头上的合金钻头上的合金(切削具切削具)切入岩石时的理想受力情况如图切入岩石时的理想受力情况如图2222所示，所示，在轴心压力在轴心压力G G(即即PyPy，)的作用下，合金开始切人岩石。由于岩石对的作用下，合金开始切人岩

8、石。由于岩石对切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿着与垂直方向呈切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿着与垂直方向呈交角交角 的方向向下移动；的方向向下移动；角的值主要取决予岩石对合金间的摩擦系角的值主要取决予岩石对合金间的摩擦系数和刃尖角。在合金切人岩石的过程中，合金的后面与前面分别数和刃尖角。在合金切人岩石的过程中，合金的后面与前面分别遇到法线阻力遇到法线阻力NN1 1和和NN2(2(见图见图 2 2 3)3)；若将这些力分别投影于；若将这些力分别投影于z z轴和轴和y y轴轴上时，解之，便可解得切人深度上时，解之，便可解得切人深度h h0 0。与各种因素的关系：。与各种因素的关

9、系：第10页/共80页n n钻进脆性岩石时，合金（切削具）以轴心压力钻进脆性岩石时，合金（切削具）以轴心压力C C0 0向下切入岩石，向下切入岩石，当合金与接触面的压强大于岩石的抗压入强度时，则岩石发生脆当合金与接触面的压强大于岩石的抗压入强度时，则岩石发生脆性剪切，剪切体向自由面崩出而呈现性剪切，剪切体向自由面崩出而呈现kokkok 破碎穴，如图破碎穴，如图 2 2 5 5所示。所示。n n当合金切入岩石当合金切入岩石h h0 0深度后，在水平力深度后，在水平力PxPx的作用下，产生水平剪切过的作用下，产生水平剪切过程：首先将岩石块程：首先将岩石块abcabc（图（图 2 2 6 6）剪切掉

10、，此时称为大剪切。当合金）剪切掉，此时称为大剪切。当合金继续前进时，合金刃尖前端不断产生小体积剪切，崩落出小体积继续前进时，合金刃尖前端不断产生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑；经过不断的小体积剪切后，合金刃前与岩石接触面逐渐的岩屑；经过不断的小体积剪切后，合金刃前与岩石接触面逐渐增大，直至又达到增大，直至又达到a a b b 全面接触时，然后又产生一次全面接触时，然后又产生一次a a b b c c 大剪切。大剪切。第11页/共80页第12页/共80页第13页/共80页n n因此，在脆性岩石中回转切削的过程，是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程。同时，合金两侧的切削槽宽也发生大小不

11、同的变化。当发生小剪切时，切削糟窄；当发生大剪切时，槽的宽度增大。从岩面上看，切削槽的宽度基本上是有规则地变化着。切削糟的底面也是不平整的，随着大小剪切的交替进行，底槽深度也是高低不平，呈起伏状态。第14页/共80页n n合金在孔底破碎岩石的同时也被磨损，因而钻头上的合金在钻进开始和终了时的情况不同。合金随着进尺数的增加被磨损而变钝，因而机械钻速逐渐下降。钻进时，我们不但要求有较高的机械钻速，而且还要求有较高的回次进尺和台班效率。因此，必须尽可能地掌握钻进规律，使钻头有较长的钻进时间。所以，研究钻进中硬质合金的磨损，就成为合金钻进中的一个重要问题。第15页/共80页n n从上式可以看出影响合金

12、磨损和钻头在孔底耐久性的各种因素及其相互关系，从上式可以看出影响合金磨损和钻头在孔底耐久性的各种因素及其相互关系，但上式仍是理想情况下所得。故必须在合金钻进时经常注意地层情况的变化，但上式仍是理想情况下所得。故必须在合金钻进时经常注意地层情况的变化，掌握合金磨损的特点。实际上切削刃在孔底的磨损是不均匀的。钻进时，切掌握合金磨损的特点。实际上切削刃在孔底的磨损是不均匀的。钻进时，切削刃沿高度的磨损使内外刃的负担加重，所以磨损大于中部，而外刃磨损又削刃沿高度的磨损使内外刃的负担加重，所以磨损大于中部，而外刃磨损又大于内刃。由于内外刃磨损较重，所以内外侧刃端磨损的厚度也较大，如图大于内刃。由于内外刃

13、磨损较重，所以内外侧刃端磨损的厚度也较大，如图 2 2 8 8所示。切削刃的前缘负担较重，因而磨损也较重；同时，切削刃的后缘在所示。切削刃的前缘负担较重，因而磨损也较重；同时，切削刃的后缘在回转运动中受岩屑和岩面的研磨会产生回转运动中受岩屑和岩面的研磨会产生 自磨自磨 现象；合金刃尖角和孔底螺旋现象；合金刃尖角和孔底螺旋面倾角愈大，则这种面倾角愈大，则这种 自磨自磨 现象愈明显。因此，切削刃端不是平面磨损而是现象愈明显。因此，切削刃端不是平面磨损而是呈圆弧形磨损，如图呈圆弧形磨损，如图 2 2 9 9所示。也就是说，合金切削刃在孔底有所示。也就是说，合金切削刃在孔底有 自锐自锐 的磨损的磨损作

14、用，这种磨损作用是对钻进有利的。作用，这种磨损作用是对钻进有利的。第16页/共80页n n在实际钻进工作中，用冲洗液冲孔时，对合金切削刃有一定的润滑作用，可减少合金的磨损。同时冷却钻头合金，并使孔底保持清洁，对减少合金磨损会起重要作用。第17页/共80页第二节第二节 钻探用硬质合金钻探用硬质合金n n一、硬质合金的种类和性质n n钻探用的硬质合金，主要是碳化钨（WC）钴（Co）类压结式合金。其主要成分是碳化钨，它以碳化钨粉为骨架，以钴粉末做胶结剂，经粉末冶金方法压制烧结成各种型式，然后将其镶焊在钻头体上，制成各种型式的钻头。这类硬质合金统称为YG类硬质合金，亦称钨钴合金。第18页/共80页n

15、n一般情况下，要求硬质合金具备以下性能：一般情况下，要求硬质合金具备以下性能：n n（一）硬度（一）硬度n n一般岩心钻探用的硬质合金，其硬度应大于一般岩心钻探用的硬质合金，其硬度应大于HRAHRA5050。n n（二）韧性（二）韧性n n因钻进用的钻杆是弹性体，而所钻岩石又大都是非均质的，故钻进时孔底载因钻进用的钻杆是弹性体，而所钻岩石又大都是非均质的，故钻进时孔底载荷变化很大，所以要求合金的抗弯强度大于荷变化很大，所以要求合金的抗弯强度大于11501150MPaMPa。n n（三）材料应成型，以便易于镶焊在钻头上。（三）材料应成型，以便易于镶焊在钻头上。n n（四）应有一定的热硬性和导热性

16、，以减少合金的磨损，延长钻头的寿命。（四）应有一定的热硬性和导热性，以减少合金的磨损，延长钻头的寿命。n n钻进时应根据岩石性质和使用条件，合理地选用硬质合金的牌号及型式。钻进时应根据岩石性质和使用条件，合理地选用硬质合金的牌号及型式。第19页/共80页n n供地质勘探用的供地质勘探用的YGYG类硬质合金，其物理机械性质及特性见表类硬质合金，其物理机械性质及特性见表 2 2 1 1。n n表中所列各种牌号：第一个字母表中所列各种牌号：第一个字母 Y Y 表示硬质合金；表示硬质合金；YGYG表示碳化钨表示碳化钨-钴类（钴类（WCWC-CoCo）硬质合金；后面的数字表示其含钴量；数字后面）硬质合金

17、；后面的数字表示其含钴量；数字后面的字母的字母 C C 表示粗晶粒；表示粗晶粒；X X 表示细晶粒。表示细晶粒。AA 表示加有碳化铌。例表示加有碳化铌。例如如YGYG6 6x x表示含钴表示含钴6 6的细晶粒钨钴合金；的细晶粒钨钴合金；YGYG8 8c c表示含钴表示含钴8 8的粗晶的粗晶粒钨钴合金。粒钨钴合金。n nYGYG类合金中含钴量越高，韧性和抗弯强度越高，但耐磨性下降；类合金中含钴量越高，韧性和抗弯强度越高，但耐磨性下降；碳化钨粉末的粒度愈细，则硬度愈高，而抗弯强度愈低；反之亦碳化钨粉末的粒度愈细，则硬度愈高，而抗弯强度愈低；反之亦然，抗弯强度以然，抗弯强度以YGYG1111c c合

18、金最高。合金最高。第20页/共80页n n、硬质合金的型式、硬质合金的型式n n岩心钻探用硬质合金的型式，应具备以下条件：岩心钻探用硬质合金的型式，应具备以下条件：切削刃尖，接切削刃尖，接触面小，便于切入岩石；触面小，便于切入岩石；有较大的强度和耐磨性，抗崩、抗磨；有较大的强度和耐磨性，抗崩、抗磨；具有适当的尺寸和形状，能与钻头体牢固焊接；具有适当的尺寸和形状，能与钻头体牢固焊接；合金磨损后合金磨损后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自锐作用）。仍具有一定的切削能力（即具有一定的自锐作用）。n n岩心钻探用硬质合金已有定型产品，其型号、尺寸及使用条件见岩心钻探用硬质合金已有定型产品，其型号、尺

19、寸及使用条件见表表 2 2 2 2所列。所列。n n表表 3 3 2 2所列硬质合金的定型产品，可分为两大类，即：磨锐式合金所列硬质合金的定型产品，可分为两大类，即：磨锐式合金和自磨式合金（见图和自磨式合金（见图 2 2 1010）。）。第21页/共80页n n（一）磨锐式硬质合金（一）磨锐式硬质合金n n磨锐式硬质合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），钻进时刃尖磨锐式硬质合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），钻进时刃尖角的断面逐渐增大，其几何形状有：角的断面逐渐增大，其几何形状有：n n（1 1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三种，如图）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三种

20、，如图 3 3 1010所示。常用的所示。常用的T T0 0、T T4 4和和S S3 3、S S5 5 型。厚度一般小于型。厚度一般小于3 36 6mmmm，易，易切入岩石，但强度和耐磨性较差，多用于切入岩石，但强度和耐磨性较差，多用于1 14 4级软岩或均质岩石级软岩或均质岩石中钻进。其中中钻进。其中S S3 3型多用于刮刀钻头，型多用于刮刀钻头，S S5 5型多用于油井钻进的刮刀型多用于油井钻进的刮刀钻头。钻头。第22页/共80页n n（2 2）楞柱状合金：有八角柱）楞柱状合金：有八角柱 （T T1 1型）、方柱（型）、方柱（T T3 3型）和锥片柱状（型）和锥片柱状（T T5 5型）型

21、）三种，如图三种，如图 2 2 1010所示。钻进时，柱状合金与岩石的接触面较大，其强度和耐所示。钻进时，柱状合金与岩石的接触面较大，其强度和耐磨性都较大，故多用于磨性都较大，故多用于 4-74-7级中硬岩层。其中，级中硬岩层。其中，T T1 1型合金可用于较硬岩层，型合金可用于较硬岩层，T T5 5型合金用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱合金比方柱合金具有易型合金用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎岩石、便于排除岩粉、抗磨能力强和易于焊牢等优点。八角柱合金有于破碎岩石、便于排除岩粉、抗磨能力强和易于焊牢等优点。八角柱合金有超前刃，切入岩石阻力小，有掏槽作用

22、，又可使岩粉顺切削具两侧排出，减超前刃，切入岩石阻力小，有掏槽作用，又可使岩粉顺切削具两侧排出，减少磨损；而且具有近圆弧状切削刃，可使磨损均匀，也就是说，磨损后还成少磨损；而且具有近圆弧状切削刃，可使磨损均匀，也就是说，磨损后还成弧面，仍能保持切削能力（如图弧面，仍能保持切削能力（如图 2 2 1111所示）。另外，八角柱合金采用钻圆眼所示）。另外，八角柱合金采用钻圆眼镶焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圆眼镶焊，则空隙过大，而采用刨槽焊镶焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圆眼镶焊，则空隙过大，而采用刨槽焊接，在钻进中很易崩落，如图接，在钻进中很易崩落，如图 2 2 1212所示。所示。第23页/共8

23、0页n n（二）自磨式硬质合金n n自磨式合金没有刃尖角，其本身断面小，所以在轴心压力下能吃入并破碎岩石。磨损后合金断面不增加，也就是说，钻进时合金不被磨钝。自磨式合金有圆柱状和片状两种，多用于研磨性较大的坚硬岩层，常用的自磨式合金为T2型，见图 210。第24页/共80页第三节第三节 硬质合金钻头硬质合金钻头n n岩心钻探用的硬质合金钻头，可分为取心钻头和不取心钻头两大岩心钻探用的硬质合金钻头，可分为取心钻头和不取心钻头两大类。将一定数量的硬质合金，按特定形式排列在钻头上，可构成类。将一定数量的硬质合金，按特定形式排列在钻头上，可构成品种繁多的钻头类型。品种繁多的钻头类型。n n决定钻头形式

24、类型的因素，称为硬质合金钻头的结构要素。合金决定钻头形式类型的因素，称为硬质合金钻头的结构要素。合金钻头的结构要素有：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃钻头的结构要素有：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃及排列方式、合金的镶焊角度、钻头水口、水槽的形式和数目等。及排列方式、合金的镶焊角度、钻头水口、水槽的形式和数目等。n n为提高钻进效率和质量，必须根据岩石性质对钻头结构进行分析，为提高钻进效率和质量，必须根据岩石性质对钻头结构进行分析，以便合理地选择和设计不同类型的钻头。以便合理地选择和设计不同类型的钻头。第25页/共80页n n一、合金钻头的结构分析一、合金钻头的结构分析n n（一

25、）钻头体（空白钻头）（一）钻头体（空白钻头）n n钻头体是由钻头体是由DZDZ-40-40地质钻探用无缝钢管制成。丝扣为地质专用特殊地质钻探用无缝钢管制成。丝扣为地质专用特殊梯形扣，钻头上端内壁有一定锥度，以便卡取岩心。空白钻头的梯形扣，钻头上端内壁有一定锥度，以便卡取岩心。空白钻头的同心度、各端面与中心的垂直度以及各尺寸间的相互关系都应严同心度、各端面与中心的垂直度以及各尺寸间的相互关系都应严格要求；否则会直接影响钻进效率和质量。格要求；否则会直接影响钻进效率和质量。n n空白钻头的结构如图空白钻头的结构如图 2 2 1313所示，各种钻头的规格尺寸见表所示，各种钻头的规格尺寸见表 2 2

26、3 3。第26页/共80页n n（二）钻头上合金的数目（二）钻头上合金的数目 n n影响钻头上合金数目最优值的因素很多，目前还不能用理论公式影响钻头上合金数目最优值的因素很多，目前还不能用理论公式来表示。一般情况下，在确定合金数目时，要综合考虑钻头直径、来表示。一般情况下，在确定合金数目时，要综合考虑钻头直径、钻探设备能力、钻进规程、岩粉的排除及合金的冷却等条件。从钻探设备能力、钻进规程、岩粉的排除及合金的冷却等条件。从理论上分析，只要保证每个合金在钻进某种岩石时的轴心压力值，理论上分析，只要保证每个合金在钻进某种岩石时的轴心压力值，合金数目的增加与钻速应成正比。但在生产实践中，情况并不如合金

27、数目的增加与钻速应成正比。但在生产实践中，情况并不如此，合金数目过多反而会使钻速下降。其原因是过密的合金（或此，合金数目过多反而会使钻速下降。其原因是过密的合金（或合金组）会使合金之间的距离缩小，使岩石在大剪切时体积破碎合金组）会使合金之间的距离缩小，使岩石在大剪切时体积破碎的过程受到限制，而使岩石破碎的体积减小，钻速下降。的过程受到限制，而使岩石破碎的体积减小，钻速下降。第27页/共80页n n在确定或设计钻头上合金数目时，应考虑以下因素：在确定或设计钻头上合金数目时，应考虑以下因素：n n（1 1）在一定的岩性条件下，合金之间的距离应有一定值，以保证碎岩时能产生大剪切体进行）在一定的岩性条

28、件下，合金之间的距离应有一定值，以保证碎岩时能产生大剪切体进行体积破碎。体积破碎。n n（2 2）在保证每个合金所需压力的情况下，在一定范围内增加合金数目就等于增加同时工作的）在保证每个合金所需压力的情况下，在一定范围内增加合金数目就等于增加同时工作的切削量，可以提高钻进速度。切削量，可以提高钻进速度。n n（3 3）确定合金数目时，还应考虑钻头体上所允许的水口数目，以保证每个合金的完全冷却与）确定合金数目时，还应考虑钻头体上所允许的水口数目，以保证每个合金的完全冷却与冲洗。冲洗。n n（4 4）研磨性大的岩石，要适当增加合金数目，以保证每个合金的体积磨损量不致过大。）研磨性大的岩石，要适当增

29、加合金数目，以保证每个合金的体积磨损量不致过大。n n（5 5）由于合金体积的磨损量与合金切削运动的路程有关，所以大口径钻头在相同转数条件下，）由于合金体积的磨损量与合金切削运动的路程有关，所以大口径钻头在相同转数条件下，应适当增多合金数目；钻头的外沿亦应比内沿合金数目多；或增加补强合金以保持钻头内外应适当增多合金数目；钻头的外沿亦应比内沿合金数目多；或增加补强合金以保持钻头内外沿合金体积磨损量大致相同，以避免钻孔缩径。沿合金体积磨损量大致相同，以避免钻孔缩径。第28页/共80页n n（三）钻头上的合金出刃（三）钻头上的合金出刃n n钻进时，为了使合金能顺利地切入岩石，并保持冲洗液畅通，以钻进

30、时，为了使合金能顺利地切入岩石，并保持冲洗液畅通，以及减少钻头体的磨损，合金必须突出钻头体一定高度，此突出部及减少钻头体的磨损，合金必须突出钻头体一定高度，此突出部分则称为出刃。合金出刃有内出刃、外出刃和底出刃，如图分则称为出刃。合金出刃有内出刃、外出刃和底出刃，如图 2 2 1414所示。所示。n n外出刃是在钻头体的外侧与钻孔侧壁之间留有一定的通水间隙；外出刃是在钻头体的外侧与钻孔侧壁之间留有一定的通水间隙；内出刃是在岩心的外侧与钻头体内侧壁之间留有一定的通水间隙；内出刃是在岩心的外侧与钻头体内侧壁之间留有一定的通水间隙；底出刃是切入岩石的深度底出刃是切入岩石的深度h h0 0和保持水流冲

31、洗的高度和保持水流冲洗的高度h h1 1之和，即底出之和，即底出刃刃 HH=h h0+0+h h1 1，如图，如图 2 2 1515所示。所示。第29页/共80页n n钻头上内、外、底出刃的尺寸，应根据岩石的性质来确定：在软岩中钻进，所需轴心压力不大，为能使大量岩粉及时排除孔底，需要加大内、外、底出刃；在坚硬岩层中钻进，合金切入岩石浅，岩粉少，同时为减少回转阻力和弯曲力矩，避免合金崩刃，应减小内、外、底出刃。n n不同地层钻进时，硬质合金钻头的合金出刃量可参考表 35所列。第30页/共80页n n（四）钻头上合金的排列方式（四）钻头上合金的排列方式n n合金在钻头上的排列形式，归纳起来可分成以

32、下几种：合金在钻头上的排列形式，归纳起来可分成以下几种：n n1 1、按阶梯破碎方式排列、按阶梯破碎方式排列n n图图 2 2 1616所示为多环阶梯式排列底出刃的孔底状况：所示为多环阶梯式排列底出刃的孔底状况：n n图（图（a a）是二环阶梯排列。内环合金比外环合金底出刃大，因而形）是二环阶梯排列。内环合金比外环合金底出刃大，因而形成孔底阶梯状。成孔底阶梯状。n n图（图（b b）是三环阶梯排列。中环合金是以超前方式比内、外合金的）是三环阶梯排列。中环合金是以超前方式比内、外合金的底出刃大，故可起到掏槽作用。底出刃大，故可起到掏槽作用。第31页/共80页n n图（c）是四环多阶梯排列。此种钻

33、头所镶合金较小，故称小切削具钻头。n n图（d）是肋骨钻头的排列形式。肋骨刃与主刃高差较大。n n阶梯破碎方式排列合金的目的，是使孔底增多自由面，以提高破碎效果。在56级以上、研磨性较大的岩石中钻进时，要注意超前刃的过快磨损或折断；否则发挥不出理想的效果。第32页/共80页n n2 2、按分区破碎方式排列、按分区破碎方式排列n n合金在钻头底面上的分布，除单环排列的（图合金在钻头底面上的分布，除单环排列的（图 2 2 1717）外，大都采取了分区破）外，大都采取了分区破碎方式排列，如图碎方式排列，如图 2 2 1818所示。分区破碎方式排列的合金都呈内、外、中三环所示。分区破碎方式排列的合金都

34、呈内、外、中三环排列和四环排列（图排列和四环排列（图 2 2 1919）；合金排列的特点是沿钻头径向宽度以同心圆式）；合金排列的特点是沿钻头径向宽度以同心圆式排列，整个孔底宽度是按同心圆方式分区破碎的，每个合金只破碎一条环形排列，整个孔底宽度是按同心圆方式分区破碎的，每个合金只破碎一条环形孔底岩石。孔底岩石。n n采用分区破碎能保证合金的稳定性，减少了合金破碎岩石的宽度，因此减轻采用分区破碎能保证合金的稳定性，减少了合金破碎岩石的宽度，因此减轻了合金所承受的负荷，增加了合金的寿命和碎岩速度。了合金所承受的负荷，增加了合金的寿命和碎岩速度。n n很多现代高效率的钻头，往往是将阶梯式破碎和分区式破

35、碎结合，组成多样很多现代高效率的钻头，往往是将阶梯式破碎和分区式破碎结合，组成多样化钻头。化钻头。第33页/共80页n n3 3密集式排列密集式排列n n密集式排列主要用于研磨性岩石和较硬岩石的钻进，它以成组的合金比较集密集式排列主要用于研磨性岩石和较硬岩石的钻进，它以成组的合金比较集中地排列在一起，有堆状排列（图中地排列在一起，有堆状排列（图 2 2 2020）和疏松排列（图）和疏松排列（图 2 2 2121）两种：前者）两种：前者每组合金堆集在一起，互相补强，前刃掏槽，后刃扩槽，如一个单元合金；每组合金堆集在一起，互相补强，前刃掏槽，后刃扩槽，如一个单元合金；后者每组合金成疏松的一组，可完

36、成一个宽糟的切削量。后者每组合金成疏松的一组，可完成一个宽糟的切削量。n n图图 2 2 22 22 合金的镶嵌角度合金的镶嵌角度n nPx Px 轴向力轴向力;PzPz 回转力回转力;前角前角;刃尖角刃尖角;切削角切削角;后角后角n n密集式排列的硬质合金钻头有很多优点，在我国应用较为广泛。密集式排列的硬质合金钻头有很多优点，在我国应用较为广泛。第34页/共80页n n（五）硬质合金的镶嵌角度（五）硬质合金的镶嵌角度n n硬质合金经镶嵌后所形成的各种角度，如图硬质合金经镶嵌后所形成的各种角度，如图 2 2 2222所示。所示。n n合金的刃尖角合金的刃尖角（也称磨锐角）的大小，对钻头耐久性和

37、钻速有很（也称磨锐角）的大小，对钻头耐久性和钻速有很大影响。其大小应根据所钻岩性而定。大影响。其大小应根据所钻岩性而定。n n切削角切削角，也称镶嵌角。为便于切入岩石，合金的镶嵌角也不相同：，也称镶嵌角。为便于切入岩石，合金的镶嵌角也不相同：切削角为切削角为900 900 的角叫直镶；小于的角叫直镶；小于900900的叫正斜镶；大于的叫正斜镶；大于900900的叫负斜的叫负斜镶，如图镶，如图 2 2 2323所示。所示。第35页/共80页n n选择合金在钻头上的不同镶嵌角时，应考虑以下三点：选择合金在钻头上的不同镶嵌角时，应考虑以下三点：n n（1 1）合金在切入岩石和回转时，应有较小的阻力；

38、）合金在切入岩石和回转时，应有较小的阻力；n n（2 2）钻进过程中随合金的磨损它与岩石的接触面不迅速增大；）钻进过程中随合金的磨损它与岩石的接触面不迅速增大；n n（3 3）在坚硬岩层钻进时，应使合金有较大的抗弯断面，以防崩刃。）在坚硬岩层钻进时，应使合金有较大的抗弯断面，以防崩刃。n n在选择合金镶嵌角时，应根据所钻岩石性质和钻进规程来确定，在选择合金镶嵌角时，应根据所钻岩石性质和钻进规程来确定，可参考表可参考表 2 2 6 6所列。所列。第36页/共80页n n（六）钻头的水口和水槽（六）钻头的水口和水槽n n钻头上的水口、水槽主要作用是使孔底冲洗液畅通，并能及时冷却钻头和携钻头上的水口

39、、水槽主要作用是使孔底冲洗液畅通，并能及时冷却钻头和携带岩粉离开孔底。水口和水槽开得是否合理，直接影响着钻进效率和合金的带岩粉离开孔底。水口和水槽开得是否合理，直接影响着钻进效率和合金的磨损。磨损。n n通常每组合金应当至少开一个水口，水口的总面积大于钻头与岩心之间的环通常每组合金应当至少开一个水口，水口的总面积大于钻头与岩心之间的环状间隙的面积，以免因过水面积太小而引起不必要的水头损失。水口的大小状间隙的面积，以免因过水面积太小而引起不必要的水头损失。水口的大小应能满足冲洗液畅通、很好地排除岩粉和及时冷却钻头的要求。一般在松软、应能满足冲洗液畅通、很好地排除岩粉和及时冷却钻头的要求。一般在松

40、软、膨胀、缩径等地层钻进时，应加大水口，甚至增加肋骨进一步扩大孔壁间隙，膨胀、缩径等地层钻进时，应加大水口，甚至增加肋骨进一步扩大孔壁间隙，以保证正常冲孔。水口的位置应尽可能地接近合金的前边，以使冲洗液的流以保证正常冲孔。水口的位置应尽可能地接近合金的前边，以使冲洗液的流动中心靠近合金前棱。目前，各地质队应用的钻头水口形式（如图动中心靠近合金前棱。目前，各地质队应用的钻头水口形式（如图 2 2 2424所示）所示）。有矩形（。有矩形（a a）、梯形（）、梯形（b b）、半圆形（）、半圆形（c c）、偏斜形（）、偏斜形（d d）及弧形（）及弧形（e e）等。）等。第37页/共80页n n钻头上的

41、水槽和水口连接，其目的是补充增加钻头内、外环形间隙过水断面的不足。水槽有直槽和与顺钻头旋转方向成60-80的斜槽两种；水槽一般深1.52mm，宽710mm。第38页/共80页n n二、硬质合金钻头的制造二、硬质合金钻头的制造n n硬质合金钻头的制造工艺，对钻头寿命和钻进速度有很大影响。为此，要提硬质合金钻头的制造工艺，对钻头寿命和钻进速度有很大影响。为此，要提高钻进效率和钻头寿命，必须提高钻头的镶焊质量。高钻进效率和钻头寿命，必须提高钻头的镶焊质量。n n硬质合金钻头的制造过程是：硬质合金钻头的制造过程是：n n（1 1）准备钻头体：将钻头体车圆、车丝扣。加工水口、水槽；）准备钻头体：将钻头体

42、车圆、车丝扣。加工水口、水槽；n n（2 2）划定合金位置：在钻头体上将镶嵌合金的位置划好线，再用凿子打出记）划定合金位置：在钻头体上将镶嵌合金的位置划好线，再用凿子打出记号；号；n n（3 3）开凿合金巢：镶焊柱状合金时用钻床进行钻眼。然后将剩余的薄壁凿通）开凿合金巢：镶焊柱状合金时用钻床进行钻眼。然后将剩余的薄壁凿通（外刃从外壁凿通，内刃从内壁凿通），巢的深度应能使合金嵌入后留出底（外刃从外壁凿通，内刃从内壁凿通），巢的深度应能使合金嵌入后留出底刃的高度。镶嵌薄片合金时，可用刨床或铣床加工。刃的高度。镶嵌薄片合金时，可用刨床或铣床加工。第39页/共80页n n（4 4）镶嵌合金片：将合金洗

43、净压入合金巢，校正规格。用凿子使合金周边的）镶嵌合金片：将合金洗净压入合金巢，校正规格。用凿子使合金周边的钢料将合金固定起来。镶嵌敲打时，不得用铁锤直接敲打合金。钢料将合金固定起来。镶嵌敲打时，不得用铁锤直接敲打合金。n n（5 5）镶焊合金：镶焊工序是钻头制造过程中最主要的工序，它直接影响钻头）镶焊合金：镶焊工序是钻头制造过程中最主要的工序，它直接影响钻头的质量。最常用的方法是氧焊法（如无氧焊，可用带鼓风的炭炉进行加热），的质量。最常用的方法是氧焊法（如无氧焊，可用带鼓风的炭炉进行加热），铜焊条的直径一般为铜焊条的直径一般为2 26 6mmmm。加热前应将钻头丝扣用石棉包好，合金则以水。加热

44、前应将钻头丝扣用石棉包好，合金则以水浸湿，撒上加热的硼砂粉末，再将钻头加热到硼砂溶化的温度（浸湿，撒上加热的硼砂粉末，再将钻头加热到硼砂溶化的温度（800800），然），然后再放上焊料；采用黄铜焊条时，加热到后再放上焊料；采用黄铜焊条时，加热到900900950950 ，用电解铜时加热至，用电解铜时加热至11001100，当焊料注满空隙时即行取出，放于干砂或木炭灰中缓缓冷却。，当焊料注满空隙时即行取出，放于干砂或木炭灰中缓缓冷却。第40页/共80页n n除上述方法外，还可采用铜液浸渍法进行镶焊，其程序为：将合除上述方法外，还可采用铜液浸渍法进行镶焊，其程序为：将合金清洗干净嵌入钻头中，再放在金

45、清洗干净嵌入钻头中，再放在70708080的硼砂溶液中洗涤干净，的硼砂溶液中洗涤干净，在浸入铜液之前，应使钻头预热到在浸入铜液之前，应使钻头预热到200200300300。熔化黄铜应使用铁。熔化黄铜应使用铁坩埚或石墨坩埚，溶化时加坩埚或石墨坩埚，溶化时加10%10%的食盐，溶化后再加的食盐，溶化后再加0.50.5kgkg氧化钡，氧化钡，并搅拌一分钟，将表面溶渣清除。每焊并搅拌一分钟，将表面溶渣清除。每焊100100个钻头应清渣一次，清个钻头应清渣一次，清渣以后，必须按比例增加一些氧化钡和食盐。渣以后，必须按比例增加一些氧化钡和食盐。n n铜液浸渍法是将镶好的合金钻头浸入溶化的铜液中浸焊而成，此

46、铜液浸渍法是将镶好的合金钻头浸入溶化的铜液中浸焊而成，此方法简单，效率高，加热均匀，不用氧气，能保证镶焊质量，比方法简单，效率高，加热均匀，不用氧气，能保证镶焊质量，比较适于在修配厂大批生产中采用。较适于在修配厂大批生产中采用。第41页/共80页n n三、典型硬质合金钻头三、典型硬质合金钻头n n目前，硬质合金钻头种类繁多，用途各异，但归纳起来可分为两目前，硬质合金钻头种类繁多，用途各异，但归纳起来可分为两大类：一类是取心式硬质合金钻头，它的特点是钻头呈环状，钻大类：一类是取心式硬质合金钻头，它的特点是钻头呈环状，钻进后能取出圆柱状的岩心，所以又称环状岩心合金钻头，这是岩进后能取出圆柱状的岩心

47、，所以又称环状岩心合金钻头，这是岩心钻探最常用的一类钻头；另一类是不取心式硬质合金钻头。它心钻探最常用的一类钻头；另一类是不取心式硬质合金钻头。它的特点是钻头底部全面镶有合金，进行全面钻进不取岩心，所以的特点是钻头底部全面镶有合金，进行全面钻进不取岩心，所以又可称为全面合金钻头，这是钻进覆盖层、软岩最常用的一类钻又可称为全面合金钻头，这是钻进覆盖层、软岩最常用的一类钻头。头。第42页/共80页n n取心式合金钻头又可根据钻进岩石的性质，分为磨锐式钻头与自取心式合金钻头又可根据钻进岩石的性质，分为磨锐式钻头与自磨式钻头两种，磨锐式硬质合金钻头镶嵌有可以修磨的磨锐式合磨式钻头两种，磨锐式硬质合金钻

48、头镶嵌有可以修磨的磨锐式合金；这种钻头在钻进时合金会不断磨损而变钝，钻速也随之逐渐金；这种钻头在钻进时合金会不断磨损而变钝，钻速也随之逐渐下降。自磨式硬质合金钻头镶嵌有小断面（薄片或圆柱状）的自下降。自磨式硬质合金钻头镶嵌有小断面（薄片或圆柱状）的自磨式合金；这种钻头钻进时合金不被磨钝，钻速基本不变，见图磨式合金；这种钻头钻进时合金不被磨钝，钻速基本不变，见图 2 2 2525和图和图 2 2 2626。n n在钻进时，应根据钻进地层的特点和要求及岩石的物理力学性质，在钻进时，应根据钻进地层的特点和要求及岩石的物理力学性质，来选择或设计硬质合金钻头的类型和结构。现将各种不同地层使来选择或设计硬

49、质合金钻头的类型和结构。现将各种不同地层使用的典型硬质合金钻头介绍如下用的典型硬质合金钻头介绍如下 第43页/共80页n n（一）螺旋肋骨式钻头（一）螺旋肋骨式钻头n n此型钻头采用此型钻头采用K K572572型号硬质合金镶嵌制成，钻头外侧有三块与钻头底唇水平面呈型号硬质合金镶嵌制成，钻头外侧有三块与钻头底唇水平面呈4545角的螺旋角的螺旋肋骨，材料为肋骨，材料为3535号钢。号钢。n n螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液呈螺旋状上升，这样就加速了孔底岩粉上升速度，保证孔底螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液呈螺旋状上升，这样就加速了孔底岩粉上升速度，保证孔底清洁，减少孔内阻力，从而提高了钻进速度。在使用

50、此型钻头时，为使钻进平稳，避免钻孔清洁，减少孔内阻力，从而提高了钻进速度。在使用此型钻头时，为使钻进平稳，避免钻孔弯曲，须采用特制的岩心管。弯曲，须采用特制的岩心管。n n螺旋肋骨钻头适用于螺旋肋骨钻头适用于2 24 4级松软塑性岩层、覆盖层。粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。这种级松软塑性岩层、覆盖层。粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。这种钻头，经各队使用证明，在钻头，经各队使用证明，在2 24 4级松软地层中钻进，能大大提高钻进效率。如某队在江西页级松软地层中钻进，能大大提高钻进效率。如某队在江西页岩夹薄层砂岩和结核岩层中使用，效果比一般肋骨钻头钻进效率提高岩夹薄层砂岩和结核岩层中使用，效果比一般