钻进工艺方法

制造硬质合金钻头的材料
钻头体钢管
钻头体是用 D35 或 D45 号钢的无缝钢管制成。前苏联是用 9O CT1050 －74 的30 ，35或45 号钢或9OCT－380－71CT．4号钢制造 硬合金钻头体。这种钢可保证钻头体有足够的强度和焊接时对焊料 有良好的浸润性。肋骨钻头的肋骨用与钻头体相同的钢制作。切削 具的垫片和安装薄片用9OCT1050－7410，20和35号或9O CT380－71 号钢制作，以保持硬合金片的稳定性和刚性。固定的支撑片用强度 较高的钢9OCT －7445 号钢制造。 硬质合金 地质勘探钻进中所采用的硬质合金主要是碳化钨（WC—钴（CO） 系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用粉 末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG 类硬质合金。
机 28 械 转 24 速 20 cm/h 16
12 8 4 0
n=381r/min
n=284r/min
n=123r/min
20
30 40 50 60 70 80 90 100
单位压力，kg/cm
不同转速对最优压力的影响
§3-4 硬质合金钻进
利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破 碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。 显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。这 类命名方式还有：金刚石钻进、钢粒钻进等。 硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。但 在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度 以下的地层，即可钻性1 ～7 级和部分8 级地层。若 在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具 磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的 和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠 硬质合金钻进。
钻孔的直径
取决于钻进目的、钻孔结构和钻进方法
金刚石钻头可适应不同的口径，主要用于小口径 ； 硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径孔，又可 钻进直径 达2m以上的大口径水井、工程施工孔和浅井。 钻孔的深度可在几米至几千米的范围内变化。
地质勘探钻进技术
§3-1 地勘钻进特点 §3-2 地质勘探钻进方法分类 §3-3 钢粒钻进 §3-4 硬质合金钻进 §3-5 金刚石钻进 §3-6 反循环钻探技术简介
钢粒钻进规程参数
钢粒钻进规程参数包括：投砂方法及投砂量、 钻压、转速和冲洗液量等。 向孔底供给钢粒的方法称为投砂方法。正确地 选用投砂方法和合理控制投砂量对钢粒钻进的效果 和质量有很大的影响。钢粒钻进的投砂方法有三种： 一次投砂法、结合投砂法、连续投砂法。
一次投砂法，就是在钻进开始前把一个回次所需的 钢粒一次投入孔底。 结合投砂法，又称分批投砂法。这种方法是在回次 开始前先投入一定数量的钢粒，待钻进一定时间后 再分别补投1 ～2 次。 连续投砂法，是在钻进过程中连续不断地（或小组 分接连不断地） 向孔内供给钢粒，以补充钻进中的 消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器。
硬质合金焊接注意事项
焊接硬合金钻头时应该用氧 — 乙炔焊（即所谓 气焊）， 并使用前面所列的专门的含锌黄铜焊条， 使其熔点最好降到 900 ℃以下，并具有良好的流动 性和焊接性能。在镶嵌前应把硬合金表面的烧结浮 层除掉，同时，在焊接时要用硼砂或其他焊剂，清 除氧化膜和降低焊料的表面张力从而改善焊接口的 浸润性。同时，还应注意焊缝宽度要选择适当，通 常以0．1mm 为宜，过小则焊料不易流入，过大则降 低焊接强度。成批生产时，最好采用浸铜焊法，即 将所焊的钻头放在熔融的焊料中浸渍。这种方法不 会使硬合金过热，容易保证质量。
地质钻探现场布局
钻孔冲洗方式
可分为四种：
(1)全孔正循环
(2) 全孔反循环
(3) 孔底局部反循环 (4) 孔底局部正循环
常用的钻进方法及选用原则
软岩和中硬岩层，用硬质合金钻头钻进； 中硬及部分中硬以上岩层，用铣齿牙轮钻头 钻进； 中硬以上岩层及硬岩，用金刚石钻头钻进； 硬脆岩层，用液动（气动）孔内冲击器钻进 或镶齿牙轮钻进更有效；
kg/cm
kg/cm
kg/ 直 径，mm
二、钻压
在钢粒钻进中，钻压是保证钢粒在孔 底破碎岩石的必要条件。钻压是岩石破碎和牵动 钢粒所需连系力的主要依据。钢粒钻进中必须有 足够大的钻压。 P=pS 式中： P－轴向钻压kg；p－钻头单位唇面面积 所需的压力 kg/cm2 ， S －钻头唇面的实际面积 cm2 。 大量的试验表明：钢粒钻进的单位压 力存在一个最优值。实践表明：单位压力的最优 值取决于钻粒强度、岩石级别以及钻头转速等因 素。
钻探用硬合金切削具
岩心钻探中使用的硬合金切削具已定型生产，列入冶金部部标和 国家标准。 目前钻探中使用的硬质合金定型产品形状有片状、柱状及针状 3 类。片状切削具片薄刃宽易于切入和切削岩石，但抗弯能力较差，主 要用于钻进1～4 级塑性软岩；柱状切削具抗弯、抗压能力都较强，主 要用于钻进4 ～7 级中硬岩层；针状硬合金及未列入标准的薄片硬合 金（0.7×8.5×20 ，1×5×20 等） 用来制造自磨式钻头。 硬合金切削具形状的确定和选择应从下面的原则来考虑： （1） 有利于破碎岩石； （2） 有利于抗磨损；
硬质合金焊接注意事项
焊接工作要求在不损伤硬合金本身质量的 前提下，把硬合金切削具牢固地焊接在钻头 体上。 YG 类硬质合金中的碳化钨是耐高温的， 可是钻在空气中，当温度达到1000 ℃时则会 影响其性能。因此，焊接时若用过高的温度 直接烧切削具，则很容易损伤硬合金本身的 质量，失去其切削能力。同时，在焊接时不 均匀的加热和冷却都会对硬合金切削具造成 显微裂隙，这将大大降低硬合金切削具的强 度。
钻进工艺方法
地质勘探钻进工艺方法分类
取心钻探技术
无岩心钻探技术
多介质反循环钻探技术
其它反循环钻探技术
水文水井钻探技术
油气井钻井工程
钻井工程的定义：
利用钻机设备及 破岩工具破碎地层形成井 筒的工艺过程。
钻井的目的和意义： 地质评价 发现油气藏 开发油气藏
钻井工程的工艺过程
定井位、设计井身轴线剖面
钻进
不同钻粒对最优单位压力 的影响（钻粒直径3mm）
1－铁砂（ σ =380kg） 2－合金铁砂（ σ =580kg) 3－纯钢砂（ σ =575kg）4－钢粒（ σ =1900kg）
不同岩石对最优单位压力的影响
1－12级石英岩 ；2－9级斜长花岗岩；3－8级花岗岩
12级石英岩
D ＝91mm
36 32
（3） 有利于抗断、抗崩：
（4） 有利于镶焊和修磨。
硬质合金钻头的制造工艺
在制造工艺中，硬合金钻头除了对钻头体的 加工应严格合乎要求外，镶焊合金是一个重要 工序。在许多情况下，由于镶焊不当，影响钻 头质量，使钻头过早地损坏而失效，从而影响 钻进效果，甚至引起孔内事故。 镶焊工作包括硬合金的镶嵌、焊接、修磨等 工序。 镶嵌工作是焊接的基础。硬合金切削具的定 位和方向必须确保设计要求。内、外出刃及底 出刃必须严格按图纸规定，镶嵌要均匀一致。
硬质合金钻进井底碎岩工况
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 （或最小等于） 岩石的抗压入硬度，即：
式中Py ——单个切削具上的轴向压力； S0 ——切削具与岩石的接触面积； Hr ——岩石的抗压入硬度。 Py ≥S0Hr 是切削具切入岩土的必要条件。 否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎岩 过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，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。
钢粒钻进碎岩机理
动压入体积破碎方式
动疲劳破碎方式
圆柱形钢粒在钻头给予的轴向压力Py 和回转 力Px （应理解为钻头唇面与钢粒间的联系力） 作 用下，在孔底岩石表面不断翻滚，主要以动压入体 积破碎方式和动疲劳破碎（辗压） 方式破岩。
钢粒钻头
钻粒钻头的功用是将钻杆柱传来的 轴向压力及回转力传递给钻粒；同时，钻头 的唇面把钻粒压向孔底，进行钻进。钢粒钻 头本身不直接破碎岩石，但在钻进过程中， 它受钢粒及岩屑的作用，不断被磨耗。钢粒 钻头一般用中碳钢（45 号钢） 无缝钢管制 成。其结构呈圆筒状，如图所示。钻头的外 径上下一致，内壁上部有1 ：100 的锥度， 以便卡取岩心。钻头壁厚随钻头直径不同而 变化，小于Φ 200 m m 时，壁厚在9 ～11 m m 之间；大于Φ 200 m m 时，壁厚为14 ～ 20 m m 。新钻头的长均为500 m m 。在钻 进中， 钻头沿高度逐渐被磨耗， 直到剩余 150 m m 时，则就不能继续使用。钻头在底 部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面 下不断补给钢粒。
接单根
洗井
起下钻
固井 其 它 作 业 完井
钻井工程的工艺过程
定井位、设计井身轴线剖面 根据地质及油气层特点或生产上
的需要，确定井口位置及井底位 置。 根据井位及生产要求设计确定井 身轴线剖面。 根据井眼轴线剖面的类型，所钻 的井可以分为：直井和定向井。
定向井 直井
基本钻探工艺过程
平整场地，挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机。 按设计的方向开孔，在孔口固定孔口管。 根据所钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深 选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、 钻柱给钻头加轴向压力和回转速度。 钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深 岩心将充满岩心管。 清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出 孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再 流回泥浆池，如此循环。 把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心。重新配好钻具，再 下放至孔内继续钻进。
钢粒钻进井底过程
如右图所示，可把钢粒钻进时的孔底过程归纳 为图中“底唇下”、“外环状间隙” 和“内 环状间隙” 是投砂后钢粒所处的基本状态， 在底唇下钢粒破碎岩石的同时，内、外环状间 隙的钢粒分别磨损岩心、孔壁和钻头体。水口 导砂是使钢粒向唇下转换的主要通道；外环状 间隙中的水力分选则是维持孔底动平衡，使钢 粒“新陈代谢” 的关键；绝大多数被淘汰的 碎钢粒最终都落入取粉管内。钢粒如此循环往 复，是由水口形状、水量大小和转速快慢来调 节。在钻进过程中，随着钢粒的消耗，钻头也 不断被磨耗，水口逐渐变小，直至不能实现上 述循环，机械钻速显著降低而结束回次钻程。
§3-1 地勘钻进特点
地质条件千变万化 使用设备五花八门 取样要求严而又严
技术应用从古至今
地质条件千变万化
沉积岩、火成岩、变质岩样样不少；
坚硬－松软、完整－破碎、坍塌－缩径；
构造复杂、裂隙丛生、溶洞发育； 地形复杂、交通不便、供水困难； ……
§3-2 地质勘探钻进方法分类
钢粒钻进 硬质合金钻进 金刚石钻进
冲击钻进（砂矿钻进）
§3-3 钢粒钻进
用未镶焊切削具的钻头压住钢 粒或铁砂并带动它们在孔底翻滚而 破碎岩石的钻进法，统称为钻粒钻 进。钢粒钻进是19 世纪后期开始用 于钻孔工作的。这种钻进方法主要 用于钻进中等硬度以上的坚硬岩层， 硬合金钻进方法因受其切削具的硬 度及耐磨性的限制，现在只用于钻 进中等硬度以下的软岩层，在地质 勘察钻孔中，用于钻进坚硬岩层的 方法，目前主要有钢粒钻进和金刚 石钻进两种，
影响硬质合金性能的因素
随着合金中含钻量的增加，相对密度有所下降，硬度逐渐降低， 耐磨性能降低；而抗弯强度逐渐增高，同时冲击韧性也提高。 合金中碳化钨粉粒的粗细度对机械性能有影响：粒度变细、硬度 增高，抗弯强度却有所下降。例如 YG6 的碳化钨粉的粒度为 2.81 ～ 3.23μ 时，其硬度为HRc A88.5 ；碳化钨粉的粒度为 1 ．35μ 时，其 硬度为HR A92 。碳化钨粉的粒度变细，其耐磨性能有所提高。 硬合金的冲击韧性也随着含钴量增加和碳化钨粉的粒度增大而提 高。如YG6的冲击韧性为0.35N· m／cm2 ，而YG8 为0．25N· m／cm2 。 以 YG 类 合 金 为 基 体 ， 在 其 表 面 涂 以 很 薄 的 一 层 （ 0.005 ～ 0.015mm） 碳化钛（TiC）合金层，可使其表面硬度及耐磨性提高，而 仍具有原基体的良好强度和韧性。涂层可使切削具的寿命提高几倍， 这是十分有益的措施。