第三节金刚石钻进 (2)

体的表层； 孕镶钻头：金刚石是镶嵌在 胎体之中。
(a)－表镶钻头： 1－底刃金刚石；2 －边刃金刚石；
3－侧刃金刚石； 4 －胎体；
5－钻头体
(b)-孕镶钻头： 1－金刚石；
2－工作部分胎体；
3－非工作部分胎体； 4－钻头体;
h-孕镶层高度
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四、金刚石钻头的种类
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三、金刚石的分类
金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。
1、天然金刚石
(1)“包尔兹”(Bortz) ，颜色变化很大，一般呈无色、黄色、灰色 或黑色，从透明到不透明。凡结构异于“黑色金刚石”和“巴拉 斯”，又不够宝石级金刚石的皆属于此类。它多呈不规则或放射 状的亚显微晶体结构，外形常为浑圆粒状，具有高的硬度，价格 较便宜。目前绝大多数表镶钻头均采用此类金刚石。某些等级只 适合于破碎成不同尺寸的粉末（粉碎包尔兹），作孕镶钻头或其 他磨料使用。
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第三节 金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石 2、金刚石的物理力学性质
⑧ 电磁性
金刚石的电阻率很大，是不良导体；但也有少数金刚石是良好的半导 体材料。
金刚石一般没有磁性，当含有磁性包裹体时，金刚石就具有磁性 。合成人造金刚石时，由于带入铁、钻、镍等触媒杂质，使金刚 石具有磁性。
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第三节 金刚石钻头钻进 一、金刚石钻头钻进的特点
①钻进效率高，特别是在岩石硬度大的地层，钻进效率提高的幅 度较大。
②钻孔质量好，岩心采取率比较高，而且岩心完整、光滑。 ③金刚石钻进的钻孔弯曲较小。 ④孔内事故少，应用范围广。
⑤装备轻，劳动强度低，钻探成本小。
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第三节 金刚石钻头钻进
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第三节 金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质 ① 颜色
天然金刚石纯净晶体的颜色一般为无色透明的。由于其中微量 元素和包裹体的影响，往往带有不同的颜色。
如：深棕色金刚石，硬而脆，冲击韧性差。
绿豆色金刚石强度低，质量差。 黄色金刚石含黄色素超过15％以上时硬度较低。
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四、金刚石钻头的种类 用各种天然或人造金刚石制作的钻头统称为金刚石钻头。
金刚石钻头由三 部分组成，即金 刚石、胎体和钻 头体。 金刚石钻头形式 多样，基本结构 如图所示。
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四、金刚石钻头的种类
金刚石钻头按胎体中的包镶
形式分为两类：
表镶钻头：金刚石镶嵌在胎
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第三节 金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类
2、人造单晶金刚石
人造单晶金刚石在晶形生长发育良好的情况下呈八面体、十二面体及 它们的聚形，而且晶面完整、晶棱清晰。质量较次的则往往晶形不完 整，常出现连晶以及晶面有蚀坑等。 人造单晶是人造金刚石的最基本品种。由于合成时使用触媒不同，因 而具有不同颜色，而以不同深浅的黄绿色晶体以及含硼黑色晶体为主 。这是我国目前金刚石钻探使用的最主要品种。
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六、金刚石钻头
1）金刚石部分
金刚石是钻头的刃部，对于表镶钻头，金刚石镶嵌在胎体 的表层，按照镶嵌位置的不同，分为底刃金刚石、边刃金 刚石和侧刃金刚石。 底刃金刚石是克取岩石的主力； 边刃金刚石其作用除克取岩石外，还要保持钻头内外径；侧 刃金刚石其作用仅是保持钻头内外径。
六、金刚石钻头
4）金刚石在胎体中的浓度（密度）
表镶金刚石钻头胎体表面单位面积内金刚石含量的多少称 为金刚石在胎体表面分布的密度（以下简称密度），以 粒／cm2表示。 对于不同粒度的金刚石有不同的密度。
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六、金刚石钻头
4）金刚石在胎体中的浓度（密度） 孕镶钻头胎体中单位体积内金刚石含量的多少称为胎体中金刚
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六、金刚石钻头
3）金刚石钻头胎体
对钻头胎体性能的要求为：
(1)胎体要牢固地包镶金刚石；
（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如入 硬度、抗压强度、岩粉的冲蚀性、岩石的研磨性相适应。
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金刚石问世之后，相继研究出了人造聚晶金刚石，亦称金刚石聚晶 烧结体和金刚石复合片。
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第三节 金刚石钻头钻进
三、金刚石的分类
3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片
① 金刚石聚晶烧结体
由90％左右微细的或各种粒度组成的微粉金刚石加人适量（10％ 左右）的粘结剂（如Ni镍、Si、B硼、Ti钛、Zr镐、 Re铼等元素 ）在高温和超高压下烧结而成。
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第二节 金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类
3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片
① 金刚石聚晶烧结体
它的特点是：
(1）耐热性好，有的达12000C时热稳定性性能基本不变，可与天
然金刚石媲美，甚至超过天然金刚石；
(2）抗压强度高达3000MPa
(3）可以直接合成所需的片、块、圆柱等形状和一定大小的单 体； (4）致密、晶体交互生成，无裂隙；耐磨性能好。 (5）用于钻进中硬及部分硬地层。但由于硬度较低，不能用于 大部分硬和坚硬地层。
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第三节 金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石 1、金刚石的结构 由于金刚石在生长过程中的物理化学环境不同，其晶体形态是多种 多样的。最常见的是八面体，其次是菱形十二面体，立方体较少。
1一八面体；2一十二面体； 3一立方体；4一复合晶体； 5一凸八面体；6一凸十二面体； 7一凸立方体；8一凸复合晶体
1-金刚石层；
2-过度层； 3-硬合金层
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三、金刚石的分类
3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片
② 金刚石复合片
复合片的特点：
(1)复合片金刚石层中的金刚石含量高达99%，粘结金属含量仅占1％ 左右，故金刚石层硬度高、耐磨性极好；
(2)复合片金刚石层很薄，一般控制在0. 5—1mm左右。因此， 刃口锋利而且始终保持自锐；
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第三节 金刚石钻头钻进
三、金刚石的分类
1、天然金刚石
(2)“刚果”(Congo)亦称“刚果包尔兹”，产于扎伊尔。刚果金刚 石从无光泽到半透明，颜色有白、灰、黄、绿等。细晶结构，硬度略 低于“包尔兹”，是一种较低品级的金刚石。大多呈碎粒状，可作孕 镶钻头用。精选“刚果”亦可制作表镶钻头，用于软至中硬岩层的钻 进。
第三节金刚石钻进
工程钻探学课件
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第三章 回转钻进钻头与工艺
第三节 金刚石钻头钻进 金刚石钻进是当前钻探工艺中一种比较先进的钻进方法。由于 这种方法的钻进效率比较高，钻孔质量比较好，施工劳动强度 比较轻，钻探成本比较低，因此得到越来越广泛的应用。
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第三章 回转钻进钻头与工艺
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二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
⑥导热性
金刚石的导热率高，有良好的导热性，即易吸收和散发热量。这对降 低地质钻头切削区的温度是很重要的。
⑦热稳定性 金刚石的热稳定性较差。因此，在使用金刚石钻头时要充分冷 却。如果钻头冷却不良，胎体部分的温度会不断升高。当达到 720~8000C时，金刚石即会石墨化，此时，金刚石钻头表现为严 重磨损乃至烧钻。 温度对金刚石强度影响较大，特别是对粒度较细的人造金刚 石，随着温度升高、强度下降。
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三、金刚石的分类
3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 ② 金刚石复合片
金刚石复合片是将聚晶金刚石层（约为0. 5—lmm厚）附着粘结在硬质合金衬底上的复 合材料。由于它兼有金刚石聚晶层极高的耐 磨性和硬质合金高的抗冲击韧性，并且金刚 石层能始终保持锐利的切削刃，因而在地质 钻探的软至中硬地层钻探中使用效果非常好 。
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第二节 金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类
3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片
② 金刚石复合片
复合片的特点： (3)复合片衬底硬质合金含钴量高，强度高，大大提高了整个复合片在孔 底的抗冲击能力； (4）由于聚晶金刚石层本身耐热性差，同时与硬质合金片的热膨胀系数
相差悬殊，故复合片耐热性能较差，一般在750 0C以内； (5）由于复合片刃口锋利，耐磨性好，故复合片钻头钻速高、 寿命长、取心率高、所需钻压小、孔斜小、钻孔质量好。
第三节 金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
⑨ 荧光
金刚石在阴极射线、紫外线、X射线的照射下常发出蓝、黄 、绿等鲜艳的荧光。
据有关资料介绍，紫外线照射时不发光的金刚石比发光的耐磨性 好；但在动载作用下，不发光的强度最小；发蓝色、绿色、黄色 、玫瑰色的光，Fra bibliotek动载强度依次升高。
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在破碎塑性大的硬及中硬岩右时，则主要以切削方式破碎岩 石，而以压裂压碎为辅。
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第二节 金刚石钻头钻进 五、金刚石钻头破碎岩石机理 孕镶钻头： 所用的金刚石的粒度小，且埋藏于胎体之中，其实 际碎岩机理和砂轮磨削类似，如图所示。以刃具面多而小金刚 石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压裂压碎。
二、钻探用金刚石
1、金刚石的结构 金刚石是碳的结晶变体之一，属等轴晶 系矿物。 在金刚石晶体格架中，碳原子呈对称性 排列。每个碳原子周围皆有4个碳原子排 列在正四面体的锥角顶端，
而四面体的每一顶角为相邻4个四面体所共有。每个四面体 中心与四顶角的碳原子以共价键紧密相连。碳原子间联系十 分牢固。所以金刚石具备高硬度、高熔点、不导电（少数为 半导体）和化学性质稳定等一系列特殊性能。
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第三节 金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石 2、金刚石的物理力学性质
④ 耐磨性
金刚石具有极高的耐磨性，是刚玉的90倍，硬质合金的40— 200倍，钢的2000—5000倍。这就决定了它用作钻头时不易磨 损。 ⑤ 热膨胀系数 金刚石在低温时的热膨胀系数极小（比硬质合金、碳化硅、 刚玉低得多），这有利于对金刚石的镶嵌。但随温度升高， 其膨胀系数急剧增加。
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第三节 金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
③ 抗压强度
金刚石具有极大的静抗压强度（简称强度）。强度取决于金刚 石的晶体形态、晶体的完好程度、杂质的成分和含量、晶体的 组织结构等。 一般地说，浑圆状的、结晶完好的金刚石强度大；有微裂隙、内 部有缺陷的、含气泡的和包裹体的金刚石强度小。从结晶形态来 看，十二面体、八面体的比无定形的好，不同晶形的金刚石强度 可相差2-4倍。天然金刚石的抗压强度约为8600MPa，约为刚玉的 3. 5倍，硬质合金的1. 5倍，钢的9倍。目前，用于钻探的人造金刚 石强度，一般要求2500MPa以上。
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六、金刚石钻头 2）钻头体 钻头体是指钻头的钢体部分，用中碳钢制成。
单管钻头的钢体长为71mm，上端车有外丝扣，丝扣长度为30mm 。
双管钻头的钢体长为115mm，上端车有内丝扣，丝扣长为 33mm。
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六、金刚石钻头
3）金刚石钻头胎体
金刚石钻头胎体用于包镶金刚石并与钢件牢固连接。不同 类型钻头对胎体性能有不同的要求，主要取决于钻头的工 作特性及所钻岩层的物理力学性质。
石的体积浓度，其单位为（克拉／/cm3）。
目前生产厂家用的浓度制，主要是采用“金刚石制品国际浓 度标准”来表示，即100％的浓度表示每lcm3中含金刚石4. 39
四、金刚石钻头的种类
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五、金刚石钻头破碎岩石机理
金刚石钻头破岩 过程存在着研磨 、切削、压裂、 压碎等破岩形式 。
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五、金刚石钻头破碎岩石机理
表镶钻头：分析其破碎岩石过程时，取单颗金刚石为研究对象， 并将其视为球体，如上图所示。 理论和试验表明：表镶金刚石钻头破碎坚硬脆性岩石时，其主 要破碎方式为压裂、压碎加体积剪切，而切削破碎方式是次要 的。
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第三节 金刚石钻头钻进
三、金刚石的分类 3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片
金刚石钻进由于人造单晶金刚石本身的特性（如硬度非常大等）在硬地 层和坚硬地层中得到了广泛的应用。但是由于金刚石单晶颗粒小（人造 单晶粒径不超过lmm），限制了这种钻进方法在钻探上的应用，在软一 中硬地层中不能发挥其钻进的优越性。为了改变这种状况，在人造单晶