岩心钻探钻进方法1硬合金钻进

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◆ 外出刃 功用：
保证粗径钻具外径与钻孔之间的 环状间隙。它的大小直接决定钻孔的 直径大小、冲洗液的上返阻力和钻头 的使用寿命。
取值范围：
一般取 1.5-3毫米，具体根据地层 情况确定。
取值方法：
硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取 大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。
14.6～15.0
14.0～14.8 14.0～14.8 14.0～14.4
91
89 88 87
1 350
1 500 1 750 2 000
细粒合金,强度接近YG6,耐磨性较YG6高
地质勘探和石油回转钻进用主要品种 粗粒合金,冲击韧性较高适于冲击回转钻进
YG15
85
15
13.9～14.1
87
2 000
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④ 火焰法
利用燃气或燃料喷射燃烧的高温熔化岩石形成钻孔。又称火焰钻 进。 研究历史很长，现仍未见大量进入钻探实用。
⑤ 电弧法
原理类似电弧焊，将高压电分别施加在钻头和岩石上，形成电弧 高温，熔融破碎岩石。
研究历史较长，现也未见进入实用。
该法只适用于导电性好的岩石，如磁铁矿等等。
♦有时，为提高耐高温性能，在硬合金切削具表面增加碳化钛镀层。
但由于钛的价格昂贵，而低转速钻进温度有限，故一般不用。
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② 制造方法
将粉末状碳化钨和 钴按比例搅拌均匀；
加入石蜡或其它临 时粘接剂，放入型模加 压成型；
将压制好的切削具 坯料放入电炉里烧结， 即得到切削具产品。
机械破碎法分类：
●按破碎岩石钻头所用切削具的材质分
冲击钻进
硬合金钻进 钢粒钻进 金刚石钻进
●按施加外力的方式分
回转钻进 冲击回转钻进
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4.2 钻探用硬合金切削具
●硬质合金最早广泛应用于金属切削加工，是用量最大的金 属切削刀具。
●上世纪初的一战时期，德国工程师洛曼首先建议并实施了将 铸造碳化钨硬合金作为钻进切削具。 ●上世纪三十年代，前苏联发明自磨式硬合金钻头，硬合金钻 进适用的地层更加广泛、用量增加。 ●目前，硬合金钻进是世界上使用范围最广、用量最大的钻进 方法。
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③ 牌号及性能
表4.1 YG类硬质合金的性能表
化学成分(%) 合金 牌号* 物理机械性质 密度 (g/cm3) 15.0～15.3 14.9～15.2 14.4～15.0 14.6～15.0 硬 度 (HR A) 92 90 92 89.5 抗弯强度 (MPa) 1 050 1 400 1 400 1 400 特性及用途
破碎特征：
●连续的切屑 ●宽度相同的切槽 ●平整的槽底。
破碎实质：剪切破碎。
图4.3 切削具在双向力作用下破碎塑性岩石
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② 弹塑性岩石的孔底破碎过程
切削具在双向力作用下吃入岩石，进而推挤前面岩石，使岩石若干次小剪切 破碎，继续向前推进可能重复产生，至前面接触大面积岩石时，Px力急剧增大达 到极限，迫使岩石沿剪切面产生大的剪切破碎。 切削具不断向前推进，重复着碰撞、压碎、小剪切、大剪切的循环过程。
▲碎裂的切屑
破碎特征：
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▲宽度变化的切槽 ▲凹凸不平的槽底
破碎实质：压裂压碎
（跳跃式剪切破碎循环）。
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③ 钻孔加深过程
钻头硬合金切削具在轴 向压力和水平回转推力的共 同作用下连续地切入岩石， 是钻孔孔底发生螺旋式不断 加深。
图4-6 钻孔孔底螺旋加深展开图
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② 爆破法
利用爆炸产生的高压冲击波破碎孔底岩石。 需采用专门的爆破弹，其可将爆炸产生的高压冲击波定向聚能 引导到孔底。 该法在我国已进入实用，目前还不能连续钻孔，只用于爆破孔 底坚硬岩体（如卵砾石地层中的大孤石）。由于爆破弹属于危险品， 使用不够方便。
③ 激光法
利用高能量激光束产生的高温溶化岩石进行破碎。 该法可与光谱分析装臵结合，在孔内破碎岩石的同时，进行岩矿 分析，因而勘探效率很高。 随着激光技术的快速发展，这种方法的应用前景很好。
4.1 钻进碎岩方法概述
岩心钻探的钻进碎岩方法，可按破碎岩石原理分为物理的、化学的和 机械的三个大类。
4.1.1 物理破碎方法
① 高压水射流法
利用高速水射流冲击产生的压力使岩石破碎。在水中加入气泡或者 磨料可加强破碎效果。
该法已进入实用，对软岩直接破碎（如土层钻孔、水力割煤机等等）； 对硬岩辅助破碎（如石油钻井里的牙轮钻头加喷嘴喷射钻进）。 在深孔中，由于钻孔水柱压力的影响，破碎效果变差，故应用孔深 受限。
切削具固定在钻头上，可通过控制钻具来控制钻进过程，故可以 适应冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等工艺； 对钻孔的孔径、孔深及任何方向的钻进条件都能适应，故应用范 围广。
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④ 切削具规格多样，形状规则，可根据地层情况 灵活设计钻头结构，方便使用。
硬合金原材料是粉末，采用模具制作成切削具，其形状、尺寸可 根据钻进地层的需要制造。切削具一经做定，形状和规格尺寸就非常 规则。
钻头设计时切削具选择范围大，可多种组合，布臵由人，能方便 地制造出地层适应性好的钻头。
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⑤ 切削具价格不高，钻头制造工艺简单，使用成 本低。
硬合金材料来源广，使用量很大，价格与金刚石相比相对较低（一般 几十块钱一公斤）。 钻头制造采用普通的焊接即可，工艺比较简单，对设备和技术没有太 高要求，一般的钻探单位，甚至在野外现场都能生产，故而使用成本低， 深受人们欢迎。这也是其使用范围广、用量大的原因之一。
具（即切削具是一整片或一整块硬 合金）又称为磨锐式钻头用切削具 。用这类切削具镶嵌的钻头被称为 磨锐式钻头。
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在确定硬质合金的牌号后，选择切削具形状与规格的一般原则是：
▼薄片状：片状硬质合金刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力 差，适用于Ⅰ～Ⅴ级软岩。 ▼柱状：柱状硬质合金抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适 用于Ⅳ～Ⅶ级中硬岩石，其中八角柱状切削具抗崩能力强，利于 排粉和破岩，并易于焊牢，故在较硬岩层和裂隙发育的地层中得 到广泛的应用。 ▼针状（块状）：针状硬质合金，主要用于镶焊自磨式钻头，在 硬地层或研磨性岩石中使用。
其它还有：微波法、超声波法、等离子体法，等等。
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4.1.2 化学破碎岩石方法
① 溶解法
如盐类矿床等易溶解矿物的钻孔采矿。
② 气化法
如地下煤层的气化采矿。
③ 软化法
用化学剂使岩石软化，可以辅助碎岩。
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4.1.3 机械破碎岩石方法
对岩石施加机械外力，利用岩石的力学性质来破碎岩石的方法。这 是目前使用最为广泛的方法。
硬合金 钢粒 金刚石
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
Ⅹ
Ⅺ
Ⅻ
三种碎岩工具的适应岩层范围
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② 切削具出刃较大，碎岩过 程比较平稳，规程参数容易 控制。
总的来看，在塑性和弹塑性两种岩石的钻进碎岩过程中，钻进是比 较平稳的。这样钻出的孔壁比较完整、岩心比较光滑、钻孔弯曲质量和 取心质量比较好，故硬合金广泛用于取心钻进。
耐磨性最差,冲击韧性最高,适于冲击回转凿 岩
* 硬质合金中的附加字母"x"表示细粒合金，"c"表示粗粒合金。
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④ 常用形状、型号及规格
按照我国的行业标准，硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、 八角柱状和针状等形状。（参看教材P.65，表2-2-2。）
※:单一材质和形状的硬合金切削
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◆内出刃 功用：
保证岩心与钻头体内径之间环状 间隙。它的大小直接决定岩心的直径 大小、冲洗液从钻具内流出的阻力和 钻头的使用寿命。
取值范围：
一般取 1-2毫米，具体根据地层情 况确定。 由于内外出刃存在速度差（直径差导致），内出刃破碎岩石工作量小于外
取值方法：
出刃，所以，同一个钻头上，内出刃的取值比外出刃取值小0.5-1毫米为宜。
WC
Co
YG3x YG4c YA6 YG6
97 96 91～93 94
3 4 6 6
耐磨性最好,冲击韧性最差,用于金属切削 适用于均质和软硬互层地层中回转钻进 加有少量TaC成分,提高了硬度 适用于回转钻进,使用效果仅次于YG4c
YG6x
YG8 YG8c YG11c
94
92 92 89
6
8 8 11
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百度文库
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⑤ 针状合金及自磨式钻头
所谓自磨式钻头，是指采用薄片状或针状硬合金镶嵌的钻头。由于硬合金 截面尺寸小，并且截面尺寸不随磨损变化，所以能够长期保持切削能力。 为提高小截面尺寸硬合金的抗弯能力，一般采用软钢或铸造碳化钨胎体进 行支撑或包镶。
图4.1 针状硬合金自磨式钻头 1-针状硬质合金； 2-胎体； 3-钻头体； 4-水槽
图4.7 切削具底出刃和补强示意图 1-切削具； 2-钻头体； 3-补强
取值方法：
硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取 大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。
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底出刃的排列方式：
钻头的底出刃可以排成平底式，也可以排成阶梯式。后者可使孔底 岩石破碎成台阶形（图4-8），即在孔底形成掏槽。这样为上面一排切 削具破碎岩石创造了第二个自由面，使体积破碎更容易。尤其对具有一 定脆性及较硬的岩层效果更佳。
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② 切削具出刃
切削具出刃指的是切削具 在钻头体表面（内、外和底唇 ）突出的高度（尺寸）。
切削具破碎形成的断面 空间尺寸，必须大于钻具中任 何尺寸，钻进才能进行。
切削具出刃量直接影响钻 进破碎效率和钻头寿命，其大 小取决于岩石的硬度、均质性 和耐磨损程度。
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① 材料成分
♦主要成分：碳化钨（WC），含量一般占85～97%。
碳化钨硬度高，耐磨性强，耐温性也比较好；在钻探切削具中用 作骨架材料。
♦次要成分：钴（Go），含量一般占3 ～ 15%。
钴的硬度也很高，钴在钻探切削具中用作粘接材料，其功能是固 结碳化钨颗粒，由于其充填在碳化钨颗粒之间，就使其具有了较好 的韧性，抗弯能力提高。
硬地层取小值，软地层取大值；完整地层取小值，破碎地层取 大值；研磨性弱取小值，研磨性强取大值。
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◆底出刃 功用：
保证切削具切入深度、为冲洗液冷 却切削具和排除孔底岩粉提供通道。 底出刃的概念应包括出刃大小和底刃 排列方式两方面的内容。
取值范围：
一般取 2-5毫米，具体根据地层 情况确定。
切削具出刃较大，对钻压、转速、水量等不是那么敏感，要求不需 要非常准确，故钻进操作容易； 由于碎岩过程比较平稳，钻机规程参数也好掌握、易调整，故操作 容易，使用的人自然就多，这也是其使用范围广、用量大的原因之一。
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③ 切削具在钻头上固定，可适应于多种钻进工艺 和钻孔条件。
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4.5 硬合金钻头的结构与功用
钻头的结构是指钻头各部结 构形状和尺寸，是钻头技术性能 的集中体现。
① 钻头体
钻头体又称空白钻头体。它是切削具的支撑体，通过其把轴载和扭 矩传递给切削具，承受切削具破岩的反作用力和孔底的动载效应，并长 时间处于孔底的摩擦环境中。 钻头体用DZ-40地质钻探用无缝钢管制成，一般由专门工厂制造。 钻头体上端加工有与岩心管连接的外螺纹，其内壁加工有为卡取岩心设 计的内锥度。
4.4 硬合金钻进特点及应用范围
① 切削具材料性能较好，适应岩层范围广。
硬合金的硬度高（HRC87~92，比莫氏硬度9级的刚玉硬度还高 ）， 强度和耐磨性适中，可以适应几乎所有Ⅰ—Ⅶ级的软——中硬岩层及部 分Ⅷ级岩层钻进。这一级别范围的岩层在地壳中最多，所以其使用范围 最广、用量最大。但是，由于耐磨性只是中等，容易磨钝，故不适用于 坚硬、研磨性强的地层。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
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4.3 硬质合金钻进的孔底碎岩过程
① 塑性岩石的孔底破碎过程
单向力作用：
切削具切入条件： Py≥HyF0 （Hy--岩石压入硬度；F0--切削具刃尖与岩石接触面积。）
双向力作用下的破碎过程：
硬合金切削具在轴向压力Py作用下切 入岩石，同时在回转扭矩产生的横向推力 Px的作用下压迫“前面”的岩石，使之发 生塑性变形，不断向自由面滑移。