第二章 回转钻进用钻具及钻头.

处和零断面附近。
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四、钻杆柱的工作状态
在起下钻时，钻杆柱不接触孔底，整个钻杆柱处于悬持 状态，在自重作用下，钻杆柱处于受拉伸的稳定状态。 在正常钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和由于自重失稳 而产生的某些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。 这些偏心质量在回转运动中产生离心力，更促使钻杆柱弯曲。 与此同时，钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压主要依赖 于钻杆柱自身的质量，多余的部分由钻机提拉而减压；如果 压力不足，则需靠钻机补充（即所谓加压钻进）。 在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下，钻杆柱轴线 一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。
影响切入深度的主要因素有： (1) 岩石破碎工具上的轴向力大小；
(2) 岩石的物理力学性质及破碎下来的岩屑从孔底清
除的速度；
(3) 切削具的硬度、几何形状及其在钻头工作唇面上
的布置方式； (4) 钻头的转速与切削具的磨钝程度。
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（一）塑性岩石的孔底破碎过程 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（最小等于）岩石的极限抗压入硬度，即： Py≥Hy· F0 式中：Hy--岩石的压入硬度；F0--切削具刃尖处与岩石的接触面积。
外
加 厚 60 73 89 48 59 69 6.0 6.0 8.0 7.99 11.4 19.48 1.5 2.5 3.5 86 105 118 140 165 165 2.7 4.7 5.2 86wenku.baidu.com105 121 44.5 68 50 50 241 355 310 280 481 533
除单独说明者外，表中单位均为mm。
89
88 87 87
1500
1750 2000 2000
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 耐磨性最差，冲击韧性最高，适于冲击 回转凿岩
注：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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选用硬质合金切削具的基本原则：
硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。 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： 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，它在钻头体上的出刃应大些。
在回转水平力的作用下沿孔底破碎岩石。轴向力和水平
力的共同作用导致孔底岩石以薄的螺旋层形式被连续破
碎。
回转钻进的机械钻速vm取决于切削具切入岩石的深 度和钻头转速：vm=60n· m· h1 式中：n--钻头转速，r/min；m--钻头上切削具个 数；h1--每个切削具每转切入岩石的深度。
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J--钻杆柱横断面的轴惯性矩，cm4。
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钻杆柱在孔内的实际弯曲状态：螺旋弯曲。 钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式： （1）钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）。钻杆柱自转时 在整个圆周上与孔壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲 应力的作用。 （2）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动（公转）。钻 杆柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生一边偏磨。 （3）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转，但不是沿着孔壁滑动而是沿 着孔壁反向滚动（公转与自转的结合），钻杆柱同时围绕自身 轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的作 用，但循环次数比第一种形式低得多。
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第二节 硬质合金钻头
机械式钻进方法主要有： ① 硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻头回转钻进（伴有循环冲洗介 质）和长螺旋回转钻进（干式）；
② 采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进；
③ 钢丝绳冲击钻进； ④ 振动钻进。 选择回转钻进用钻头的一般原则是：在软岩和中硬岩层中用硬 质合金回转钻头；在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头； 在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头；在硬脆岩层中采用镶齿牙轮 钻头。
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半波长：把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向长 度称为半波长，以l表示。 根据萨尔基索夫的理论推导，距零断面距离为Z处的半波长可 按下式计算。 （m）
式中： q--钻杆柱在冲洗液中单位长度的质量，kg/m； ω--钻杆柱转速，r/min；
Z--所求断面距零断面的距离，在零断面以下压缩部分取负号，反之 取正号，m；
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表4-1 YG类硬质合金的性能表
化学成分（％） 合金牌号 WC YG3x YG4c YA6 YG6 YG6x 97 96 91～93 94 94 Co 3 4 6 6 6 密度（g/cm3） 15.0～15.3 14.9～15.2 14.4～15.0 14.6～15.0 14.6～15.0 物理机械性质 硬度 抗弯强度 （HRA） （MPa） 92 90 92 89.5 91 1050 1400 1400 1400 1350 特性及用途
主动钻杆
又称机上钻杆，位于钻杆柱的最上部，由钻机立轴或动力头的 卡盘夹持，或由转盘内非圆形卡套带动回转，向其下端连接的孔内 钻杆传递回转动力矩和轴向力。主动钻杆的断面尺寸大，便于卡盘 夹持回转，不易弯曲，其断面形状有圆形、两方、四方、六方和双 键槽形。常用的主动钻杆长度是4.5m或6m。
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当磨锐式钻头上的切削具未磨钝时，切入深度可用下式表达：
异径接头：是用来连接岩心管和钻杆柱的。
取粉管：用于岩粉量大，冲洗液不足的情况下，收集大粒 岩屑。在钢粒钻进中，必须带有取粉管。
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钻铤
在大口径钻进中常会用到钻铤。钻铤直径大于钻杆，位于钻 杆柱的最下部。其主要特点是壁厚大（相当于钻杆壁厚的4～6 倍），具有较大的质量、强度和刚度。钻铤的主要作用是：① 给 钻头施加钻压；② 保证复杂应力条件下的必要强度；③ 减轻钻头 的振动，使其工作稳定；④ 控制孔斜。
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一、钻探用硬质合金的特性
通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料，它 的高硬度保证了硬质合金的耐磨性；钴粉为粘结剂，保证了硬质合 金的韧性。
表4-1中列出了YG类硬质合金的性能对比资料。由表中数据可 知，随着含钴量的增大，硬质合金的耐磨性有所减弱，而抗弯强度、 冲击韧性有所提高。在成分相同的钨钴类硬质合金中，WC的颗粒 越细，则硬质合金的硬度越大，耐磨性越强。反之抗弯强度提高， 韧性增强。 实践证明，采用含钴量不高的粗颗粒硬质合金切削具有助于提 高钻进效率，并保证一定的钻头寿命。
表2-1 钻杆钢管的力学性能(不小于表中数据)表
钢级 DZ40 DZ50 DZ55 DZ60 DZ65 DZ75 屈服点σs(MPa) 400 500 550 600 650 750 抗拉强度 σp(MPa) 650 700 750 780 800 850 伸长率δs(%) 14 12 12 12 12 10
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（ 4 ）纵振、扭振与摆振 孔底跳跃式的破碎岩石（尤其是冲击钻进、牙轮钻进或冲 击回转钻进破碎岩石的条件下）会引起钻杆柱的纵向振动，在 中和点附近产生交变的轴向应力。当产生共振时，钻杆柱容易 疲劳破坏。当孔底岩石对钻头的回转阻力不断变化时，会引起 钻杆柱的扭转振动，从而产生交变的剪应力。在某一临界转速 下，钻杆柱会出现摆振，其结果是迫使钻杆柱公转，引起钻杆 柱严重的偏磨。 由以上分析不难看出，钻杆柱受力严重部位是下部、孔口
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第二章 回转钻进用钻具及钻头
• 第一节 • 第二节 岩心钻具的组成 硬质合金钻头
• 第三节
• 第四节
金刚石钻头
钢粒钻头
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第一节 岩心钻具的组成
一、钻具各部分名称及作用
钻具：钻头+岩心管+异径接头+取粉管+扶正器（或扩孔器） +钻铤+钻杆+和主动钻杆+水接头等组成。 岩心管：是在钻进时容纳岩心的，同时也承受和传递钻压 和扭矩，带动钻头工作。岩心管的长度限制了回次进尺的长度。
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3、钻杆柱的连接方式
图2-1 钻杆柱的连接方式
1-内丝钻杆; 2-外丝钻杆; 3-公锁接头;
4-母锁接头; 5-接箍
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3.1 螺纹连接
钻杆对连接螺纹的要求十分严格。钻探管材螺纹
是专门设计的，并已定为国家标准（GB3423-82）。
一般钻杆采用螺距4～8mm每边倾斜5°的梯形螺纹， 为了防止应力集中，螺纹根部有规定的圆弧角。螺 纹部分承受着交变应力，所以它既要有足够的强度， 又要能在经常拧卸中耐磨。同时钻管中承受着冲洗
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（ 2 ）扭矩
钻进中钻杆柱受到扭矩的作用，在钻杆柱各个截面上都产 生剪应力。 钻杆柱在孔口处承受的扭矩最大，在孔底最小。 （ 3 ）弯矩与离心力 已经弯曲的钻杆柱在轴向力的作用下，将受到弯矩的作用， 如绕自身轴旋转则会产生交变的弯曲应力。如钻杆柱公转，则 产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯曲变形。
岩土钻凿工程学Ⅰ 表2-2 普通钻杆及其连接的主要规格［YB235-70］
钻杆 加 厚 方 式 内 加 厚 42 50 60 32 39 48 3.0 4.5 4.5 4.56 6.04 7.99 0.65 0.96 1.44 57 65 75 130 140 140 1.4 1.7 2.04 57 65 75 22 28 38 40 45 50 165 190 215 230 255 290 355 395 445 外 径 内 径 长 度 (m) 每米质量 (kg/m) 附加量 (kg/根) 外 径 长 度 质 量 (kg/ 个 外 径 内 径 切 口 宽 公锁 接头 长 母锁 接头 长 连接 后全 长 接箍 锁接头
液流的高压作用，要求在钻杆接头端部有专门的端
面密封。
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3.2 焊接连接
这种钻杆的两端与钻杆接头之间用焊接的方法连接起来， 接头之间再用螺纹。在水井、地热井钻进中常采用烘装焊接 连接方式的钻杆，在金刚石绳索取心钻进中则采用对焊连接 的钻杆。
为减少升降工序中拧卸钻杆的次数与时间，由2～4根钻 杆连接成立根，一次升降一个立根，在钻孔过程中不再卸开。 为便于拧卸，立根之间用两个一组的公母锁接头连接（图21），其外径与接箍相同。为了升降钻具拧卸与挂提引器方 便，公母锁接头上均开有方切口。公母锁接头上的连接螺纹 锥度大、螺距大，自动对中好，拧卸省力又省时。
耐磨性最好,冲击韧性最差,用于金属切削 适用于均质和软质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 细粒合金，强度接近YA6，耐磨性较 YA6高
YG8
YG8c YG11c YG15
92
92 89 85
8
8 11 15
14.0～14.8
14.0～14.8 14.0～14.4 13.9～14.1
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。
针状和薄片状硬质合金：主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层 或研磨性岩石中使用。
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二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程 回转钻进时，切削具在轴向力的作用下压入岩石，
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三、钻杆柱的受力
（ 1 ）轴向压力和拉力 当钻孔达到一定深度时，孔内钻杆柱的重力已 超过了钻头所能承受的钻压值，则必须减压钻进。 即上部钻杆柱受拉，其中孔口处拉力最大，向下逐 渐减小；下部钻杆柱受压，孔底压力最大（图23）。在某一深处轴向力等于零，称之为零断面或 中和点。在施工中我们应该设计使中和点落在刚度 大、抗弯能力强的钻铤上，保证上部的钻杆处于受 拉伸的稳定状态。即使在小口径的条件下不可能使 用钻铤，也应避免落在强度和刚度较弱的旧钻杆上， 轴向力分布示意图 以免加剧其受压弯曲，在自转中造成疲劳破坏。
二、钻杆柱
1、钻杆柱的功用：
（1）钻压和扭矩传递给钻头；
（2）提供输送冲洗介质的通道；
（3）钻杆柱还是提取岩心的通道。
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2、钻杆柱的材质：
常规的钻杆由不同成分的合金无缝钢管制成，合金成分有Mn、 MnSi、MnB、MnMo、MnMoVB等，并且限制磷、硫等有害成分 不得大于0.04%，按照GB3423-82的规定，用作钻杆柱的钢管力学 性能如表2-1所列。