岩土钻掘工程课件

第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
0、硬质合金钻进的基本概念与特点 1、硬质合金钻进的基本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的 工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法， 它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、 中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。
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（一）塑性岩石的碎岩情况
1、切入岩石的过程
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或至少等于岩石的抗压入硬度。
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。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
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2、选用硬质合金切削具的基本原则 合金切削具形状主要有：薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。
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选择切削具形状的一般原则是： （1）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； （2）柱状硬质合金：抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适
（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，切削具切入需要很大的轴向力，而在双
向力的同时作用下实际的Py力为（1/6~1/13）。 碎岩显著特点：以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：
1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。 2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。
生塑性变形并不断地向自由面滑移——切削作用。 在切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前，下一切屑又发生滑移。因
此切屑是连续、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽相同。 实际上，由于振动、冲刷，岩屑将碎裂并被冲洗液带至地表； 在Py 和Px 共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的
更深。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
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3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部 分被压成粉状）；同时，Px 力急剧增大，当Px 力达到极限值时， 产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。
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切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环 过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，B1为大 剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。
塑性岩石中，切削具切入岩石如图示（切削具未磨钝），根据各力的平衡关系，可推导出切入深度的关 系式：
Py
h 式中：Py——切削具上的轴0 载力，N；
bH tg b——切削具的刃宽，mm； y
β——切削具的刃角，度； Hy——岩石的压入硬度； η——摩擦力影响系数（η小于1）。
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一、钻探用硬质合金 1、硬质合金的特性 （1）钻探用的钨(WC) -钴(Co)合金,以碳化钨粉末为骨架，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。
称为YG类合金。 （2）牌号的意义：如YG8c：YG—钨-钴系硬质合金；8—钴的百分含量为8%；c（x）—粗（细）粒
合金。 （3）硬质合金特性： 含钴量↑——相对密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗弯强度↑,冲击韧性↑； WC的颗粒↓——硬度↑,耐磨性↑； 反之WC的颗粒↑——则抗弯强度↑、韧性↑。
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第四章 回转钻进用钻头
岩土钻进（井）方法绝大多数是机械方式，主要有： ① 伴有循环冲洗介质的硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻头
回转钻进和长螺旋干式回转钻进； 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。 使用最广泛的是回转钻进。冲击回转钻进是在回转的基础上增加孔底冲击载荷；钢丝绳冲击钻进
主要用于水井施工；振动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤和软岩中打浅孔（工程施 工）。
第四章 回转钻进用钻头
回转钻进选择钻头的一般原则是： ① 在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头； ② 在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头； ③ 在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头； ④ 在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。 ⑤ 金刚石钻头主要用于59、76（75）、91 mm的小口径； ⑥ 钢粒钻头主要用于91mm以上的口径； ⑦ 硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径，又可钻进大口径水井、工程施工孔和浅井。
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综上所述，用切削具破碎弹-塑性岩石时，在每个剪切循环中和各个循环之间，水平力Px都是跳 跃式；而在塑性岩石中，水平力Px 没有显著的变化，基本上是常量。
三、硬质合金切削具的磨损 1.关于切削具磨损和钻速问题的研究 费得洛夫得出磨损曲线。反映切削具单位时间磨损量W与
Py
h 上式表明：
0
bH t g 塑性岩石的切入深度h0与轴向力Py成正y比，而与切削具的刃
角β、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。
虽然β角越小切削具刃尖切入岩石越容易，但如果β很小则切
削具会很快崩裂，实际上β角的最小值为45°～50°。
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2、回转切削过程 切削具切入岩石并回转，在水平力Px作用下，压迫前面的岩石使发
用于Ⅳ～Ⅶ级中硬岩石；八角柱状合金的抗崩能力强，利于排粉 和破岩，并易于焊牢，在裂隙发育和较硬地层中应用广泛；
（3）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、硬合金钻进的孔底碎岩过程 硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下， 压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩； 在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋 层形式连续被破碎。Vm=60nmh1 根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑 性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。
切削具刃端面积上比压σ 关系。在分界点σ=σ0前后属于两 种不同性质的磨损 。
第一节 硬ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ合金钻进孔底碎岩过程
(1) 曲线Ⅰ σ<σ0，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎状态。切削具单位磨损量W正比于切削 具上的比压σ ;