第二章 硬质合金钻进.doc

第二章 硬质合金钻进 图 21 硬质合金钻具1合金钻头；2岩心管；3异径接头；4钻杆接头；硬质合金钻进是把不同几何形状和一定尺寸的硬质合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上，并按一定钻进规程破碎岩石而钻孔的方法。硬质合金块是一种很硬的、强度很高的合金材料，最初应用于金属切削工具上，二十世纪初开始应用于采矿和石油钻井以及地质勘探钻孔作业中。目前我国和世界各国在石油钻井和地质勘探钻孔中已广泛应用硬质合金。硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年的钻探工作量，用硬质合金钻进法完成的约占60%；在煤田地质勘探中约占80%。硬质合金钻进，一般适用于可钻性为16级及部分78级的岩石。钻孔直径为35.5mm直至2000mm，常用的钻头直径为75、91、110、130、150mm等规格。硬质合金钻进可钻进任何角度的钻孔。其钻具组装如图 21所示硬质合金钻进的优点是：在软岩及中硬岩石中钻进效率高，钻进质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻进操作简便，钻探方法灵活，应用范围广泛。一般情况下，影响硬质合金钻进效率的主要因素有：岩石的性质、硬质合金钻头的质量及钻进时的操作技术和钻进规程等。第一节 硬质合金钻进原理硬质合金钻进是以坚硬的硬质合金作切削具来破碎（切削）岩石，即在轴向压力和钻具回转力作用下，由硬质合金克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。我们研究硬质合金钻进时，应研究以下四个过程；(1)硬质合金钻头通过轴心压力和钻具的回转作用，克取破碎孔底岩石；(2)被克取破碎的岩石颗粒由注人孔内的冲洗液排出孔外；同时，冲洗液还起着冷却钻头的作用；(3)钻进过程中，在岩石被克取破碎的同时，合金本身不断磨钝和磨损因此必须定时更换钻头；(4)钻进过程中必须定期采取岩(矿)心。在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研究硬质合金钻进原理时应重点研究硬质合金钻进破碎岩石的过程和硬质合金本身的磨损问题。硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即塑性岩石破碎过程和脆性岩石破碎过程。前者是将岩石破碎过程看成具有明显的高塑性，因而钻进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后者考虑到岩石破碎过程中存在着脆性破碎，因而是在孔底碎岩机理的基础上进行分析。硬质合金钻进的基本情况如图 22所示。钻进时，合金受到两个力的作用。即轴心压力Py和回转力Px。当轴心压力Py达到一定值后，合金对岩石的单位压力超过岩石的抗压入阻力，合金便切入岩石一定深度h0；与此同时，在回转力Px的作用下，向前推挤岩石，如岩石较脆，则受力体被剪切推出；若岩石较软呈塑性体，则合金前部的岩石便被切削去一层，孔底工作面呈螺旋形式而不断加深。图 22硬质合金钻进的基本情况Py轴向力；Px回转力；h0含金切人深度；b切削宽度(切削具宽度)图 23 合金切入塑性岩石时的受力情况Py轴向力；刃尖角；h0切入深度;刃尖切入角;N1后面轴正压力;N2前面正压力;摩擦角;tag摩擦系数钻进塑性岩石时，只有加在合金上的轴心压力C0大于与岩石接触面上的抗压入强度时才能切入。即：C0S0式中：岩石的抗压入强度；S0合金刃与岩石的接触面积。钻进时，机械钻速主要取决于合金切入岩石的深度；而切入深度则取决于轴心压力C0和岩石性质，并与钻头的转数、合金数量及其几何形状有关。钻头上的合金(切削具)切入岩石时的理想受力情况如图22所示，在轴心压力G(即Py，)的作用下，合金开始切人岩石。由于岩石对切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿着与垂直方向呈交角的方向向下移动；角的值主要取决予岩石对合金间的摩擦系数和刃尖角。在合金切人岩石的过程中，合金的后面与前面分别遇到法线阻力N1和N2(见图 23)；若将这些力分别投影于z轴和y轴上时，解之，便可解得切人深度h0。与各种因素的关系：沿水平方向投影：化简后得： (21)沿垂直方向投影：则为： (22)在合金切人岩石时，当岩石的抗压人强度值为，则切削具后刃面上的单位压力为n：当合金后刃的宽度为b=R-r时(见)即可得N1，为：式中：R合金外环半径；r合金内环半径。将N2与N1代人式(01)中得：若设：，则有： (23)从上式中可以看出，切人深度h0与轴心压力C0成正比，而与合金的宽度b、刃尖角以及岩石的抗压入强度成反比这在塑性岩石中是符合实际情况的。当合金切人岩石，并作回转运动时，其水平方向所需的力为：在Px作用下压迫并切削前面的岩石，使之发生塑性变形，并不断向自由面之前滑移切削。钻进时的切削过程是平稳的、连续的，并且其切削槽宽与刃宽基本上是相等的，如图 24所示。知道h0值后，假如合金未被磨钝(实际上是逐渐磨钝的)，且钻头上合金数目为m颗，如钻具的转数为n时，则可计算在t时间内的，进尺数l为： (24)钻进脆性岩石时，合金（切削具）以轴心压力C0向下切入岩石，当合金与接触面的压强大于岩石的抗压入强度时，则岩石发生脆性剪切，剪切体向自由面崩出而呈现kok破碎穴，如图 25所示。图 24 切削具与切削环槽1切削具；r环槽内经；R环槽外经图 25 合金切入脆性岩石Py轴向力；h0切入深度；kok崩落岩屑当合金切入岩石h0深度后，在水平力Px的作用下，产生水平剪切过程：首先将岩石块abc（图 26）剪切掉，此时称为大剪切。当合金继续前进时，合金刃尖前端不断产生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑；经过不断的小体积剪切后，合金刃前与岩石接触面逐渐增大，直至又达到ab全面接触时，然后又产生一次abc大剪切。因此，在脆性岩石中回转切削的过程，是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程。同时，合金两侧的切削槽宽也发生大小不同的变化。当发生小剪切时，切削糟窄；当发生大剪切时，槽的宽度增大。从岩面上看，切削槽的宽度基本上是有规则地变化着。切削糟的底面也是不平整的，随着大小剪切的交替进行，底槽深度也是高低不平，呈起伏状态。合金在孔底破碎岩石的同时也被磨损，因而钻头上的合金在钻进开始和终了时的情况不同。合金随着进尺数的增加被磨损而变钝，因而机械钻速逐渐下降。钻进时，我们不但要求有较高的机械钻速，而且还要求有较高的回次进尺和台班效率。因此，必须尽可能地掌握钻进规律，使钻头有较长的钻进时间。所以，研究钻进中硬质合金的磨损，就成为合金钻进中的一个重要问题。图 26 脆性岩石的切削过程Py轴向力；Px回转力； h0切入深度；abc大剪切体；abc第二次大剪切体；合金侧刃崩落角；B1大剪切岩石槽宽图 27 切屑刃的磨损Py轴向力；h0切入深度；合金刃角；y沿高度的磨损；h实际切入深度合金被磨损的强烈程度，取决于所钻岩石的研磨性、合金性质及钻进规程等。一般情况下。认为合金的磨损体积V可以下式表示(见图 27)： (25)式中：V合金的磨损体积；y一合金的磨损高度；合金的刃尖角；R-r合金的宽度。合金的体积磨损还可用下式表示： (26)式中：A合金与岩石的摩擦功；合金之体积磨损系数，即合金抗磨性能的系数，其意义为单位摩擦功所磨损的合金体积。当转数n为r/min，时间t为min时，则： (27)式中：f岩石与合金的摩擦系数；R+r钻头平均直径。将上式代入式(2-5)和式(2-6)可得：图 28 切屑刃的磨损的实际磨损情况y切屑刃磨损高度；y内切屑刃内侧磨损高度；y外切屑刃外侧磨损高度；l刃端磨损高度；l内切屑刃内侧磨损宽度；l外切屑刃外侧磨损宽度；b环槽宽度；r环槽宽度；R环槽宽度；即： (28)当钻进t分钟后，合金的直线磨损为y时，则： (29)所以：钻进时，合金磨损至y=h0，则合金钻头停止工作，即： (210)解上式，即可得到合金钻头在孔底工作的最大时间为：图 29合金磨损的理想情况与实际情况Py轴向力；Px回转力 (211)从上式可以看出影响合金磨损和钻头在孔底耐久性的各种因素及其相互关系，但上式仍是理想情况下所得。故必须在合金钻进时经常注意地层情况的变化，掌握合金磨损的特点。实际上切削刃在孔底的磨损是不均匀的。钻进时，切削刃沿高度的磨损使内外刃的负担加重，所以磨损大于中部，而外刃磨损又大于内刃。由于内外刃磨损较重，所以内外侧刃端磨损的厚度也较大，如图 28所示。切削刃的前缘负担较重，因而磨损也较重；同时，切削刃的后缘在回转运动中受岩屑和岩面的研磨会产生自磨现象；合金刃尖角和孔底螺旋面倾角愈大，则这种自磨现象愈明显。因此，切削刃端不是平面磨损而是呈圆弧形磨损，如图 29所示。也就是说，合金切削刃在孔底有自锐的磨损作用，这种磨损作用是对钻进有利的。在实际钻进工作中，用冲洗液冲孔时，对合金切削刃有一定的润滑作用，可减少合金的磨损。同时冷却钻头合金，并使孔底保持清洁，对减少合金磨损会起重要作用。第二节 钻探用硬质合金一、硬质合金的种类和性质钻探用的硬质合金，主要是碳化钨（WC）钴（Co）类压结式合金。其主要成分是碳化钨，它以碳化钨粉为骨架，以钴粉末做胶结剂，经粉末冶金方法压制烧结成各种型式，然后将其镶焊在钻头体上，制成各种型式的钻头。这类硬质合金统称为YG类硬质合金，亦称钨钴合金。一般情况下，要求硬质合金具备以下性能：（一）硬度一般岩心钻探用的硬质合金，其硬度应大于HRA50。（二）韧性因钻进用的钻杆是弹性体，而所钻岩石又大都是非均质的，故钻进时孔底载荷变化很大，所以要求合金的抗弯强度大于1150MPa。（三）材料应成型，以便易于镶焊在钻头上。（四）应有一定的热硬性和导热性，以减少合金的磨损，延长钻头的寿命。钻进时应根据岩石性质和使用条件，合理地选用硬质合金的牌号及型式。供地质勘探用的YG类硬质合金，其物理机械性质及特性见表 21。表中所列各种牌号：第一个字母Y表示硬质合金；YG表示碳化钨-钴类（WC-Co）硬质合金；后面的数字表示其含钴量；数字后面的字母C表示粗晶粒；X表示细晶粒。A表示加有碳化铌。例如YG6x表示含钴6的细晶粒钨钴合金；YG8c表示含钴8的粗晶粒钨钴合金。YG类合金中含钴量越高，韧性和抗弯强度越高，但耐磨性下降；碳化钨粉末的粒度愈细，则硬度愈高，而抗弯强度愈低；反之亦然，抗弯强度以YG11c合金最高。表 21 YG类硬质合金的性能表合金牌号化学成分(%)物理机械性质特 性 及 用 途WCCo密度(g/cm3)硬 度(HRA)抗弯强度(MPa)YG3x97315.015.3921 050耐磨性最好,冲击韧性最差,用于金属切削YG4c96414.915.2901 400适用于均质和软硬互层地层中回转钻进YA69193614.415.0921 400加有少量Tac成分,提高了硬度YG694614.615.089.51 400适用于回转钻进,使用效果仅次于YG4cYG6x94614.615.0911 350细粒合金,强度接近YG6,耐磨性较YG6高YG892814.014.8891 500地质勘探和石油回转钻进用主要品种YG8c92814.014.8881 750粗粒合金,冲击韧性较高适于冲击回转钻进YG11c891114.014.4872 000耐磨性最差,冲击韧性最高,适于冲击回转凿岩YG15851513.914.1872 000二、硬质合金的型式岩心钻探用硬质合金的型式，应具备以下条件：切削刃尖，接触面小，便于切入岩石；有较大的强度和耐磨性，抗崩、抗磨；具有适当的尺寸和形状，能与钻头体牢固焊接；合金磨损后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自锐作用）。岩心钻探用硬质合金已有定型产品，其型号、尺寸及使用条件见表 22所列。表 22所列硬质合金的定型产品，可分为两大类，即：磨锐式合金和自磨式合金（见图 210）。图 210 地质勘探用硬质合金S3矩形薄片；S4直角薄片；T0直角薄片；T1八角柱状合金；T2针状合金；T3方柱状合金；T4菱形薄片；T5锥片柱状合金（一）磨锐式硬质合金磨锐式硬质合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），钻进时刃尖角的断面逐渐增大，其几何形状有：（1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三种，如图 210所示。常用的T0、T4和S3、S5 型。厚度一般小于36mm，易切入岩石，但强度和耐磨性较差，多用于14级软岩或均质岩石中钻进。其中S3型多用于刮刀钻头，S5型多用于油井钻进的刮刀钻头。表 22 岩心钻探用硬质合金型号制品号名称尺寸/mm重量/g使用条件BLCDHAYG8YG8cYG11cYG4cYG6xK41K411K413K414薄片状合金矩形薄片3681520201.5461.06.913.81.07.114用于刮刀钻头补强直角薄片45681015202020203.646682.35.49.110.719.32.455.28.710.018.7适于钻进软岩K51K511K512X513K51557.58.51071081433341.43.052.881.53.152.858.10适于钻进软岩K52K521K522菱形片8.512342.88.62.858.702.98.8适于钻进软岩K53K531K533K534棱柱状合金八角柱562.257.214.82.36.915.0适于钻进中硬岩K57K571K572K573方柱555810132.663.34.22.73.44.3适于钻进中硬岩锥片柱88816161610121415.118.221.214.617.620.5K56K561K562针状合金1011512011.81.82.00.10.50.70.60.70.90.50.60.8适于自磨式钻头（2）楞柱状合金：有八角柱 （T1型）、方柱（T3型）和锥片柱状（T5型）三种，如图 210所示。钻进时，柱状合金与岩石的接触面较大，其强度和耐磨性都较大，故多用于 4-7级中硬岩层。其中，T1型合金可用于较硬岩层，T5型合金用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎岩石、便于排除岩粉、抗磨能力强和易于焊牢等优点。八角柱合金有超前刃，切入岩石阻力小，有掏槽作用，又可使岩粉顺切削具两侧排出，减少磨损；而且具有近圆弧状切削刃，可使磨损均匀，也就是说，磨损后还成弧面，仍能保持切削能力（如图 211所示）。另外，八角柱合金采用钻圆眼镶焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圆眼镶焊，则空隙过大，而采用刨槽焊接，在钻进中很易崩落，如图 212所示。图 211 八角柱与方拄状合金切削情况比较图 212 八角柱与方拄状合金镶焊情况（二）自磨式硬质合金自磨式合金没有刃尖角，其本身断面小，所以在轴心压力下能吃入并破碎岩石。磨损后合金断面不增加，也就是说，钻进时合金不被磨钝。自磨式合金有圆柱状和片状两种，多用于研磨性较大的坚硬岩层，常用的自磨式合金为T2型，见图 210。第三节 硬质合金钻头岩心钻探用的硬质合金钻头，可分为取心钻头和不取心钻头两大类。将一定数量的硬质合金，按特定形式排列在钻头上，可构成品种繁多的钻头类型。决定钻头形式类型的因素，称为硬质合金钻头的结构要素。合金钻头的结构要素有：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃及排列方式、合金的镶焊角度、钻头水口、水槽的形式和数目等。为提高钻进效率和质量，必须根据岩石性质对钻头结构进行分析，以便合理地选择和设计不同类型的钻头。一、合金钻头的结构分析（一）钻头体（空白钻头）钻头体是由DZ-40地质钻探用无缝钢管制成。丝扣为地质专用特殊梯形扣，钻头上端内壁有一定锥度，以便卡取岩心。空白钻头的同心度、各端面与中心的垂直度以及各尺寸间的相互关系都应严格要求；否则会直接影响钻进效率和质量。空白钻头的结构如图 213所示，各种钻头的规格尺寸见表 23。图 213 空白钻头的结构表 23 钻头的规格尺寸aDD1D2dd1d232558.5-0.1245.5+0.348.5+0.152-0.1250.5-0.125032575-0.1261+0.364+0.368-0.1266.5-0.126632591-0.1477+0.680+0.584-0.1482.5-0.1482325110-0.1695+0.699+0.5103-0.16101.5-0.1610114728130-0.16116+0.6118+0.6122-0.16120.5-0.1612014728150-0.16135+0.6137+0.6141-0.16139.5-0.16139（二）钻头上合金的数目影响钻头上合金数目最优值的因素很多，目前还不能用理论公式来表示。一般情况下，在确定合金数目时，要综合考虑钻头直径、钻探设备能力、钻进规程、岩粉的排除及合金的冷却等条件。从理论上分析，只要保证每个合金在钻进某种岩石时的轴心压力值，合金数目的增加与钻速应成正比。但在生产实践中，情况并不如此，合金数目过多反而会使钻速下降。其原因是过密的合金（或合金组）会使合金之间的距离缩小，使岩石在大剪切时体积破碎的过程受到限制，而使岩石破碎的体积减小，钻速下降。在确定或设计钻头上合金数目时，应考虑以下因素：（1）在一定的岩性条件下，合金之间的距离应有一定值，以保证碎岩时能产生大剪切体进行体积破碎。（2）在保证每个合金所需压力的情况下，在一定范围内增加合金数目就等于增加同时工作的切削量，可以提高钻进速度。（3）确定合金数目时，还应考虑钻头体上所允许的水口数目，以保证每个合金的完全冷却与冲洗。（4）研磨性大的岩石，要适当增加合金数目，以保证每个合金的体积磨损量不致过大。（5）由于合金体积的磨损量与合金切削运动的路程有关，所以大口径钻头在相同转数条件下，应适当增多合金数目；钻头的外沿亦应比内沿合金数目多；或增加补强合金以保持钻头内外沿合金体积磨损量大致相同，以避免钻孔缩径。确定钻头上合金数目时，可参考表 24。表 24 钻头上合金数目/只岩石性质钻头直径mm58.57591110130150弱研磨性岩石研磨性及高研磨性岩石4545465666868810810101210121214（三）钻头上的合金出刃钻进时，为了使合金能顺利地切入岩石，并保持冲洗液畅通，以及减少钻头体的磨损，合金必须突出钻头体一定高度，此突出部分则称为出刃。合金出刃有内出刃、外出刃和底出刃，如图 214所示。外出刃是在钻头体的外侧与钻孔侧壁之间留有一定的通水间隙；内出刃是在岩心的外侧与钻头体内侧壁之间留有一定的通水间隙；底出刃是切入岩石的深度h0和保持水流冲洗的高度h1之和，即底出刃 H=h0+h1，如图 215所示。钻头上内、外、底出刃的尺寸，应根据岩石的性质来确定：在软岩中钻进，所需轴心压力不大，为能使大量岩粉及时排除孔底，需要加大内、外、底出刃；在坚硬岩层中钻进，合金切入岩石浅，岩粉少，同时为减少回转阻力和弯曲力矩，避免合金崩刃，应减小内、外、底出刃。不同地层钻进时，硬质合金钻头的合金出刃量可参考表 35所列。图 214 合金钻头的出刃示意图图 215 合金底出刃，补强示意图表 05 合金钻头的合金出刃量岩石性质内出刃mm外出刃mm底出刃mm松软、塑性、粘性、弱研磨性中硬、强研磨性2-2.51-1.52.5-31.5-23-52-3（四）钻头上合金的排列方式合金在钻头上的排列形式，归纳起来可分成以下几种：1、按阶梯破碎方式排列图 216所示为多环阶梯式排列底出刃的孔底状况：图（a）是二环阶梯排列。内环合金比外环合金底出刃大，因而形成孔底阶梯状。图（b）是三环阶梯排列。中环合金是以超前方式比内、外合金的底出刃大，故可起到掏槽作用。图 216 阶梯式排列底出刃示意图图（c）是四环多阶梯排列。此种钻头所镶合金较小，故称小切削具钻头。图（d）是肋骨钻头的排列形式。肋骨刃与主刃高差较大。阶梯破碎方式排列合金的目的，是使孔底增多自由面，以提高破碎效果。在56级以上、研磨性较大的岩石中钻进时，要注意超前刃的过快磨损或折断；否则发挥不出理想的效果。2、按分区破碎方式排列图 217 合金单环排列图 218 合金分区破碎自由面的影响范围合金在钻头底面上的分布，除单环排列的（图 217）外，大都采取了分区破碎方式排列，如图 218所示。分区破碎方式排列的合金都呈内、外、中三环排列和四环排列（图 219）；合金排列的特点是沿钻头径向宽度以同心圆式排列，整个孔底宽度是按同心圆方式分区破碎的，每个合金只破碎一条环形孔底岩石。采用分区破碎能保证合金的稳定性，减少了合金破碎岩石的宽度，因此减轻了合金所承受的负荷，增加了合金的寿命和碎岩速度。很多现代高效率的钻头，往往是将阶梯式破碎和分区式破碎结合，组成多样化钻头。3密集式排列密集式排列主要用于研磨性岩石和较硬岩石的钻进，它以成组的合金比较集中地排列在一起，有堆状排列（图 220）和疏松排列（图 221）两种：前者每组合金堆集在一起，互相补强，前刃掏槽，后刃扩槽，如一个单元合金；后者每组合金成疏松的一组，可完成一个宽糟的切削量。图 219 合金多环排列图 220 合金堆状排列图 221 合金疏松排列图 222 合金的镶嵌角度Px 轴向力;Pz 回转力;前角;刃尖角;切削角;后角密集式排列的硬质合金钻头有很多优点，在我国应用较为广泛。（五）硬质合金的镶嵌角度硬质合金经镶嵌后所形成的各种角度，如图 222所示。合金的刃尖角（也称磨锐角）的大小，对钻头耐久性和钻速有很大影响。其大小应根据所钻岩性而定。切削角，也称镶嵌角。为便于切入岩石，合金的镶嵌角也不相同：切削角为900 的角叫直镶；小于900的叫正斜镶；大于900的叫负斜镶，如图 223所示。选择合金在钻头上的不同镶嵌角时，应考虑以下三点：图 223 合金在钻头上的各种镶嵌形式(a)直镶；(b)正斜镶；(c)负斜镶Px 轴向力;Pz 回转力;前角;刃尖角;切削角;h0 切入深度;Q刃前阻力（1）合金在切入岩石和回转时，应有较小的阻力；（2）钻进过程中随合金的磨损它与岩石的接触面不迅速增大；（3）在坚硬岩层钻进时，应使合金有较大的抗弯断面，以防崩刃。在选择合金镶嵌角时，应根据所钻岩石性质和钻进规程来确定，可参考表 26所列。表 26 合金镶嵌角岩石性质镶嵌角(切削角)刃尖角13均质软岩石7075455045均质中硬岩石7580506067均质中硬岩石80856070非均质、有裂隙软岩石90-108090（六）钻头的水口和水槽钻头上的水口、水槽主要作用是使孔底冲洗液畅通，并能及时冷却钻头和携带岩粉离开孔底。水口和水槽开得是否合理，直接影响着钻进效率和合金的磨损。通常每组合金应当至少开一个水口，水口的总面积大于钻头与岩心之间的环状间隙的面积，以免因过水面积太小而引起不必要的水头损失。水口的大小应能满足冲洗液畅通、很好地排除岩粉和及时冷却钻头的要求。一般在松软、膨胀、缩径等地层钻进时，应加大水口，甚至增加肋骨进一步扩大孔壁间隙，以保证正常冲孔。水口的位置应尽可能地接近合金的前边，以使冲洗液的流动中心靠近合金前棱。目前，各地质队应用的钻头水口形式（如图 224所示）。有矩形（a）、梯形（b）、半圆形（c）、偏斜形（d）及弧形（e）等。图 224 钻头水口形式钻头上的水槽和水口连接，其目的是补充增加钻头内、外环形间隙过水断面的不足。水槽有直槽和与顺钻头旋转方向成60-80的斜槽两种；水槽一般深1.52mm，宽710mm。二、硬质合金钻头的制造硬质合金钻头的制造工艺，对钻头寿命和钻进速度有很大影响。为此，要提高钻进效率和钻头寿命，必须提高钻头的镶焊质量。硬质合金钻头的制造过程是：（1）准备钻头体：将钻头体车圆、车丝扣。加工水口、水槽；（2）划定合金位置：在钻头体上将镶嵌合金的位置划好线，再用凿子打出记号；（3）开凿合金巢：镶焊柱状合金时用钻床进行钻眼。然后将剩余的薄壁凿通（外刃从外壁凿通，内刃从内壁凿通），巢的深度应能使合金嵌入后留出底刃的高度。镶嵌薄片合金时，可用刨床或铣床加工。（4）镶嵌合金片：将合金洗净压入合金巢，校正规格。用凿子使合金周边的钢料将合金固定起来。镶嵌敲打时，不得用铁锤直接敲打合金。（5）镶焊合金：镶焊工序是钻头制造过程中最主要的工序，它直接影响钻头的质量。最常用的方法是氧焊法（如无氧焊，可用带鼓风的炭炉进行加热），铜焊条的直径一般为26mm。加热前应将钻头丝扣用石棉包好，合金则以水浸湿，撒上加热的硼砂粉末，再将钻头加热到硼砂溶化的温度（800），然后再放上焊料；采用黄铜焊条时，加热到900950 ，用电解铜时加热至1100，当焊料注满空隙时即行取出，放于干砂或木炭灰中缓缓冷却。除上述方法外，还可采用铜液浸渍法进行镶焊，其程序为：将合金清洗干净嵌入钻头中，再放在7080的硼砂溶液中洗涤干净，在浸入铜液之前，应使钻头预热到200300。熔化黄铜应使用铁坩埚或石墨坩埚，溶化时加10%的食盐，溶化后再加0.5kg氧化钡，并搅拌一分钟，将表面溶渣清除。每焊100个钻头应清渣一次，清渣以后，必须按比例增加一些氧化钡和食盐。铜液浸渍法是将镶好的合金钻头浸入溶化的铜液中浸焊而成，此方法简单，效率高，加热均匀，不用氧气，能保证镶焊质量，比较适于在修配厂大批生产中采用。三、典型硬质合金钻头目前，硬质合金钻头种类繁多，用途各异，但归纳起来可分为两大类：一类是取心式硬质合金钻头，它的特点是钻头呈环状，钻进后能取出圆柱状的岩心，所以又称环状岩心合金钻头，这是岩心钻探最常用的一类钻头；另一类是不取心式硬质合金钻头。它的特点是钻头底部全面镶有合金，进行全面钻进不取岩心，所以又可称为全面合金钻头，这是钻进覆盖层、软岩最常用的一类钻头。取心式合金钻头又可根据钻进岩石的性质，分为磨锐式钻头与自磨式钻头两种，磨锐式硬质合金钻头镶嵌有可以修磨的磨锐式合金；这种钻头在钻进时合金会不断磨损而变钝，钻速也随之逐渐下降。自磨式硬质合金钻头镶嵌有小断面（薄片或圆柱状）的自磨式合金；这种钻头钻进时合金不被磨钝，钻速基本不变，见图 225和图 226。图 225 磨锐式合金和自磨式合金图 226 磨锐式合金和自磨式合金钻进曲线磨锐式合金钻进曲线自磨式合金钻进曲线在钻进时，应根据钻进地层的特点和要求及岩石的物理力学性质，来选择或设计硬质合金钻头的类型和结构。现将各种不同地层使用的典型硬质合金钻头介绍如下：（一）螺旋肋骨式钻头此型钻头采用K572型号硬质合金镶嵌制成，钻头外侧有三块与钻头底唇水平面呈45角的螺旋肋骨，材料为35号钢。其结构如图 227所示。图 227 螺旋肋骨式钻头1钻头体；2肋骨；3合金螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液呈螺旋状上升，这样就加速了孔底岩粉上升速度，保证孔底清洁，减少孔内阻力，从而提高了钻进速度。在使用此型钻头时，为使钻进平稳，避免钻孔弯曲，须采用特制的岩心管。螺旋肋骨钻头适用于24级松软塑性岩层、覆盖层。粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。这种钻头，经各队使用证明，在24级松软地层中钻进，能大大提高钻进效率。如某队在江西页岩夹薄层砂岩和结核岩层中使用，效果比一般肋骨钻头钻进效率提高11.5倍。当一般钻速达3.610-3 ms时，纯机械钻速可达(0.751.2)10-2m/s，最高达1.6210-2ms。螺旋肋骨钻头的规格尺寸见表 27。表 27 螺旋肋骨钻头的规格尺寸钻头直径/mmDD1dL肋骨数硬质合金数量152/11215013011610415132/921301109610341115112/7311091779.531193/579175618311（二）阶梯式肋骨钻头此型钻头采用K531型号硬质合金镶嵌而成，其特点是肋骨片较厚，水口宽大，钻进时的实际孔径相当于大一级的钻头直径，孔底为阶梯状。其结果如图 228所示。阶梯肋骨钻头适用于35级岩层，如页岩、矽页岩和胶结不紧的砂岩等。钻进时，阶梯肋骨进行扩孔，可保持一定的钻头内外间隙。使用该钻头钻进时的平均机械钻速为（69）10-4m/s，平均回次进尺为35m，钻头进尺1214m。阶梯肋骨钻头的规格尺寸见表 28。图 228 阶梯肋骨钻头表 28 阶梯肋骨钻头的规格尺寸钻头直径/mmDD1dL肋骨数硬质合金数量152/11215013011610414132/921301109610414112/7311091779.541293/579175618412（三）普通式（内外镶）硬质合金钻头普通式硬质合金钻头又称5513式硬质合金钻头，采用K573或K531型合金制成，内外出刃为12mm，底出刃为13mm，合金修磨之刃尖角为5060，可以直镶也可以斜镶，切削角为6590。其构造如图 229所示。以T573型合金镶制的钻头可用于中硬地层；以K531型合金镶制的钻头可用于坚硬地层；一般这种钻头广泛用于25级岩石中钻进，如均质石灰岩、大理岩、较疏松的砂岩及页岩等。在56级岩层中钻进，回次进尺2.56m，单位小时进尺2.53.5m，回次钻进时间可达11.5h。如采用510的八角柱状硬质合金钻进时，效果更为显著。普通式（内外镶）硬质合金钻头的规格尺寸见表 29。表 29 普通式（内外镶）硬质合金钻头的规格尺寸钻头直径/mm152/113132/114112/9493/7577/59D1501301109175d135116967761015015015015015合金数量1012108686图 229 普通式（内外镶）硬质合金钻头（四）大八角硬质合金钻头钻头采用K534型硬质合金制成，钻头壁厚10mm，合金内出刃2mm，外出刃1mm，底出刃2.5mm，切削角为7.58.5，合金斜镶也可直镶。钻头结构如图 230所示。图 230 大八角硬质合金钻头大八角合金钻头适宜于钻进67级及部分8级不均质岩层，以及软硬不均，含有夹层的岩石，如长石灰岩，硅化灰岩和凝灰岩等，平均机械钻速为（3.94.8）10-4m/s，回次进尺24m，钻头进尺可达510m。大八角硬质合金钻头的规格尺寸见表 310。表 010 大八角硬质合金钻头的规格尺寸钻头直径/mm93/7877/5260.5/35.5D917558.5d715538.5合金数量4644（五）自磨式针状硬质合金钻头在我国，自磨式针状硬质合金钻头，多采用胎块式针状硬质合金钻头，其结构如图 231所示。胎块式预制品如图 232所示，在地质队可根据需要把它镶焊在钻头体上。图 231 胎块式针状硬质合金钻头图 232 胎块式预制品胎块式针状硬质合金钻头适宜于在67级及部分8级岩层中钻进，其机械钻速高，回次进尺大，钻头寿命长，并且钻孔质量好，操作方便，成本也较低。经研究和试验，选定胎块为70%铁粉与30%铜粉烧结的假合金具有较好的抗弯强度和冲击韧性，以及合适的硬度，适用范围较广，但耗铜量偏多。有时也采用80%铁粉与20%铜粉烧结的胎体，但其性能不如前者。在胎块中主要起碎岩作用的支点针状合金对钻进性能影响很大。试验证明：合金材质以YG4C、YG6、YG8三种效果较好，新型合金YA6也是比较理想的一种。针状合金的直径以1.82mm为宜，直径过小容易折断，直径过大则胎块包镶困难。针状合金在胎块端面的排布与数量，直接影响钻进效率与钻头寿命。其基本要素是以一定数量的针状合金将环槽宽度（即胎块厚）的孔底岩石破碎完满，并对内外边缘都有所加强。一般硬质合金的断面积占胎块断面的1222%，如图 232所示。对研磨性大的岩石取上限，对致密岩石取下限。在针状合金钻头钻进中，突出的问题是外径磨损严重，因此需增强外径的抗磨能力。经试验，胎块的规格以15mm8.5mm为最好，配合通用的硬质合金钻头体。在胎块外侧增加铸造碳化钨颗粒，对保径最简便有效。一般可根据钻头直径大小，每个钻头体上可镶焊45个胎块（胎块必须按内、外径严格要求，嵌入钻头体的长度为胎块高度之半），镶焊要牢固，以免掉块。（六）薄片硬质合金自磨式钻头薄片硬质合金钻头又称单双粒薄片硬质合金自磨式钻头，其结构如图 233所示。该钻头所采用的硬质合金片为1mm5mm20mm，支持钢片单粒者为4mm5mm20mm，双粒者为4mm10mm20mm，内外出刃皆为1.5mm。在单粒的外侧2mm针状合金进行补强；在单双粒主切削具后面又有5mm5mm10mm方柱状合金作为辅助切削具；它们共同组成一组。如91mm钻头上应镶焊三组，其余随钻头直径大小而增减。图 233 薄片硬质合金自磨式钻头这种钻头适用于钻进57级研磨性较大的中粒砂岩或其它研磨性大的岩层，一般回次进尺提高60100%，机械钻速提高10%30，充分显示了自磨式钻头的优越性。第四节 硬质合金钻进规程所谓钻进规程，指的是钻压、转速及冲洗液量三个在钻进过程中可以控制的参数值。钻进时钻进规程的控制、调节，对钻头在孔底的工作情况、钻进速度和钻进质量有直接的影响。钻进规程一般可分为：（1）最优钻进规程：使在一定条件下，能达到最好钻探经济指标的钻进参数值。钻进时，应控制掌握的钻进规程和岩心钻探操作规程中所列的参数值，即是最优的钻进规程值。（2）强力钻进规程：是指钻进时所采用的比一般最优钻进规程值高的钻进规程值，目的是达到更高的钻进速度。有时也称快速钻进规程。（3）特殊钻进规程：是为了某些特殊目的和要求而采取的特殊规程或受限制的规程值，故称为特殊钻进规程。这种特殊规程值在特殊目的和要求的情况下也是合理的，但也存在着如何择优的问题。确定钻进规程值时，最基本的出发点是保证最大的平均钻速和最长的钻头寿命。因此，必须根据岩石的性质、所选钻头的结构特点及钻孔和设备条件来掌握调控钻进规程的具体参数值。一、钻压钻压也称轴向压力。硬质合金钻进表示钻压的方式有：单位钻压或单位压力（C。）：表示每颗（或每组）合金上应加的钻压（压力）；总钻压或总压力（C）：表示整个钻头上应加的钻压（压力）。钻压的大小对钻进效率和钻头寿命有很大的影响。在一定范围和一定条件下，钻速和钻头寿命都随钻压的增大而增加。钻进时，合金的受钻压切入岩石而钻进；同时，因钻压造成合金与岩石的摩擦而使合金磨损。所以，在选择钻压时，必须在保证质量的前提下从钻进效率和钻头寿命两个方面进行分析、研究。（一）钻压对钻进速度的影响关于钻进速度有两种概念，即：机械钻速表示单位时间内的进尺数，即：式中：v机械钻速；l钻孔进尺数；t钻进时间。回次钻速：表示一个回次的进尺数，即：v1=l/(t+t1)式中：v1回次钻速；t1辅助时间。钻进时除应提高机械钻速外，更应提高回次钻速。所以，在研究钻速的同时，还应研究钻头合金的磨损问题。一般情况下，在松软及软岩石中钻进时，因所需钻压不大，对钻速和合金的磨损不是主要问题；而在中硬和硬岩层中钻进时，钻压确定是否合理，对钻速和合金磨损影响很大。试验表明，钻进时钻压与钻速的变化如图 234所示。总的来看，钻速是随着钻压的增大而增加的。钻压对钻速变化曲线可划分为3个区段：第一区段为表面破碎阶段此时，钻进过程中因钻压较低，合金只靠与岩石的磨擦进行表面破碎，所以钻速很低。在此段内，钻速是随钻压的增大而缓慢增大；第二区段为疲劳破碎阶段此时随钻压的增大钻速亦增大；第三段区为体积破碎阶段此时，随钻压的增加，合金切入岩石而呈体积破碎状态。在此段内，随钻压的增加，钻速大幅度增大。因此，为提高钻进速度，钻进时应使钻压达到体积破碎阶段。此时的钻压值即为最优压力值，即：C0S式中：C0钻压；岩石的抗压强度；S切入岩石的合金面积。试验还表明：在不同硬度的岩石中钻进时，当钻压提高一倍时，对不同岩石钻速的增长率是不同的，在中硬地层中钻进时，增大钻压对提高钻速的效果更为明显(图 235)。图 234 钻进时钻压与钻速的变化图 235 钻压提高一倍时，不同岩石钻速的增长率（二）钻压对合金磨损的影响在硬质合金钻进过程中，合金的磨损属于研磨性磨损，即合金被较硬的岩石矿物颗粒刻划而磨损。表示合金磨损的概念有以下两种：1、单位进尺合金的磨损体积；2、硬质合金钻头寿命，即单个钻头的进尺数。钻进过程中，合金的磨损又分为正常磨损（磨钝）和不正常磨损两种。钻进中由于操作不当，钻头镶焊质量低，岩石软硬变化过大等原因而造成合金崩刃、折断、压裂、脱落等情况，都视为非正常磨损。这是应该在操作中注意避免的。在正常情况下，钻进试验表明，钻压与合金磨损的关系如图 236所示。图 236 钻压与合金磨损的关系v合金的磨损；Py轴向力，可视为C。岩石的抗压入强度当钻压小于岩石的抗压强度（C0S)时，合金的磨损成正比增加；当钻压与岩石的抗压强度相当（C0=S）时，则合金的磨损有所下降或不增加。这种现象也可以从上述破碎岩石的三个阶段来解释，即加大压力在体积破碎过程中，不但钻进效率提高而且合金磨损也必然下降。在钻进过程中，合金逐渐磨损变钝，接触面逐渐增大，因而岩石破碎方式逐渐过渡到疲劳破碎阶段，甚至表面破碎阶段，使钻速下降。所以在合金钻进过程中，应随合金的逐渐磨钝而逐渐增大钻压，以保证以体积破碎方式进行钻进，直到不可能或不应当再增大钻压时为止。（三）钻压的确定根据上述分析和实践经验证明：硬质合金钻进时应根据岩石性质、钻头结构、钻孔深度和设备条件来合理地选择最优压力值。在钻进裂隙层或软硬不均地层时，应适当降低钻压；钻进软岩或弱研磨性的岩石可采用中等钻压；钻进硬岩石或研磨性大的岩石，则应适当增大钻压。钻进过程中，一般适当加大钻压（使C0S），可使钻速增加而合金磨损有所下降。为保证有较高的回次进尺效率，还应随合金的磨损而适当增加钻压。在实际生产中，经常采用两次加压法。两次加压法是在回次初期一个较短的时间内，以不大的钻压钻进，待合金消除镶焊质量造成的出刃误差而适应了孔底的条件后，再加全压（额定钻压）钻进。这种加压方法，获得了较好的效果。通常以YG8合金镶焊的钻头，在初期加压阶段可采用额定钻压的3/5左右钻进2030min；对YG4C合金钻头，则初期加压钻进约40min。计算钻进过程中孔底钻压的方法，有理论计算和现场计算两种。理论计算法是根据所钻岩石的抗压强度来计算孔底压力，可按下式计算。C=Smn式中：C钻头上的总压力；岩石的抗压强度；S切人岩石的合金面积；m钻头唇石上的