硬合金钻进培训课件

硬合金钻进培训课件第一节概述一、概念硬质合金钻进：利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破碎岩石工具的钻进方法。以碎岩切削研磨材料命名，如金刚石钻进、钻粒钻进。占我国煤田地质钻探工程量的80%二、硬合金钻进的特点1、优点①硬合金镶焊在钻头体上比较坚固，可以应用于任意方向的钻孔。②根据不同岩性，可以灵活改变钻头结构参数。③操作简便，钻进规程参数容易控制，孔内事故较少。④钻孔质量易于保障，岩心采取率较高，孔斜较小。有利于控制矿层顶底板矿心的采取。2、缺点硬质合金的强度有限。硬合金的硬度较刚玉还硬，但对钻探而言其硬度、强度、耐磨性、抗折弯的能力仍嫌不足，与金刚石和钻粒钻进相比，硬合金不能钻进坚硬、及强研磨性岩石。主要用于钻进1~7级及部分8级岩石。第二节硬质合金钻进的碎岩过程与钻头磨损一、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程可分为塑性岩石碎岩过程、脆性岩石碎岩过程、切入与切削同时作用下的碎岩过程1、塑性岩石的碎岩过程岩石切入岩石的过程：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等于岩石的抗压强度（压入硬度），即：Py/So≥σ式中：Py—一个切削具上的轴向压力；S0—切削具与岩石的接触面积；σ—岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的硬度）。即：Py≥σS0是切削具切入岩石的必要条件，否则切削具在井底不能切入岩石，碎岩过程变成切削具对岩石的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，钻进中必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。钻进中钻头上的硬质合金切削具主要受轴向压力Py和水平回转力Px作用。回转运动时切削具前的岩石在切向分力F作用下不断塑性流动并自由滑移(切削作用)。Px大体不变，切槽与刃宽基本吻合2、塑脆性岩石的碎岩过程塑脆性岩石的碎岩过程为压碎、剪裂。岩石破碎大体分为三个过程：（1）切削具在双向力作用下吃入岩石，刃前岩石沿剪切面破碎后，Px力减小，继续前移，碰撞刃前岩石。（单面锲形切削具切入脆性岩石）（2）切削具刃前接触岩石的部分面积很小，对前方岩石产生较大的挤压力，压碎刃前的岩石，随着Px力的增大，使岩石产生小的剪切破碎；继续前进可能重复产生若干次小的剪切体，向自由面崩出。（3）当切削具前端接触岩石的面积较大时，前进受阻：一方面切削具继续挤压前方的岩石；另一方面Px急剧增大，当达到极限值时，迫使岩石沿剪切面产生大剪切破碎，并在刃尖前留下一些被压实的岩粉，然后Px突然减小。切削具不断向前推进，上述推进过程重复出现形成循环。在每次循环中，切削具两侧的岩石也和刃前岩石一样，分别产生一组相近似的小剪切体与大剪切体，使切槽断面近似梯形，造成孔底和切槽边缘粗糙不平、有规律地变化。二、硬质合金切削具及磨损1、硬质合金切削具的性能切削具通常采用钨(WC)－钴(Co)类硬质合金。碳化钨为骨架材料，钴为粘结材料。这类钻头称之为YG类硬质合金。硬度可达HRA90，比钢玉还硬，抗弯强度达1.4*109Pa，基本能满足钻探对切削具的必须要求：强度大、耐磨、抗弯、抗冲击、导热性能好、易镶焊和更换。含Co量高，合金密度小，硬度低，耐磨性弱，但抗弯折强度高，冲击韧性强。成分相同时，碳化钨的颗粒越细，硬质合金的硬度越大，耐磨性越高。反之，抗弯强度提高，韧性增加。依此规律，可合理的选择。硬质合金钻进一般适用于软、中硬岩层钻进。不同规格、形状的切削具适用于不同的地层2硬质合金切具的形状和规格片状——有短片状、直角片状、菱形片状。易于切入切削岩石，但抗弯能力低,主要用于1-5级软岩。须采用大出刃。柱状——方柱状、八角柱状，抗弯、抗压能力较强，主要用于6~7级中硬岩石。针状——主要用于制造自磨式钻头，用于中硬、硬岩或高研磨性岩石中。为便于镶焊，针状合金按现场需要可加工成排状或胎块。3、硬质合金切削具的磨损费得洛夫等用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损研究得出的磨损曲线：切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压σ的关系。横坐标的分界点表示岩石的压入硬度，在其前后属于两种不同性质的磨损。（1）曲线Ⅰ当σ＜σ0时，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎状态，此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压σ（2）曲线Ⅱ当σ＞σ0时，岩石呈体积破碎。随着切削具上比压σ的增大，单位时间的磨损量W呈下降趋势。即在体积破碎的条件下，切削具的磨损主要不取决于轴向压力，而取决于岩石的硬度、切削具的材质及切削具的磨钝面积。硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降，其机械转速vm与切削刃磨钝面积的平方成反比：Vm＝A/(So+θt)2，式中：A－系数；当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。回转钻进的机械钻速vm=60nmh1影响切入深度h1的主要因素：轴向力大小，岩石性质及岩屑被清除速度。切削具性质、几何形状及排布方式；钻头转速与切削具磨钝程度。实际上在钻进过程中，钻头硬质合金切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的，即：y外＞y内＞y，t外＞t内＞y切削具底端也不是想象的那样被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前端和后缘磨损更加厉害。第三节硬质合金钻头(Carbide-insertbit)硬合金钻头分为全面钻进钻头和取心钻头（磨锐式硬合金钻头；自磨式硬合金钻头）结构要素:决定硬合金切削具按一定的形式排列布置于钻头体上的因素。*取心式钻头结构要素包括：钻头体；切削具出刃、镶焊角度、在钻头体上的布置方式及在钻头体上的数目；钻头的水口与水槽一、钻头体(Bitblank)1.钻头体及其规格：空白钻头由D40，D50，D55号厚壁无缝钢管制成。一般壁厚7~8mm，钻头高度86~120mm，钻头内锥度一般为2°~3°35′钻头外直径与丝扣直径要同心，允许误差不得超过0.25mm，壁厚误差一般为0.2mm。二、切削具(cutter)切削具出刃内外出刃主要是解决冲洗液的畅通，携带排孔底岩粉和减轻粗径钻具的回转阻力。切削具出刃：内出刃（一般1.5~2.5mm,软岩要大些2~3mm）外出刃(一般外出刃稍大4~5mm)底出刃(软岩4~5mm;中硬3~4mm;硬岩2~3mm，使用针状硬合金时4~5mm).底出刃排列方式分为等高底出刃和阶梯底出刃（先行掏槽，创造更多的自由面，易于碎岩）2切削具的镶焊角度概念：切削具镶焊在钻头体上的镶焊角度(如图)。β－刃尖角，Φ－镶焊角，α－切削角，e－后角。这些参数对钻进效果都有一定的影响。选择原则：对所钻岩石切入和回转阻力小；镶焊形式有利于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利于及时排除岩粉，磨损后的切削具应保持一定的切削能力按Φ角的不同镶焊角分类：正斜镶Φ﹥0，易切入，利碎岩，不耐磨，适用于软岩负斜镶Φ﹤0，切削具耐磨，适用于脆性较硬的岩石。直镶Φ=0，镶焊方便钻进软岩时，β角选择较小，便于切入；钻进硬岩时，β角选择较大，增强抗磨抗剪崩的能力。3.硬质合金钻头切削具3切削具在钻头上的布置形式单环排列适于软岩；双环排列适于中岩；多环排列适于中硬以上岩石；多环排列适于中硬以上岩石；肋骨式排列增加孔底面积、孔壁间隙大，便于排粉，适于软岩布置时应考虑：保证钻头工作平稳；多环、不同底出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨。4、切削具在钻头体上的数目(Numbersofcutteronthecrownofbitblank)影响切削具组数增加的因素：(1)单位切削具的压力要大于岩石的抗压强度；(2)钻头周长限制切削具的镶焊数目。切削具数目选择必须考虑钻头井底工作的稳定性，一般是对称的，不少于四组。三、钻头的水口与水槽(Waterwaysofbit)1、水口的数目与面积每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头内环状间隙或外环状间隙的面积。水口面积要与冲洗液流速相适应：大了流速低，不利携带岩粉；小了容易造成憋泵。软岩层岩粉多，水口要大；反之，硬岩层岩粉少，需要冲洗液量小，水口也小。四、取心式硬质合金钻头(磨锐式切削具，自磨式切削具)1、取心钻头(1)磨锐式硬合金钻头①肋骨式钻头主要用来钻进遇水膨胀、塑性大的软岩层。②燕尾补强钻头特点：每组切削具中单粒合金的底出刃较双粒合金的底出刃突出，单粒进行掏槽，双粒呈燕尾型对岩石进行扩槽，钻头外镶有补强合金能延长钻头使用寿命，③品字型钻头每组三颗硬合金切削具呈品字型排布，中间合金底出刃大，起掏槽作用，两边合金起扩大自由面作用，用于4~6级中硬岩层(石灰岩、大理岩和砂岩等)。④单粒负斜镶钻头－采用八角柱状合金切削具，特点是切削具呈负斜镶，镶焊角为-10°，切削具能承受较大的轴向力，不易崩刃、磨损慢。适于钻进5~6级和部分7级的硅质砂岩。尤其是对于研磨性较大，非均质的或破碎和裂隙发育的岩层有较好的钻进效果。⑤螺旋肋骨钻头特点：钻头体外侧焊有三块与底唇面呈45°的螺旋肋骨，提高清粉能力。切削具正斜镶利于切软岩。过水截面大，孔底干净，避免重复碎岩，钻效高。适于II－IV级软岩，如页岩、粘土岩等。⑥薄片式钻头特点：切削具锋利，采用掏槽刃的结构，容易切入岩石，且出刃较大，保证有较大的间隙来冲洗岩粉，主要用于钻进粘结性较小的软岩。(2)自磨式硬合金钻头①胎块针状自磨式钻头胎块是预制品，可以根据需要把它镶焊在钻头体上。适宜在６～7级、部分８级岩层中钻进。②排状硬合金自磨式钻头特点：切削具刃尖超前呈折线(菱形排状)，有利破岩。适于钻进5~7级均质致密的页岩、砂岩、石灰岩。2、全面钻进钻头（1）三翼刮刀全面钻头钻头翼片后面可分为二阶梯或三阶梯式，对井底岩石进行阶梯式破碎。适用于钻进3~5级岩层，对软硬互层的岩层更适用。（2）矛式全面钻头钻头翼片有两个螺旋式翼片，底出刃较高。钻进软岩层时，成螺旋状钻进，上部有两片保径副翼片，冲洗液成螺旋状上升，井底较干净，效率较高；缺点是对软硬岩层适应性不强，易孔斜。适用于1~3级软岩，如表土、粘土、粉砂类、炭质泥岩和泥岩等。第四节硬合金钻进规程钻进规程：钻进过程中影响钻进指标(效率、成本、质量等)的一些可控制的技术参数以及它们之间的配合。常规回转钻进主要包括钻压、转速和冲洗液量等。不同钻进方法可控参数不同。按技术要求和客观条件可分为:优化规程、强力规程和特殊规程三类。一、钻压：轴向压力，表示整个钻头受的载荷。每颗切削具上的钻压称为单位钻压。单位钻压P与钻速的关系曲线变化分三个阶段：①表面破碎阶段；②疲劳破碎阶段；③体积破碎阶段实际施工过程中，应根据具体情况考虑各方面的因素确定钻压。钻进松软岩层时，冲洗液量一定，钻压选小一点。岩粉过多，易造成堵水、糊钻；钻进裂隙性岩石，切削具容易崩刃；岩层倾角大，应适当减压，以防孔斜；若硬合金强度较低，刃尖角较小，也要减小钻压。二、钻速钻头的转速指钻头每分钟的转数。在钻进过程中常用钻头圆周线速度来衡量。钻速n与线速度v的关系为：V=πDn／6000D为钻头直径不同岩石中转速对钻速的影响不同：粘土类岩石中钻速几乎随转速成正比增长；坚硬岩石中钻速随转速增加而增长，但相对慢些；若超过极限转速继续增加转速时，因转速过快不利裂纹充分发展、钻头磨损快，将致钻速下降；而中等硬度、研磨性较小的岩石，转速与钻速的关系则介于前两者之间在裂隙发育的岩石中钻进，因孔底不均匀，要适当降低钻头转速，防止过早崩刃。转速还受孔深、钻探设备和钻具强度等因素限制。三、冲洗液量1、概念：钻探工作中送入井内的冲洗液的流量称为冲洗液量。在没有泄露的情况为水泵的泵量。冲洗液的用途：①排除岩粉，减少重复破碎(是选择泵量的主要依据)；②冷却切削具，防止刃端产生热磨损，润滑钻具；③保护孔壁。一般说来，冲洗液量大，携带岩粉能力强，冷却效果好。但冲洗液量太大，将产生一定的举离力抵消部分轴向压力，对孔壁和岩心的冲刷作用也加强2、冲洗液量计算：Q=π/4·m·(D2－d2)·v1式中：D－钻孔和套管的直径/dm；Q－总泵量，即送入井中的冲洗量(l/min)；d－钻杆外径/dm；m－孔壁不规整系数取1.03~1.1；v1－冲洗液在外环状空间携带岩粉所需的上返速度（dm/s）四、钻压、转速、泵量的配合钻进过程中钻压、转速、冲洗液量应相互配合：钻进软、研磨性小的岩石，切削具易切入，应尽量做到及时排粉，延长钻头寿命－采取高转速，小钻压、大泵量参数配合；钻进研磨性较高的中硬及部分硬岩石，为保护较高的钻速、防止切削具过早磨损－采用大钻压、低转速、中等泵量参数配合。介于两者之间的中硬研磨性中软岩石，取中间参数。一般经验：钻进4~5级以下岩层，以高转速、大泵量为主；钻进5~6级及以上岩层，以较大的钻压为主。五、自磨式钻头钻进规程特点自磨式钻头切削具与岩石接触面积恒定，钻速基本稳定；其破岩过程以微剪切与磨削为主，要求切削具能正