國家課程巖土鉆掘工程學第章-回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

第四章

回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

一、硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程二、金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程三、鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程四、牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程五、全面鉆進與鉆頭國家精品課程第四章

回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

巖土鉆進（井）方法絕大多數(shù)是機械方式，主要有：①

伴有循環(huán)沖洗介質(zhì)的硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進；②

采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進；③

鋼絲繩沖擊鉆進；④

振動鉆進。使用最廣泛的是回轉(zhuǎn)鉆進。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是在回轉(zhuǎn)的基礎上增加孔底沖擊載荷；鋼絲繩沖擊鉆進主要用于水井施工；振動鉆進、長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進主要用于在土壤和軟巖中打淺孔（工程施工）。

3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室回轉(zhuǎn)鉆進選擇鉆頭的一般原則是：

①

在軟巖和中硬巖層中用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆頭；②

在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭；③

在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭；④

在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。⑤

金剛石鉆頭主要用于59、76（75）、91mm的小口徑；⑥

鋼粒鉆頭主要用于91mm以上的口徑；⑦硬質(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進小口徑，又可鉆進大口徑水井、工程施工孔和淺井。

第四章

回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭

3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

0、硬質(zhì)合金鉆進的基本概念與特點1、硬質(zhì)合金鉆進的基本概念利用鑲焊在鉆頭鋼體上的硬質(zhì)合金切削具作為碎巖的工具，這種鉆進方法稱為硬合金鉆進。硬合金鉆進是巖土鉆掘工程中的一種主要鉆進方法，它用于軟巖層及中硬巖層的鉆進（1—4級軟的沉積巖、中硬的5—7級及部分8級巖漿巖和變質(zhì)巖）。3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

一、鉆探用硬質(zhì)合金

1、硬質(zhì)合金的特性（1）鉆探用的鎢(WC)

-鈷(Co)合金,以碳化鎢粉末為骨架，鈷粉末為粘結劑，用粉末冶金方法制成。稱為YG類合金。（2）牌號的意義：如YG8c：YG—鎢-鈷系硬質(zhì)合金；8—鈷的百分含量為8%；c（x）—粗（細）粒合金。（3）硬質(zhì)合金特性：含鈷量↑——相對密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗彎強度↑,沖擊韌性↑；WC的顆?！捕取?耐磨性↑；反之WC的顆?！獎t抗彎強度↑、韌性↑。

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硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

2、選用硬質(zhì)合金切削具的基本原則

合金切削具形狀主要有：薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等。3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

選擇切削具形狀的一般原則是：（1）片狀硬質(zhì)合金：刃薄易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于Ⅰ～Ⅴ級軟巖；

（2）柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強，壓入阻力也較小，主要適用于Ⅳ～Ⅶ級中硬巖石；八角柱狀合金的抗崩能力強，利于排粉和破巖，并易于焊牢，在裂隙發(fā)育和較硬地層中應用廣泛；

（3）針狀和薄片狀硬質(zhì)合金：主要用于鑲焊自磨式鉆頭，在硬地層或研磨性巖石中使用。

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硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

二、硬合金鉆進的孔底碎巖過程

硬合金鉆進的過程，實際上是切削具在軸向力的作用下，壓入巖石；在回轉(zhuǎn)水平力的作用下，沿孔底切削碎巖；在軸向力和水平力的共同作用下，孔底巖石以薄的螺旋層形式連續(xù)被破碎。Vm=60nmh1根據(jù)所鉆巖石的不同，其破碎方式也不相同，可分為塑性巖石的碎巖和彈-塑性巖石的碎巖兩種情況。3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

（一）塑性巖石的碎巖情況1、切入巖石的過程鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上的單位壓力必須大于或至少等于巖石的抗壓入硬度。即：

Py≥HyF0

式中：Hy——巖石的壓入硬度；F0——切削具刃尖處與巖石的接觸面積。3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程

塑性巖石中，切削具切入巖石如圖示（切削具未磨鈍），根據(jù)各力的平衡關系，可推導出切入深度的關系式：

式中：Py——切削具上的軸載力，N；b——切削具的刃寬，mm；

β——切削具的刃角，度；Hy——巖石的壓入硬度；

η——摩擦力影響系數(shù)（η小于1）。3/9/2023中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程上式表明明：塑性巖石石的切入入深度h0與軸向力力Py成正比，，而與切切削具的的刃角β、刃寬b、巖石的壓壓入硬度度Hy成反比。。雖然β角越小切切削具刃刃尖切入入巖石越越容易，，但如果果β很小則切切削具會會很快崩崩裂，實實際上β角的最小小值為45°～50°。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程2、回轉(zhuǎn)切切削過程程切削具切切入巖石石并回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，在水水平力Px作用下，，壓迫前前面的巖巖石使發(fā)發(fā)生塑性性變形并并不斷地地向自由由面滑移移——切削作用用。在切屑的的裂隙尚尚未發(fā)展展到全面面斷裂之之前，下下一切屑屑又發(fā)生生滑移。。因此切屑是連連續(xù)、平平穩(wěn)的，，其切削削槽寬與與切削具具刃寬相相同。實際上，，由于振振動、沖沖刷，巖屑將碎碎裂并被被沖洗液液帶至地地表；在Py和Px共同作用用下的切入比比Py單獨作用用下切入更容容易，也切入的更更深。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程（二）彈彈塑性巖巖石的孔孔底破碎碎過程彈塑性巖巖石是硬硬質(zhì)合金金鉆頭的的主要鉆鉆進對象象。理論論上，切切削具切切入需要要很大的的軸向力力，而在在雙向力力的同時時作用下下實際的的Py力為（1/6~1/13）。碎巖顯著著特點：：以跳躍躍式的剪剪切破碎碎為主。。巖石破破碎大體體分三個個階段：：1、切入巖石石，巖石石剪切破破碎，前前移碰撞撞刃前巖巖石。2、刃前接觸觸面很小小，擠壓壓力較大大，小剪剪切破碎碎。繼續(xù)續(xù)前移產(chǎn)生若干干次小剪剪切。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程3、當刃前接觸觸面較大時，，前進受受阻。繼繼續(xù)擠壓壓刃前巖石（部部分被壓成成粉狀））；同時時，Px力急劇增大大，當Px力達到極限限值時，，產(chǎn)生大的的剪切破破碎，然然后Px力突然減減小。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程切削具不不斷向前前推進，，重復著著壓碎、、小剪切切、大剪剪切的循循環(huán)過程。切槽斷面面近似于于梯形。切槽寬度度有規(guī)律律地變化化，B1為大剪切時的的切槽寬寬?？椎椎椎钠扑樗檫^程沿沿著傾角為γ的螺旋面面進行。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第一節(jié)硬質(zhì)合金金鉆進孔孔底碎巖巖過程綜上所述述，用切切削具破破碎彈-塑性巖石石時，在在每個剪剪切循環(huán)環(huán)中和各各個循環(huán)環(huán)之間，，水平力力Px都是跳躍躍式；而在塑性性巖石中中，水平平力Px沒有顯著著的變化化，基本本上是常常量。三、硬質(zhì)質(zhì)合金切切削具的的磨損1.關于切削削具磨損損和鉆速速問題的的研究費得洛夫夫得出磨磨損曲線線。反映映切削具具單位時時間磨損損量W與切削具具刃端面面積上比比壓σ關系。在在分界點點σ=σ0前后屬于于兩種不不同性質(zhì)質(zhì)的磨損損。3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進孔孔底碎碎巖過過程(1)曲線Ⅰσ<σ0，切削具具未能能有效效地吃吃入巖巖石，，鉆進進處于于表面面破碎碎狀態(tài)態(tài)。切切削具具單位位磨損損量W正比于于切削削具上上的比比壓σ;(2)曲線Ⅱσ>σ0，巖石呈呈體積積破碎碎。隨隨著切切削具具上的的比壓壓↑，，磨損損量W不僅未未↑，，反而而出現(xiàn)現(xiàn)↓。。即在在體積積破碎碎條件件下，，切削削具的的磨損損主要要不不取決決于軸軸向壓壓力，，而取取決于于巖石石的硬硬度、、切削削具的的材質(zhì)質(zhì)及切切削具具的磨磨鈍面面積。。費得洛洛夫提提出，，在一一定條條件下下切削削具的磨鈍鈍面積積與其其初始始面積積和鉆鉆進時時間有關關S(t)=S0+θt；θ——磨損系系數(shù)3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進孔孔底碎碎巖過過程A——巖性、、鉆進進規(guī)程程及鉆鉆頭一一定時時為常常量。。切削具具的磨磨損面面積與與鉆進進時間間成正正比，，而機機械鉆鉆速與與切削削具接接觸面面積的的平方方成反反比。。設鉆進進的初初始鉆鉆速為為v0=A/S02，上式可可寫成成：式中：：k0——鉆速下下降的的特征征系數(shù)數(shù)，k0=θ/S0。鉆頭在在t時間內(nèi)內(nèi)總進進尺為為得得到到3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進孔孔底碎碎巖過過程平均鉆鉆速是是進尺尺H的一元元線性性方程程，v0是縱坐坐標上上的截截距，，k0為直線線的斜斜率。。平均鉆鉆速和和進尺尺H在鉆進進很容容易測測得，，可以用用一元元回歸歸分析析的方方法，在若干干觀測測計算算值的的基礎礎上求求出k0和v0，從而利利用（（4-7）式來來預測測切削削具磨磨損對對鉆速速的影影響。。Hvmv0k03/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進孔孔底碎碎巖過過程2、硬質(zhì)質(zhì)合金金切削削具在在孔底底磨損損的實實際狀狀況前述理理論分分析的的基礎礎是假假定切切削具具刃部部為均均勻磨磨損，，實際際鉆進中，，切削具具出刃刃的內(nèi)內(nèi)、外外側磨損量量是不不均勻勻的，，即：y外＞y內(nèi)＞y，t外＞t內(nèi)＞t切削具具底端端也不不是被被磨損損成平面，，而是是呈圓圓弧形形，刃刃前緣緣和后緣緣磨損損更厲厲害。。3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第一節(jié)節(jié)硬質(zhì)合合金鉆鉆進孔孔底碎碎巖過過程3、減輕輕切削削具磨磨損的的措施施(1)避免切切削具具在表表面破破碎狀狀態(tài)下下工作作。尤其在在高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、、低鉆鉆壓的條件件下鉆鉆進研研磨性性巖石石時，，切削削具磨磨損更更快。。(2)切削具具的磨磨損速速度取取決于于切削削具的的硬度度與所所鉆巖巖石的的硬度度之比、巖巖石的的研磨磨性、、裂隙隙性等等性質(zhì)質(zhì)，還還取決決于切切削具具在鉆鉆頭唇唇面的的布置。。應根據(jù)據(jù)巖性性選用用合適適的硬硬質(zhì)合合金牌牌號和和型號號，采采用合合理的的鉆頭唇面面結構構。(3)及時修修磨切切削具具，減小初初始接接觸面面積，，以降降低其其磨損損率。。(4)采取等等強度度磨損損的原原則，，對磨損損嚴重重的內(nèi)內(nèi)外側側面進進行補補強。。(5)采用有有潤滑滑作用用的乳乳化液液或泥泥漿洗洗孔，，減輕切切削具具的磨磨損。。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭一、取心式硬硬質(zhì)合金鉆頭頭結構要素一定數(shù)量的硬硬質(zhì)合金切削削具，按一定定的形式排布布在鉆頭體上上，形成鉆進進不同地層的的鉆頭結構。。硬質(zhì)合金鉆頭頭的結構要素素主要包括：：切削具出刃刃、切削具的的鑲焊角度、、切削具在鉆鉆頭體上的數(shù)數(shù)目及布置方方式等。1、鉆頭體硬合金切削具具的支撐體，，傳遞軸載和和扭矩，承受受切削具破巖巖的反作用力力、孔底的動動載和摩擦。。DZ-40無縫鋼管制成成。上有外螺螺紋與巖心管管連接，內(nèi)壁壁有內(nèi)錐，便便于卡取巖心心。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭2、切削具出刃刃（1）內(nèi)、外出刃——使鉆頭體與孔壁壁、巖心之間間的間隙，避避免摩擦孔壁壁和巖心，提提供循環(huán)沖洗洗通道。出刃過大，合合金抗外力的的能力降低、、碎巖斷面和功耗增增大，鉆孔易彎曲。出刃過小，流流阻增大，容易堵塞塞巖心、沖毀毀孔壁、漂浮浮鉆具。合理選擇出刃：一般1~3mm。巖硬、孔壁穩(wěn)穩(wěn)、鉆速低，，取小值；反反之取大值。。遇水膨脹或大大量巖粉的軟軟地層，加焊焊肋骨，增大大內(nèi)、外環(huán)狀狀空間，一般般取內(nèi)、外出出刃3～6mm，底出刃4～5mm。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭（2）底出刃作用：保證切削具能能順利地切入入巖石，并為為沖洗液冷卻卻切削具和排除孔底巖粉粉提供通道。。底出刃大?。海河汕腥肷疃群秃瓦^水間隙兩兩部分組成。H值過大，在硬硬巖和裂隙性性巖層中容易造成崩刃刃，應增加補補強。一般為為2~5mm。底出刃有平底底式、階梯式式。階梯式可增加切削具破破碎巖石的自自由面，容易易產(chǎn)生體積破碎。。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭3、切削具的鑲鑲焊角度具有一定刃角β的切削具以不不同的前角（亦稱鑲焊角））鑲焊在鉆頭體上，形成成不同的切削角α，從而獲得不同同的鉆進效果果。切削具在鉆頭頭唇面上有三種鑲焊方式式：正斜鑲，直鑲，負斜鑲。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭頭（1）刃角β的選擇：β=45°~50°，Ⅰ～Ⅳ級非裂隙性巖巖石；β=65°，Ⅴ～Ⅶ級巖石；β=90°的小切削具，，用于自磨式式鉆頭。（2）選擇鑲焊形式式（正斜鑲、、直鑲、負斜斜鑲）應考慮慮下述原則：：對所鉆巖石切切入和回轉(zhuǎn)阻阻力??；可保證鉆頭體體上的切削具具有較大的抗抗彎和抗磨損損能力；有利于及時排排除巖粉；磨損后的端面面接觸面積不不能過快增大大，應保持一一定的切削能能力。上述條件很難難同時滿足，，設計鉆頭應應根據(jù)巖性有有所側重地考考慮。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室(3)三種鑲焊形式式的特征分析析切入深度相同同時，切入所需軸向向力Py和水平力Px：正斜鑲>直鑲>負斜鑲磨損體積相同時，，切削刃端的磨損損面積:正斜鑲>直鑲>負斜鑲三者出刃一致時，，切削刃上的彎矩矩:正斜鑲>直鑲>負斜鑲排粉條件:正斜鑲>直鑲>負斜鑲通常正斜鑲的鉆頭頭在軟巖中具有有高鉆速，而負斜斜鑲鉆頭適用于硬硬巖和非均質(zhì)巖層層，最常用的是直直鑲。第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭4、硬質(zhì)合金切削具具在鉆頭體上的布布置方式切削具的排列方式式有：單環(huán)排列、、多環(huán)排列、密集集排列等。（1）確定切削具布置置方式的原則：①能保證鉆頭在孔底底工作平穩(wěn)；②多環(huán)排列時，每個個切削具只破碎孔孔底的一部分，疊疊加起來完成整個唇面的切削，，若各環(huán)之間能相相互造成自由面，，則破巖效果更佳佳；③盡量使每個切削具具負擔的破巖量接接近，避免局部磨磨損過甚；④切削具之間應保持持一定的距離，以以利于排粉；⑤對切削具的鑲焊和和修磨方便。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭（2）切削具布置方式式①單環(huán)排列：一個或二個切削具具并聯(lián)覆蓋唇面，，加工簡單；②多環(huán)排列：多個切削具分環(huán)覆覆蓋唇面，造成多多的碎巖自由面；③密集排列：多個切削具集中為為一組排列，前刃刃掏槽，后刃擴槽槽，相互支撐，承載大大，抗彎、抗磨損損好。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭5、切削具在鉆頭體體上的數(shù)目鉆頭上切削具數(shù)目目越多，切削點就就多，單位時間完完成的切削量就大，鉆速也越越高，鉆頭壽命較較長。但是，由于于軸向載荷有限，單個切削具上上的載荷不足，只只能形成表面破碎碎；同時，切削具數(shù)目太多，使使剪切體變小，孔孔底冷卻效果變差差。切削具數(shù)目取決于于巖性、鉆頭直徑徑和切削具形狀。。對軟巖取較少的數(shù)量，對較較硬和非均質(zhì)及研研磨性巖石，為保保證鉆頭壽命，一一般應取密集式排排列。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭6、鉆頭的水口和水水槽（1）作用：是沖洗液流經(jīng)鉆頭頭、沖洗孔底并返返回鉆柱外環(huán)空間間的通道。保證切削削具的冷卻和孔底底及時排粉。（2）水口形狀：矩形、半圓形、梯梯形和三角形，三三角弧形水口效果最好。（3）水口的數(shù)目：等于切削具的數(shù)目目或組數(shù)?？偯娣e積應大于或等于鉆頭外環(huán)空間間（包括回水槽））的面積。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室二、取心式硬質(zhì)合合金鉆頭取心式硬質(zhì)合金鉆鉆頭分為磨銳式和和自磨式。1、磨銳式硬質(zhì)合金金鉆頭鉆頭上的合金切削削具磨鈍后可用砂砂輪修磨銳利的鉆頭。切削具一般是單斜斜面銳角，鉆進中，隨切削具具磨損，機械鉆速速逐漸下降。一般適用于研研磨性小的軟及中中硬巖石。2、自磨式硬質(zhì)合金金鉆頭采用小斷面切削刃刃，磨損后，接觸觸面積不變，無變鈍的弱弱點，機械鉆速基基本平穩(wěn)。第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3/6/2023中國地質(zhì)大學勘查查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3、典型鉆頭結構舉例（1）螺旋肋骨鉆頭外焊三塊呈45°螺旋肋骨，有助液液流上返，提高清清粉能力。正斜鑲，利于切軟軟巖。通水截面積積大，循環(huán)阻力小小，使孔底比較干干凈，避免重復破破碎，提高鉆進效效率。適用于鉆進Ⅱ~Ⅳ級（部分Ⅴ級）松軟巖層、粘粘土層、風化砂巖巖及鋁土頁巖等。。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭（2）薄片硬合金鉆鉆頭：切削具鋒利，采采用掏槽刃容易易切入巖石；出刃較大，保證證較大間隙沖洗洗巖粉；主要用于鉆進粘粘結性較小的軟軟巖。（3）“品”字形硬合合金鉆頭三顆合金呈“品品”字形焊成一一組。中間的出刃較大大——掏槽，兩邊的出出刃較小——擴槽。主要用于Ⅳ~Ⅵ級和軟硬互層的的巖石。切削具可以直鑲鑲也可以正斜斜鑲。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭（4）針狀自磨式鉆頭頭把預制好的胎塊塊焊在鉆頭體上上。胎塊內(nèi)包裹裹針狀硬質(zhì)合金金。支撐體胎體硬度度要合適，保證證超前磨耗，以以利于針狀硬質(zhì)質(zhì)合金自磨出刃刃。鉆頭可用于鉆進進5~7級中等研磨性的的巖石。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室三、硬質(zhì)合金鉆鉆頭選型表鉆頭類型巖巖石石可鉆性級別巖巖石石螺旋肋骨鉆頭Ⅱ~Ⅳ松散可塑性巖層層階梯肋骨鉆頭Ⅲ~Ⅴ頁巖，砂頁巖巖薄片式鉆頭Ⅱ~Ⅳ砂頁巖，碳質(zhì)質(zhì)泥巖方柱狀鉆頭Ⅲ~Ⅴ均質(zhì)大理巖,灰?guī)r,軟砂巖,頁巖單雙粒鉆頭Ⅳ~Ⅵ中研磨性砂巖，，灰?guī)r品字形鉆頭Ⅳ~Ⅵ灰?guī)r，大理巖巖，細砂巖破擴式鉆頭Ⅲ~Ⅴ砂礫巖，礫巖巖負前角階梯鉆頭頭Ⅴ~Ⅶ玄武巖，砂巖巖，輝長巖，灰灰?guī)r胎體針狀鉆頭Ⅵ~Ⅷ中研磨性片麻巖巖，閃長巖鋼柱針狀鉆頭Ⅵ~Ⅷ研磨性石英砂砂巖，混合巖薄片式自磨鉆頭頭Ⅵ~Ⅷ研磨性粉砂巖巖，砂頁巖第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程金剛石是迄今最最堅硬的研磨切切削材料，鉆探用金剛石約約占世界工業(yè)金金剛石1/5。一、鉆探用金剛石1、鉆探用金剛石的分類鉆探用金剛石分分為天然的、人人造的兩大類。。天然金剛石“包布茲”（Bortz）——制造表鑲鉆頭；；天然金剛石“剛果”（Congo）——孕鑲鉆頭；天然“卡邦納多”（Carbonado）“巴拉斯”（Ballas）——首飾；天然“雅庫特”（якут）——主要在前蘇聯(lián)境境內(nèi)使用。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程人造金剛石單晶晶人造金剛石聚晶晶——由細小的金剛石石顆粒、粘合劑劑燒結成較大顆顆粒的多晶金剛剛石人造金剛石復合合片（PDC）——由一層金剛石多多晶薄層、一層層較厚的硬質(zhì)合合金層復合而成成。2.天然金剛石的特特性金剛石為結晶體體碳原子之間以以共價鍵相連，，結構非常穩(wěn)定定。金剛石的弱點：：①脆性較大，，遇沖擊出現(xiàn)碎碎裂；②熱穩(wěn)定定性較差，高溫溫下氧化并“石墨化”。金剛石工具制造造過程中，須隔隔氧，避長時間間高溫；在使用用中，須避免承承受沖擊載荷并并及時冷卻切削削刃。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程3.與鉆探有關的金金剛石物理力學學性質(zhì)(1)硬度極高，研磨磨硬度是剛玉的的150倍，石英的1000倍。(2)有極大的抗靜壓壓強度。天然金金剛石的抗壓強強度大約8600MPa，約為剛玉的3.5倍，硬質(zhì)合金的的1.5倍，鋼的9倍。用于鉆探的的人造金剛石一一般要求強度達達2500MPa以上。(3)極高的耐磨性是是剛玉的90倍，硬質(zhì)合金的的40~200倍，鋼的2000~5000倍。人造金剛石石聚晶體一般與與中硬碳化硅砂砂輪的磨耗比在在1：30000以上。(4)金剛石是熱的良良導體，它散熱熱比硬質(zhì)合金刃刃具快。線膨脹脹系數(shù)僅為硬質(zhì)質(zhì)合金的1/4~1/5，鋼的1/8~1/10，但隨溫度升高高而增長較快，，這對金剛石的的包鑲和鉆頭使用不利。金剛石容易受熱熱損傷，雖然溫溫度低于燃燒溫溫度，但金剛石石的強度、耐磨磨性已受到嚴重重影響。所以鉆鉆進中必須充分分冷卻，防止發(fā)發(fā)生金剛石鉆頭頭燒鉆事故。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程4、鉆探用金剛石石的粒度和品級級（1）金剛石的粒度度國際上通用的計計量單位是克拉拉。鉆探用金剛石常常用一克拉(0.2g)多少粒或過篩網(wǎng)網(wǎng)目數(shù)來衡量。。鉆探用的金剛石石粒度：粗?！?～20粒/克拉；中?！?0～40粒/克拉；細粒——40～100粒/克拉；粉?！?00～400粒/克拉。粗、中粒多用于于表鑲鉆頭和表表鑲擴孔器，細細、粉粒多用于于孕鑲鉆頭和孕孕鑲擴孔器。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第三節(jié)金剛石及其孔底底碎巖過程（2）金剛石的品級級3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第三節(jié)節(jié)金剛石石及其其孔底底碎巖巖過程程二、金剛石石鉆進進的孔孔底碎碎巖過過程1.表鑲金剛石石鉆頭的孔孔底碎巖過過程把鉆頭上的的一粒金剛剛石看作在在軸向壓力力Py和切向力Px作用下沿巖巖石表面移移動的切削削具，巖石破碎時時力Px克服巖石抵抵抗破碎的的反力Pg和摩擦力T上，Px=Pg+T=Pg+Pyff——金剛石與巖巖石的摩擦擦系數(shù)；Py——每粒金剛石石上的載荷荷。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第三節(jié)金剛石及其其孔底碎巖巖過程表鑲單粒金金剛石在Py,Px聯(lián)合作用下下，類似球球體壓入巖巖石(彈脆性巖石石)產(chǎn)生大小剪剪切體，切切槽寬度＞＞金剛石顆顆粒直徑。。金剛石被磨磨鈍時，在在Py,Px作用下巖石石中出現(xiàn)一一些微小的的裂紋，巖巖石的致密密結構被改改變?？椎啄骋稽c點經(jīng)多次重重復加載產(chǎn)產(chǎn)生破碎，，具有疲勞勞破碎的性性質(zhì)。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第三節(jié)金剛石及其其孔底碎巖巖過程2.孕鑲金剛石石鉆頭的孔孔底碎巖過過程孕鑲金剛石石鉆頭的孔孔底碎巖過過程不同于于表鑲鉆頭頭。金剛石顆粒粒小埋藏于于胎體之中中，孕鑲鉆鉆頭必須在在鉆進規(guī)程程中保持自自磨出刃的的性能（““自銳”）），才能維維持鉆速恒恒定而不衰衰減。其碎巖機理理類似于砂砂輪磨削工工件。以唇唇面上多而而小的硬質(zhì)質(zhì)點（金剛剛石）對加加工件（孔孔底巖石））進行刻劃劃、磨削，，隨著硬質(zhì)質(zhì)點的逐漸漸磨損和消消失及粘結結胎體的不不斷磨耗，，新的硬質(zhì)質(zhì)點又裸露露出來參加加工作。唇面金剛石石出露較好好時，也存存在孔底的的微剪切和和微壓碎作作用。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第三節(jié)金剛石及其其孔底碎巖巖過程如果胎體性性能與所鉆鉆巖石不適適應或沒有有保證足夠夠的鉆壓，，胎體不能能超前磨耗耗并讓喪失失破巖能力力的金剛石石顆粒自行行脫落，則則孔底過程程中表現(xiàn)為為鉆頭“打打滑”，鉆鉆速迅速下下降。微動載碎巖巖有學者認為為，無論表表鑲或孕鑲鑲鉆頭在孔孔底的碎巖巖過程中，，孔底還存存在著微動動載的碎巖巖過程。鉆壓、鉆柱柱彈性變形形、回轉(zhuǎn)振振動和泵壓壓脈動對孔孔底巖石的的破碎起到到了積極的的促進作用用。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第四節(jié)金金剛石鉆鉆頭和擴孔孔器根據(jù)碎巖特特點，可分分為表鑲金金剛石鉆頭頭、孕鑲金金剛石鉆鉆頭和聚晶晶燒結體(包括復合片片)金剛石鉆頭頭。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器一、表鑲鑲金剛石石鉆頭1.金剛石的的粒度和和選擇表鑲金剛剛石鉆頭頭大都選選用天然然金剛石石，常用用的粒度度為15~60粒/克拉。表鑲鉆頭頭用的金金剛石粒粒度粒度粗粒中粒細粒粒/克拉15~2525~4040~60巖層中硬硬堅硬3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器2.金剛石在在唇面的的排列鉆進過程程中，鉆鉆頭外側側的規(guī)徑徑刃和內(nèi)內(nèi)邊棱部部的金剛剛石負擔擔最重，，其次為為底刃，，再次為為側刃。。制造鉆頭頭時須選選擇優(yōu)質(zhì)質(zhì)金剛石石作規(guī)徑徑刃和內(nèi)內(nèi)邊刃，，用回收收的金剛剛石作側側刃，以以求均衡衡磨損。。金剛石在在鉆頭唇唇面上的的排列方方式有放放射排列列，螺旋旋排列和和等距離離排列等等。金剛石在在鉆頭唇唇面厚度度方向多多采用同同心環(huán)分分列，并并在徑向向有一定定的重疊疊度，以以保證鉆鉆進中不不會在孔孔底形成成“巖脊”。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器3.鉆頭的唇唇面斷面面形狀(1)圓弧形唇唇面：較較好保護護內(nèi)外徑徑，用于于中硬和和硬巖層層；(2)半圓形唇唇面：可可布置較較多金剛剛石，緩緩解規(guī)徑徑刃過分分磨損，，適用于于堅硬和和軟硬互互層的研研磨性巖巖層；(3)多階梯形形唇面：用于厚壁壁鉆頭(繩索取心心)用于中硬硬和硬巖巖，有利利于破巖巖和導向向；(4)內(nèi)錐形唇唇面：用于強研研磨性和和破碎巖巖層及內(nèi)內(nèi)邊刃過過早磨損損的巖層層，也可可鉆礫巖巖用于厚厚壁鉆頭頭；3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器(5)外錐形唇唇面:用于較軟軟和易碎碎地層，，雙管和和繩索取取心鉆頭頭。4.鉆頭的水水口與水水槽鉆頭的水水路直接接影響著著孔底沖沖洗及鉆鉆進效果果。表鑲鉆頭頭的主水水路是唇唇面與孔孔底之間間的間隙隙，水口口和水槽槽的數(shù)目目不能太太多，可可強制沖沖洗，有有效地冷冷卻唇面面金剛石石和及時時排除孔孔底巖粉粉。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室二、孕鑲鑲金剛石石鉆頭我國鉆探探生產(chǎn)主主要用孕孕鑲鉆頭頭，比表表鑲鉆頭頭優(yōu)越性性：對于金剛剛石品級級的要求求低于表表鑲鉆頭頭；抗沖擊載載荷能力力較好，，如果唇唇面金剛剛石發(fā)生生剪崩對對鉆進效效果的影影響小，，對違反反操作規(guī)規(guī)程的敏敏感程度度也小。。不必用手手工擺放放金剛石石顆粒，，工業(yè)制制造過程程更簡單單。孕鑲鉆頭頭用的金金剛石孕鑲鉆頭頭使用的的天然和和人造金金剛石粒粒度取決決于所鉆鉆巖性。第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器粒度(目)人造＞4646~6060~8080~100天然20~3030~4040~6060~80巖層中硬—硬硬—堅硬3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室2.金剛石在在胎體中中的含量量濃度表示示金剛石石在胎體體中的含含量，是是影響孕孕鑲鉆頭頭性能的的重要參參數(shù)。濃度沿用用砂輪制制造業(yè)的的“400%濃度制””，當金金剛石的的體積占占胎體工工作層體體積1/4時濃度為為100%，全部是是金剛石石濃度400%。選擇金剛剛石濃度度的依據(jù)據(jù)是所鉆鉆巖性、、金剛石石的品級級和粒度度，兼顧顧胎體的的包鑲能能力和鉆鉆壓值的的大小。。巖石越堅堅硬致密密，金剛剛石質(zhì)量量好，粒粒度細，，濃度宜宜較低；；唇面比比壓較大大時可選選較高的的濃度，，這樣對對提高胎胎體耐磨磨性也有有好處。。常用濃濃度70%~120%，過高了了將影響響胎體的的包鑲能能力和鉆鉆速。第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第四節(jié)金金剛剛石鉆頭頭和擴孔孔器3.鉆頭的胎胎體性能能孕鑲鉆頭頭鉆進時時，胎體體的磨損損速度應應適當超超前于金金剛石的的磨損速度，，使金剛剛石不斷斷出刃。。如果胎體不磨磨損或磨磨損極慢慢，則金金剛石出刃甚小小，發(fā)揮揮不了多多刃微切切削作用，鉆速速很低。。反之，，如果胎胎體磨損太快，，則造成成金剛石石過早的的崩刃或脫粒，，從而失失去鉆進進能力、、鉆頭壽命縮短短。合適適的胎體體耐磨性性應能使唇面金金剛石正正常出刃刃，且在在每粒金剛石的的后面形形成蝌蚪蚪狀支撐撐。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴孔器當巖石更硬時時，金剛石磨磨損得更快，，但這時產(chǎn)生生的巖屑更薄薄，數(shù)量更少少，因此巖屑屑對胎體的磨磨蝕作用弱于于稍軟的巖石石。所以在堅堅硬的巖石中中鉆進時，必必須選擇低耐耐磨性（硬度度較?。┑奶ヌンw。由于測定硬度度的方法簡單單，雖然胎體體的硬度不能能完全代表其其耐磨性，但但目前仍習慣慣用胎體的硬硬度來表示其其耐磨性。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴孔器4.鉆頭的唇面形形狀孕鑲金剛石鉆鉆頭的唇面形形狀比較簡單單，多為平底底形，在孔內(nèi)內(nèi)磨合一段時時間后便自然然形成圓弧形形。堅硬、弱研磨磨性的巖石或或鉆頭壁較厚厚，唇面做成成同心環(huán)槽、、鋸齒狀或階階梯形，使比壓集中并并在孔底形成成破巖自由面面。孕鑲金剛石鉆鉆頭常用聚晶晶保徑，可取取得滿意的鉆鉆進效果。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴孔器5.鉆頭的水口與與水路對孕鑲金剛石石鉆頭而言，，因為它的金金剛石出刃非非常小，故它它的主水路不不是鉆頭唇面面與孔底的間間隙，而是水水口。在唇面扇形塊塊的下面只存存在漫流（或或濕潤）區(qū)，，用于冷卻和和排粉的水流流主要通過水水口和水槽。。孕鑲鉆頭往往往設計成多水水口、小水口口，這樣對防防止燒鉆有利利。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第四節(jié)金金剛石鉆頭和和擴孔器三、金剛石擴擴孔器金剛石擴孔器器安裝于鉆頭頭和巖心管之之間，是金剛剛石鉆進不可可缺少的組成部部分。擴孔器的作用用：修擴孔壁，保證鉆鉆孔直徑符合合要求減少新鉆頭下下孔的擴孔量量；保持孔內(nèi)鉆具具的穩(wěn)定性，，使鉆具在高高轉(zhuǎn)速下保持持動平衡狀態(tài)態(tài)；四、金剛石鉆鉆頭及擴孔器制造無壓浸漬法熱壓法電鑄法3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其其孔底碎巖過過程用未鑲焊切削削具的鉆頭壓壓住自由狀態(tài)態(tài)的鋼粒，并并帶動它們在在孔底滾動而而破碎巖石的的鉆進方法稱稱為鋼粒鉆進進。曾廣泛用于Ⅶ~Ⅻ級巖石，隨著著金剛石鉆進進普及，它在在中小口徑中中已逐漸被取取代。但在大大口徑硬巖鉆鉆進中仍有一一席之地。一、鋼粒及鋼鋼粒鉆進用鉆鉆具1.鋼粒的特性抗壓碎強度、、硬度、耐磨磨性和屈服極極限較高，可可減少破巖過過程中自身的的消耗，在在軸向載荷下下不至于產(chǎn)生生明顯的塑性性變形，利于于在孔底翻滾滾。為保證鋼粒在在孔底容易翻翻滾，鋼粒的形狀：：高等于直徑徑，2.5~4mm的圓柱體。鋼粒的材質(zhì)：：一般60號、70號高碳鋼，經(jīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)、淬火火可達到較高高硬度。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其其孔底碎巖過過程2.鋼粒鉆頭與鉆鉆具鋼粒鉆頭的功功能是將軸向向載荷和水平平回轉(zhuǎn)力傳遞遞給鋼粒，帶帶動其在孔底底翻滾。鉆頭呈圓筒形形下開弧形水口口，用于排除除巖粉、分選選鋼粒和“導砂”。整套鉆具由鉆鉆頭、巖心管管、異徑接頭頭、取粉管和鉆桿柱柱組成。3/6/2023中國地質(zhì)大學學勘查教研室室第五節(jié)鋼粒鉆頭及其其孔底碎巖過過程二、鋼粒鉆進進的孔底碎巖巖過程圓柱形鋼粒在在鉆頭軸向和和回轉(zhuǎn)力（聯(lián)聯(lián)系力）作用用下在孔底巖面不不斷翻滾，以以動壓入體積積破碎方式和和動疲勞破碎碎方式破巖。。1.動壓入體積積破碎圓柱形鋼粒粒在孔底每每翻滾一次次都會給巖巖石一個微微動載作用用。完整鋼粒的的棱邊與巖巖石接觸類類似于楔形形工具動壓壓入破巖，鋼粒與巖石石的接觸面面積很小，，壓應力集集中，周圍圍的巖石出出現(xiàn)裂紋，，繼而產(chǎn)生生跳躍式體體積破碎。。由于孔底不平，可可能軸載瞬瞬時集中在在少數(shù)鋼粒粒上，更加加強了這種種動壓入體體積破碎。。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第五節(jié)鋼粒鉆頭及及其孔底碎碎巖過程2.動疲勞破碎碎鋼粒在不斷斷翻滾中，，逐漸被磨磨成橢球形形或球形。。以一定的壓壓力壓于巖巖石表面時時，類似于球形壓壓模動壓入入巖石的情情況，下部部巖石存在在著兩個危危險極值帶帶，壓力邊邊緣存在拉拉伸應力，，有助于產(chǎn)產(chǎn)生一定深深度的表面面裂紋。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第五節(jié)鋼粒鉆頭及及其孔底碎碎巖過程眾多鋼粒的的重復碾壓，裂紋加加深加密，，加之沖洗洗液的侵蝕蝕作用，使使交叉發(fā)育育的裂紋以以巖屑的形形式被剝離離下來離開母體。這這就是鋼粒粒鉆進的主主要破巖方方式——動疲勞破碎碎。若軸載越大大，則造成成疲勞破碎碎所需要的重復復次數(shù)越少少，破巖效效果越好。。在實際生產(chǎn)產(chǎn)過程中，，上述兩種種破巖方式式往往是同同時發(fā)生的的，只是新新鮮的圓柱柱形鋼粒以以第一種為為主，被磨磨圓的鋼粒粒以第二種種為主。由于孔底不不平，經(jīng)沖沖洗液分選選后的鋼粒粒形狀不一、尺寸不不均、壓力力不均，加加之孔底環(huán)環(huán)狀間隙大大，這些都都造成鋼粒粒鉆具振動動加劇，這這種振動對鋼粒動壓壓入、動疲疲勞破巖是是有利的3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程0.牙輪鉆進概概述牙輪鉆進——利用牙輪鉆鉆頭在井底底回轉(zhuǎn)，使使牙輪在井井底滾動，，以沖擊和和壓碎剪切切方式破碎碎巖石的一一種鉆進方方法。牙輪鉆進一一般不取心心，廣泛用于油氣和大口徑徑施工鉆進進，適應性性廣，在Ⅵ～Ⅹ級的巖石中中效果最好好。牙輪鉆的類類型：銑齒齒、鑲齒；；有體式、、無體式；；單牙輪、、雙牙輪和和三牙輪等等。生產(chǎn)中中以三牙輪輪鉆頭應用用最多。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程塑性巖石：：自洗式牙牙輪鉆頭。。硬和堅硬巖巖石：鑲齒齒式牙輪鉆鉆頭。沖洗：中心心沖洗式和和圓周沖洗洗式。帶噴噴嘴的水力力噴射式鉆鉆頭更有利利于提高軟軟巖的破巖巖效果。牙輪鉆頭的的軸承是最最容易磨損損的薄弱環(huán)環(huán)節(jié)。一、牙輪鉆鉆頭的結構構由鉆頭體、牙牙輪爪、牙牙輪、軸承承、水眼和和儲油密封封補償系統(tǒng)統(tǒng)等組成。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程二、牙輪鉆鉆頭的孔底底碎巖過程程1.牙輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)牙齒隨鉆頭頭一起繞鉆鉆頭軸線順順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)——公轉(zhuǎn)，速度=鉆機回轉(zhuǎn)速速度。外齒齒公轉(zhuǎn)線速速度最大。。牙齒繞牙輪輪軸逆時針針旋轉(zhuǎn)——自轉(zhuǎn)。牙輪自轉(zhuǎn)是是破巖時牙牙齒與地層層巖石之間間相互作用用的結果。。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程由牙輪牙齒齒與孔底單單齒、雙齒齒交替接觸觸，使鉆頭頭沿軸向作作上下往返返運動，造造成靜載外外的沖擊載載荷。還由于孔底底不平疊加加了振幅較較大的低頻頻振動。鉆頭在孔底底的縱向振振動，使鉆鉆柱不斷壓壓縮與伸張張，周期變變化的彈性性能通過牙牙齒轉(zhuǎn)化為為沖擊作用用破碎巖石石，與靜載載壓入一起起形成了鉆鉆頭對地層層的沖擊、、壓碎作用用，這是牙牙輪鉆頭的的主要形式式。2、鉆頭的縱向向振動及對對地層的沖沖擊、壓碎碎作用3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及及其孔底碎碎巖過程3.牙齒對地層層的剪切作作用剪切作用主主要是由于于牙輪在滾滾動的同時時還伴有牙牙齒對孔底底的滑動而產(chǎn)生生的，產(chǎn)生生滑動的原原因在于牙牙輪的超頂頂、復錐和和移軸三種結構。。3.1超頂引起的的滑動牙輪錐頂超超過鉆頭軸軸心的結構構稱為超頂，超過過的距離ob為超頂距c。設工作時牙牙輪上每一一點的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為ωb，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為為ωc。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔孔底碎巖過程牙輪與地層接觸觸母線上x點，由ωb引起的的速度Vbx呈直線分布，oa段向前ob段向后，vbo=0。由ωc引起的速度vcx也呈直線分布方方向向后，在b點vcb=0。速度合成后，在在ob段形成向后滑動動速度vsx，此時牙輪受一滑滑動阻力Ps，因而有滑動阻力力矩Ms(-)=PsR。使牙輪的角速度度ωc降低。在oa段由vbx和vcx合成的滑動速度度vsx。近o處產(chǎn)生與Ms(-)同向的滑動阻力力矩M’s(-)，在近a處產(chǎn)生一個Ms(-)反向的滑動阻力力矩Ms(+)。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔孔底碎巖過程Ms(-)、M’s(-)及Ms(+)達到平衡，使ΣMs=0。于是牙輪的角速速度穩(wěn)定,不再減慢。牙輪相對于巖石石的滑動速度，，呈直線與ab線交于M點，vsM=0為純滾動點，bM段向后滑動，aM段向前滑動?；瑒铀俣入S超頂頂距c的增大而增大。。3.2復錐引起的滑動動復錐牙輪包括主主錐和副錐，主主錐頂與鉆頭中中心重合，而副副錐錐頂?shù)难由焐炀€是超頂?shù)?。?/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔孔底碎巖過程復錐牙輪線速度度不作直線而是是折線分布，所所以產(chǎn)生滑動。。3.3移軸引起的滑動動牙輪軸線在鉆頭頭水平投影沿鉆鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平平移一段距離——牙輪的移軸。移軸后將產(chǎn)生牙牙輪的軸向滑動動。低硬、高塑巖層層，偏移大；高高硬度、低塑性巖層，偏移移值??；研磨性性的硬地層，偏偏移為零。3/6/2023中國地質(zhì)大學勘勘查教研室第六節(jié)牙輪鉆頭及其孔孔底碎巖過程綜上所述：超頂和復錐引起起切線方向滑動動，除沖擊、壓壓碎方式碎巖外外，還可剪掉同同一齒圈相鄰牙牙齒破碎坑之間間的巖脊；移軸的軸向滑動動，可剪掉齒圈圈之間的巖脊，，軸向滑動雖可可提高破巖效率率但牙齒也磨損損劇烈，因此須須銑齒加固。實際上，用于軟軟—中硬地層的鉆頭頭一般兼有移軸軸、超頂和復錐錐；一部分用于于中硬或硬地層鉆頭有有超頂和復錐；；用于堅硬和強研研磨性地層的牙牙輪鉆頭是純滾滾動而無滑動的的（即單錐，不超頂，，也不移軸）。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第六節(jié)牙輪鉆頭頭及其孔孔底碎巖巖過程4.牙輪鉆頭頭的自洗洗牙齒鉆頭頭在軟地地層鉆進進時，牙牙齒間易易積存巖巖屑產(chǎn)生生泥包，，影響鉆鉆進效率率。為此此，出現(xiàn)現(xiàn)了自潔潔式鉆頭頭。這類鉆頭頭各牙輪輪的牙齒齒互相嚙嚙合，一一個牙輪輪的牙齒齒間積存存的巖屑屑由另一一個牙輪輪的牙齒齒剔除。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第六節(jié)牙輪鉆頭頭及其孔孔底碎巖巖過程三、牙輪輪鉆頭的的分類法法1.我國三牙牙輪鉆頭頭的分類類和代號號三牙輪鉆鉆頭分為為2大類8個系列，，系列代代號用漢漢語拼音音表示，鉆頭型號號表示方方法如下下：□——鉆頭直徑徑用數(shù)字字表示；；□□——系列名稱稱代號用用表4-10規(guī)定的字字母表示示□——型號代號號用表4-11規(guī)定的數(shù)數(shù)字表示示2.IADC牙輪鉆頭頭分類方方法及編編號（自習））3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭0、全面鉆鉆頭概述述全面鉆進進——鉆進中不不采取巖巖心，全全面破碎碎孔底巖巖石。全全面鉆進進所使用用的鉆頭頭——全面鉆頭頭。使用全面鉆頭頭不受回次次進尺的的限制，，可節(jié)約約大量升升降鉆具具和取心心的輔助助作業(yè)時時間，因因此在油油氣鉆井井、水井井鉆探和和工程施施工鉆井井中得到到廣泛應應用。全面鉆頭頭包括硬質(zhì)質(zhì)合金全全面鉆頭頭、金剛剛石全面面鉆頭、、鋼粒全全面鉆頭頭、牙輪輪鉆頭和和螺旋鉆鉆頭等。。硬質(zhì)合金金和金剛剛石全面面鉆頭的的破巖機機理與取取心鉆頭頭類似。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭一、硬質(zhì)質(zhì)合金全全面鉆頭頭1.翼片式全全面鉆頭頭翼片式全全面鉆頭頭主要包包括刮刀刀鉆頭和和翼片鉆鉆頭。刮刀鉆頭頭刀翼呈曲曲面形，，切削具具正斜鑲鑲，刃尖尖角較小小，多用于鉆進進松軟巖巖層鉆進進；翼片鉆頭頭的翼片切切削具采采用直鑲鑲，多用用于鉆進進軟~中硬巖層層。一般按翼翼片數(shù)量量命名。如三刀刀翼的稱稱為三刮刮刀鉆頭頭或三翼翼鉆頭，兩刀刀翼的常常叫做魚魚尾鉆頭頭。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭（2）切削角角α：α角越大，，吃入深深度越深深，但α角過大時時，剪切切破碎困困難，鉆鉆進阻力力大。一一般α=70~85°，軟地層α角應小一一些，硬硬地層α角大一些些。（3）刃后角ψ：ψ=α-β。必須大于于孔底碎碎巖傾角角。1.2刀翼背部部幾何形形狀鉆頭工作作時刀翼翼的受力力類似于于懸臂梁梁；背部應成成拋物線線形狀，，即厚度度隨距刃刃尖的距距離而逐逐漸增厚厚。1.1刀翼的結結構角（1）刃尖角角β：表示刀刃刃的尖銳銳程度。。β越小，切入入巖石的的能力越越強但強強度小。。軟巖層層——8~10°；巖石較較硬——12~15°；夾層多多，孔較深時時β角也適當當增大。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭1.3刀翼底部部幾何形形狀——平底、正正階梯、、反階梯梯和反錐錐形平底刀翼翼形成的的孔底只只有一個個裸露自自由面，，階梯可形形成較多多自由面面碎巖速速度較快快，扭矩矩和功耗耗較小，，但容易易磨損成成錐形，，使鉆孔孔縮徑。。反階梯鉆鉆頭可防防縮徑，，但外側側底刃既既掏槽又又保徑，，蹩鉆嚴嚴重。大慶油田田根據(jù)反反階梯的的特點，，設計了了反錐形形刮刀鉆鉆頭，刀刀翼的底底刃可設設計一個個或兩個個斜面，，使孔底底形成一一兩個截截錐體。。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭1.4提高刀翼翼的耐磨磨性為保證足足夠的強強度，刀刀翼一般般用高強強度合金金鋼鍛制制而成。。刀翼表面面平鋪一一層YG8硬質(zhì)合金金塊，以以增強耐耐磨性和和防止泥泥漿對刀刀翼的沖沖刷。側側部鑲焊焊YG-8硬質(zhì)合金金保徑。。1.5典型翼片片鉆頭舉舉例（1）常用二二翼、三三翼鉆頭頭適用于Ⅰ～Ⅳ級的巖層層。三翼翼鉆頭在在大口徑徑鉆進中中應用廣廣泛，它它的鋼體體上裝有有可更換換噴嘴的的水眼，，使水流流加速，，提高機機械鉆速速。3/6/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學勘勘查教研研室第七節(jié)全面鉆頭頭（2）三翼片片階梯鉆鉆頭：可鉆進Ⅲ～Ⅴ級巖層。。階梯翼翼片直焊焊。根據(jù)不同同巖性取取不同的的翼片偏偏心距，，保證中中心處能能剪切碎碎巖。3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第七節(jié)節(jié)全面鉆鉆頭（3）針狀狀自磨磨式全全面鉆鉆頭：：可做成成三翼翼、四四翼或或六翼翼。耐耐磨性能好好，鉆鉆速均均勻。。適宜宜在Ⅴ～Ⅶ級的研研磨性性巖層層中鉆鉆進。。3/6/2023中國地地質(zhì)大大學勘勘查教教研室室第七節(jié)節(jié)全面鉆鉆頭2.籠式全全面鉆鉆頭——單腰鉆鉆頭和和雙腰腰鉆頭頭適用于于粘土土、砂砂層和和含少少量礫礫石的的土層層。2.1鉆頭的的結構構中心管管、““腰腰帶””、立立柱、、橫支支桿、、斜支支桿、、翼板板和超超前小小鉆頭頭等組組成。。上下導導正圈圈間距距≮鉆鉆頭直直徑，，外側側面加加焊合合金肋肋骨修修擴鉆鉆孔。。翼板板按一一定的的角度度焊在在下導導正圈圈的內(nèi)內(nèi)壁上上，合合金切切削具具鑲焊焊在翼翼板上上（或或螺栓栓固定定）。。一般為正斜斜鑲，近年年來，在鉆鉆進基巖和和卵礫石層層時，采用一字形形釬頭直立立焊的形式式。翼板的數(shù)量量視鉆頭直直徑而定。。3/6/2023中國地質(zhì)大大學勘查教教研室第七節(jié)全面鉆頭2.2鉆頭的特點點（1）單腰帶鉆鉆頭鉆進阻阻力小，鉆鉆速比雙腰腰鉆頭高；；（2）雙腰帶鉆鉆頭具有良良好的導