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第三節(jié)金剛石鉆進(jìn)工程鉆探學(xué)課件第1頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭與工藝第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

金剛石鉆進(jìn)是當(dāng)前鉆探工藝中一種比較先進(jìn)的鉆進(jìn)方法。由于這種方法的鉆進(jìn)效率比較高,鉆孔質(zhì)量比較好,施工勞動(dòng)強(qiáng)度比較輕,鉆探成本比較低,因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

工程鉆探學(xué)課件第2頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭與工藝第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

一、金剛石鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)①鉆進(jìn)效率高,特別是在巖石硬度大的地層,鉆進(jìn)效率提高的幅度較大。②鉆孔質(zhì)量好,巖心采取率比較高,而且?guī)r心完整、光滑。③金剛石鉆進(jìn)的鉆孔彎曲較小。④孔內(nèi)事故少,應(yīng)用范圍廣。⑤裝備輕,勞動(dòng)強(qiáng)度低,鉆探成本小。工程鉆探學(xué)課件第3頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石而四面體的每一頂角為相鄰4個(gè)四面體所共有。每個(gè)四面體中心與四頂角的碳原子以共價(jià)鍵緊密相連。碳原子間聯(lián)系十分牢固。所以金剛石具備高硬度、高熔點(diǎn)、不導(dǎo)電(少數(shù)為半導(dǎo)體)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等一系列特殊性能。1、金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石是碳的結(jié)晶變體之一,屬等軸晶系礦物。在金剛石晶體格架中,碳原子呈對(duì)稱性排列。每個(gè)碳原子周圍皆有4個(gè)碳原子排列在正四面體的錐角頂端,工程鉆探學(xué)課件第4頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石1、金剛石的結(jié)構(gòu)由于金剛石在生長(zhǎng)過(guò)程中的物理化學(xué)環(huán)境不同,其晶體形態(tài)是多種多樣的。最常見(jiàn)的是八面體,其次是菱形十二面體,立方體較少。1一八面體;2一十二面體;3一立方體;4一復(fù)合晶體;5一凸八面體;6一凸十二面體;7一凸立方體;8一凸復(fù)合晶體工程鉆探學(xué)課件第5頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)天然金剛石純凈晶體的顏色一般為無(wú)色透明的。由于其中微量元素和包裹體的影響,往往帶有不同的顏色。如:深棕色金剛石,硬而脆,沖擊韌性差。綠豆色金剛石強(qiáng)度低,質(zhì)量差。黃色金剛石含黃色素超過(guò)15%以上時(shí)硬度較低。①顏色工程鉆探學(xué)課件第6頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)金剛石具有極大的靜抗壓強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱強(qiáng)度)。強(qiáng)度取決于金剛石的晶體形態(tài)、晶體的完好程度、雜質(zhì)的成分和含量、晶體的組織結(jié)構(gòu)等。一般地說(shuō),渾圓狀的、結(jié)晶完好的金剛石強(qiáng)度大;有微裂隙、內(nèi)部有缺陷的、含氣泡的和包裹體的金剛石強(qiáng)度小。從結(jié)晶形態(tài)來(lái)看,十二面體、八面體的比無(wú)定形的好,不同晶形的金剛石強(qiáng)度可相差2-4倍。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度約為8600MPa,約為剛玉的3.5倍,硬質(zhì)合金的1.5倍,鋼的9倍。目前,用于鉆探的人造金剛石強(qiáng)度,一般要求2500MPa以上。③抗壓強(qiáng)度工程鉆探學(xué)課件第7頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)金剛石具有極高的耐磨性,是剛玉的90倍,硬質(zhì)合金的40—200倍,鋼的2000—5000倍。這就決定了它用作鉆頭時(shí)不易磨損。④耐磨性⑤熱膨脹系數(shù)

金剛石在低溫時(shí)的熱膨脹系數(shù)極?。ū扔操|(zhì)合金、碳化硅、剛玉低得多),這有利于對(duì)金剛石的鑲嵌。但隨溫度升高,其膨脹系數(shù)急劇增加。

工程鉆探學(xué)課件第8頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)金剛石的導(dǎo)熱率高,有良好的導(dǎo)熱性,即易吸收和散發(fā)熱量。這對(duì)降低地質(zhì)鉆頭切削區(qū)的溫度是很重要的。⑥導(dǎo)熱性⑦熱穩(wěn)定性金剛石的熱穩(wěn)定性較差。因此,在使用金剛石鉆頭時(shí)要充分冷卻。如果鉆頭冷卻不良,胎體部分的溫度會(huì)不斷升高。當(dāng)達(dá)到720~8000C時(shí),金剛石即會(huì)石墨化,此時(shí),金剛石鉆頭表現(xiàn)為嚴(yán)重磨損乃至燒鉆。溫度對(duì)金剛石強(qiáng)度影響較大,特別是對(duì)粒度較細(xì)的人造金剛石,隨著溫度升高、強(qiáng)度下降。工程鉆探學(xué)課件第9頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)金剛石的電阻率很大,是不良導(dǎo)體;但也有少數(shù)金剛石是良好的半導(dǎo)體材料。金剛石一般沒(méi)有磁性,當(dāng)含有磁性包裹體時(shí),金剛石就具有磁性。合成人造金剛石時(shí),由于帶入鐵、鉆、鎳等觸媒雜質(zhì),使金剛石具有磁性。⑧電磁性工程鉆探學(xué)課件第10頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

二、鉆探用金剛石2、金剛石的物理力學(xué)性質(zhì)金剛石在陰極射線、紫外線、X射線的照射下常發(fā)出藍(lán)、黃、綠等鮮艷的熒光。據(jù)有關(guān)資料介紹,紫外線照射時(shí)不發(fā)光的金剛石比發(fā)光的耐磨性好;但在動(dòng)載作用下,不發(fā)光的強(qiáng)度最??;發(fā)藍(lán)色、綠色、黃色、玫瑰色的光,其動(dòng)載強(qiáng)度依次升高。⑨熒光工程鉆探學(xué)課件第11頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、金剛石的分類金剛石按成因分為天然的、人造的兩大類。

(1)“包爾茲”(Bortz),顏色變化很大,一般呈無(wú)色、黃色、灰色或黑色,從透明到不透明。凡結(jié)構(gòu)異于“黑色金剛石”和“巴拉斯”,又不夠?qū)毷?jí)金剛石的皆屬于此類。它多呈不規(guī)則或放射狀的亞顯微晶體結(jié)構(gòu),外形常為渾圓粒狀,具有高的硬度,價(jià)格較便宜。目前絕大多數(shù)表鑲鉆頭均采用此類金剛石。某些等級(jí)只適合于破碎成不同尺寸的粉末(粉碎包爾茲),作孕鑲鉆頭或其他磨料使用。1、天然金剛石工程鉆探學(xué)課件第12頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類

(2)“剛果”(Congo)亦稱“剛果包爾茲”,產(chǎn)于扎伊爾。剛果金剛石從無(wú)光澤到半透明,顏色有白、灰、黃、綠等。細(xì)晶結(jié)構(gòu),硬度略低于“包爾茲”,是一種較低品級(jí)的金剛石。大多呈碎粒狀,可作孕鑲鉆頭用。精選“剛果”亦可制作表鑲鉆頭,用于軟至中硬巖層的鉆進(jìn)。1、天然金剛石工程鉆探學(xué)課件第13頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類人造單晶金剛石在晶形生長(zhǎng)發(fā)育良好的情況下呈八面體、十二面體及它們的聚形,而且晶面完整、晶棱清晰。質(zhì)量較次的則往往晶形不完整,常出現(xiàn)連晶以及晶面有蝕坑等。人造單晶是人造金剛石的最基本品種。由于合成時(shí)使用觸媒不同,因而具有不同顏色,而以不同深淺的黃綠色晶體以及含硼黑色晶體為主。這是我國(guó)目前金剛石鉆探使用的最主要品種。2、人造單晶金剛石工程鉆探學(xué)課件第14頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類金剛石鉆進(jìn)由于人造單晶金剛石本身的特性(如硬度非常大等)在硬地層和堅(jiān)硬地層中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于金剛石單晶顆粒?。ㄈ嗽靻尉Я讲怀^(guò)lmm),限制了這種鉆進(jìn)方法在鉆探上的應(yīng)用,在軟一中硬地層中不能發(fā)揮其鉆進(jìn)的優(yōu)越性。為了改變這種狀況,在人造單晶金剛石問(wèn)世之后,相繼研究出了人造聚晶金剛石,亦稱金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片。3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片工程鉆探學(xué)課件第15頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類由90%左右微細(xì)的或各種粒度組成的微粉金剛石加人適量(10%左右)的粘結(jié)劑(如Ni鎳、Si、B硼、Ti鈦、Zr鎬、Re錸等元素)在高溫和超高壓下燒結(jié)而成。3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片①金剛石聚晶燒結(jié)體工程鉆探學(xué)課件第16頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第二節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類它的特點(diǎn)是:(1)耐熱性好,有的達(dá)12000C時(shí)熱穩(wěn)定性性能基本不變,可與天然金剛石媲美,甚至超過(guò)天然金剛石;(2)抗壓強(qiáng)度高達(dá)3000MPa(3)可以直接合成所需的片、塊、圓柱等形狀和一定大小的單體;(4)致密、晶體交互生成,無(wú)裂隙;耐磨性能好。(5)用于鉆進(jìn)中硬及部分硬地層。但由于硬度較低,不能用于大部分硬和堅(jiān)硬地層。3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片①金剛石聚晶燒結(jié)體工程鉆探學(xué)課件第17頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、金剛石的分類金剛石復(fù)合片是將聚晶金剛石層(約為0.5—lmm厚)附著粘結(jié)在硬質(zhì)合金襯底上的復(fù)合材料。由于它兼有金剛石聚晶層極高的耐磨性和硬質(zhì)合金高的抗沖擊韌性,并且金剛石層能始終保持銳利的切削刃,因而在地質(zhì)鉆探的軟至中硬地層鉆探中使用效果非常好。3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片②金剛石復(fù)合片1-金剛石層;2-過(guò)度層;3-硬合金層工程鉆探學(xué)課件第18頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、金剛石的分類復(fù)合片的特點(diǎn):(1)復(fù)合片金剛石層中的金剛石含量高達(dá)99%,粘結(jié)金屬含量?jī)H占1%左右,故金剛石層硬度高、耐磨性極好;(2)復(fù)合片金剛石層很薄,一般控制在0.5—1mm左右。因此,刃口鋒利而且始終保持自銳;3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片②金剛石復(fù)合片工程鉆探學(xué)課件第19頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第二節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

三、金剛石的分類復(fù)合片的特點(diǎn):(3)復(fù)合片襯底硬質(zhì)合金含鈷量高,強(qiáng)度高,大大提高了整個(gè)復(fù)合片在孔底的抗沖擊能力;(4)由于聚晶金剛石層本身耐熱性差,同時(shí)與硬質(zhì)合金片的熱膨脹系數(shù)相差懸殊,故復(fù)合片耐熱性能較差,一般在7500C以內(nèi);(5)由于復(fù)合片刃口鋒利,耐磨性好,故復(fù)合片鉆頭鉆速高、壽命長(zhǎng)、取心率高、所需鉆壓小、孔斜小、鉆孔質(zhì)量好。3、金剛石聚晶燒結(jié)體和金剛石復(fù)合片②金剛石復(fù)合片工程鉆探學(xué)課件第20頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、金剛石鉆頭的種類金剛石鉆頭由三部分組成,即金剛石、胎體和鉆頭體。金剛石鉆頭形式多樣,基本結(jié)構(gòu)如圖所示。用各種天然或人造金剛石制作的鉆頭統(tǒng)稱為金剛石鉆頭。工程鉆探學(xué)課件第21頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、金剛石鉆頭的種類金剛石鉆頭按胎體中的包鑲形式分為兩類:表鑲鉆頭:金剛石鑲嵌在胎體的表層;孕鑲鉆頭:金剛石是鑲嵌在胎體之中。(a)-表鑲鉆頭:1-底刃金剛石;2-邊刃金剛石;3-側(cè)刃金剛石;4-胎體;5-鉆頭體(b)-孕鑲鉆頭:1-金剛石;2-工作部分胎體;3-非工作部分胎體;4-鉆頭體;h-孕鑲層高度工程鉆探學(xué)課件第22頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、金剛石鉆頭的種類工程鉆探學(xué)課件第23頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、金剛石鉆頭的種類工程鉆探學(xué)課件第24頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理金剛石鉆頭破巖過(guò)程存在著研磨、切削、壓裂、壓碎等破巖形式。

工程鉆探學(xué)課件第25頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理表鑲鉆頭:分析其破碎巖石過(guò)程時(shí),取單顆金剛石為研究對(duì)象,并將其視為球體,如上圖所示。理論和試驗(yàn)表明:表鑲金剛石鉆頭破碎堅(jiān)硬脆性巖石時(shí),其主要破碎方式為壓裂、壓碎加體積剪切,而切削破碎方式是次要的。在破碎塑性大的硬及中硬巖右時(shí),則主要以切削方式破碎巖石,而以壓裂壓碎為輔。工程鉆探學(xué)課件第26頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三第二節(jié)金剛石鉆頭鉆進(jìn)

五、金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理孕鑲鉆頭:所用的金剛石的粒度小,且埋藏于胎體之中,其實(shí)際碎巖機(jī)理和砂輪磨削類似,如圖所示。以刃具面多而小金剛石對(duì)巖石進(jìn)行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。工程鉆探學(xué)課件第27頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭金剛石是鉆頭的刃部,對(duì)于表鑲鉆頭,金剛石鑲嵌在胎體的表層,按照鑲嵌位置的不同,分為底刃金剛石、邊刃金剛石和側(cè)刃金剛石。底刃金剛石是克取巖石的主力;邊刃金剛石其作用除克取巖石外,還要保持鉆頭內(nèi)外徑;側(cè)刃金剛石其作用僅是保持鉆頭內(nèi)外徑。1)金剛石部分工程鉆探學(xué)課件第28頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭鉆頭體是指鉆頭的鋼體部分,用中碳鋼制成。單管鉆頭的鋼體長(zhǎng)為71mm,上端車有外絲扣,絲扣長(zhǎng)度為30mm。雙管鉆頭的鋼體長(zhǎng)為115mm,上端車有內(nèi)絲扣,絲扣長(zhǎng)為33mm。2)鉆頭體工程鉆探學(xué)課件第29頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭金剛石鉆頭胎體用于包鑲金剛石并與鋼件牢固連接。不同類型鉆頭對(duì)胎體性能有不同的要求,主要取決于鉆頭的工作特性及所鉆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。3)金剛石鉆頭胎體工程鉆探學(xué)課件第30頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭對(duì)鉆頭胎體性能的要求為:(1)胎體要牢固地包鑲金剛石;(2)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度,具有一定的抗沖擊性能,胎體與剛體之間的連接要牢固;(3)胎體的硬度、抗沖蝕性能、耐磨性要與所鉆巖石的壓如入硬度、抗壓強(qiáng)度、巖粉的沖蝕性、巖石的研磨性相適應(yīng)。3)金剛石鉆頭胎體工程鉆探學(xué)課件第31頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭表鑲金剛石鉆頭胎體表面單位面積內(nèi)金剛石含量的多少稱為金剛石在胎體表面分布的密度(以下簡(jiǎn)稱密度),以粒/cm2表示。對(duì)于不同粒度的金剛石有不同的密度。4)金剛石在胎體中的濃度(密度)工程鉆探學(xué)課件第32頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭孕鑲鉆頭胎體中單位體積內(nèi)金剛石含量的多少稱為胎體中金剛石的體積濃度,其單位為(克拉//cm3)。目前生產(chǎn)廠家用的濃度制,主要是采用“金剛石制品國(guó)際濃度標(biāo)準(zhǔn)”來(lái)表示,即100%的濃度表示每lcm3中含金剛石4.39克拉。如75%的濃度相應(yīng)為含金剛石3.3克拉/cm3。4)金剛石在胎體中的濃度(密度)工程鉆探學(xué)課件第33頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭濃度偏高,鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大,單粒金剛石上所承受的壓力較小,相應(yīng)壓入巖石的深度減小。當(dāng)金剛石上的壓強(qiáng)小于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí),金剛石就不能壓入巖石,表現(xiàn)為鉆頭不進(jìn)尺,在孔底打滑。相反,濃度偏低,在鉆頭胎體端面上出露的金剛石太少,一是不能布滿孔底巖石的環(huán)狀面積,出現(xiàn)大片的無(wú)金剛石空白區(qū);二是造成單粒金剛石上的壓強(qiáng)太大,在新的金剛石未出露之前,已出露的金剛石就過(guò)早地磨鈍或崩刃、脫粒,鉆進(jìn)狀況惡化,甚至被迫停止鉆進(jìn)。所以,從理論上來(lái)說(shuō)每一類巖層都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的最佳濃度值。4)金剛石在胎體中的濃度(密度)工程鉆探學(xué)課件第34頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭在保證金剛石質(zhì)量的前提條件下,孕鑲鉆頭在硬和堅(jiān)硬的巖層中宜采用較小的粒度,以利于失去工作能力的金剛石在鉆進(jìn)過(guò)程中不斷脫落,新的金剛石不斷投人工作,實(shí)現(xiàn)金剛石鉆頭的自銳。而在軟至中硬巖層中則相反,應(yīng)采用較粗粒的金剛石,以保證鉆頭端面有較大的出刃及切入深度,維持鉆頭有較高的鉆速。5)金剛石的粒度工程鉆探學(xué)課件第35頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭金剛石在胎體端面的出刃值必須遵守下列幾條原則:6)金剛石的出刃(1)保證在正常的泵壓條件下巖粉能從鉆頭端面順利通過(guò);(2)金剛石出露刃在鉆進(jìn)時(shí)不易被折斷;(3)金剛石在胎體中包鑲牢固。工程鉆探學(xué)課件第36頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭其出露的數(shù)值取決于金剛石粒度的大小和所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。在軟的、粘性的及脆弱膠結(jié)的粗粒巖石中,設(shè)計(jì)較大的出刃值;在厚層的硬巖中以及在破碎的裂隙巖層中設(shè)計(jì)較小的出刃值。6)金剛石的出刃工程鉆探學(xué)課件第37頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值,則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。一般設(shè)計(jì)為兩種類型:半出刃型和全出刃型。6)金剛石的出刃半出刃型復(fù)合片半出刃型三角形聚晶工程鉆探學(xué)課件第38頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值,則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。一般設(shè)計(jì)為兩種類型:半出刃型和全出刃型。6)金剛石的出刃全出刃型復(fù)合片全出刃型三角形聚晶工程鉆探學(xué)課件第39頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭對(duì)于復(fù)合片、三角形聚晶的出刃數(shù)值,則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表鑲和孕鑲的出刃值。一般設(shè)計(jì)為兩種類型:半出刃型和全出刃型。6)金剛石的出刃半出刃型適用于鉆進(jìn)中硬的灰?guī)r、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、頁(yè)巖等;全出刃型適用于鉆進(jìn)軟的松散的砂巖及易糊鉆的泥質(zhì)巖層。工程鉆探學(xué)課件第40頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭①表鑲鉆頭金剛石在胎體上排列的原則:1)金剛石要均勻地布滿鉆頭的胎體表面,不能有空隙,以便有效克取巖石;2)便于沖洗液排除巖粉;3)充分冷卻金剛石。7)金剛石在胎體上的排列工程鉆探學(xué)課件第41頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭①表鑲鉆頭目前常用的幾種排列形式如圖所示。7)金剛石在胎體上的排列放射狀圓弧狀螺旋狀工程鉆探學(xué)課件第42頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭①表鑲鉆頭在軟巖中為排粉暢通,采用螺旋形水口時(shí),最好排列為螺旋狀;在中硬和硬巖層多采用直槽和斜形水口時(shí),可采用放射狀排列和圓弧形排列。7)金剛石在胎體上的排列工程鉆探學(xué)課件第43頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:1)復(fù)合片在鉆頭上鑲嵌數(shù)量。鉆頭上鑲嵌復(fù)合片的數(shù)量與地層密切相關(guān),較硬地層密度大,以減少鉆頭的磨損速度,反之則少。工程鉆探學(xué)課件第44頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:2)復(fù)合片擺放的位置a交錯(cuò)排列。當(dāng)復(fù)合片直徑小于鉆頭胎體壁厚時(shí),可以布置成一片具有外出刃;另一片具有內(nèi)出刃,兩片交錯(cuò)排列工程鉆探學(xué)課件第45頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:2)復(fù)合片擺放的位置b同徑排列。當(dāng)復(fù)合片直徑與標(biāo)準(zhǔn)鉆頭胎體壁厚相同時(shí),每個(gè)復(fù)合片都具有相同的內(nèi)外出刃,即外出刃在同一外徑上,內(nèi)出刃在同一內(nèi)徑上。工程鉆探學(xué)課件第46頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:2)復(fù)合片擺放的位置c底出刃一致排列。用于直徑相同的復(fù)合片,保持底出刃一致。d高低出刃排列。用于直徑不同的復(fù)合片,在鉆頭底唇面上出刃高低不一,在孔底相應(yīng)鉆出凸凹不平的自由面,有利于破碎巖石,提高鉆速,小直徑的復(fù)合片也起到輔助增強(qiáng)的作用。工程鉆探學(xué)課件第47頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:3)復(fù)合片鑲嵌的角度(α)切削角a其數(shù)值減小時(shí),切削作用加強(qiáng),即在同樣的鉆壓下切削角小的切削具切削深度大,可以鉆出較大的巖屑,從而在其他相同的條件下可獲得較高的鉆速。但是較小的切削角在鉆硬地層時(shí)因跳動(dòng)沖擊而易損壞。一般依據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)切削角設(shè)計(jì)為100~150,既能具有較高的鉆速又能保持一定的壽命。

工程鉆探學(xué)課件第48頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列排列設(shè)計(jì)的內(nèi)容為:3)復(fù)合片的徑向角β

徑向角β該角是切削具表面和鉆頭徑向平面之間的夾角。具有徑向角的復(fù)合片可將巖屑引導(dǎo)到外環(huán)空間,不易被巖粉粘附,而且徑向角的角度越大巖屑粘附切削具的可能性越小。從有利于切削巖石和排除巖粉兩方面考慮,一般徑向角設(shè)計(jì)為50~200

工程鉆探學(xué)課件第49頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭②復(fù)合片鉆頭的排列設(shè)計(jì)7)金剛石在胎體上的排列工程鉆探學(xué)課件第50頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三六、金剛石鉆頭不同的巖層采用不同的保徑方式,在中硬和硬地層中采用圓柱狀人造聚晶,每個(gè)扇形塊的內(nèi)外徑可排列2~3排,每排1~2粒,其規(guī)格為直徑1.8~2mm,長(zhǎng)度為3.5~4mm。在硬一堅(jiān)硬巖層中可采用天然金剛石保徑,每個(gè)扇活塊的內(nèi)外徑處排列2~3排,每排為2~3粒天然金剛石,其粒度為15~20粒/克拉。在軟巖層中可采用低鉆針狀硬質(zhì)合金,排列方式同圓柱狀人造聚晶。在一般中硬巖層中采用單晶保徑。硬、脆、碎地層中可用天然金剛石及人造聚晶保徑,在關(guān)鍵部位水口的前后用硬合金條補(bǔ)強(qiáng),或用硬合金補(bǔ)強(qiáng)。8)金剛石在鉆頭保徑層上的排列工程鉆探學(xué)課件第51頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)為使鉆頭水路具更好的排粉和冷卻性能,須隨地層而異設(shè)計(jì)不同型式的水口。金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)包括水口、漫流區(qū)過(guò)水間隙和內(nèi)外環(huán)間隙。1、水口工程鉆探學(xué)課件第52頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)直槽型(圖a),用于軟一硬的地層,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易制造,采用最為普遍。斜槽型(圖b),適用于厚壁鉆頭,其特點(diǎn)是可以促使巖粉沿斜水口迅速排至外環(huán)狀空間。全面沖洗型(圖c),又稱梅花形水口,用于表鑲鉆頭鉆進(jìn)硬一堅(jiān)硬地層。此型水口的特點(diǎn)是迫使沖洗液沿著金剛石的出刃,在胎體和孔底巖石之間的間隙形成液流,能充分冷卻金剛石。1、水口工程鉆探學(xué)課件第53頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)螺旋型(圖d),用于鉆進(jìn)軟地層。螺旋形水路在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中使巖粉能及時(shí)地被沖洗液沿水口攜帶到外環(huán)狀間隙中。傾斜槽型(圖e),其特點(diǎn)是扇形塊的端部呈傾斜的楔形,內(nèi)外水槽間隔分布錯(cuò)開(kāi)排列,并超過(guò)扇形塊的頂點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是沖洗液可充分冷卻鉆頭。此型水口主要用于制造孕鑲鉆頭。主副水路型(圖f),用于鉆進(jìn)軟地層,其副水路可以輔助主水路排粉和冷卻厚壁鉆頭胎體的中心部分。底噴型(圖g),適用于硬、碎巖層及粉狀巖層。由于無(wú)內(nèi)水槽,沖洗液主要由胎體中的水眼流至底唇,能防止沖洗液對(duì)巖心的沖蝕,保證巖心采取率。1、水口工程鉆探學(xué)課件第54頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)表鑲鉆頭與孔底接觸后,除水口以外的過(guò)水面積稱漫流區(qū)。沖洗液總量中的一部分將從過(guò)水間隙處通過(guò),實(shí)現(xiàn)冷卻金剛石和清洗各金剛石之間的巖粉。如果此處間隙值太小,則易引起糊鉆,所以在軟巖中出刃要大;反之,在硬巖中出刃可小。孕鑲鉆頭主要依靠胎體金屬的不斷沖蝕和研磨,從而使金剛石保持一定的出露量。該出露量值比較小,所以,孕鑲鉆頭主要依靠減少水口寬度,增加水口數(shù)量使胎體每個(gè)扇形塊都有良好的冷卻條件。2、漫流區(qū)過(guò)水間隙工程鉆探學(xué)課件第55頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三七、金剛石鉆頭的水路系統(tǒng)鉆頭鋼體外表面與孔壁之間的外環(huán)狀間隙,及鋼體內(nèi)表面與巖心之間的內(nèi)環(huán)狀間隙。此水路系統(tǒng)必須考慮地層特性、沖洗液類型等因素。例如:鉆探水敏性地層、易縮徑地層并采用泥漿護(hù)壁時(shí),需相應(yīng)增大內(nèi)外環(huán)狀空間,以減小水力損失,否則會(huì)增大鉆頭壓強(qiáng),造成泵壓增高,甚至蹩泵。3、內(nèi)外環(huán)狀間隙工程鉆探學(xué)課件第56頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三八、金剛石鉆頭的選擇選擇金剛石鉆頭的原則:(1)軟至中硬和完整均質(zhì)巖層,一般宜用天然表鑲鉆頭、復(fù)合片鉆頭、聚晶鉆頭,部分可用燒結(jié)體鉆頭。(2)硬至堅(jiān)硬致密的巖層(7~12級(jí)),一般宜用孕鑲鉆頭,或細(xì)粒表鑲金剛石鉆頭。(3)在破碎、軟硬互層、裂隙發(fā)育或強(qiáng)研磨性巖層,如煤系地層,宜用耐磨性好的、補(bǔ)強(qiáng)的電鍍?cè)需傘@頭。工程鉆探學(xué)課件第57頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三八、金剛石鉆頭的選擇選擇金剛石鉆頭的原則:(4)強(qiáng)研磨性巖層,用高耐磨性胎體;中等研磨性巖層,用中等耐磨性胎體;弱研磨性巖層,選用低耐磨性胎體。(5)復(fù)雜巖層,研磨性越強(qiáng)、越硬,選用金剛石品級(jí)好、粒度相對(duì)細(xì)的鉆頭。(6)強(qiáng)研磨性、較破碎的巖層,在保證金剛石包鑲良好的條件下,選用金剛石濃度較高的鉆頭。反之,均質(zhì)致密、弱研磨性的巖層,選用金剛石濃度較低的鉆頭。(7)巖層軟,排粉多,選用復(fù)合片鉆頭或聚晶鉆頭。工程鉆探學(xué)課件第58頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程鉆頭選定后,金剛石鉆進(jìn)的效率有賴于鉆進(jìn)規(guī)程的選擇。鉆進(jìn)規(guī)程包括:鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量3個(gè)參量。影響鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的因素很多,主要有:巖層的性質(zhì)和特點(diǎn)、鉆頭的類型、所用設(shè)備和鉆具的性能、鉆孔的直徑和深度,其他工藝技術(shù)條件等。工程鉆探學(xué)課件第59頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程金剛石鉆進(jìn)也分為3個(gè)不同的區(qū)域:(I)為表面研磨破碎,雖也呈線性正比關(guān)系,但鉆速極低;(Ⅱ)為疲勞破碎區(qū),這是一個(gè)過(guò)渡帶,依靠多次重復(fù),裂紋擴(kuò)展而碎巖;(Ⅲ)為鉆刃切入巖石的體積破碎區(qū)。該區(qū)內(nèi)鉆速隨鉆壓增長(zhǎng)很快。但與此同時(shí),單位進(jìn)尺金剛石的耗量也隨鉆壓的增長(zhǎng)而增大,并且還會(huì)導(dǎo)致鉆速下降。對(duì)二者權(quán)衡,決定鉆壓最佳區(qū)域。1、鉆壓一般來(lái)說(shuō),在一定范圍內(nèi)鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的工程鉆探學(xué)課件第60頁(yè),共67頁(yè),2023年,2月20日,星期三九、金剛石鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程轉(zhuǎn)速亦是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素之一。關(guān)于轉(zhuǎn)速的選擇,大體遵循以下幾個(gè)原則:①在中硬至硬、中等研磨性的完整巖層中鉆進(jìn),一般可采用較高轉(zhuǎn)速;②在堅(jiān)硬致密的巖層中鉆進(jìn),主要靠鉆壓破碎巖石,宜采用較低轉(zhuǎn)速;③在復(fù)雜地

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