鉆掘工程樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。第一章緒論一、課程的內(nèi)容、地位和任務(wù)”鉆掘工程學(xué)”研究如何借助機(jī)械或化學(xué)方式(爆破能)破碎巖土層,在地下形成規(guī)格和質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求的鉆孔或坑道,以達(dá)到找礦、采礦及其它工程建設(shè)或?yàn)?zāi)害治理的目的。它與地質(zhì)學(xué)、礦業(yè)科學(xué)、機(jī)械工程、土木工程等有著密切的關(guān)系。涉及資源和環(huán)境兩大主題。本課程的主要任務(wù):講授有關(guān)鉆掘工程,特別是鉆探工作的原理。綜合分析鉆探的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);了解和掌握鉆探的工作過程和基本規(guī)律;熟悉工程施工方法和程序;了解相關(guān)的新技術(shù)、新方法以及發(fā)展方向等。本課程的目的:使學(xué)生在未來的工作中能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能,合理解決生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問題;并能根據(jù)生產(chǎn)需要,采用新技術(shù)、新方法,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和地質(zhì)勘查水平。二、巖土鉆掘工程的淵源和發(fā)展概況沖洗冷卻方式不斷改進(jìn)完善:(1)全孔正循環(huán);(2)全孔反循環(huán);(3)孔底局部正循環(huán);(4)孔底局部反循環(huán);(5)節(jié)水鉆進(jìn)三、巖土鉆掘工程的應(yīng)用(1)礦產(chǎn)資源勘探和部分礦產(chǎn)的開采(如普查、采鈾、石油開采等);(2)水文地質(zhì)勘探和水井鉆(按人均擁有水資源量計(jì)算:中國屬于嚴(yán)重缺水的國家。西北地區(qū)占全國面積1/3,水資源量僅占全國總量的8%,嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。);(3)工程地質(zhì)勘查和生態(tài)環(huán)境研究(地基勘察、南極冰川鉆探);(4)地質(zhì)災(zāi)害的防治與環(huán)境治理(三峽、小浪底);(中國每年地質(zhì)災(zāi)害的損失達(dá)幾百億元,地質(zhì)災(zāi)害治理正是本學(xué)科的主要服務(wù)領(lǐng)域之一。);(5)工民建和路橋基礎(chǔ)工程;(6)國防工程及海岸工程;(7)科學(xué)鉆探四、鉆探工藝及程序*鉆探主要程序:破碎巖石;排除巖屑;保護(hù)孔壁;升降鉆具。包含兩個(gè)主要工序:鉆進(jìn)、起下鉆巖心鉆探的基本工藝過程:(1)平整場地,挖好循環(huán)系統(tǒng),安裝鉆塔、鉆機(jī)、泵和動(dòng)力機(jī);(2)按設(shè)計(jì)的方向開孔,在孔口固定孔口管;(3)據(jù)所鉆巖石物理力學(xué)性質(zhì)、鉆頭直徑、鉆頭類型和孔深選擇合理的規(guī)程參數(shù),一邊沖洗鉆孔,一邊經(jīng)過給進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆柱給鉆頭加軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度

;(4)鉆頭在孔底鉆出一個(gè)環(huán)形空間,并形成巖心,隨著鉆孔加深巖心將充滿巖心管。(5)清潔孔底、冷卻鉆頭切削具后,攜帶巖屑的沖洗液上返流出孔口,并在沉淀槽、沉淀池中清除掉巖屑后,清潔的液體再流回泥漿池,如此循環(huán)。(6)把鉆具提至地表,從巖心管內(nèi)取出巖心。重新配好鉆具,再下放至孔內(nèi)繼續(xù)鉆進(jìn)。完成鉆孔的主要工藝流程圖*:鉆機(jī)搬遷,平整場地,設(shè)備安裝,調(diào)試,開孔,選鉆進(jìn)工藝參數(shù),鉆孔沖洗及沖洗介質(zhì)循環(huán),沖洗液及選擇,提鉆,取心下鉆,下套管護(hù)壁,測斜,測井、封孔常見的鉆進(jìn)方法及選用原則:軟巖和中硬巖層:用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆頭鉆進(jìn);硬巖:用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭鉆進(jìn);硬脆巖層:用液動(dòng)(氣動(dòng))孔內(nèi)沖擊器鉆進(jìn)或鑲齒牙輪鉆進(jìn)更有效;鉆孔的直徑取決于鉆進(jìn)目的、鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)方法:金剛石鉆頭主要用于小口徑;鋼粒鉆頭主要用于91mm以上的口徑、中硬巖鉆進(jìn);硬質(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進(jìn)小口徑孔又可鉆進(jìn)直徑達(dá)2m以上的大口徑水井、工程施工孔和淺井;鉆孔深度可在幾米至幾千米范圍內(nèi)變化五、鉆探工程的應(yīng)用范圍*1．地質(zhì)勘探(普查找礦鉆探;礦產(chǎn)勘探鉆探;水文地質(zhì)、水井鉆探;工程地質(zhì)鉆探)2。開采礦產(chǎn)資源鉆探;3。工業(yè)工程施工鉆探六、鉆探方法的分類*1根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)取心的特點(diǎn)分類:巖心鉆探;不取心鉆探2根據(jù)鉆孔的用途分類:普查找礦鉆探;勘探鉆探;開采鉆探;輔助鉆探3根據(jù)鉆孔中心線的傾角和方位角分類:垂直孔;傾斜孔;水平孔4根據(jù)鉆孔位置分類:地表鉆探;水上鉆探(河上、湖上、海上);地下坑道鉆探5根據(jù)鉆孔布置方法的分類:叢狀布孔;多井筒鉆進(jìn);多孔底鉆進(jìn)6根據(jù)碎巖方式分類:物理方法破碎巖;化學(xué)方法破碎巖石;機(jī)械方法破碎巖石(沖擊鉆進(jìn);回轉(zhuǎn)鉆進(jìn);其它)。沖擊鉆進(jìn)又分為:手動(dòng)沖擊鉆進(jìn);機(jī)械沖擊鉆進(jìn)?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)又分為:手動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn);勘探回轉(zhuǎn)鉆進(jìn);深井回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。其它包括:螺旋鉆進(jìn);震動(dòng)鉆進(jìn);沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)?？碧交剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)再分為:硬合金鉆進(jìn);剛粒鉆進(jìn);金剛石鉆進(jìn)。深井回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)再分為:轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆進(jìn);井底發(fā)動(dòng)機(jī)鉆進(jìn).井底發(fā)動(dòng)機(jī)鉆進(jìn)可再分為:渦輪鉆進(jìn);螺桿鉆進(jìn);電鉆進(jìn)。7根據(jù)鉆進(jìn)使用的沖洗液分類:清水;泥漿;加重沖洗液;充氣沖洗液;乳化液;飽和鹽溶液;冷的壓縮空氣(氣體)。第2章巖石性質(zhì)及碎巖機(jī)理鉆掘工程指在地殼中破碎各類巖石,鉆出不同直徑、深度的鉆孔或不同形狀、長度的坑道。第一節(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)一、巖石的組成與分類:巖漿巖;沉積巖;變質(zhì)巖。巖石是礦物顆粒的集合體。礦物的解理和劈理發(fā)育程度及方向,礦物硬度、晶體結(jié)構(gòu)等特征,一定程度上決定著巖石抵抗外力的能力。硬度高的礦物組成的巖石強(qiáng)度及硬度較高。一般造巖礦物中石英含量愈多,膠結(jié)物的強(qiáng)度愈大,礦物顆粒愈細(xì),巖石的強(qiáng)度愈大;粘土礦物愈多,巖石的硬度愈低。從硅質(zhì)－鐵質(zhì)－鈣質(zhì)－泥質(zhì)膠結(jié),巖石強(qiáng)度依次下降。二、巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是巖石的微觀組織特征,指組成巖石的礦物成分、粒度、形狀和礦物顆粒之間的連結(jié)方式,反映了巖石非均質(zhì)性和孔隙性。如巖漿巖的粒狀結(jié)構(gòu),沉積巖的砂狀結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu),變質(zhì)巖的變晶結(jié)構(gòu)等。膠結(jié)物成分和膠結(jié)方式對沉積巖堅(jiān)固程度有重要影響:致密、膠結(jié)牢固、空隙少的巖石,堅(jiān)固性較好;結(jié)構(gòu)疏松,薄弱多面、空隙多的巖石堅(jiān)固性差。泥質(zhì)巖的變質(zhì)程度越高,一般堅(jiān)固性越強(qiáng),但劈理發(fā)育時(shí),堅(jiān)固性差。巖石的堅(jiān)固性越高,對于鉆孔施工就越困難,而對保護(hù)井壁的穩(wěn)定性就越有利。三、巖石的構(gòu)造巖石構(gòu)造指巖石的宏觀特征,即組成巖石的礦物間的相互關(guān)系,空間排列等,如層理、片理和裂隙等。它說明礦物顆粒之間的組合形式和空間分布狀況,決定巖石的各向異性和裂隙性。巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與巖石成因類型、形成條件及存在環(huán)境有緊密的聯(lián)系。巖漿巖由巖漿冷卻凝固形成,由于生成環(huán)境和冷卻速度不同,巖漿化學(xué)成份和其中揮發(fā)物的含量不等,形成不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石一般強(qiáng)度較高,同時(shí)斷面粗糙者往往研磨性較大。沉積巖:顆粒和膠結(jié)物組成,沉積巖的主要構(gòu)造特征是層理,與鉆進(jìn)有關(guān)。變質(zhì)巖:主要構(gòu)造特征是片理,巖石沿平行平面分裂為薄片的能力叫做片理化。層理:指在垂直方向上的巖石成分變化的情況。片理:巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力由于巖石的構(gòu)造特征,使多數(shù)巖石的性質(zhì)具有不均勻性,反映在力學(xué)性質(zhì)上為明顯的各向異性－不但是抗壓強(qiáng)度有各向異性,抗拉、抗剪、抗彎和變形特征等方面都有各向異性。層理之間的聯(lián)結(jié)力較弱,在沿平行層理方向加壓時(shí),巖石首先從層理面裂開;垂直于巖石層理的抗壓強(qiáng)度大,平行層理面的抗壓強(qiáng)度小。裂隙也對巖石的強(qiáng)度、鉆進(jìn)難易及孔壁穩(wěn)定影響較大四、巖石的自然性質(zhì)巖石的自然性質(zhì):巖石在生成過程中,由構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化過程中自然形成的特性。密度:單位體積巖石的質(zhì)量。容重:單位體積巖石的重量.比重:單位體積巖石骨架體積的重量。巖石體積＝固相骨架體積＋巖石中孔隙體積一般來說,密度越高,強(qiáng)度越大?？紫抖?巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。一般來說,孔隙度越大,強(qiáng)度越低含水性:W=(GW－GD)/GD;透水性:KW＝?ql/A(Pi－Po)巖石的孔隙越大,裂隙越多,水對它的影響就越小。如石灰?guī)r,用水浸透后,強(qiáng)度下降明顯。五、巖石的強(qiáng)度:巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有變形特性、強(qiáng)度特性和表面特性。變形特性:彈性、塑性和脆性。強(qiáng)度特性:抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。表面特性:硬度和研磨性1、概念:巖石的強(qiáng)度指固體巖石抵抗機(jī)械破壞的能力。依據(jù)外載作用性質(zhì)的不同,能夠有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度等。2、影響巖石強(qiáng)度的因素:巖石的物質(zhì)成份、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石的容重和孔隙度、受力條件、應(yīng)力狀態(tài)、載荷速度巖樣的線性尺寸、濕度和溫度。3、巖石強(qiáng)度的測定:(1)單軸抗壓強(qiáng)度:總壓力與巖樣斷面之比бb=P/S。(2)抗剪強(qiáng)度:切向剪應(yīng)力與剪切斷面之比。當(dāng)前常見的測定方法為剪切法;(3)巖石強(qiáng)度與鉆進(jìn)破碎巖石的關(guān)系:隨著巖石強(qiáng)度值的升高,破碎巖石的效果降低,鉆進(jìn)速度下降;隨著孔深的增加,巖石密度、強(qiáng)度升高,破碎巖石的效果降低,鉆進(jìn)速度下降。六、巖石的表面特性:1、硬度巖石的硬度:巖石表面對工具壓入的反抗特性,衡量單位是kg/cm2。*巖石硬度與抗壓強(qiáng)度既有聯(lián)系,又有區(qū)別。硬度只是固體表面的局部對另一物體侵入的阻力;而抗壓強(qiáng)度是巖石整體抗破壞的能力?？梢?硬度指標(biāo)更切合鉆掘工程碎巖的實(shí)際。影響巖石硬度的因素(Factorsaffectingrockshardness):巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造;應(yīng)力狀態(tài);載荷速度;液體介質(zhì);工具形狀和尺寸。層理對硬度的影響與強(qiáng)度相反。水的浸入對巖石的硬度也有很大的影響。巖石硬度的測定:巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的(1+2π)倍。測定壓入硬度實(shí)際上使巖樣產(chǎn)生局部破碎(在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行)。常見的硬度測試方法有兩種:即壓入硬度和擺球硬度。一般而言:巖石壓入是比較困難的,但壓入后破裂則容易的多。2、巖石的研磨性巖石的研磨性:在用機(jī)械方法破碎巖石的過程中,鉆頭與巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間斷的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時(shí),其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的能力就降低。影響巖石研磨性的因素(Factorsaffectingrocksabrasiveness):巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征(如巖石的礦物成分、石英含量、顆粒大小和形狀);正壓力;滑動(dòng)速度(巖石與工具摩擦表面的溫度、相對濕度);介質(zhì)巖石研磨性測量巖石研磨性測量方法較多,而規(guī)程參數(shù)對其影響又很大,當(dāng)前尚無統(tǒng)一衡量指標(biāo)。巖石的變形特性彈性:固體在卸去所加載荷后,恢復(fù)原來狀態(tài)的性能。塑性:當(dāng)所加載荷卸去后,固體保持其變形的性能。脆性:固體在載荷作用下不引起殘余變形的性能。脆性巖石的彈性極限與強(qiáng)度極限很接近,外載荷達(dá)到巖石的彈性極限時(shí),很快出現(xiàn)固體的完全破碎。影響巖石彈性、塑性和脆性的因素(Factsaffectingrockselasticityandplasticity):巖石物質(zhì)成分;載荷性質(zhì);巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造;受力條件;應(yīng)力狀態(tài);溫度和濕度。巖石不是理想的彈性體,不符合虎克定律。組成巖石的礦物多不是塑性的,巖石的塑性變形主要是由礦物顆粒間沿界面滑動(dòng)而引起的。巖石顆粒間相對滑移越強(qiáng),孔隙度和濕度越大,則巖石的塑性越強(qiáng)。在常溫、常壓下,巖石在單軸壓塑狀態(tài)下的塑性不明顯,但在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下及一定溫壓條件下,巖石卻表現(xiàn)出明顯的塑性。在巖石力學(xué)中,根據(jù)單向壓塑時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所反映的巖石變形特征,常把巖石分為三類:彈脆性巖石－如花崗巖、石英巖等;彈塑性巖石－大理巖、石灰?guī)r、砂巖;塑性巖石－粘土、鹽巖、高孔隙巖石等。巖石在外力作用下,首先產(chǎn)生彈性變形,其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是一條斜率為E的直線,若進(jìn)一步增加外載,便出現(xiàn)3種可能:1巖石脆性破壞,在此之前不存在不可逆的應(yīng)變,這類巖石稱為彈脆性體;2應(yīng)力和應(yīng)變之間的直線關(guān)系發(fā)生變化,也產(chǎn)生脆性破壞,這類巖石稱為彈塑性體;3經(jīng)過短暫彈性變形后,很快轉(zhuǎn)入典型的塑性變形,巖石不發(fā)生脆性破壞而是塑性破壞,其特點(diǎn)是破壞前有較大的不可逆應(yīng)變和明顯的破壞面－塑性體在三軸應(yīng)力作用下,巖石力學(xué)性質(zhì)的另一顯著變化是:隨著圍壓增大,巖石表現(xiàn)出由脆性到塑性的轉(zhuǎn)變,而且圍壓越大,巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。實(shí)驗(yàn)表明:灰?guī)r當(dāng)圍壓小于50MPa時(shí),基本上為脆性破碎;當(dāng)大于50MPa時(shí),開始出現(xiàn)塑性;當(dāng)大于100MPa時(shí),明顯表現(xiàn)為塑性。第二節(jié)巖石可鉆性及其分級(jí)一、概念可鉆性:鉆進(jìn)過程中巖石抵抗破碎的程度,亦即巖石被破碎的難易程度。巖石可鉆性是決定鉆進(jìn)效率的基本因素。二、巖石可鉆性的影響因素巖石可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù),不但受控于巖石的性質(zhì),而且與外界技術(shù)條件和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系:所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì);破碎巖石所采用的方法(破碎工具的結(jié)構(gòu)、種類及質(zhì)量,鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),孔底破碎巖石的能量消耗);孔底巖屑清除是否干凈。三、巖石可鉆性分級(jí)巖石可鉆性分級(jí)是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù);也是制訂鉆探生產(chǎn)定額、編制生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)。劃分巖石可鉆性的方法可鉆性表示方法當(dāng)前尚不統(tǒng)一,不同部門因所用的鉆探設(shè)備、鉆進(jìn)方法不同,而采用不同的表示方法:地質(zhì)勘探巖心鉆探常見機(jī)械鉆速(m/h)表示;石油部門有時(shí)以機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺之積作為衡量指標(biāo);使用沖擊鉆進(jìn)的部門多用單位體積破碎功來表示。常見方法:力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)法－據(jù)壓入硬度分6類12級(jí);實(shí)際鉆進(jìn)速度法－用勘探鉆進(jìn)速度m/h分12級(jí);微鉆法－用微型孕鑲鉆頭模擬鉆進(jìn)速度分12級(jí);破碎比功法－沖擊鉆進(jìn)時(shí)用m3/h分巖石10級(jí)。巖石可鉆性綜合分級(jí)方法,當(dāng)前被認(rèn)為是最科學(xué)的分級(jí)法,它以巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和巖石局部抗機(jī)械破碎能力作為統(tǒng)一定級(jí)的基礎(chǔ)。在室內(nèi)測試基礎(chǔ)上,經(jīng)分析、對比,參照統(tǒng)計(jì)資料,確立以巖石壓入硬度為主和擺球彈跳次數(shù)、擺球塑性系數(shù),微鉆速度、聲波穿透速度為指標(biāo)的巖石可鉆性分級(jí)。該分級(jí)包括3張表:以壓入硬度、擺球硬度、統(tǒng)計(jì)效率為指標(biāo)(附錄一);以微鉆速度為指標(biāo)(附錄二);以聲波穿透速度為指標(biāo)歸納一個(gè)表(附錄三第三章鉆探設(shè)備、鉆具及開孔第一節(jié)巖心鉆探設(shè)備鉆塔是用來下鉆和提鉆時(shí),用于吊裝鉆桿的支架,經(jīng)過提升輪的正、反轉(zhuǎn),用鋼絲繩提鉆和下鉆。泥漿泵是在鉆井時(shí),給鉆頭冷卻時(shí)供水的高壓泵,因?yàn)殂@孔時(shí)鉆頭需要冷卻,同時(shí)又要將鉆出的沙石泥土排出,因此經(jīng)過鉆桿中心的孔將高壓水輸送的鉆頭,同時(shí)高壓水連同泥沙從鉆桿四周被擠出孔內(nèi)。鉆井時(shí)泥漿泵的作用是非常重要的。鉆探工程包括鉆探工藝和鉆探設(shè)備兩方面內(nèi)容,以鉆探工藝為主,鉆探設(shè)備是服從于鉆進(jìn)工藝要求的專業(yè)機(jī)械設(shè)備,其優(yōu)劣以實(shí)現(xiàn)和滿足鉆進(jìn)工藝的程度來辨別。鉆探工藝要求鉆機(jī)應(yīng)能完成以下基本作業(yè):驅(qū)動(dòng)鉆桿柱及鉆頭等回轉(zhuǎn)(沖擊或震動(dòng))碎巖;提供碎巖必須的軸向壓力,并能進(jìn)行壓力調(diào)節(jié);升降鉆具,具有使鉆桿柱及鉆頭等提出孔口及再下入孔內(nèi)繼續(xù)下一回次鉆進(jìn)的能力一鉆機(jī)1.鉆機(jī)的主要功能*:①帶動(dòng)鉆具向巖層深部鉆進(jìn);②經(jīng)過升降機(jī)起·下鉆具2.選用、評(píng)價(jià)鉆機(jī)的主要參數(shù)鉆機(jī)的技術(shù)特征參數(shù)是鉆機(jī)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能及質(zhì)量指標(biāo)的總和,也是選用、比較和評(píng)價(jià)鉆機(jī)的依據(jù),主要包括:基本參數(shù)、主要參數(shù)和一般參數(shù)。3.選用、評(píng)價(jià)鉆機(jī)的原則鉆進(jìn)能力參數(shù)(鉆進(jìn)深度;鉆孔直徑;鉆桿直徑);回轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)(回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速;立軸(或轉(zhuǎn)盤)通孔直徑與讓開孔口形式);鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)(立軸最大上頂力;立軸最大給進(jìn)力;給進(jìn)速度、給進(jìn)行程與倒立軸速度);鉆機(jī)升降系統(tǒng)參數(shù)(最大起重量;提升速度);鉆機(jī)的重量和動(dòng)力機(jī)的功率4.回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速:帶動(dòng)鉆頭、鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的速度(1)確定回轉(zhuǎn)器最高轉(zhuǎn)速的主要依據(jù):鉆頭適用的最高轉(zhuǎn)速;鉆桿與鉆機(jī)的質(zhì)量;鉆頭、鉆桿、鉆機(jī)與鉆進(jìn)工藝的發(fā)展趨勢等(2)當(dāng)前各類鉆頭適用的最高轉(zhuǎn)速:孕鑲金剛石鉆頭:V為3.5m/s;表鑲金剛石鉆頭:一般V為﹥2.5m/s;硬質(zhì)合金鉆頭:一般n為400~500r/min;;鉆粒鉆頭:n為400r/min(3)回轉(zhuǎn)器最低速度:最低轉(zhuǎn)速以適應(yīng)開孔鉆進(jìn)、復(fù)雜巖層鉆進(jìn)、掃孔與處理孔內(nèi)事故等的需要為依據(jù)。其中:硬合金鉆頭:100~150r/min;表鑲金剛石鉆頭:50~150r/min為適應(yīng)不同巖層、鉆進(jìn)方法、鉆頭類型需要,nmax~nmin間一般取3~8檔(現(xiàn)多為無級(jí)調(diào)速液壓變速器)。為使主軸鉆機(jī)用于事故處理,轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)兼作擰管機(jī),并設(shè)1~2個(gè)反轉(zhuǎn)檔。5.鉆機(jī)的分類(1)按用途分類:①石油天然氣勘探開發(fā)鉆井設(shè)備:轉(zhuǎn)盤式,井深大,功率大,設(shè)備復(fù)雜龐大。②固體礦產(chǎn)勘探鉆機(jī):一般用立軸式液壓鉆機(jī)(近年用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)),也稱巖心鉆機(jī)。③水文勘探和水井鉆機(jī):大孔徑,要求大功率。④工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)。⑤地下鉆機(jī)。⑥砂礦鉆機(jī)。⑦工程施工鉆機(jī)(2)按鉆進(jìn)方法分類:沖擊式鉆機(jī);回轉(zhuǎn)式鉆機(jī);振動(dòng)鉆機(jī)。沖擊式鉆機(jī)分為:鋼絲繩沖擊式;鉆桿沖擊式?；剞D(zhuǎn)式鉆機(jī)又分為立軸式;轉(zhuǎn)盤式;移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式。立軸式又分為:手把給進(jìn)式;螺旋差動(dòng)式;手把螺旋差動(dòng)式;液壓給進(jìn)式。轉(zhuǎn)盤式又分為:鋼繩加減壓;液壓缸加減壓。移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式又分為:全液壓動(dòng)力頭式(有升降機(jī)提升;無升降機(jī)提升);機(jī)械動(dòng)力頭式。7.對鉆機(jī)的一般要求:①零部件設(shè)計(jì)的工藝性良好,便于制造、成本低。②盡量應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)件,以便維修、更換。③具合理的使用壽命,并在使用期內(nèi)工作安全可靠。④操縱時(shí)體力消耗少,勞動(dòng)條件好,而且還應(yīng)減少操作時(shí)的緊張程度。⑤手柄位置集中,配置合理,便于記憶、操作靈便、易于控制。⑥從節(jié)能觀點(diǎn)要求熱效率和傳動(dòng)效率高,燃料和電力消耗小。⑦結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸及重量合理,外形美觀大方協(xié)調(diào),能提高操作者的興趣。二、泥漿泵泵:經(jīng)過一定的方式將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w能的設(shè)備。泥漿泵在鉆探工作中的作用:促使沖洗介質(zhì)循環(huán),清除巖屑;供給鉆具能量;輸送特種物質(zhì);判斷孔內(nèi)情況2.由于能量轉(zhuǎn)換方式的不同,鉆場用泵可分為不同的類型:容積式泵;動(dòng)力式泵;其它泵3.鉆進(jìn)工作對泵的要求流量均勻且能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié);具有一定的強(qiáng)制壓力及較大的調(diào)壓范圍;排量要穩(wěn)定;具有超載承受能力和保護(hù)措施;要適應(yīng)鉆探工作在野外施工的惡劣環(huán)境;運(yùn)移性好。三、鉆探設(shè)備的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置主要用電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。在地下淺部鉆進(jìn)中,特別在粉塵爆炸危險(xiǎn)的礦井內(nèi),有時(shí)使用氣動(dòng)動(dòng)力機(jī)和液動(dòng)動(dòng)力機(jī)來驅(qū)動(dòng)輕型鉆機(jī)。它們均為通用設(shè)備,一般是按需選擇。1.電力驅(qū)動(dòng)裝置常見交流異步電機(jī),功率不大時(shí)可用鼠籠電機(jī),功率大于15~20kW時(shí)用帶接觸環(huán)和起動(dòng)裝置電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn):維護(hù)操縱簡單、方便;水泵、泥漿攪拌機(jī)等其它設(shè)備可單獨(dú)驅(qū)動(dòng);可實(shí)現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)。2.內(nèi)燃機(jī)常見內(nèi)燃機(jī)為柴油機(jī),也有汽油機(jī)和原油為燃料的燃燒室式內(nèi)燃機(jī)。優(yōu)點(diǎn):不依賴外部能源,燃料油易供給。缺點(diǎn):不耐用,管理維修復(fù)雜;必須使用變速箱來調(diào)節(jié)扭矩和獲得反轉(zhuǎn)。應(yīng)按所有設(shè)備的最大負(fù)荷要求選擇內(nèi)燃機(jī)功率。四、鉆塔及附屬設(shè)備鉆塔:安裝鉆探設(shè)備和人工操作活動(dòng)的場所。在鉆進(jìn)過程中,其主要作用是作為起下鉆具的構(gòu)筑物。1.鉆塔應(yīng)滿足的要求:①為起下鉆具、套管柱和懸掛鉆具,要求鉆塔有足夠的承載能力及足夠的剛度。②為提高起下鉆效率,要求鉆塔有合理的高度。③鉆塔的上頂及下底應(yīng)有足夠的面積,以便安裝天車及鉆探設(shè)備。一般要求:自重輕,運(yùn)移性好,拆裝及操作方便,使用時(shí)安全可靠,成本低。2.鉆塔的類型(1)按制造鉆塔材質(zhì)分金屬鉆塔和木質(zhì)鉆塔;(2)按鉆塔的構(gòu)造分為四類:四角鉆塔、三角鉆塔、兩腳輕便鉆塔、桅桿式鉆塔;(3)按鉆孔的角度分兩類:直塔,斜塔;第二節(jié)鉆探管材及常見工具一、鉆進(jìn)工具一般指鉆頭、巖心管、異徑接頭、取粉管、鉆桿、接頭和水龍頭。1鉆頭取芯鉆頭的主體是空心鋼管,上端有絲扣與巖心提斷器外殼或巖心管連接,下端唇面鑲有(或不鑲)硬合金或金剛石切削具,它是井底破碎巖石的工具。一般鉆頭規(guī)格有:170、150、130、110、91、75、59、46mm,其中75、59、46mm的鉆頭為小口徑金剛石鉆頭的規(guī)格。2巖心提斷器巖心提斷器是取巖心的一種工具,有時(shí)用,有時(shí)不用,安裝在巖心管下端的鉆頭體內(nèi),與巖心管和鉆頭體內(nèi)均為絲扣連接,其機(jī)理是當(dāng)回次結(jié)束上提鉆具時(shí),靠提斷彈簧內(nèi)圈的縱向肋狀突出部分與巖心接觸并下滑抱緊巖心將其卡住,擰斷后即可提出孔外3巖心管4異徑接頭連接鉆桿柱和巖心管的接頭?？煞譃殂姷妒胶腿》酃苁疆悘浇宇^式兩種。5鉆桿6主動(dòng)鉆桿7水龍頭8套管二附屬工具提引類;夾持類;擰卸類;;打撈類;修理類第三節(jié)設(shè)備安裝與開孔一﹑設(shè)備的安裝1修筑地盤以保證地盤質(zhì)量和鉆探施工方便為原則,選擇和平整地盤。①地盤的質(zhì)量由設(shè)計(jì)位置確定,斜孔鉆進(jìn)時(shí),鉆孔的方位決定鉆場的布置走向。②地面平整,且有一定的抗壓強(qiáng)度。③在山坡修地盤時(shí),靠坡面的坡度,對于堅(jiān)硬穩(wěn)固巖石,一般不超過60o~80o,對于松軟巖石坡度應(yīng)小于45o。④填方面積不得超過地盤面積的1/3;填方必須夯實(shí)。⑤需進(jìn)行鑿巖爆破時(shí),應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行爆破安全規(guī)程。2修建地基目的:承受鉆探設(shè)備等荷重,防止地盤塌落、傾斜。選擇地基類型時(shí)要考慮地表情況、鉆探設(shè)備、鉆孔深淺等因素。常見的地基類型有以下幾種:淺槽地基,臥枕地基,豎樁地基,深坑地基以及混凝土地基。3鉆塔安裝:在按孔位布置好的基臺(tái)上將使用的鉆塔豎起稱為鉆塔安裝。其安裝方法可分為:整體安裝和分節(jié)安裝。4機(jī)械安裝:是根據(jù)不同的機(jī)型按照要求依次將鉆機(jī)、中間軸、動(dòng)力機(jī)、水泵等用螺桿固定在基臺(tái)上。鉆機(jī)安裝前,首先根據(jù)確定的孔位,測量好鉆機(jī)立軸與機(jī)坐前排孔距離,方可確定鉆機(jī)安裝位置;然后布置好基臺(tái)木。二、開孔工作1鉆孔結(jié)構(gòu)及其選擇鉆孔結(jié)構(gòu)是由孔口、孔深、孔底、孔壁等要素組成。鉆孔結(jié)構(gòu)選擇以巖石的物理性質(zhì)、覆蓋層厚度、開孔地層情況、水文地質(zhì)條件、鉆孔深度、終孔直徑、以及鉆進(jìn)方法和鉆探用途為依據(jù)。開孔鉆穿覆蓋層或風(fēng)化帶,鉆入基巖3~5m下入孔口管,為穩(wěn)定地層,力爭少換徑,盡可能一徑或二徑到底,終孔口徑根據(jù)勘探目的確定。2開孔開孔前必須準(zhǔn)備好所有鉆進(jìn)器材,對鉆探設(shè)備及安裝質(zhì)量進(jìn)行全面檢查,制定鉆孔的施工方案和技術(shù)措施。開孔要防止孔斜,必要時(shí)可在孔口挖坑下入定向管,以防止發(fā)生坍塌、掉塊和沖洗液漏失等現(xiàn)象,鉆進(jìn)規(guī)程應(yīng)該輕壓慢轉(zhuǎn)。第四章硬合金鉆進(jìn)第一節(jié)概述一、概念硬質(zhì)合金鉆進(jìn):利用鑲焊在鉆頭體上的硬質(zhì)合金切削具,作為破碎巖石工具的鉆進(jìn)方法。以碎巖切削研磨材料命名,如金剛石鉆進(jìn)、鉆粒鉆進(jìn)。占中國煤田地質(zhì)鉆探工程量的80%二、硬合金鉆進(jìn)的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)①硬合金鑲焊在鉆頭體上比較堅(jiān)固,能夠應(yīng)用于任意方向的鉆孔。②根據(jù)不同巖性,能夠靈活改變鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)。③操作簡便,鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)容易控制,孔內(nèi)事故較少。④鉆孔質(zhì)量易于保障,巖心采取率較高,孔斜較小。有利于控制礦層頂?shù)装宓V心的采取。2、缺點(diǎn)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度有限。硬合金的硬度較剛玉還硬,但對鉆探而言其硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗折彎的能力仍嫌不足,與金剛石和鉆粒鉆進(jìn)相比,硬合金不能鉆進(jìn)堅(jiān)硬、及強(qiáng)研磨性巖石。主要用于鉆進(jìn)1~7級(jí)及部分8級(jí)巖石。第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的碎巖過程與鉆頭磨損一、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的孔底碎巖過程可分為塑性巖石碎巖過程、脆性巖石碎巖過程、切入與切削同時(shí)作用下的碎巖過程1、塑性巖石的碎巖過程巖石切入巖石的過程: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等于巖石的抗壓強(qiáng)度(壓入硬度),即:Py/So≥σ式中:Py—一個(gè)切削具上的軸向壓力;S0—切削具與巖石的接觸面積;σ—巖石的臨界抗壓入強(qiáng)度(相當(dāng)于在該條件下巖石的硬度)。即:Py≥σS0是切削具切入巖石的必要條件,否則切削具在井底不能切入巖石,碎巖過程變成切削具對巖石的表面磨蝕,碎巖效果很差。因此,鉆進(jìn)中必須有足以使切削具切入巖石的軸向壓力。鉆進(jìn)中鉆頭上的硬質(zhì)合金切削具主要受軸向壓力Py和水平回轉(zhuǎn)力Px作用?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)切削具前的巖石在切向分力F作用下不斷塑性流動(dòng)并自由滑移(切削作用)。Px大致不變,切槽與刃寬基本吻合2、塑脆性巖石的碎巖過程塑脆性巖石的碎巖過程為壓碎、剪裂。巖石破碎大致分為三個(gè)過程:(1)切削具在雙向力作用下吃入巖石,刃前巖石沿剪切面破碎后,Px力減小,繼續(xù)前移,碰撞刃前巖石。(單面鍥形切削具切入脆性巖石)(2)切削具刃前接觸巖石的部分面積很小,對前方巖石產(chǎn)生較大的擠壓力,壓碎刃前的巖石,隨著Px力的增大,使巖石產(chǎn)生小的剪切破碎;繼續(xù)前進(jìn)可能重復(fù)產(chǎn)生若干次小的剪切體,向自由面崩出。(3)當(dāng)切削具前端接觸巖石的面積較大時(shí),前進(jìn)受阻:一方面切削具繼續(xù)擠壓前方的巖石;另一方面Px急劇增大,當(dāng)達(dá)到極限值時(shí),迫使巖石沿剪切面產(chǎn)生大剪切破碎,并在刃尖前留下一些被壓實(shí)的巖粉,然后Px突然減小。切削具不斷向前推進(jìn),上述推進(jìn)過程重復(fù)出現(xiàn)形成循環(huán)。在每次循環(huán)中,切削具兩側(cè)的巖石也和刃前巖石一樣,分別產(chǎn)生一組相近似的小剪切體與大剪切體,使切槽斷面近似梯形,造成孔底和切槽邊緣粗糙不平、有規(guī)律地變化。二、硬質(zhì)合金切削具及磨損1、硬質(zhì)合金切削具的性能切削具一般采用鎢(WC)－鈷(Co)類硬質(zhì)合金。碳化鎢為骨架材料,鈷為粘結(jié)材料。這類鉆頭稱之為YG類硬質(zhì)合金。硬度可達(dá)HRA90,比鋼玉還硬,抗彎強(qiáng)度達(dá)1.4*109Pa,基本能滿足鉆探對切削具的必須要求:強(qiáng)度大、耐磨、抗彎、抗沖擊、導(dǎo)熱性能好、易鑲焊和更換。含Co量高,合金密度小,硬度低,耐磨性弱,但抗彎折強(qiáng)度高,沖擊韌性強(qiáng)。成分相同時(shí),碳化鎢的顆粒越細(xì),硬質(zhì)合金的硬度越大,耐磨性越高。反之,抗彎強(qiáng)度提高,韌性增加。依此規(guī)律,可合理的選擇。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)一般適用于軟、中硬巖層鉆進(jìn)。不同規(guī)格、形狀的切削具適用于不同的地層2硬質(zhì)合金切具的形狀和規(guī)格片狀——有短片狀、直角片狀、菱形片狀。易于切入切削巖石,但抗彎能力低,主要用于1-5級(jí)軟巖。須采用大出刃。柱狀——方柱狀、八角柱狀,抗彎、抗壓能力較強(qiáng),主要用于6~7級(jí)中硬巖石。針狀——主要用于制造自磨式鉆頭,用于中硬、硬巖或高研磨性巖石中。為便于鑲焊,針狀合金按現(xiàn)場需要可加工成排狀或胎塊。3、硬質(zhì)合金切削具的磨損費(fèi)得洛夫等用魚尾鉆頭對硬質(zhì)合金切削具的磨損研究得出的磨損曲線:切削具單位時(shí)間磨損量W與切削具刃端面積上比壓σ的關(guān)系。橫坐標(biāo)的分界點(diǎn)表示巖石的壓入硬度,在其前后屬于兩種不同性質(zhì)的磨損。(1)曲線Ⅰ當(dāng)σ＜σ0時(shí),切削具未能有效地吃入巖石,鉆進(jìn)處于表面破碎狀態(tài),此時(shí)切削具單位時(shí)間的磨損量W正比于切削具上的比壓σ(2)曲線Ⅱ當(dāng)σ＞σ0時(shí),巖石呈體積破碎。隨著切削具上比壓σ的增大,單位時(shí)間的磨損量W呈下降趨勢。即在體積破碎的條件下,切削具的磨損主要不取決于軸向壓力,而取決于巖石的硬度、切削具的材質(zhì)及切削具的磨鈍面積。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的機(jī)械轉(zhuǎn)速隨著切削具接觸面積的增大而下降,其機(jī)械轉(zhuǎn)速vm與切削刃磨鈍面積的平方成反比:Vm＝A/(So+θt)2,式中:A－系數(shù);當(dāng)巖性、鉆進(jìn)規(guī)程及鉆頭一定時(shí)它為常量?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速vm=60nmh1影響切入深度h1的主要因素:軸向力大小,巖石性質(zhì)及巖屑被清除速度。切削具性質(zhì)、幾何形狀及排布方式;鉆頭轉(zhuǎn)速與切削具磨鈍程度。實(shí)際上在鉆進(jìn)過程中,鉆頭硬質(zhì)合金切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的,即:y外＞y內(nèi)＞y,t外＞t內(nèi)＞y切削具底端也不是想象的那樣被磨損成平面,而是呈圓弧形,刃前端和后緣磨損更加厲害。第三節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭(Carbide-insertbit)硬合金鉆頭分為全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆頭(磨銳式硬合金鉆頭;自磨式硬合金鉆頭)結(jié)構(gòu)要素:決定硬合金切削具按一定的形式排列布置于鉆頭體上的因素。*取心式鉆頭結(jié)構(gòu)要素包括:鉆頭體;切削具出刃、鑲焊角度、在鉆頭體上的布置方式及在鉆頭體上的數(shù)目;鉆頭的水口與水槽一、鉆頭體(Bitblank)1.鉆頭體及其規(guī)格:空白鉆頭由D40,D50,D55號(hào)厚壁無縫鋼管制成。一般壁厚7~8mm,鉆頭高度86~120mm,鉆頭內(nèi)錐度一般為2°~3°35′鉆頭外直徑與絲扣直徑要同心,允許誤差不得超過0.25mm,壁厚誤差一般為0.2mm。二、切削具(cutter)切削具出刃內(nèi)外出刃主要是解決沖洗液的暢通,攜帶排孔底巖粉和減輕粗徑鉆具的回轉(zhuǎn)阻力。切削具出刃:內(nèi)出刃(一般1.5~2.5mm,軟巖要大些2~3mm)外出刃(一般外出刃稍大4~5mm)底出刃(軟巖4~5mm;中硬3~4mm;硬巖2~3mm,使用針狀硬合金時(shí)4~5mm).底出刃排列方式分為等高底出刃和階梯底出刃(先行掏槽,創(chuàng)造更多的自由面,易于碎巖)2切削具的鑲焊角度概念:切削具鑲焊在鉆頭體上的鑲焊角度(如圖)。β－刃尖角,Φ－鑲焊角,α－切削角,e－后角。這些參數(shù)對鉆進(jìn)效果都有一定的影響。選擇原則:對所鉆巖石切入和回轉(zhuǎn)阻力小;鑲焊形式有利于保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力;有利于及時(shí)排除巖粉,磨損后的切削具應(yīng)保持一定的切削能力按Φ角的不同鑲焊角分類:正斜鑲Φ﹥0,易切入,利碎巖,不耐磨,適用于軟巖負(fù)斜鑲Φ﹤0,切削具耐磨,適用于脆性較硬的巖石。直鑲Φ=0,鑲焊方便鉆進(jìn)軟巖時(shí),β角選擇較小,便于切入;鉆進(jìn)硬巖時(shí),β角選擇較大,增強(qiáng)抗磨抗剪崩的能力。3.硬質(zhì)合金鉆頭切削具3切削具在鉆頭上的布置形式單環(huán)排列適于軟巖;雙環(huán)排列適于中巖;多環(huán)排列適于中硬以上巖石;多環(huán)排列適于中硬以上巖石;肋骨式排列增加孔底面積、孔壁間隙大,便于排粉,適于軟巖布置時(shí)應(yīng)考慮:保證鉆頭工作平穩(wěn);多環(huán)、不同底出刃的排列,有利于形成多個(gè)破巖自由面,提高效率;使每個(gè)切削具破巖工作量相近,避免局部磨損;切削具之間應(yīng)保持一定的距離,利于排粉;利于鑲焊和修磨。4、切削具在鉆頭體上的數(shù)目(Numbersofcutteronthecrownofbitblank)影響切削具組數(shù)增加的因素:(1)單位切削具的壓力要大于巖石的抗壓強(qiáng)度;(2)鉆頭周長限制切削具的鑲焊數(shù)目。切削具數(shù)目選擇必須考慮鉆頭井底工作的穩(wěn)定性,一般是對稱的,不少于四組。三、鉆頭的水口與水槽(Waterwaysofbit)1、水口的數(shù)目與面積每組切削具配備一個(gè)水口,水口面積應(yīng)大于鉆頭內(nèi)環(huán)狀間隙或外環(huán)狀間隙的面積。水口面積要與沖洗液流速相適應(yīng):大了流速低,不利攜帶巖粉;小了容易造成憋泵。軟巖層巖粉多,水口要大;反之,硬巖層巖粉少,需要沖洗液量小,水口也小。四、取心式硬質(zhì)合金鉆頭(磨銳式切削具,自磨式切削具)1、取心鉆頭(1)磨銳式硬合金鉆頭①肋骨式鉆頭主要用來鉆進(jìn)遇水膨脹、塑性大的軟巖層。②燕尾補(bǔ)強(qiáng)鉆頭特點(diǎn):每組切削具中單粒合金的底出刃較雙粒合金的底出刃突出,單粒進(jìn)行掏槽,雙粒呈燕尾型對巖石進(jìn)行擴(kuò)槽,鉆頭外鑲有補(bǔ)強(qiáng)合金能延長鉆頭使用壽命,③品字型鉆頭每組三顆硬合金切削具呈品字型排布,中間合金底出刃大,起掏槽作用,兩邊合金起擴(kuò)大自由面作用,用于4~6級(jí)中硬巖層(石灰?guī)r、大理巖和砂巖等)。④單粒負(fù)斜鑲鉆頭－采用八角柱狀合金切削具,特點(diǎn)是切削具呈負(fù)斜鑲,鑲焊角為-10°,切削具能承受較大的軸向力,不易崩刃、磨損慢。適于鉆進(jìn)5~6級(jí)和部分7級(jí)的硅質(zhì)砂巖。特別是對于研磨性較大,非均質(zhì)的或破碎和裂隙發(fā)育的巖層有較好的鉆進(jìn)效果。⑤螺旋肋骨鉆頭特點(diǎn):鉆頭體外側(cè)焊有三塊與底唇面呈45°的螺旋肋骨,提高清粉能力。切削具正斜鑲利于切軟巖。過水截面大,孔底干凈,避免重復(fù)碎巖,鉆效高。適于II－IV級(jí)軟巖,如頁巖、粘土巖等。⑥薄片式鉆頭特點(diǎn):切削具鋒利,采用掏槽刃的結(jié)構(gòu),容易切入巖石,且出刃較大,保證有較大的間隙來沖洗巖粉,主要用于鉆進(jìn)粘結(jié)性較小的軟巖。(2)自磨式硬合金鉆頭①胎塊針狀自磨式鉆頭胎塊是預(yù)制品,能夠根據(jù)需要把它鑲焊在鉆頭體上。適宜在６～7級(jí)、部分８級(jí)巖層中鉆進(jìn)。②排狀硬合金自磨式鉆頭特點(diǎn):切削具刃尖超前呈折線(菱形排狀),有利破巖。適于鉆進(jìn)5~7級(jí)均質(zhì)致密的頁巖、砂巖、石灰?guī)r。2、全面鉆進(jìn)鉆頭(1)三翼刮刀全面鉆頭鉆頭翼片后面可分為二階梯或三階梯式,對井底巖石進(jìn)行階梯式破碎。適用于鉆進(jìn)3~5級(jí)巖層,對軟硬互層的巖層更適用。(2)矛式全面鉆頭鉆頭翼片有兩個(gè)螺旋式翼片,底出刃較高。鉆進(jìn)軟巖層時(shí),成螺旋狀鉆進(jìn),上部有兩片保徑副翼片,沖洗液成螺旋狀上升,井底較干凈,效率較高;缺點(diǎn)是對軟硬巖層適應(yīng)性不強(qiáng),易孔斜。適用于1~3級(jí)軟巖,如表土、粘土、粉砂類、炭質(zhì)泥巖和泥巖等。第四節(jié)硬合金鉆進(jìn)規(guī)程鉆進(jìn)規(guī)程:鉆進(jìn)過程中影響鉆進(jìn)指標(biāo)(效率、成本、質(zhì)量等)的一些可控制的技術(shù)參數(shù)以及它們之間的配合。常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量等。不同鉆進(jìn)方法可控參數(shù)不同。按技術(shù)要求和客觀條件可分為:優(yōu)化規(guī)程、強(qiáng)力規(guī)程和特殊規(guī)程三類。一、鉆壓:軸向壓力,表示整個(gè)鉆頭受的載荷。每顆切削具上的鉆壓稱為單位鉆壓。單位鉆壓P與鉆速的關(guān)系曲線變化分三個(gè)階段:①表面破碎階段;②疲勞破碎階段;③體積破碎階段實(shí)際施工過程中,應(yīng)根據(jù)具體情況考慮各方面的因素確定鉆壓。鉆進(jìn)松軟巖層時(shí),沖洗液量一定,鉆壓選小一點(diǎn)。巖粉過多,易造成堵水、糊鉆;鉆進(jìn)裂隙性巖石,切削具容易崩刃;巖層傾角大,應(yīng)適當(dāng)減壓,以防孔斜;若硬合金強(qiáng)度較低,刃尖角較小,也要減小鉆壓。二、鉆速鉆頭的轉(zhuǎn)速指鉆頭每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。在鉆進(jìn)過程中常見鉆頭圓周線速度來衡量。鉆速n與線速度v的關(guān)系為:V=πDn／6000D為鉆頭直徑不同巖石中轉(zhuǎn)速對鉆速的影響不同:粘土類巖石中鉆速幾乎隨轉(zhuǎn)速成正比增長;堅(jiān)硬巖石中鉆速隨轉(zhuǎn)速增加而增長,但相對慢些;若超過極限轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速時(shí),因轉(zhuǎn)速過快不利裂紋充分發(fā)展、鉆頭磨損快,將致鉆速下降;而中等硬度、研磨性較小的巖石,轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系則介于前兩者之間在裂隙發(fā)育的巖石中鉆進(jìn),因孔底不均勻,要適當(dāng)降低鉆頭轉(zhuǎn)速,防止過早崩刃。轉(zhuǎn)速還受孔深、鉆探設(shè)備和鉆具強(qiáng)度等因素限制。三、沖洗液量1、概念:鉆探工作中送入井內(nèi)的沖洗液的流量稱為沖洗液量。在沒有泄露的情況為水泵的泵量。沖洗液的用途:①排除巖粉,減少重復(fù)破碎(是選擇泵量的主要依據(jù));②冷卻切削具,防止刃端產(chǎn)生熱磨損,潤滑鉆具;③保護(hù)孔壁。一般說來,沖洗液量大,攜帶巖粉能力強(qiáng),冷卻效果好。但沖洗液量太大,將產(chǎn)生一定的舉離力抵消部分軸向壓力,對孔壁和巖心的沖刷作用也加強(qiáng)2、沖洗液量計(jì)算:Q=π/4·m·(D2－d2)·v1式中:D－鉆孔和套管的直徑/dm;Q－總泵量,即送入井中的沖洗量(l/min);d－鉆桿外徑/dm;m－孔壁不規(guī)整系數(shù)取1.03~1.1;v1－沖洗液在外環(huán)狀空間攜帶巖粉所需的上返速度(dm/s)四、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量的配合鉆進(jìn)過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量應(yīng)相互配合:鉆進(jìn)軟、研磨性小的巖石,切削具易切入,應(yīng)盡量做到及時(shí)排粉,延長鉆頭壽命－采取高轉(zhuǎn)速,小鉆壓、大泵量參數(shù)配合;鉆進(jìn)研磨性較高的中硬及部分硬巖石,為保護(hù)較高的鉆速、防止切削具過早磨損－采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、中等泵量參數(shù)配合。介于兩者之間的中硬研磨性中軟巖石,取中間參數(shù)。一般經(jīng)驗(yàn):鉆進(jìn)4~5級(jí)以下巖層,以高轉(zhuǎn)速、大泵量為主;鉆進(jìn)5~6級(jí)及以上巖層,以較大的鉆壓為主。五、自磨式鉆頭鉆進(jìn)規(guī)程特點(diǎn)自磨式鉆頭切削具與巖石接觸面積恒定,鉆速基本穩(wěn)定;其破巖過程以微剪切與磨削為主,要求切削具能正常出刃。①鉆壓－總的鉆壓應(yīng)大于磨銳式鉆頭。胎塊式針狀硬合金鉆頭鉆壓一般應(yīng)比磨銳式鉆頭大20﹪。②轉(zhuǎn)速－一定范圍內(nèi),提高單位時(shí)間的破巖次數(shù)可提高鉆進(jìn)效率。實(shí)踐證明,對針狀自磨式鉆頭采取較高轉(zhuǎn)速是提高鉆進(jìn)速度的重要措施。③泵量－自磨式鉆頭破巖產(chǎn)生的巖粉較細(xì),所需泵量能夠少些,但由于鉆頭體上無水口,胎塊之間過水?dāng)嗝孑^大,為了充分沖凈孔底、冷卻鉆頭和減少重復(fù)破碎,應(yīng)采用大于磨銳式鉆頭的泵量,一般以適量沖洗胎體材料為宜。隨著胎塊磨損,過水?dāng)嗝鏈p小,應(yīng)適當(dāng)調(diào)小泵量,以防憋泵。六、關(guān)于全面鉆進(jìn)1、條件:工作區(qū)覆蓋層或圍巖層已探明,不需要取心或分段取心。采取全面鉆進(jìn)可提高鉆進(jìn)效率。2、全面鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn):(1)避免了堵心事故,回次進(jìn)尺不受巖心管長度的限制,大大減少升降鉆具的非鉆進(jìn)時(shí)間;(2)規(guī)程要求不甚嚴(yán)格,一般采用強(qiáng)力鉆進(jìn)規(guī)程;(3)配合物探,可大大提高效率,縮短工期3、全面鉆進(jìn)的特點(diǎn):(1)孔底碎巖面積大。若鉆壓上不去,效率會(huì)受影響,導(dǎo)致功率、能耗增大,往往采用階梯式碎巖;(2)碎巖面積增大后,單位時(shí)間產(chǎn)生的巖粉量增加,故要求較大的泵量;(3)鉆頭沿徑向各點(diǎn)線速度差異較大,使鉆頭差異磨損問題嚴(yán)重。4、存在問題及適用性(1)存在問題A.軟巖中鉆進(jìn)速度快,使及時(shí)排粉成為問題;B.硬巖中存在小巖柱問題。(2)適用性僅適用于中、軟(6級(jí)以下)巖層的鉆進(jìn)。第五章金剛石鉆進(jìn)第一節(jié)概述金剛石(diamond)是現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的硬度最大的礦物。金剛石的主要特性:金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為正四面體,元素為C,硬度最大、抗壓強(qiáng)度最大、抗磨能力最強(qiáng)。脆性大,熱穩(wěn)定性差。一、分類(Classification)金剛石按成因可分為天然(Naturaldiamond)和人造(Syntheticdiamond)的兩大類。天然金剛石按品種、用途不同分為9個(gè)等級(jí)。地質(zhì)鉆探(diamondfordrilling)、建筑工具所用金剛石列為第9級(jí)。人造金剛石分單晶(Monocrystallinediamond)、聚晶(Polycrystallinediamond)和復(fù)合片Polycry-stallinediamondcompact)三種。(也有分兩種的)二、與鉆探有關(guān)的物理性質(zhì)1、硬度(Hardness)金剛石的莫氏硬度是10級(jí),金剛石的壓痕硬度大約是碳化鎢的3.7倍、剛玉的4.4倍、石英的8.5倍、碳化硼的3.1倍、立方氮化硼的1.56倍。2、強(qiáng)度(Strength)金剛石具有極大的靜抗壓強(qiáng)度。天然金剛石的抗壓強(qiáng)度為8.8GPa,但抗沖擊強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度小、脆性大,受沖擊易產(chǎn)生裂紋甚至破碎－因此在鉆進(jìn)時(shí)要避免沖擊、碰撞。3、耐磨性(Wearresistance)金剛石的硬度高、彈性模量大、摩擦系數(shù)小,故具有極高的耐磨性和研磨能力。4、熱性能(Thermalproperties)熱穩(wěn)定性:指在高溫下性能的穩(wěn)定程度。金剛石在低溫時(shí)的熱膨脹系數(shù)僅為(9~14.5)*10-7;熱穩(wěn)定性差;具有良好的導(dǎo)熱性,容易吸熱和散熱;溫度對其影響較大:溫度升高,強(qiáng)度降低。5、化學(xué)性質(zhì)常溫下金剛石不與酸反應(yīng),與堿起緩慢反應(yīng),具有十分好的化學(xué)穩(wěn)定性;在沸騰溫度下,硝酸、氫氟酸、王水對金剛石的質(zhì)量有影響;金剛石能溶于硝酸鈉、硝酸鉀及碳酸鈉的熔融體中;在高溫下,某些金屬如鐵、鎳等能溶解金剛石。三、鉆探用金剛石的粒度與品級(jí)金剛石的計(jì)量單位為克拉(carat),度量常見一克拉多少粒表示(對于粗顆粒而言),或”目”表示。四、金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器的制造方法1、金剛石鉆頭的分類據(jù)鑲嵌型式分為表鑲;孕鑲。據(jù)制造工藝分為冷壓浸漬;熱壓燒結(jié);無壓浸漬;低溫電鍍;電火花燒結(jié)。2、制造:為保證鉆進(jìn)時(shí)孔徑不致因鉆頭磨損而縮小,應(yīng)在金剛石鉆頭的上部安置一個(gè)金剛石擴(kuò)孔器。擴(kuò)孔器制造方法與鉆頭制造方法相同五、金剛石鉆進(jìn)的特點(diǎn)是當(dāng)前效率較高的一種鉆進(jìn)方法,是加快地質(zhì)勘探速度,提高鉆孔質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。具有很多的優(yōu)越性:①鉆進(jìn)效率高,在巖石愈硬的地層,鉆進(jìn)效率提高的幅度愈大;②鉆孔質(zhì)量好,巖心采取率比較高,巖心完整、光滑;③孔內(nèi)事故少,應(yīng)用范圍廣第二節(jié)金剛石鉆頭破碎巖石機(jī)理金剛石鉆頭破巖過程中存在研磨、切削、壓碎、壓裂等破巖形式,對不同巖石類型應(yīng)采用不同的鉆頭類型和規(guī)程參數(shù),各種破巖形式所占的地位也不同。一、表鑲金剛石鉆頭－單粒出刃較大似球體。破碎堅(jiān)硬脆性巖石時(shí),破碎方式以壓裂、壓碎加體積剪切為主,切削破碎方式是次要的;破碎塑性大的硬及中硬巖石時(shí),主要以切削方式破碎巖石為主、壓裂壓碎為輔。表鑲金剛石切削碎巖的基本過程:在軸向力和切向力共同作用下,金剛石一方面吃入巖石,產(chǎn)生類似壓入碎巖的作用,同時(shí)在金剛石轉(zhuǎn)動(dòng)的前方,則以剪切作用產(chǎn)生貝殼狀剪切體,且在靠金剛石一側(cè)的厚度最大。金剛石切削破碎巖石時(shí)所產(chǎn)生的大、小剪切體如上圖。用金剛石切削典型的脆性體—光學(xué)玻璃時(shí),其剪切破碎作用發(fā)育得十分完全,同時(shí)在切槽內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的裂紋,并有超前裂紋。其裂紋狀況與大、小剪切相互對應(yīng)。隨著巖石塑性系數(shù)的增大,其剪切破碎效果較差。在鉆進(jìn)過程中能量的消耗既體現(xiàn)著巖石破碎的難易程度,又表示選用工具和工藝的優(yōu)劣程度。圖中:切削塑性大的流紋巖所消耗的能量大大地高于光學(xué)玻璃和霏細(xì)斑巖。二、孕鑲鉆頭所用的金剛石的粒度小,而且藏于胎體之中,其實(shí)際破巖機(jī)理和砂輪磨削類似。刃具面多而小的硬質(zhì)點(diǎn)—金剛石對巖石進(jìn)行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。因此孕鑲鉆頭要取得應(yīng)有的效率需要高轉(zhuǎn)速工作,為了有效地磨削巖石,需要使胎體適當(dāng)?shù)乇荒ノg。孕鑲鉆頭工作實(shí)質(zhì):1、依靠小而多的硬質(zhì)點(diǎn)(金剛石)刻劃磨削巖石,要高轉(zhuǎn)速工作才能取得應(yīng)用效率;2、胎體應(yīng)有自磨自銳作用。根據(jù)施加軸向力方式的不同,鉆頭的鉆進(jìn)可分為:1、保持金剛石上的軸向力為一定值,稱為自由給進(jìn);2、保持金剛石的切削深度為一定值,稱為強(qiáng)制給進(jìn)。孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)是自磨自銳性質(zhì),在保持正常鉆進(jìn)的狀態(tài)下,其鉆速應(yīng)當(dāng)是一定的,即鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量應(yīng)是一定的。鉆頭每轉(zhuǎn)的切入量是評(píng)定金剛石鉆頭鉆進(jìn)效果的重要指標(biāo)之一第三節(jié)金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器是直接破巖的工具,質(zhì)量與巖層適應(yīng)程度直接影響鉆進(jìn)效率、質(zhì)量和成本。一、金剛石鉆頭的技術(shù)參數(shù)影響鉆頭適應(yīng)性的主要技術(shù)參數(shù)包括胎體的端面形狀、性能,水路系統(tǒng),金剛石的質(zhì)量、粒度、出刃量、濃度、排列等。1、鉆頭的鋼體鉆頭的鋼體用中碳鋼制成,為了加強(qiáng)鋼體同胎體的粘結(jié)強(qiáng)度,鋼體下端加工成棱嵌式、階梯式、方形或螺紋形等。鋼體主要分為單管和雙管:2、胎體的唇面形狀孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀多為平底唇面,鉆進(jìn)過程中會(huì)自然形成圓弧形。因鉆頭壁較厚或鉆進(jìn)堅(jiān)硬而弱研磨性巖層時(shí),鉆頭容易打滑,往往把唇面制成同心環(huán)或交錯(cuò)環(huán)的鋸齒狀。為了克服在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層時(shí)鉆頭內(nèi)、外環(huán)磨耗不均,將鉆頭制成梯形唇面。表鑲金剛石鉆頭的唇面形狀有多種,隨巖石的性質(zhì)、鉆頭壁厚、工作穩(wěn)定性和要求不同來選用。3、鉆頭的水口和水路①鉆頭的水路包括鉆頭的水口和水槽。常見的幾種水品及水槽形狀:直水口;正螺旋水口;反螺旋水口;底噴水口.②鉆頭的水路要保證鉆頭破巖面上的熱量及時(shí)被沖洗液帶走,有效地冷卻鉆頭和金剛石;③大部分沖洗液經(jīng)鉆頭內(nèi)壁水槽均勻分布到整個(gè)鉆頭端面;④水口的形式有直水口、正螺旋水口、反螺旋水口及底噴水口等。4、金剛石在唇面上的排列①金剛石在唇面上的排列和分布是表鑲鉆頭的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參量;金剛石面上的三種排列方式:放射狀;螺旋狀;等距狀.②鉆進(jìn)過程中,邊刃負(fù)擔(dān)最重,其次為底刃,再次為側(cè)刃;③優(yōu)質(zhì)金剛石用于邊部,品級(jí)較高的用于底部,品級(jí)較低及回收金剛石用于側(cè)部。④充滿度:單位面積內(nèi)擺放金剛石的數(shù)目。充滿度過小,金剛石工作面過小,相對單粒金剛石負(fù)擔(dān)過大,鉆頭壽命短;充滿度過大,鉆頭成本高,且影響孔底沖洗。⑤金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射狀、螺旋狀和等間距狀。⑥金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)狀排列,并在徑向必須有一定的重疊度,減少鉆頭部位拉槽的可能性。5、金剛石的粒度①金剛石的粒度決定了金剛石在鉆頭唇面的出刃高度、分布密度、切入巖石的深度、金剛石與巖石的接觸面積和孕鑲鉆頭的自銳能力等,對鉆進(jìn)指標(biāo)有明顯影響。②巖層越硬、越致密,越應(yīng)選小粒度的金剛石鉆頭。6、金剛石的含量金剛石的含量取決于鉆頭直徑和巖石性質(zhì):鉆頭直徑大,克取巖石面積大,所需金剛石的數(shù)量多;同一直徑的鉆頭,巖層研磨性強(qiáng),金剛石磨耗快,金剛石的數(shù)量也應(yīng)增加.金剛石濃度:是胎體工作層單位體積中所含的金剛石量(體積濃度)。對孕鑲鉆頭金剛石含量還與金剛石的濃度有關(guān):確定胎體的金剛石濃度時(shí),應(yīng)考慮巖石性質(zhì)和金剛石的質(zhì)量、粒度,巖層愈堅(jiān)硬、致密,金剛石的濃度應(yīng)降低,金剛石質(zhì)量好、粒度細(xì)、濃度取低值,反之,取高值。7、胎體的性能①胎體成分主要由骨架材料和粘結(jié)金屬組成,改變骨架材料和粘結(jié)金屬的配方就能改變胎體的硬度和耐磨性;②對于表鑲鉆頭,胎體的作用主要是牢固包鑲金剛石并與鉆頭體牢固焊接;③對于孕鑲鉆頭,胎體的作用除了牢固包鑲金剛石與鋼體牢固焊接外,還要保證金剛石在鉆進(jìn)過程中有自銳作用;④胎體硬度和耐磨性應(yīng)與所鉆進(jìn)的巖層相適應(yīng);⑤胎體的磨耗略超前于金剛石磨耗,使得金剛石在旋轉(zhuǎn)方向的背后形成蝌蚪狀的胎體支撐,用手觸摸時(shí)有粗糙感。8、保徑層①表鑲鉆頭因有內(nèi)外側(cè)刃,無需保徑;②孕鑲鉆頭一般采用人造聚晶金剛石、針狀合金或質(zhì)量差的天然金剛石進(jìn)行保徑補(bǔ)強(qiáng),提高內(nèi)外徑的耐磨性二、金剛石擴(kuò)孔器金剛石鉆頭一般要配用擴(kuò)孔器。擴(kuò)孔器位于鉆頭和巖心管之間,直徑略大于鉆頭直徑:一般大0.5mm。擴(kuò)孔器的作用:(1)修整孔壁,保持鉆孔直徑均勻,避免或減少新鉆頭掃孔;(2)增加鉆具的穩(wěn)定性,減少擺動(dòng)現(xiàn)象,提高鉆頭的壽命。三、金剛石鉆頭的制造1、無壓浸漬法－主要用于制造表鑲鉆頭。先將金剛石按設(shè)計(jì)要求擺放入石墨模具上預(yù)先準(zhǔn)備的坑內(nèi),再把骨架金屬放入模槽,并安放鉆頭鋼體。裝模后輕輕敲擊模壁,使骨架粉末密實(shí)。最后把粘結(jié)合金碎片放于模心之內(nèi),上面撒上助熔劑和保溫砂,即可放入馬弗爐中加熱燒結(jié)。當(dāng)溫度達(dá)到1100度時(shí),粘結(jié)金屬熔化,很快滲入骨架金屬之中,形成有硬質(zhì)點(diǎn)的胎體,把金剛石與鉆頭鋼體粘結(jié)在一起。也可制造擴(kuò)孔器。2、熱壓法－主要制造孕鑲鉆頭。先將胎體的骨架金屬粉末和粘結(jié)金屬粉末按設(shè)計(jì)比例混合,并在胎體工作層混入一定濃度的金剛石,裝入石墨模具內(nèi)。在電阻熱壓爐上燒結(jié),邊加溫邊加壓,按照設(shè)計(jì)的燒結(jié)工藝流程(一般全壓10－15MPa,最高溫度1000度左右)即可制成孕鑲金剛石鉆頭。3、電鑄法－主要制造孕鑲鉆頭。原理:在電鍍槽內(nèi)將鎳、鈷一類金屬沉積到鉆頭體上,同時(shí)分層分次把金剛石微粒撒到電鍍面上,利用沉積的金屬把金剛石孕鑲在胎體中。也可制造擴(kuò)孔器。優(yōu)點(diǎn):在制造中金剛石不接觸高溫。第四節(jié)金剛石鉆進(jìn)規(guī)程鉆進(jìn)規(guī)程包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量3個(gè)參量。表鑲和孕鑲金剛石鉆頭的特點(diǎn)和碎巖機(jī)理,決定它們必須采用以高轉(zhuǎn)速為主體的鉆進(jìn)規(guī)程。特別是孕鑲鉆頭,由于粒度小,切入量有限,要獲得較高的鉆進(jìn)速度必須依靠高轉(zhuǎn)速。同時(shí),考慮到金剛石性質(zhì)較脆和不耐高溫等弱點(diǎn),必須配合適當(dāng)?shù)你@壓和足夠的沖洗液量。評(píng)定金剛石鉆進(jìn)規(guī)程是否合理,要綜合鉆速、鉆頭的總進(jìn)尺和單位進(jìn)尺金剛石的耗量3個(gè)方面的指標(biāo)來衡量。一、鉆壓鉆壓對鉆速和金剛石鉆頭磨損的影響分為三個(gè)區(qū)域:(I)表面研磨破碎(II)疲勞破碎區(qū)(III)鉆壓切入巖石的體積破碎區(qū)鉆壓的計(jì)算公式:(1)表鑲金剛石鉆頭的鉆壓:P=G?p。式中Ｇ——鉆頭上金剛石的粒數(shù),粒;p——單粒金剛石上允許的壓力,kgf/粒。對細(xì)粒金剛石:p∽１～１.５kgf/粒;對中粒金剛石:p∽1.5～２kgf/粒;對粗粒金剛石:p∽２～３kgf/粒。2、孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓ＷＷ＝Ｆ?q式中:Ｆ－鉆頭實(shí)際工作唇面面積,cm2;q－單位底唇面積允許的壓力,kgf/cm2對中硬巖石:q∽40～50kgf/cm2;對堅(jiān)硬巖或金剛石質(zhì)量高的鉆頭:q∽60～70kgf/cm23、不同金剛石鉆頭的鉆壓推薦值實(shí)際影響鉆壓的因素很多,在生產(chǎn)中鉆壓的確定必須依具體情況分別對待:(１)巖石的性質(zhì):在破碎、非均質(zhì)巖石中鉆進(jìn),應(yīng)視裂隙密度適當(dāng)減小鉆壓,一般降低25%～40%,在研磨性巖層中鉆進(jìn)應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓,幅度為20%～30%。(２)鉆頭的類型和技術(shù)參數(shù)表鑲鉆頭的鉆壓要適當(dāng)稍大于孕鑲鉆頭的鉆壓。鉆頭口徑大、壁厚、胎體較軟時(shí),應(yīng)采用較大的鉆壓;反之應(yīng)采用較小鉆壓。鉆頭上的金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時(shí),應(yīng)選用較大的鉆壓;反之,應(yīng)選用較小的鉆壓。(３)鉆頭的初磨新鉆頭在使用時(shí)先進(jìn)行初磨,即采用較小鉆壓和轉(zhuǎn)速;正常鉆進(jìn)時(shí)不要輕易改變鉆壓;鉆頭磨鈍時(shí),轉(zhuǎn)速下降,可適當(dāng)增加壓力;切忌盲目加壓,以免損壞金剛石鉆頭。二、轉(zhuǎn)速1、轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素,在一般條件下,轉(zhuǎn)速越快鉆速越高;2、轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜,若其它條件正常,二者之間存在一個(gè)合理值,即在某一轉(zhuǎn)速下,金剛石磨損量最小;3、在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)還應(yīng)注意鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性,因?yàn)橥谀骋晦D(zhuǎn)速時(shí),鉆桿便發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng),此時(shí)金剛石的單位磨耗量急劇增加;4、金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速一般根據(jù)其圓周線速度計(jì)算。5、金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算:n=60VR/D;式中:n－鉆頭的轉(zhuǎn)速,r/min;D－鉆頭直徑,m;VR－推薦的線速度,m/s。影響鉆頭轉(zhuǎn)速的因素很多,在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整:(1)巖層的性質(zhì):在中硬完整的巖層中鉆進(jìn),可采用高轉(zhuǎn)速;在巖層破碎、裂隙發(fā)育、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)、孔徑不均勻,應(yīng)采用較低的轉(zhuǎn)速。(2)鉆孔的結(jié)構(gòu)和深度:鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)空間隙小、孔深不大,應(yīng)盡量選用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn);反之,則須降低轉(zhuǎn)速。在實(shí)際鉆進(jìn)中,常常隨鉆孔的延深不斷降低轉(zhuǎn)速。(3)鉆探設(shè)備:如果鉆機(jī)的穩(wěn)定性差,鉆桿質(zhì)量不好,鉆頭轉(zhuǎn)速要相應(yīng)降低;鉆具級(jí)配不合理也應(yīng)降低轉(zhuǎn)速;如果采用優(yōu)質(zhì)沖洗液或減振潤滑劑及其它減振措施,則鉆頭轉(zhuǎn)速可提高,反之應(yīng)降低轉(zhuǎn)速。三、沖洗液量1、沖洗液量－指送往孔內(nèi)的水量。①?zèng)_洗液量是金剛石鉆頭的另一重要規(guī)程參數(shù),它必須保證有效地冷卻鉆頭和清除巖粉。②在孕鑲鉆頭鉆進(jìn)中,有時(shí)還利用它的變化來調(diào)節(jié)鉆頭的金剛石出刃。③就沖洗液本身的性質(zhì)而言,它還有保護(hù)孔壁和潤滑鉆具等功能。④在實(shí)際鉆進(jìn)中,排粉所需沖洗液量大于冷卻鉆頭所需沖洗液量,這是確定沖洗液量的主要因素。⑤沖洗液量不足,使巖粉堆積于孔底,降低機(jī)械鉆速,增大鉆頭金剛石和胎體的磨損,散熱困難易燒鉆,減少鉆頭壽命。⑥沖洗液量太大,使鉆具的離舉力增大,抵消一部分鉆壓,同時(shí)會(huì)沖壞孔壁、沖蝕巖心,易造成巖心堵塞事故,甚至造成鉆具的振蕩。⑦以沖洗液的上返流速來計(jì)算金剛石鉆進(jìn)所需的泵量,即:Q=6VF;式中:Q－沖洗液量,l/min;V－環(huán)空間隙上返流速,對金剛石鉆進(jìn)v≧0.3~0.5m/s;F－鉆孔的環(huán)空面積,cm2⑧金剛石鉆進(jìn)中常見的沖洗液量如下表:沖洗液量的選定根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要綜合考慮:(1)巖層性質(zhì)及完整程度:①鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密巖石時(shí),鉆速低、巖粉少,可選用較小泵量;②鉆進(jìn)中、硬、顆粒粗的巖層時(shí),鉆速高,應(yīng)選用較大泵量;③鉆進(jìn)研磨性較高的巖層,適量增大泵量以增強(qiáng)冷卻(泵量增加不宜超過30%~40%),泵量太大,攜帶巖粉的高速液流會(huì)嚴(yán)重沖蝕胎體而使金剛石過早脫落;④鉆進(jìn)弱研磨性巖石時(shí),在鉆頭端面必須保持有一定數(shù)量的巖屑,以免巖屑磨損胎體使金剛石出刃,因而要減少泵量;⑤泵量的選擇要考慮地層的裂隙程度,補(bǔ)償沖洗液的漏失。(2)鉆頭類型①孕鑲鉆頭由于金剛石粒度小,為了及時(shí)冷卻金剛石和胎體,應(yīng)采用較大的泵量和較高的泵壓強(qiáng)制循環(huán);②表鑲鉆頭金剛石出刃量比孕鑲鉆頭大,排粉和冷卻條件好,泵量和泵壓能夠稍小些。鉆頭的胎體、水口、轉(zhuǎn)速、鉆壓和鉆速及沖洗液本身性能等對泵量都各自有不同的影響。(3)泵壓泵壓表示沖洗液流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的總阻力。借助泵壓的變化判斷沖洗液的循環(huán)狀況和孔底鉆進(jìn)的工作狀況:①泵壓發(fā)生小幅度上升或下降,一般是孔底換層的征兆,這時(shí)要注意進(jìn)尺的情況;②在鉆進(jìn)效率突然降低,或不進(jìn)尺的同時(shí),泵壓猛然大幅度增高,一般是發(fā)生嚴(yán)重巖心堵塞的反映,要盡快將鉆具提離孔底,否則就可能發(fā)生燒鉆事故;③如果泵壓突然大幅度下降,一般是鉆具折斷或脫扣,應(yīng)停止鉆進(jìn)進(jìn)行檢查。第五節(jié)金剛石鉆進(jìn)技術(shù)1、鉆具的組配(1)鉆具的分類:單管鉆具;普通雙管鉆具;繩索取心用雙管鉆具。(2)鉆進(jìn)前鉆具組配工作應(yīng)注意的問題:①鉆具的級(jí)配:鉆具級(jí)配指鉆桿與鉆頭外徑的配合關(guān)系,二者的外徑差小,鉆桿柱穩(wěn)定,級(jí)配就好。②擴(kuò)孔器與鉆頭的配合:擴(kuò)孔器的直徑應(yīng)比鉆頭直徑大0.3~0.5mm,在硬巖中一般不能超過0.3mm。擴(kuò)孔器外徑過大,易加劇自身的磨損;過小,起不到擴(kuò)孔保護(hù)鉆頭的作用。雙層巖心管金剛石取心鉆具組合:1巖心管接頭;2外管;3.內(nèi)管4擴(kuò)孔器;5卡簧(生產(chǎn)中也有用砂子扭斷巖心);6卡簧座;7鉆頭(3)卡簧與鉆頭的配合:卡簧自由內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑應(yīng)小0.3mm左右,最大不超過0.5mm;卡簧的作用是卡取巖心,過小巖心易堵塞,過大,卡心不牢,巖心易脫落。(4)內(nèi)管底端與短接和卡簧座的配合:內(nèi)管底端與短接和卡簧座3個(gè)部件裝好后,將雙管鉆具放在垂直位置時(shí),它們不致自由脫落,而且稍加用力才能拔開。這樣可防止部件在鉆進(jìn)中脫落,造成蹩水和巖心堵塞。另外,雙管鉆具組裝后,卡簧座底端離鉆頭臺(tái)階應(yīng)有3~4mm的間隙,同樣是為防止蹩水和巖心堵塞。二、鉆頭的選擇和使用1、選擇的原則*①軟、中硬和完整均質(zhì)的巖層宜用表鑲鉆頭;硬的、堅(jiān)硬和硬脆的、軟硬不均的、裂隙性巖層宜用孕鑲鉆頭。②巖層研磨性愈強(qiáng)、愈硬,選用的金剛石粒度越細(xì),金剛石品級(jí)應(yīng)愈好。高研磨性巖層和特硬巖層均宜用孕鑲鉆頭。③鉆頭胎體硬度應(yīng)根據(jù)巖層的研磨性、破碎程度、硬度、顆粒等因素選擇。一般巖層研磨性強(qiáng)、破碎嚴(yán)重、較軟、顆粒度粗的,應(yīng)選用硬的胎體;反之,研磨性弱、均質(zhì)完整、硬度大、顆粒細(xì)的巖層,應(yīng)選用軟的胎體。2、使用(1)鉆頭排隊(duì)使用:依孔(身)結(jié)構(gòu)、巖性及每孔可能用鉆頭數(shù)量,按鉆頭內(nèi)徑大小排隊(duì)用,盡量減少掃孔工作量。同一批鉆頭和擴(kuò)孔器,使用前用游標(biāo)卡尺測量內(nèi)外徑,并將數(shù)據(jù)及胎體硬度記在鉆頭的卡片上。先用外徑大、內(nèi)徑小的鉆頭,－減少卡鉆或掃孔工作量,避免巖心堵塞。每次下入的鉆頭與前個(gè)回次鉆頭直徑差要小:8~9級(jí)巖石≤0.1mm;10~12級(jí)巖石≤0.05mm。鉆完硬巖后較好的鉆頭用于鉆軟巖(2)與針狀合金分層混合使用:針狀合金鉆進(jìn)7級(jí)以下中硬和軟巖層,用金剛石鉆進(jìn)7級(jí)以上硬巖層;(3)合理地控制時(shí)效:時(shí)效過高影響鉆頭壽命;時(shí)效過低,得不到較高的經(jīng)濟(jì)效益。在鉆壓和轉(zhuǎn)速的乘積為臨界值的條件下,可能發(fā)生燒鉆事故,因此,必須合理控制規(guī)程參數(shù),不要盲目追求時(shí)效3、鉆具的振動(dòng)及其預(yù)防轉(zhuǎn)速的高低對鉆進(jìn)有極大的影響,一般情況下,高轉(zhuǎn)速比低轉(zhuǎn)速好,但實(shí)行高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)時(shí),鉆具會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。鉆具的振動(dòng)不但會(huì)影響鉆進(jìn)效率,而且使金剛石嚴(yán)重?fù)p壞。產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多,大致分為技術(shù)設(shè)備、工藝和地質(zhì)方面的原因。除地質(zhì)原因外,其它方面能夠采取一定的措施加以預(yù)防:(1)使用減振器防振減掁器裝于鉆桿和巖心管之間,鉆桿引起的振動(dòng)被減掁器的彈簧吸收,增加鉆具的穩(wěn)定性。(2)使用穩(wěn)定接頭減振穩(wěn)定接頭用于增加粗徑鉆桿具的穩(wěn)定性。注意:不使用已經(jīng)彎曲和磨偏的巖心管及磨鈍、磨偏的鉆頭,適當(dāng)加長巖心管。(3)使用減振潤滑劑在鉆桿柱上涂防掁乳化液或潤滑劑:吸收鉆桿對孔壁的沖擊、減少鉆桿與孔壁的磨擦力。KABC－15潤滑劑配制:將黑機(jī)油燒開(占65%),依次加入松香粉(20%)、瀝青(10%)、石蠟(5%)不斷攪拌,直完全溶合。第六章沖擊回轉(zhuǎn)鉆第一節(jié)概述一概念沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)－在鉆頭已經(jīng)承受一定靜載荷的基礎(chǔ)上,以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的鉆進(jìn)方法。在早期人工錘擊鑿巖基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。人類開采利用的金屬、非金屬礦產(chǎn)和可燃有機(jī)礦產(chǎn)都產(chǎn)于地殼的一定部位。它們是地球發(fā)展演化過程中一定階段和一定地質(zhì)條件下的產(chǎn)物。絕大部分礦床,其成礦物質(zhì)都是來自地殼和上地幔。因此,了解地球的構(gòu)造及地殼和上地幔的特點(diǎn),對研究礦床的成因和分布規(guī)律,具有重要的意義。孔內(nèi)鉆具結(jié)構(gòu)－在一般回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具基礎(chǔ)上,加一個(gè)沖擊器。在取心鉆進(jìn)中,沖擊器安裝在巖心管上端;在無巖心鉆進(jìn)時(shí),直接安裝在鉆頭上方。發(fā)展為兩類:頂驅(qū)式－—在鉆桿頂部用風(fēng)動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)沖擊,用鉆桿傳遞能量,深孔受限;潛孔式——以液力或氣力驅(qū)動(dòng)靠近孔底的沖擊器,同時(shí)由地面機(jī)構(gòu)施加軸向壓力和回轉(zhuǎn)扭矩,鉆孔更快更深。二、沖擊鉆進(jìn)的特點(diǎn)①設(shè)備簡單,重量小。②鉆液不循環(huán),省水。③鉆頭碎巖是不連續(xù)的,磨損慢但鉆效也低。④鉆頭以自由落體碎巖,能有效破碎堅(jiān)硬巖石,僅能鉆垂直孔;提起鉆具才需動(dòng)力,故在設(shè)備功率相同時(shí),沖擊鉆進(jìn)可鉆鑿較大直徑孔鉆進(jìn)時(shí),鉆頭在受到一定的鉆壓和回轉(zhuǎn)力矩的同時(shí),還受到?jīng)_擊器以一定頻率的沖擊能量,鉆頭在孔底以沖擊剪切和回轉(zhuǎn)切削共同作用,破碎巖石。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需鉆壓減小,鉆頭轉(zhuǎn)速降低,不但能提高鉆進(jìn)效率,而且降低鉆頭的磨損。主要用于:大直徑供水井,維修條件不高的地方;水文及工程地質(zhì)勘察孔;露天礦井爆破孔;樁基孔等適用巖層及范圍:硬合金沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最適用于粗粒、不均質(zhì)的巖層。在6-8級(jí)、部分9級(jí)巖層中鉆進(jìn)效果尤佳。具良好的防斜能力?？捎糜谟操|(zhì)合金鉆進(jìn)、金剛石及牙輪鉆頭鉆進(jìn),適用范圍寬,但在不同巖性需采用頻率不同的沖擊器*優(yōu)點(diǎn):鉆進(jìn)效率高－在5-7級(jí)、部分8級(jí)硬巖中鉆效可提高50%-100%;在金剛石沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中對8-10級(jí)巖石效率可提高20%-50%,對致密、弱研磨巖層可有效防止”打滑”,效率可提高50%-100%;鉆孔質(zhì)量好,采用鉆壓和轉(zhuǎn)速較小且能取得較高的機(jī)械鉆速,有效防止孔斜;孔內(nèi)事故少,回次進(jìn)尺長,純鉆進(jìn)時(shí)間提高了20%－25%;成本降低約15%－20%第二節(jié)沖擊鉆進(jìn)的工具鉆具包括:碎巖和取樣排粉工具(鉆頭;沖擊鉆桿;鋼絲繩接頭;撈砂筒;取樣器);起下套管工具;打撈工具;輔助工具。規(guī)程參數(shù):包括鉆具重力、沖擊高度和懸距、沖擊次數(shù)、巖粉密度沖擊器動(dòng)力方式分類:液動(dòng)沖擊器－高壓水泥漿;氣動(dòng)沖擊器(氣動(dòng)潛孔錘)－用壓縮空氣作動(dòng)力介質(zhì);機(jī)械作用式?jīng)_擊器－電機(jī)、電磁、牙嵌離合器。其中液動(dòng)沖擊器－高壓水泥漿又分為閥式(正作用,反作用,雙作用)和無閥式(射流式,吸收式)。一、沖擊器及其工作原理1、閥式液動(dòng)沖擊器(1)正作用液動(dòng)沖擊器:液動(dòng)沖擊器沖擊錘下行進(jìn)行沖擊,用彈簧恢復(fù)其原位。有沖程和回程。(2)反作用液動(dòng)沖擊器:用高壓液流壓力動(dòng)沖錘活塞上行,并壓縮工作彈簧儲(chǔ)存能量,經(jīng)彈簧釋能而作功。也包括沖程和回程。(3)雙作用液動(dòng)沖擊器:沖錘活塞的正反沖程均由液體壓力推動(dòng)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)2、無閥式射吸液動(dòng)沖擊器SX-54III型射吸式?jīng)_擊器:利用高壓液流噴射時(shí)的卷吸作用,使閥與活塞、沖錘的上下腔產(chǎn)生交變壓力差,從而推動(dòng)沖錘活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。閥與活塞的回程和沖程均由液壓推動(dòng)。回程;啟動(dòng)前,沖擊器的閥與沖錘活塞均處行程下限,液流通道暢通。啟動(dòng)時(shí),工作液體從噴嘴噴出,高速射流的卷吸作用將活塞上腔介質(zhì)抽往下腔,上腔迅速降壓;進(jìn)入下腔液流,由于通道擴(kuò)大,流速減慢和沖擊器砧子里節(jié)流孔的增壓作用,使活塞下腔壓力升高。于是,上、下腔形成壓力差,使位于行程下限的閥與活塞同時(shí)上行;由于閥的質(zhì)量較輕,運(yùn)動(dòng)速度快,先行到達(dá)行程上限,隨后活塞也抵達(dá)行程上限,至此回程結(jié)束。沖程:當(dāng)活塞上升到上限時(shí),與活塞連成一體的沖錘頂部錐體與閥結(jié)合,高速液流被迅速切斷而產(chǎn)生水擊,上腔壓力猛增;與此同時(shí),活塞下腔的壓力急劇下降。故上下腔間壓力差推動(dòng)活塞迅速向下運(yùn)動(dòng),閥抵達(dá)行程后,活塞因慣性繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)直至沖擊砧子為止。此時(shí),閥門完全打開,液流暢通,閥與活塞又進(jìn)入下一循環(huán)的回程。二、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭受力條件比較復(fù)雜,除了承受與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相同的載荷外,縱向振擊的載荷比回轉(zhuǎn)的更大。因此,必須根據(jù)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出有特色的、適當(dāng)?shù)?、性能好的鉆頭。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)硬質(zhì)合金鉆頭有以下特點(diǎn):(1)鉆頭剛體選用優(yōu)質(zhì)鋼材,壁厚,長度較大,常采用40Cr、45CrNi合金鋼;只有小沖擊功的情況下,采用50號(hào)、40號(hào)鋼。(2)選用抗沖擊性較強(qiáng)的合金。(3)刃角較大,采用八角柱狀不對稱切削具較多.(4)底出刃較普通回轉(zhuǎn)鉆