回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝-教學(xué)講稿

第五章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝

1、鉆進(jìn)效果指標(biāo)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)2、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝3、金剛石鉆進(jìn)工藝4、鋼粒鉆進(jìn)工藝5、牙輪鉆進(jìn)工藝6、全面鉆頭鉆進(jìn)工藝國家精品課程

第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

一、鉆進(jìn)效果指標(biāo)（一）概述1、鉆進(jìn)效果指標(biāo)的定義

是衡量鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量之間有著密切的聯(lián)系。2、鉆進(jìn)效果指標(biāo)內(nèi)容

鉆速、每米鉆孔成本、巖礦心采取率和鉆孔彎曲等。不可控影響因素（客觀存在），地層巖性及其埋深等可控影響因素（可人工調(diào)節(jié)），鉆頭類型、沖洗液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等。

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鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

（二）鉆進(jìn)速度1、平均機(jī)械鉆速

（m/h）2、回次鉆速

表示從鉆具開始下入鉆孔，進(jìn)行鉆進(jìn)，直到把鉆具從鉆孔提出的工序中（即一回次）單位時(shí)間的進(jìn)尺。t1——輔助作業(yè)時(shí)間，鉆進(jìn)準(zhǔn)備、起下鉆、沖孔、掃孔、立軸倒桿、接長鉆桿、卡取巖心、提鉆準(zhǔn)備、更換鉆頭及鉆具等時(shí)間。隨孔深的增加，回次鉆速減小。熟練操作、優(yōu)化鉆進(jìn)、實(shí)現(xiàn)鉆具升降機(jī)械化、自動(dòng)化是提高回次鉆速的前提。

（m/h）3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

3.技術(shù)鉆速

一臺鉆機(jī)在一個(gè)月期間內(nèi)用于完成基本工序、輔助作業(yè)和其他補(bǔ)充作業(yè)的總時(shí)間與同期的鉆進(jìn)進(jìn)尺H之比。技術(shù)鉆速取決于機(jī)臺工作的技術(shù)水平、各項(xiàng)工作的組織配合及技術(shù)措施等。

(m/h)

T1——一個(gè)月期間內(nèi)消耗在固孔、測量孔斜、地球物理測井、孔內(nèi)注漿、人工造斜等工作中的補(bǔ)充作業(yè)時(shí)間，h。

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第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

4、經(jīng)濟(jì)鉆速在國外叫做商業(yè)鉆速，表示一臺鉆機(jī)在一個(gè)月（季）可計(jì)入成本時(shí)間（基本工序時(shí)間

t

、輔助工序時(shí)間

t1、補(bǔ)充作業(yè)時(shí)間T1和非生產(chǎn)工序所用的時(shí)間T2

）與同期鉆進(jìn)進(jìn)尺H

之比。

(m/h)

T2——一個(gè)月（季）鉆機(jī)安裝、大修、處理孔內(nèi)事故等非生產(chǎn)性作業(yè)的時(shí)間，h。勞動(dòng)組織、動(dòng)力供給、物資供應(yīng)、技術(shù)狀況越好，特別是無事故，經(jīng)濟(jì)鉆速就會(huì)越高。臺月效率——

vB

×

30×24。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系

第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

5、循環(huán)鉆速循環(huán)鉆速指的是從開孔到終孔整個(gè)生產(chǎn)大循環(huán)的平均鉆速

(m/h)

式中：T3——用于安裝和拆卸鉆塔、起拔套管、封孔等開孔準(zhǔn)備和終孔作業(yè)的時(shí)間，h。循環(huán)鉆速表示鉆探工程技術(shù)和組織管理、協(xié)調(diào)的總狀態(tài)。它取決于經(jīng)濟(jì)鉆速、安裝及運(yùn)輸、基地的條件等。

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第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

二、鉆進(jìn)規(guī)程

（一）概述

鉆進(jìn)規(guī)程是指為提高鉆進(jìn)效率、降低成本、保證質(zhì)量所采取的技術(shù)措施，通常指可由操作者人為改變的參數(shù)組合。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中主要的鉆進(jìn)參數(shù)有：鉆壓、鉆具轉(zhuǎn)速、沖洗介質(zhì)的品質(zhì)、單位時(shí)間內(nèi)沖洗介質(zhì)的消耗量等工藝參數(shù)。生產(chǎn)中有不同的鉆進(jìn)規(guī)程：最優(yōu)規(guī)程、合理規(guī)程、專用規(guī)程3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系

第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

（二）鉆進(jìn)規(guī)程的類型1、最優(yōu)規(guī)程在一定地質(zhì)條件和鉆進(jìn)方法下，為保證鉆孔質(zhì)量，獲取最高鉆速或最低鉆進(jìn)成本而選擇的鉆進(jìn)參數(shù)搭配叫最優(yōu)規(guī)程。每米鉆進(jìn)總成本(元/m)Cb—鉆頭價(jià)格；Cr—鉆機(jī)單位時(shí)間費(fèi)用；H—鉆頭進(jìn)尺。變換得：(元/m)

vm—機(jī)械鉆速，m/h；t—純鉆時(shí)間，h；

k=t1/t、K1=T1

/t、K2=T2

/t；3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

對于一定的鉆孔、設(shè)備和孔深，k、K1、K2基本上為一經(jīng)驗(yàn)值。依據(jù)C=f（vm），求出對應(yīng)于最低成本Cmin的最優(yōu)鉆速vm優(yōu)，并由此可確定最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速等規(guī)程參數(shù)。2、合理規(guī)程在給定條件下，當(dāng)規(guī)程參數(shù)選擇受到某種制約時(shí)（例如設(shè)備功率不足，鉆具強(qiáng)度不夠、沖洗液泵量不足等），在保證鉆孔質(zhì)量的同時(shí)爭取最大鉆速的鉆進(jìn)參數(shù)組合叫做合理規(guī)程。3、專用規(guī)程為完成特種取心，糾斜，定向鉆進(jìn)等任務(wù)所采用的參數(shù)組合稱為專用規(guī)程。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

三、鉆進(jìn)過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系

1、鉆壓對鉆速的影響實(shí)際鉆壓=給進(jìn)力(鉆具質(zhì)量+正或負(fù)的機(jī)械施加力)-(沖洗液浮力+孔內(nèi)摩擦阻)。常用的表示鉆壓的方法：（1）鉆壓P——整個(gè)鉆頭上的軸向載荷，受鉆頭類型、口徑和切削具數(shù)量影響，可比性較差；（2）鉆頭唇面比壓p——切削具與巖石接觸單位面積上的軸向載荷，涵蓋了鉆頭口徑和類型的影響，可比性較好。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系

第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

鉆壓在很大的變化范圍內(nèi)與鉆速近似成線性關(guān)系；a點(diǎn)之前，鉆壓太低，鉆速很慢；b點(diǎn)之后，鉆壓過大，甚至切削具完全吃入巖層，孔底冷卻和排粉條件惡化，鉆頭磨損也加劇，鉆進(jìn)效果變差鉆速:vm∝（P-W）,式中

W—ab線在鉆壓軸上的截距，相當(dāng)于切削具開始壓入地層時(shí)的鉆壓。在石油鉆井中稱為門限鉆壓，取決于巖層性質(zhì)。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

2、轉(zhuǎn)速對鉆速的影響

鉆軟、塑性大、研磨性小的巖層時(shí)（曲線Ⅰ），鉆速vm與轉(zhuǎn)速n基本呈線性關(guān)系；鉆中硬、研磨性較小的巖層時(shí)（曲線Ⅱ），鉆速vm與n開始呈直線關(guān)系，但隨著n繼續(xù)增大而逐漸變緩，轉(zhuǎn)速愈高，鉆速增長愈慢；鉆中硬、研磨性強(qiáng)的巖層（曲線Ⅲ），開始類似于曲線Ⅱ，但vm隨n增大而增大的速率緩慢，當(dāng)超過某個(gè)極限轉(zhuǎn)速n0后，鉆速還有下降的趨勢。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

在其他鉆進(jìn)參數(shù)保持不變的情況下，鉆速可表述為vm∝nλ

λ為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，其數(shù)值大小與巖性有關(guān)。3、切削具的磨損對鉆速的影響在鉆進(jìn)中隨著切削具的磨鈍，若此時(shí)鉆值保持不變，則機(jī)械鉆速v也必然逐漸下降。實(shí)質(zhì)是鉆頭唇面比壓p下降引起的。

4、水力因素對鉆速的影響一定鉆速下，單位時(shí)間鉆出的巖屑量一定，需要一定的水功率才能完全清除，低于這個(gè)水功率值，孔底凈化就不完善，則鉆速降低。軟巖：高于這個(gè)水功率值水力參加破巖，機(jī)械鉆速升高。但水浮力增加，對鉆速的提高會(huì)造成不利影響(硬巖層中)。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系

第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

對孕鑲和自磨式鉆頭，若遇到弱研磨性巖石，為保持鉆頭自銳能力，必須在孔底保存一定的巖粉，過大的水功率將導(dǎo)致鉆速下降，甚至拋光鉆頭。

5、沖洗液性能對鉆速的影響

5.1沖洗液密度對鉆速的影響沖洗液密度決定著孔內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之間的壓差孔底壓差對剛破碎的巖屑有壓持作用，阻礙孔底巖屑及時(shí)清除，壓差增大將使鉆速明顯下降。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第一節(jié)

鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

5.2沖洗液粘度對鉆速的影響其他條件一定時(shí)，沖洗液粘度的增大,將使孔底壓差增大，浮力增大，并使孔底鉆頭獲得的水功率降低，從而使鉆速降低。5.3沖洗液固相含量及其分散性對鉆速的影響固相含量、固相顆粒的大小和分散度對鉆速對鉆進(jìn)速度有明顯影響。固相含量相同時(shí)，分散性沖洗液比不分散沖洗液的鉆速低。固相含量越少，兩者的差別越大。一般應(yīng)用固相含量<4%的不分散沖洗液。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

重點(diǎn)是磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，自磨式強(qiáng)調(diào)異同點(diǎn)。

一、鉆頭壓力的選擇

鉆壓是決定硬質(zhì)合金鉆頭機(jī)械鉆速的最重要參數(shù)。在圖5-1中，a點(diǎn)繼續(xù)增加鉆壓，其鉆速將呈直線增長。不同巖石鉆壓增大一倍時(shí)鉆速增長率是不同的。中硬—硬（Ⅵ~Ⅶ級）巖石最敏感。

Ⅳ~Ⅴ級巖石鉆壓過大，孔底排粉冷卻條件惡化，阻礙鉆速成比例上升；

Ⅷ~Ⅸ級巖石不宜硬合金鉆進(jìn)，在鉆桿強(qiáng)度范圍內(nèi)鉆壓不能使鉆速直線增長。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

應(yīng)充分發(fā)揮切削具初刃的切入優(yōu)勢。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)開始時(shí)就應(yīng)以允許的最大初始鉆壓鉆進(jìn)。等切削具磨鈍后，再增大鉆壓也不可能獲得好的鉆效。從兩個(gè)方面分析增加鉆壓的意義：巖石方面——鉆壓是產(chǎn)生體積破碎的決定性因素，尤其在中硬巖層中增加鉆壓對提高鉆速更為有效；在切削具方面——初始鉆壓應(yīng)取合理的最大值，以充分發(fā)揮切削具初刃的優(yōu)勢。隨著切削具被磨鈍，應(yīng)逐漸補(bǔ)充鉆壓。但在鉆進(jìn)過程中頻繁調(diào)整鉆壓可能導(dǎo)致巖心堵塞及鉆孔彎曲。同時(shí)，由于孔內(nèi)鉆柱的振動(dòng)等原因，鉆頭上的實(shí)際瞬時(shí)鉆壓值與地表的測量值有較大差距。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

實(shí)際生產(chǎn)中首先選擇每顆切削具上的壓力值p，然后根據(jù)鉆速的變化情況適時(shí)調(diào)整。巖石越硬、研磨性越強(qiáng)，p值取上限；粘性軟巖取小值；裂隙地層也應(yīng)取小值。鉆頭上的總壓力為P總=p×m

YG8硬質(zhì)合金切削具的單位壓力推薦值巖層切削具形狀單位壓力推薦值p

(kN/顆)

Ⅰ~Ⅳ級軟-部分中硬巖石片狀0.40~0.70Ⅴ~Ⅶ級中硬-部分硬巖石方柱狀中八角柱狀大八角柱狀0.80~1.200.90~1.401.50~1.80研磨性大的巖石方柱狀中八角柱狀1.20~1.401.20~1.703/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

二、鉆頭轉(zhuǎn)速的選擇(必須考慮巖性和時(shí)間因素的影響)

由于鉆頭直徑不一，切削具的運(yùn)動(dòng)以線速度更為科學(xué)，

(m/s)

鉆軟巖↑轉(zhuǎn)速的效果最顯；而另兩類巖石由于破巖時(shí)間效應(yīng)影響顯著，故鉆速隨轉(zhuǎn)速而增大的趨勢下降。時(shí)間效應(yīng)——巖石在切削具作用下，從發(fā)生彈性變形-形成剪切體-跳躍式吃入一定深度，需要一短暫時(shí)間。切削具要在巖面停留短暫時(shí)間Δt，使裂隙發(fā)育至自由面形成剪切體。如果轉(zhuǎn)速超過臨界值(n＞n0)切削具作用于巖面時(shí)間＜Δt，裂隙尚未發(fā)育載荷便移走了，造成表面破碎。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

硬質(zhì)合金切削具的線速度推薦值巖石性質(zhì)

線速度取值范圍(m/s)

軟的、弱研磨性巖石1.2~1.6中硬的、具有研磨性的巖石0.9~1.2中硬—硬的研磨性巖石0.6~0.8裂隙性巖石0.3~0.63/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

三、沖洗液泵量及其性能的選擇

沖洗液的排粉、冷卻、潤滑和護(hù)壁諸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此為依據(jù)來選擇泵量。液流的阻力與流速平方成正比，如泵量過大引起的孔底脈動(dòng)舉離力將抵消一部分鉆壓；造成在巖心管內(nèi)、外環(huán)間隙中流速過高，可能沖毀巖心或孔壁。合理的泵量值應(yīng)在滿足排粉前提下兼顧其他工藝因素。

(L/min)

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

孔內(nèi)巖屑顆粒的上返速度主要取決于液流的上返流速、沖洗液的性能、巖屑顆粒尺寸及其密度。清水沖洗時(shí)，液流上升速度取0.25～0.6m/s；泥漿沖洗液時(shí)，液流上升速度取0.20～0.5m/s。為提高鉆速，在可能的條件下應(yīng)盡量選用清水作沖洗液；若用泥漿其粘度和密度值宜小不宜大，并盡量用低固相不分散泥漿。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

四、P、n、Q參數(shù)間的合理配合

在實(shí)際鉆進(jìn)中P、n、Q都不是單獨(dú)起作用，存在交互影響。軟巖研磨性小易切入，應(yīng)重視及時(shí)排粉延長鉆頭壽命，應(yīng)取高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、大泵量的參數(shù)配合；研磨性較強(qiáng)的中硬及部分硬巖，為防止切削具早期磨鈍保持較高鉆速，應(yīng)取大鉆壓、較低轉(zhuǎn)速、中等泵量；中等研磨性中軟巖，應(yīng)取兩者參數(shù)配合的中間狀態(tài)。定性分析的原則是：鉆進(jìn)Ⅳ~Ⅴ級及以下巖層，以較高轉(zhuǎn)速為主；鉆進(jìn)Ⅴ~Ⅵ級及以上巖層，應(yīng)以較大的鉆壓為主。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第二節(jié)

硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

五、最優(yōu)回次鉆程時(shí)間的確定

1.思路原理磨銳式鉆頭的瞬時(shí)鉆速隨切削具磨鈍而遞減。當(dāng)瞬時(shí)鉆速下降到什么程度起鉆換鉆頭最好？確定最佳回次鉆程時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)是回次鉆速達(dá)最大值。鉆頭在t時(shí)間內(nèi)的累計(jì)進(jìn)尺H為：代入到回次平均鉆速計(jì)算公式中，可以得到：

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

令，可求出最優(yōu)回次鉆程時(shí)間：

，代入上式得最優(yōu)回次鉆速為：據(jù)瞬時(shí)鉆速vm與進(jìn)尺H的關(guān)系()，代入t0，可求出此時(shí)的瞬時(shí)鉆速為：在t0時(shí)刻，瞬時(shí)鉆速與回次鉆速正好相等。這便為在現(xiàn)場用繪圖法確定最佳鉆程時(shí)間t0提供了理論依據(jù)。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

2.作圖法確定最優(yōu)回次鉆程時(shí)間利用瞬時(shí)鉆速vm-t

和

vR-t

兩曲線的交點(diǎn)來確定t0

。在鉆進(jìn)中，隨時(shí)計(jì)算vm＝△H/△t

，vR=H/(t+T)。當(dāng)兩者相等時(shí)，此時(shí)間即為最優(yōu)鉆程時(shí)間t0

。用回次進(jìn)尺曲線的切點(diǎn)來確定t0

。起下鉆時(shí)間為T，令OA＝T。當(dāng)斜率直線AB與H-t相切時(shí)，tgθ為最大值，即vR為最大值。切點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間為t0。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

3.自動(dòng)確定最佳鉆程時(shí)間的方法

在有鉆參儀的情況下，鉆進(jìn)過程中定期檢測進(jìn)尺量，每7s由微機(jī)計(jì)算一次瞬時(shí)鉆速和回次鉆速，按不等式

vR/vm＜Cm

(Cm取值1.1~1.2)判斷是否需要終止回次鉆程。若不等式能滿足，則鉆進(jìn)過程處于圖5-6中t0點(diǎn)左邊或剛過，可繼續(xù)鉆進(jìn)。如果不滿足，說明已穩(wěn)定地超過t0點(diǎn)。為了防止偶然因素造成的假象，還需繼續(xù)觀察5min。這時(shí)微機(jī)系統(tǒng)給一個(gè)鉆壓增量ΔP，觀察瞬時(shí)鉆速vm

是否繼續(xù)增大而重新滿足不等式，同時(shí)每秒測算一次Cm值，如果不滿足不等式的次數(shù)達(dá)60%，則發(fā)出“起鉆”的命令。應(yīng)用該方法曾使回次鉆速提高了10%~20%。

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硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝

六、自磨式硬合金鉆頭的規(guī)程特點(diǎn)

自磨式與磨銳式鉆頭的主要區(qū)別：接觸面積恒定，回次進(jìn)尺較長，以磨削和微剪切碎巖為主，要求切削具能自磨出刃。（1）鉆壓：與巖石的接觸面積大，總鉆壓應(yīng)大于磨銳式20~25%；（2）轉(zhuǎn)速：由破巖機(jī)理，必須采用比磨銳式更高的轉(zhuǎn)速，以提高單位時(shí)間的破巖次數(shù)；（3）泵量：可以采用比磨銳式略小的泵量，但為了充分冷卻（轉(zhuǎn)速較高）和避免重復(fù)破碎，應(yīng)盡量采用大泵量。隨著胎塊的磨耗，過水?dāng)嗝鏈p小需及時(shí)調(diào)小泵量，以防蹩泵。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

一、合理選擇金剛石鉆頭金剛石鉆進(jìn)中所選用的鉆頭必須和所鉆的巖性相適應(yīng)。尤其是孕鑲金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)較為復(fù)雜，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)所鉆巖層性質(zhì)綜合考慮到金剛石品級、胎體性能（保證鉆頭自銳）、唇面形狀、內(nèi)外徑補(bǔ)強(qiáng)和水路設(shè)計(jì)等因素。二、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

評定金剛石鉆進(jìn)規(guī)程的主要依據(jù)是：鉆速、鉆頭總進(jìn)尺和單位進(jìn)尺的金剛石耗量三個(gè)指標(biāo)。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)

金剛石鉆進(jìn)工藝

1.鉆壓

金剛石鉆進(jìn)分：表面研磨破碎、疲勞破碎、體積破碎隨鉆壓的增加，單位進(jìn)尺的金剛石耗量也增長很快。過大的鉆壓使金剛石耗量急劇增大，導(dǎo)致鉆速下降。鉆壓值應(yīng)選擇在最優(yōu)區(qū)內(nèi)。具體選擇鉆壓時(shí)，可根據(jù)巖石硬度、金剛石的抗壓強(qiáng)度和鉆頭的類型等因素確定。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

1.1表鑲金剛石鉆頭的鉆壓P

根據(jù)巖石硬度、金剛石的抗壓強(qiáng)度確定鉆壓：

P=mp（N）m——工作金剛石的粒數(shù)=總粒數(shù)的2/3~3/4；p——單粒金剛石壓力，N/粒.細(xì)粒金剛石：p≈1~1.5dN/粒；中粒金剛石：p≈1.5~2dN/粒；粗粒金剛石：p≈2~3dN/粒；特優(yōu)質(zhì)級金剛石：p≈5dN/粒.

1.2孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓W

孕鑲鉆頭金剛石粒多、刃小，鉆壓對金剛石強(qiáng)度的影響降為次要因素，主要應(yīng)根據(jù)巖石的性質(zhì)確定鉆壓W=Fq（N）

F——鉆頭實(shí)際面積,mm2；q——單位面積壓力。中硬巖石4~5N/mm2；堅(jiān)硬或高質(zhì)量金剛石6~7N/mm2。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

3、選擇和施加鉆壓時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）巖石性質(zhì)。軟巖層或破碎、非均質(zhì)巖層宜選下限鉆壓；

（2）金剛石。金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時(shí)，宜選用上限鉆壓，反之，則取下限鉆壓；

（3）鉆頭類型。鉆頭直徑大、壁厚、巖石接觸面積大時(shí)，宜選用上限鉆壓。

（4）注意新鉆頭與孔底的磨合。在磨合階段應(yīng)使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，使鉆頭唇面形狀與孔底及巖心根部逐漸相吻合。

（5）

孔底實(shí)際鉆壓。鉆孔彎曲、泵壓的脈動(dòng)和巖性不均質(zhì)造成鉆具振動(dòng)，使孔底實(shí)際的瞬時(shí)動(dòng)載可能是地表儀表指示鉆壓的0～3倍。因此，對于深孔、斜孔和非均質(zhì)巖層應(yīng)取較小的鉆壓。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

2.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素，轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜，若其他條件不變，鉆頭轉(zhuǎn)速存在著臨界值，即在某一轉(zhuǎn)速下金剛石磨損量最小。

2.1

表鑲金剛石鉆頭的線速度表鑲金剛石粒度較大出刃也較大，允許有較大的切入量，轉(zhuǎn)速應(yīng)低于孕鑲鉆頭。推薦的線速度為1~2m/s。2.2孕鑲金剛石鉆頭的線速度孕鑲金剛石粒度很?。ㄒ话懔?.2mm）出刃微小，主要靠高轉(zhuǎn)速來獲取鉆進(jìn)效率。推薦的線速度為1.5~3m/s。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

表鑲和孕鑲金剛石鉆頭適用的轉(zhuǎn)速

單位：r/min

鉆頭直徑(mm)

364659(56)6675(76)91表鑲鉆頭650~1300500~1000400~800350~650300~550250~500孕鑲鉆頭1000~2000750~1500600~1200500~1000400~850350~700選擇合理轉(zhuǎn)速時(shí)：(1)巖性。如巖層破碎、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)，宜選下限轉(zhuǎn)速。(2)鉆孔。如鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)空小、孔深不大，應(yīng)選高轉(zhuǎn)速。(3)設(shè)備和鉆具。實(shí)際工作中常因鉆機(jī)的能力和鉆桿柱的質(zhì)量限制了選用高轉(zhuǎn)速。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

3.沖洗液泵量在金剛石鉆進(jìn)中沖洗液除了完成排粉、冷卻、護(hù)壁外，還起潤滑鉆具、幫助孕鑲鉆頭自銳的作用。Q=6vF(L/min)。v—環(huán)空上返流速，要求v≥0.3~0.5m/s。金剛石鉆頭環(huán)隙很小，沖洗液的流動(dòng)阻力很大，泵量過大不僅增大工作泵壓，容易沖蝕孔

壁和巖心，還會(huì)過量抵消鉆壓，引起鉆具的振蕩。泵壓是反映孔底工況的敏感參數(shù)之一。例如，鉆進(jìn)中突然鉆速降低而泵壓猛增時(shí)，可能是發(fā)生巖心堵塞或“燒鉆”的預(yù)兆；泵壓逐漸下降則可能是鉆桿裂紋并正在逐漸擴(kuò)大。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

選擇沖洗液量時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

巖性：堅(jiān)硬致密巖巖粉量少，選擇下限泵量；強(qiáng)研磨性巖，摩擦功較大需大泵量冷卻，但防止沖蝕胎體使金剛石脫落。鉆頭：孕鑲出刃微小，多水口循環(huán)，高轉(zhuǎn)速，宜用較大泵量防燒鉆。表鑲出刃較大，排粉和冷卻較好，可選較小泵量。防燒鉆(尤其孕鑲)

：試驗(yàn)表明，滿足冷卻胎體只需每厘米鉆頭直徑0.2~0.3L/min就可。但轉(zhuǎn)速為800r/min，鉆頭唇面壓力為10MPa時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈胎體溫升1.73°C。所以鉆進(jìn)中沖洗液停止循環(huán)1~2min，便可能造成燒鉆的惡性事故。金剛石鉆進(jìn)常用泵量值:鉆頭36~91(mm)

泵量20~70(L/min)3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)

金剛石鉆進(jìn)工藝

三、金剛石鉆進(jìn)的臨界規(guī)程

在臨界規(guī)程下鉆頭胎體急劇溫升，功耗劇增，甚至燒鉆。1、胎體溫度與鉆壓P和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系當(dāng)P×n達(dá)臨界值胎體溫度由100~200°C急升至600~700°C對具體巖石而言P×n

的臨界值基本上是常量。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)

金剛石鉆進(jìn)工藝

2、功耗、機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系鉆進(jìn)功耗、機(jī)械鉆速也與臨界規(guī)程有直接關(guān)系。規(guī)律與胎體溫升的趨勢一致，與胎體溫升同步進(jìn)入臨界狀態(tài)，在同一臨界值，功耗、機(jī)械鉆速激增。用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)某花崗巖時(shí)，最高鉆速不得超過臨界值37mm/min，否則將出現(xiàn)胎體溫度劇增的嚴(yán)重后果。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

3、胎體溫度與沖洗液的關(guān)系試驗(yàn)表明，當(dāng)鉆進(jìn)過程進(jìn)入臨界狀態(tài)后，沖洗液的冷卻效果有限度，單純依靠增大泵量不解決問題。表5-8數(shù)據(jù)表明泵量增大一倍時(shí)，胎體溫度和功率消耗雖有某種程度的降低，但并不能使鉆進(jìn)過程從臨界轉(zhuǎn)為正常規(guī)程。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

4、鉆頭磨損與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系當(dāng)由正常規(guī)程轉(zhuǎn)入臨界規(guī)程時(shí)，鉆頭磨耗都是突然急劇增大。曲線Ⅱ的磨耗量比曲線Ⅰ高3倍，可能是生產(chǎn)條件下孔內(nèi)動(dòng)載使金剛石強(qiáng)度和胎體硬度降低。

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金剛石鉆進(jìn)工藝

綜上所述，可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）金剛石鉆進(jìn)，每種巖石都存在臨界規(guī)程，其P·n值基本是個(gè)常數(shù)；P和n之間存在著明顯的交互影響，必須同時(shí)考慮它們的取值；進(jìn)入臨界規(guī)程的主要表現(xiàn)是胎體溫度急升，鉆頭嚴(yán)重磨耗，雖然此時(shí)鉆速也很高，但可能導(dǎo)致燒鉆。因此，必須保證鉆進(jìn)生產(chǎn)工藝處在小于臨界規(guī)程的狀態(tài)下。（2）鉆進(jìn)中胎體溫度和鉆頭磨耗是重要的孔內(nèi)工況指標(biāo)，但不便于測量。而功耗是同步進(jìn)入臨界規(guī)程，便于在地表檢測，因此可通過測量鉆進(jìn)功率來判斷鉆進(jìn)過程是否正常。

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鋼粒鉆進(jìn)工藝

一、影響鋼粒鉆進(jìn)效果的因素

1.鋼粒規(guī)格對鉆進(jìn)效果及質(zhì)量的影響鋼粒粒度大要求鋼粒鉆頭的壁厚加大，導(dǎo)致巖心過細(xì)，孔徑擴(kuò)大，對取心和防斜不利。常用直徑3mm的切制鋼粒，鉆頭壁厚為粒徑的3~4倍。2.鉆頭硬度和水口形狀的影響

為了有效地帶動(dòng)鋼粒在孔底翻滾破巖，要求鉆頭與鋼粒之間有水平聯(lián)系力。這種聯(lián)系力靠鉆頭唇面的變形和摩擦。聯(lián)系力應(yīng)大于鋼粒翻滾時(shí)的阻力。鉆頭底唇硬度應(yīng)略低于鋼粒硬度，才能帶動(dòng)鋼粒翻滾。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

選擇鋼粒鉆頭水口形狀的原則具有良好的“導(dǎo)砂”性能，能保持較穩(wěn)定的孔底過水?dāng)嗝妫汇@頭磨損后唇面壓砂面積變化幅度較小，水口加工方便。雙斜邊和雙弧形水口有利于順利導(dǎo)砂，在水口高度磨短后，鉆頭唇面面積變化相對較小，可保持軸向壓力基本不變。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

二、鋼粒鉆進(jìn)的規(guī)程選擇

鋼粒鉆進(jìn)要求孔內(nèi)有一定量的鋼粒，規(guī)程中除P、n、Q外，還包括投砂方法與投砂量兩個(gè)規(guī)程參數(shù)。投砂方法及投砂量1.1一次投砂法回次開始前，把回次進(jìn)尺所需要的鋼粒一次投入孔內(nèi)。投砂量取決于巖性和回次長短。投砂量不足將造成鉆速低、鉆孔縮徑，擠卡鉆具的事故。投砂過多不利于排粉和孔底的鋼粒分選，也影響鉆速和取心質(zhì)量。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

估算鉆進(jìn)Ⅷ~Ⅹ級巖石的一次投砂量

G=KD

(kg)

1.2結(jié)合投砂法

回次開始前先投入所需鋼粒的50%~60%，待到確認(rèn)孔底鋼粒已消耗得差不多時(shí)，再從鉆桿中分1～2次補(bǔ)投其余的鋼粒?？摄@性達(dá)Ⅺ、Ⅻ級或強(qiáng)研磨性巖石宜采用結(jié)合投砂法可適當(dāng)延長回次純鉆進(jìn)時(shí)間。

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鋼粒鉆進(jìn)工藝

2.鉆壓的選擇鉆壓是孔底碎巖的必要條件，并影響碎巖方式；鉆壓是鉆頭牽動(dòng)鋼粒聯(lián)系力的主要依據(jù)?？偟你@壓值實(shí)踐證明，隨著單位壓力增大機(jī)械鉆速上升，但當(dāng)達(dá)pmax值后，鋼?？赡鼙粔核榛颉扒度搿便@頭唇面，鉆速明顯下降。影響pmax

的因素：鋼粒鉆頭唇面硬度、鋼粒強(qiáng)度、巖石可鉆性和鉆頭轉(zhuǎn)速。巖石愈硬，鋼粒相對強(qiáng)度和耐磨能力↓，則所需的pmax

也↓；隨轉(zhuǎn)速加快鋼粒在孔底翻滾頻率↑，對提高鉆速有利，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)速較快時(shí)pmax值↓。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

3.轉(zhuǎn)速的選擇鋼粒在孔底翻滾受到孔壁和巖心限制，其速度滯后于鉆頭的線速度。鋼粒鉆進(jìn)主要用于脆性巖石，破巖的時(shí)間效應(yīng)不明顯，鋼?？稍诳椎鬃詣?dòng)分選與補(bǔ)給。所以可采用較高轉(zhuǎn)速。實(shí)踐證明，只要鉆頭外環(huán)狀空間鋼粒柱的高度不小于水口高度，水口又能保證及時(shí)導(dǎo)砂，則適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)“高轉(zhuǎn)速的離心力會(huì)把鋼粒甩出鉆頭唇面”。選擇轉(zhuǎn)速應(yīng)綜合考慮鉆頭口徑、鋼粒的強(qiáng)度、孔深和鉆桿強(qiáng)度等因素。其中鋼粒的相對抗壓碎強(qiáng)度與巖石硬度及孔底的脈動(dòng)頻率有關(guān)，所以在堅(jiān)硬巖石中宜采用較低的轉(zhuǎn)速。

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鋼粒鉆進(jìn)工藝

110mm鋼粒鉆頭的轉(zhuǎn)速選擇參考表

巖石級別Ⅶ~Ⅸ＞Ⅹ孔深(m)0~200200~400＞4000~300＞300轉(zhuǎn)速(r/min)180~250180140~180180150~1804.泵量的選擇

鋼粒鉆進(jìn)泵量除了排粉、冷卻的功能外，還在孔底鋼粒的補(bǔ)給、分選中起主要作用。泵量存在著最優(yōu)值。若不足無法正常地排屑和碎鋼粒，使完整鋼粒的翻滾阻力增大，甚至較少接觸孔底，故鉆速很低。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

泵量過大，會(huì)把孔底完整鋼粒沖上來，既破壞了鉆頭唇面附近鋼粒動(dòng)平衡，又將加劇巖心管的磨損，導(dǎo)致鉆速下降甚至釀成巖心管折斷或鋼粒卡鉆的惡性事故。泵量的選擇取決于巖性、鋼粒規(guī)格、鉆頭直徑、水口尺寸、鉆壓和轉(zhuǎn)速的大小、沖洗液性能及一次投砂量等因素。

Q=q0D(L/min)清水q0=3~5L/min·cm，泥漿時(shí)q0=1.5~3L/min·cm。巖石級別較高、鉆頭水口較小、鉆壓較低、轉(zhuǎn)速較高、孔底存砂量較少時(shí)取下限，反之亦然。生產(chǎn)中隨進(jìn)尺增加水口將逐漸被磨短，水口處的流速加快；這時(shí)孔底鋼粒也被磨小，鉆頭處工作鋼粒數(shù)量減少。因此，在整個(gè)回次鉆程中應(yīng)分段逐次改小泵量，稱為“改水”。

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鋼粒鉆進(jìn)工藝

三、鉆進(jìn)規(guī)程合理性的判斷

1、根據(jù)鉆頭磨損的情況判斷（1）正常磨損的鉆頭，其底唇呈圓弧形麻痕均勻，說明投砂量和沖洗液恰當(dāng)。（2）鉆頭底唇面光滑明亮、沒有麻痕，說明鉆頭下面沒有鋼粒。（3）鉆頭底端磨成喇叭口形，且內(nèi)周沒有麻痕。說明沖洗液量過大，鉆頭底內(nèi)沒有鋼粒，直接與巖心摩擦。（4）鉆頭底磨成外錐形，錐面光滑。說明沖洗液量過小，鉆頭外周與巖粉和孔壁磨損所至。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第四節(jié)

鋼粒鉆進(jìn)工藝

（5）鉆頭外麻痕過高超過水口，說明孔底鋼粒偏多水量過大。麻痕高度基本上與水口齊平或略低于水口，則砂量正常，送水合適。2、根據(jù)巖心變化情況判斷

（1）巖心直徑上下基本一致，說明鋼粒量和沖洗液掌握適當(dāng)；（2）巖心直徑過粗，說明沖洗液過大或孔底鋼粒偏少；（3）巖心直徑過細(xì)，說明沖洗液量過小，或孔底鋼粒過多；（4）巖心粗細(xì)上下不均一，沖洗液時(shí)大時(shí)小或投砂不均所致；（5）巖心上細(xì)下粗，回次初投鋼粒量多水小，回次末水偏大。

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牙輪鉆進(jìn)工藝

一、牙輪鉆進(jìn)的鉆速方程牙輪鉆進(jìn)鉆速vm與鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙輪磨損、壓差和水力因素間的關(guān)系式(m/h)式中：P—鉆壓kN；W—門限鉆壓kN；n—轉(zhuǎn)速r/min；K—地層可鉆性；λ—轉(zhuǎn)速指數(shù)(<1)；C2—與齒形和巖性有關(guān)的牙齒磨損系數(shù)；CH—孔底水力凈化系數(shù)CH≤1；CP—差壓影響系數(shù)CP≤1；h——牙齒相對磨損量,新鉆頭h=0，全磨損h=1。W、K、λ、C2在巖性、鉆頭類型、沖洗液和水力參數(shù)一定時(shí)是常量，可通過現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)和鉆頭資料確定。

3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第五節(jié)

牙輪鉆進(jìn)工藝

二、鉆頭磨損方程

鉆壓對牙齒磨損速度的影響

牙齒磨損速度式中:D1和D2—鉆壓影響系數(shù)與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)。鉆壓=D2/D1時(shí)，牙齒的磨損速度無限大，即D2/D1是該鉆頭的極限鉆壓。2.轉(zhuǎn)速對牙齒磨損速度的影響鉆壓一定時(shí)轉(zhuǎn)速↑牙齒的磨損速度也↑。式中：Q1和Q2——由鉆頭類型決定的系數(shù)。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第五節(jié)

牙輪鉆進(jìn)工藝3.牙齒磨損狀態(tài)對牙齒磨損速度的影響楔形齒的面積將隨著齒高的磨損不斷增大，磨損速度也隨著齒高的磨損而下降。牙齒磨損速度方程

式中：C1—牙齒磨損減慢系數(shù)；Af—地層研磨性系數(shù)。三、鉆進(jìn)方程中有關(guān)參數(shù)的確定(自習(xí))四、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速確定

(自習(xí))五、水力參數(shù)的優(yōu)選(自習(xí))

3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第六節(jié)全面鉆頭鉆進(jìn)工藝一、硬質(zhì)合金全面鉆頭的規(guī)程選擇1、翼片（刮刀）式全面鉆頭的規(guī)程選擇（1）泵量：Q=vF（L/min）（2）鉆頭轉(zhuǎn)速：

n=120~300（r/min）（3）軸向載荷：

P=qcmD（N）（4）大直徑鉆進(jìn)為防鉆桿彎曲與折斷，在鉆柱的下部加接鉆鋌的合理長度：h=kP/qT

（m）

k=1.25~1.4

。

刮刀式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)推薦的規(guī)程參數(shù)如表5-13所列。

3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第六節(jié)全面鉆頭鉆進(jìn)工藝2.干式螺旋鉆的規(guī)程選擇

2.1轉(zhuǎn)速在長螺旋鉆進(jìn)中，鉆屑是依靠鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力甩到螺旋葉片外側(cè)輸送上來（主動(dòng)），否則只有被隨后的鉆屑推著向上走（被動(dòng)），這容易造成堵塞?！嗦菪D(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)。臨界轉(zhuǎn)速的概念

轉(zhuǎn)速低鉆屑的離心力小，孔壁對鉆屑的摩擦力不足以使鉆屑與葉片之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，鉆屑只能隨葉片旋轉(zhuǎn)而不上升。轉(zhuǎn)速增大，孔壁對鉆屑的摩擦力也增大，轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后，孔壁對鉆屑的摩擦力足以使鉆屑與螺旋葉片之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，鉆屑就會(huì)上升。這稱為臨界轉(zhuǎn)速。

3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系第六節(jié)全面鉆頭鉆進(jìn)工藝（2）臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算取單顆鉆屑為研究對象，以臨界轉(zhuǎn)速nk（ωk）旋轉(zhuǎn)時(shí)，顆粒隨螺旋葉片旋轉(zhuǎn)而不上升，鉆屑顆粒處于臨界平衡狀態(tài)。受重力mg，離心慣性力F1，孔壁對顆粒的法向反力（慣性力的反作用力），孔壁對顆粒的摩擦力Ftμt，螺旋葉片對顆粒的全反力（用分力Fsz和Fsy表示）。3/7/2024中國地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系