鉆探工藝課件第2章 硬質合金鉆進

第二章硬質合金鉆進

硬質合金鉆進是把不同幾何形狀和一定尺寸的硬質合金塊，按照一定要求鑲嵌在鉆頭體上，并按一定鉆進規(guī)程破碎巖石而鉆孔的方法。硬質合金塊是一種很硬的、強度很高的合金材料，最初應用于金屬切削工具上，二十世紀初開始應用于采礦和石油鉆井以及地質勘探鉆孔作業(yè)中。目前我國和世界各國在石油鉆井和地質勘探鉆孔中已廣泛應用硬質合金。硬質合金在巖心鉆探中占有重要地位，我國每年的鉆探工作量，用硬質合金鉆進法完成的約占60%；在煤田地質勘探中約占80%。硬質合金鉆進，一般適用于可鉆性為1～6級及部分7～8級的巖石。鉆孔直徑為35.5mm直至2000mm，常用的鉆頭直徑為75、91、110、130、150mm等規(guī)格。硬質合金鉆進可鉆進任何角度的鉆孔。其鉆具組裝如圖2?1所示。圖2?

硬質合金鉆具1—合金鉆頭；2—巖心管；3—異徑接頭；4—鉆桿接頭；硬質合金鉆進的優(yōu)點是：在軟巖及中硬巖石中鉆進效率高，鉆進質量好，鉆探材料消耗少，成本低，鉆進操作簡便，鉆探方法靈活，應用范圍廣泛。一般情況下，影響硬質合金鉆進效率的主要因素有：巖石的性質、硬質合金鉆頭的質量及鉆進時的操作技術和鉆進規(guī)程等。第一節(jié)硬質合金鉆進原理硬質合金鉆進是以堅硬的硬質合金作切削具來破碎（切削）巖石，即在軸向壓力和鉆具回轉力作用下，由硬質合金克?。▔喝?、壓碎、切削）破碎巖石。我們研究硬質合金鉆進時，應研究以下四個過程；(1)硬質合金鉆頭通過軸心壓力和鉆具的回轉作用，克取破碎孔底巖石；(2)被克取破碎的巖石顆粒由注人孔內的沖洗液排出孔外；同時，沖洗液還起著冷卻鉆頭的作用；(3)鉆進過程中，在巖石被克取破碎的同時，合金本身不斷磨鈍和磨損．因此必須定時更換鉆頭；(4)鉆進過程中必須定期采取巖(礦)心。在上述四個過程中，主要的是第三個過程，即研究硬質合金鉆進原理時．應重點研究硬質合金鉆進破碎巖石的過程和硬質合金本身的磨損問題。硬質合金鉆進破碎巖石的理論，可分為兩類，即塑性巖石破碎過程和脆性巖石破碎過程。前者是將巖石破碎過程看成具有明顯的高塑性，因而鉆進時巖石的破碎與金屬切削的狀態(tài)相同。研究外載與破碎之間關系時，主要是力學平衡分析；后者考慮到巖石破碎過程中存在著脆性破碎，因而是在孔底碎巖機理的基礎上進行分析。硬質合金鉆進的基本情況如圖2?2所示。鉆進時，合金受到兩個力的作用。即軸心壓力Py和回轉力Px。當軸心壓力Py達到一定值后，合金對巖石的單位壓力超過巖石的抗壓入阻力，合金便切入巖石一定深度h0；與此同時，在回轉力Px的作用下，向前推擠巖石，如巖石較脆，則受力體被剪切推出；若巖石較軟呈塑性體，則合金前部的巖石便被切削去一層，孔底工作面呈螺旋形式而不斷加深。鉆進塑性巖石時，只有加在合金上的軸心壓力C0大于與巖石接觸面上的抗壓入強度時才能切入。即：C0>δS0式中：δ?巖石的抗壓入強度；S0?合金刃與巖石的接觸面積。鉆進時，機械鉆速主要取決于合金切入巖石的深度；而切入深度則取決于軸心壓力C0和巖石性質，并與鉆頭的轉數(shù)、合金數(shù)量及其幾何形狀有關。鉆頭上的合金(切削具)切入巖石時的理想受力情況如圖2—2所示，在軸心壓力G(即Py，)的作用下，合金開始切人巖石。由于巖石對切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿著與垂直方向呈交角γ的方向向下移動；γ角的值主要取決予巖石對合金間的摩擦系數(shù)和刃尖角。在合金切人巖石的過程中，合金的后面與前面分別遇到法線阻力N1和N2(見圖2?3)；若將這些力分別投影于z軸和y軸上時，解之，便可解得切人深度h0。與各種因素的關系：鉆進脆性巖石時，合金（切削具）以軸心壓力C0向下切入巖石，當合金與接觸面的壓強大于巖石的抗壓入強度時，則巖石發(fā)生脆性剪切，剪切體向自由面崩出而呈現(xiàn)kok′破碎穴，如圖2?5所示。當合金切入巖石h0深度后，在水平力Px的作用下，產生水平剪切過程：首先將巖石塊abc（圖2?6）剪切掉，此時稱為大剪切。當合金繼續(xù)前進時，合金刃尖前端不斷產生小體積剪切，崩落出小體積的巖屑；經(jīng)過不斷的小體積剪切后，合金刃前與巖石接觸面逐漸增大，直至又達到a′b′全面接觸時，然后又產生一次a′b′c′大剪切。因此，在脆性巖石中回轉切削的過程，是由數(shù)個小剪切和一個大剪切所組成的不斷循環(huán)的過程。同時，合金兩側的切削槽寬也發(fā)生大小不同的變化。當發(fā)生小剪切時，切削糟窄；當發(fā)生大剪切時，槽的寬度增大。從巖面上看，切削槽的寬度基本上是有規(guī)則地變化著。切削糟的底面也是不平整的，隨著大小剪切的交替進行，底槽深度也是高低不平，呈起伏狀態(tài)。合金在孔底破碎巖石的同時也被磨損，因而鉆頭上的合金在鉆進開始和終了時的情況不同。合金隨著進尺數(shù)的增加被磨損而變鈍，因而機械鉆速逐漸下降。鉆進時，我們不但要求有較高的機械鉆速，而且還要求有較高的回次進尺和臺班效率。因此，必須盡可能地掌握鉆進規(guī)律，使鉆頭有較長的鉆進時間。所以，研究鉆進中硬質合金的磨損，就成為合金鉆進中的一個重要問題。從上式可以看出影響合金磨損和鉆頭在孔底耐久性的各種因素及其相互關系，但上式仍是理想情況下所得。故必須在合金鉆進時經(jīng)常注意地層情況的變化，掌握合金磨損的特點。實際上切削刃在孔底的磨損是不均勻的。鉆進時，切削刃沿高度的磨損使內外刃的負擔加重，所以磨損大于中部，而外刃磨損又大于內刃。由于內外刃磨損較重，所以內外側刃端磨損的厚度也較大，如圖2?8所示。切削刃的前緣負擔較重，因而磨損也較重；同時，切削刃的后緣在回轉運動中受巖屑和巖面的研磨會產生"自磨"現(xiàn)象；合金刃尖角和孔底螺旋面傾角愈大，則這種"自磨"現(xiàn)象愈明顯。因此，切削刃端不是平面磨損而是呈圓弧形磨損，如圖2?9所示。也就是說，合金切削刃在孔底有"自銳"的磨損作用，這種磨損作用是對鉆進有利的。在實際鉆進工作中，用沖洗液沖孔時，對合金切削刃有一定的潤滑作用，可減少合金的磨損。同時冷卻鉆頭合金，并使孔底保持清潔，對減少合金磨損會起重要作用。第二節(jié)鉆探用硬質合金一、硬質合金的種類和性質鉆探用的硬質合金，主要是碳化鎢（WC）—鈷（Co）類壓結式合金。其主要成分是碳化鎢，它以碳化鎢粉為骨架，以鈷粉末做膠結劑，經(jīng)粉末冶金方法壓制燒結成各種型式，然后將其鑲焊在鉆頭體上，制成各種型式的鉆頭。這類硬質合金統(tǒng)稱為YG類硬質合金，亦稱鎢鈷合金。一般情況下，要求硬質合金具備以下性能：（一）硬度一般巖心鉆探用的硬質合金，其硬度應大于HRA50。（二）韌性因鉆進用的鉆桿是彈性體，而所鉆巖石又大都是非均質的，故鉆進時孔底載荷變化很大，所以要求合金的抗彎強度大于1150MPa。（三）材料應成型，以便易于鑲焊在鉆頭上。（四）應有一定的熱硬性和導熱性，以減少合金的磨損，延長鉆頭的壽命。鉆進時應根據(jù)巖石性質和使用條件，合理地選用硬質合金的牌號及型式。供地質勘探用的YG類硬質合金，其物理機械性質及特性見表2?1。表中所列各種牌號：第一個字母"Y"表示硬質合金；YG表示碳化鎢-鈷類（WC-Co）硬質合金；后面的數(shù)字表示其含鈷量；數(shù)字后面的字母"C"表示粗晶粒；"X"表示細晶粒。"A"表示加有碳化鈮。例如YG6x表示含鈷6％的細晶粒鎢鈷合金；YG8c表示含鈷8％的粗晶粒鎢鈷合金。YG類合金中含鈷量越高，韌性和抗彎強度越高，但耐磨性下降；碳化鎢粉末的粒度愈細，則硬度愈高，而抗彎強度愈低；反之亦然，抗彎強度以YG11c合金最高。二、硬質合金的型式巖心鉆探用硬質合金的型式，應具備以下條件：①切削刃尖，接觸面小，便于切入巖石；②有較大的強度和耐磨性，抗崩、抗磨；③具有適當?shù)某叽绾托螤睿芘c鉆頭體牢固焊接；④合金磨損后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自銳作用）。巖心鉆探用硬質合金已有定型產品，其型號、尺寸及使用條件見表2?2所列。表3?2所列硬質合金的定型產品，可分為兩大類，即：磨銳式合金和自磨式合金（見圖2-10）。（一）磨銳式硬質合金磨銳式硬質合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），鉆進時刃尖角的斷面逐漸增大，其幾何形狀有：（1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三種，如圖3?10所示。常用的T0、T4和S3、S5型。厚度一般小于3～6mm，易切入巖石，但強度和耐磨性較差，多用于1～4級軟巖或均質巖石中鉆進。其中S3型多用于刮刀鉆頭，S5型多用于油井鉆進的刮刀鉆頭。（2）楞柱狀合金：有八角柱（T1型）、方柱（T3型）和錐片柱狀（T5型）三種，如圖2?10所示。鉆進時，柱狀合金與巖石的接觸面較大，其強度和耐磨性都較大，故多用于4-7級中硬巖層。其中，T1型合金可用于較硬巖層，T5型合金用于液動沖擊回轉鉆進。一般情況下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎巖石、便于排除巖粉、抗磨能力強和易于焊牢等優(yōu)點。八角柱合金有超前刃，切入巖石阻力小，有掏槽作用，又可使巖粉順切削具兩側排出，減少磨損；而且具有近圓弧狀切削刃，可使磨損均勻，也就是說，磨損后還成弧面，仍能保持切削能力（如圖2?11所示）。另外，八角柱合金采用鉆圓眼鑲焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圓眼鑲焊，則空隙過大，而采用刨槽焊接，在鉆進中很易崩落，如圖2?12所示。（二）自磨式硬質合金自磨式合金沒有刃尖角，其本身斷面小，所以在軸心壓力下能吃入并破碎巖石。磨損后合金斷面不增加，也就是說，鉆進時合金不被磨鈍。自磨式合金有圓柱狀和片狀兩種，多用于研磨性較大的堅硬巖層，常用的自磨式合金為T2型，見圖2?10。第三節(jié)

硬質合金鉆頭巖心鉆探用的硬質合金鉆頭，可分為取心鉆頭和不取心鉆頭兩大類。將一定數(shù)量的硬質合金，按特定形式排列在鉆頭上，可構成品種繁多的鉆頭類型。決定鉆頭形式類型的因素，稱為硬質合金鉆頭的結構要素。合金鉆頭的結構要素有：鉆頭體（空白鉆頭）、合金數(shù)目、合金出刃及排列方式、合金的鑲焊角度、鉆頭水口、水槽的形式和數(shù)目等。為提高鉆進效率和質量，必須根據(jù)巖石性質對鉆頭結構進行分析，以便合理地選擇和設計不同類型的鉆頭。一、合金鉆頭的結構分析（一）鉆頭體（空白鉆頭）鉆頭體是由DZ-40地質鉆探用無縫鋼管制成。絲扣為地質專用特殊梯形扣，鉆頭上端內壁有一定錐度，以便卡取巖心?？瞻足@頭的同心度、各端面與中心的垂直度以及各尺寸間的相互關系都應嚴格要求；否則會直接影響鉆進效率和質量?？瞻足@頭的結構如圖2?13所示，各種鉆頭的規(guī)格尺寸見表2?3。（二）鉆頭上合金的數(shù)目影響鉆頭上合金數(shù)目最優(yōu)值的因素很多，目前還不能用理論公式來表示。一般情況下，在確定合金數(shù)目時，要綜合考慮鉆頭直徑、鉆探設備能力、鉆進規(guī)程、巖粉的排除及合金的冷卻等條件。從理論上分析，只要保證每個合金在鉆進某種巖石時的軸心壓力值，合金數(shù)目的增加與鉆速應成正比。但在生產實踐中，情況并不如此，合金數(shù)目過多反而會使鉆速下降。其原因是過密的合金（或合金組）會使合金之間的距離縮小，使巖石在大剪切時體積破碎的過程受到限制，而使巖石破碎的體積減小，鉆速下降。在確定或設計鉆頭上合金數(shù)目時，應考慮以下因素：（1）在一定的巖性條件下，合金之間的距離應有一定值，以保證碎巖時能產生大剪切體進行體積破碎。（2）在保證每個合金所需壓力的情況下，在一定范圍內增加合金數(shù)目就等于增加同時工作的切削量，可以提高鉆進速度。（3）確定合金數(shù)目時，還應考慮鉆頭體上所允許的水口數(shù)目，以保證每個合金的完全冷卻與沖洗。（4）研磨性大的巖石，要適當增加合金數(shù)目，以保證每個合金的體積磨損量不致過大。（5）由于合金體積的磨損量與合金切削運動的路程有關，所以大口徑鉆頭在相同轉數(shù)條件下，應適當增多合金數(shù)目；鉆頭的外沿亦應比內沿合金數(shù)目多；或增加補強合金以保持鉆頭內外沿合金體積磨損量大致相同，以避免鉆孔縮徑。（三）鉆頭上的合金出刃鉆進時，為了使合金能順利地切入巖石，并保持沖洗液暢通，以及減少鉆頭體的磨損，合金必須突出鉆頭體一定高度，此突出部分則稱為出刃。合金出刃有內出刃、外出刃和底出刃，如圖2?14所示。外出刃是在鉆頭體的外側與鉆孔側壁之間留有一定的通水間隙；內出刃是在巖心的外側與鉆頭體內側壁之間留有一定的通水間隙；底出刃是切入巖石的深度h0和保持水流沖洗的高度h1之和，即底出刃H=h0+h1，如圖2?15所示。鉆頭上內、外、底出刃的尺寸，應根據(jù)巖石的性質來確定：在軟巖中鉆進，所需軸心壓力不大，為能使大量巖粉及時排除孔底，需要加大內、外、底出刃；在堅硬巖層中鉆進，合金切入巖石淺，巖粉少，同時為減少回轉阻力和彎曲力矩，避免合金崩刃，應減小內、外、底出刃。不同地層鉆進時，硬質合金鉆頭的合金出刃量可參考表3?5所列。（四）鉆頭上合金的排列方式合金在鉆頭上的排列形式，歸納起來可分成以下幾種：1、按階梯破碎方式排列圖2?16所示為多環(huán)階梯式排列底出刃的孔底狀況：圖（a）是二環(huán)階梯排列。內環(huán)合金比外環(huán)合金底出刃大，因而形成孔底階梯狀。圖（b）是三環(huán)階梯排列。中環(huán)合金是以超前方式比內、外合金的底出刃大，故可起到掏槽作用。圖（c）是四環(huán)多階梯排列。此種鉆頭所鑲合金較小，故稱小切削具鉆頭。圖（d）是肋骨鉆頭的排列形式。肋骨刃與主刃高差較大。階梯破碎方式排列合金的目的，是使孔底增多自由面，以提高破碎效果。在5～6級以上、研磨性較大的巖石中鉆進時，要注意超前刃的過快磨損或折斷；否則發(fā)揮不出理想的效果。2、按分區(qū)破碎方式排列合金在鉆頭底面上的分布，除單環(huán)排列的（圖2?17）外，大都采取了分區(qū)破碎方式排列，如圖2?18所示。分區(qū)破碎方式排列的合金都呈內、外、中三環(huán)排列和四環(huán)排列（圖2?19）；合金排列的特點是沿鉆頭徑向寬度以同心圓式排列，整個孔底寬度是按同心圓方式分區(qū)破碎的，每個合金只破碎一條環(huán)形孔底巖石。采用分區(qū)破碎能保證合金的穩(wěn)定性，減少了合金破碎巖石的寬度，因此減輕了合金所承受的負荷，增加了合金的壽命和碎巖速度。很多現(xiàn)代高效率的鉆頭，往往是將階梯式破碎和分區(qū)式破碎結合，組成多樣化鉆頭。3．密集式排列密集式排列主要用于研磨性巖石和較硬巖石的鉆進，它以成組的合金比較集中地排列在一起，有堆狀排列（圖2?20）和疏松排列（圖2?21）兩種：前者每組合金堆集在一起，互相補強，前刃掏槽，后刃擴槽，如一個單元合金；后者每組合金成疏松的一組，可完成一個寬糟的切削量。圖2?22合金的鑲嵌角度Px?軸向力;Pz?回轉力;Φ?前角;β?刃尖角;α?切削角;θ?后角密集式排列的硬質合金鉆頭有很多優(yōu)點，在我國應用較為廣泛。（五）硬質合金的鑲嵌角度硬質合金經(jīng)鑲嵌后所形成的各種角度，如圖2?22所示。合金的刃尖角β（也稱磨銳角）的大小，對鉆頭耐久性和鉆速有很大影響。其大小應根據(jù)所鉆巖性而定。切削角α，也稱鑲嵌角。為便于切入巖石，合金的鑲嵌角也不相同：切削角為900的角叫直鑲；小于900的叫正斜鑲；大于900的叫負斜鑲，如圖2?23所示。選擇合金在鉆頭上的不同鑲嵌角時，應考慮以下三點：（1）合金在切入巖石和回轉時，應有較小的阻力；（2）鉆進過程中隨合金的磨損它與巖石的接觸面不迅速增大；（3）在堅硬巖層鉆進時，應使合金有較大的抗彎斷面，以防崩刃。在選擇合金鑲嵌角時，應根據(jù)所鉆巖石性質和鉆進規(guī)程來確定，可參考表2?6所列。（六）鉆頭的水口和水槽鉆頭上的水口、水槽主要作用是使孔底沖洗液暢通，并能及時冷卻鉆頭和攜帶巖粉離開孔底。水口和水槽開得是否合理，直接影響著鉆進效率和合金的磨損。通常每組合金應當至少開一個水口，水口的總面積大于鉆頭與巖心之間的環(huán)狀間隙的面積，以免因過水面積太小而引起不必要的水頭損失。水口的大小應能滿足沖洗液暢通、很好地排除巖粉和及時冷卻鉆頭的要求。一般在松軟、膨脹、縮徑等地層鉆進時，應加大水口，甚至增加肋骨進一步擴大孔壁間隙，以保證正常沖孔。水口的位置應盡可能地接近合金的前邊，以使沖洗液的流動中心靠近合金前棱。目前，各地質隊應用的鉆頭水口形式（如圖2?24所示）。有矩形（a）、梯形（b）、半圓形（c）、偏斜形（d）及弧形（e）等。鉆頭上的水槽和水口連接，其目的是補充增加鉆頭內、外環(huán)形間隙過水斷面的不足。水槽有直槽和與順鉆頭旋轉方向成60-80°的斜槽兩種；水槽一般深1.5～2mm，寬7～10mm。二、硬質合金鉆頭的制造硬質合金鉆頭的制造工藝，對鉆頭壽命和鉆進速度有很大影響。為此，要提高鉆進效率和鉆頭壽命，必須提高鉆頭的鑲焊質量。硬質合金鉆頭的制造過程是：（1）準備鉆頭體：將鉆頭體車圓、車絲扣。加工水口、水槽；（2）劃定合金位置：在鉆頭體上將鑲嵌合金的位置劃好線，再用鑿子打出記號；（3）開鑿合金巢：鑲焊柱狀合金時用鉆床進行鉆眼。然后將剩余的薄壁鑿通（外刃從外壁鑿通，內刃從內壁鑿通），巢的深度應能使合金嵌入后留出底刃的高度。鑲嵌薄片合金時，可用刨床或銑床加工。（4）鑲嵌合金片：將合金洗凈壓入合金巢，校正規(guī)格。用鑿子使合金周邊的鋼料將合金固定起來。鑲嵌敲打時，不得用鐵錘直接敲打合金。（5）鑲焊合金：鑲焊工序是鉆頭制造過程中最主要的工序，它直接影響鉆頭的質量。最常用的方法是氧焊法（如無氧焊，可用帶鼓風的炭爐進行加熱），銅焊條的直徑一般為2～6mm。加熱前應將鉆頭絲扣用石棉包好，合金則以水浸濕，撒上加熱的硼砂粉末，再將鉆頭加熱到硼砂溶化的溫度（800℃），然后再放上焊料；采用黃銅焊條時，加熱到900～950℃，用電解銅時加熱至1100℃，當焊料注滿空隙時即行取出，放于干砂或木炭灰中緩緩冷卻。除上述方法外，還可采用銅液浸漬法進行鑲焊，其程序為：將合金清洗干凈嵌入鉆頭中，再放在70～80℃的硼砂溶液中洗滌干凈，在浸入銅液之前，應使鉆頭預熱到200～300℃。熔化黃銅應使用鐵坩堝或石墨坩堝，溶化時加10%的食鹽，溶化后再加0.5kg氧化鋇，并攪拌一分鐘，將表面溶渣清除。每焊100個鉆頭應清渣一次，清渣以后，必須按比例增加一些氧化鋇和食鹽。銅液浸漬法是將鑲好的合金鉆頭浸入溶化的銅液中浸焊而成，此方法簡單，效率高，加熱均勻，不用氧氣，能保證鑲焊質量，比較適于在修配廠大批生產中采用。三、典型硬質合金鉆頭目前，硬質合金鉆頭種類繁多，用途各異，但歸納起來可分為兩大類：一類是取心式硬質合金鉆頭，它的特點是鉆頭呈環(huán)狀，鉆進后能取出圓柱狀的巖心，所以又稱環(huán)狀巖心合金鉆頭，這是巖心鉆探最常用的一類鉆頭；另一類是不取心式硬質合金鉆頭。它的特點是鉆頭底部全面鑲有合金，進行全面鉆進不取巖心，所以又可稱為全面合金鉆頭，這是鉆進覆蓋層、軟巖最常用的一類鉆頭。取心式合金鉆頭又可根據(jù)鉆進巖石的性質，分為磨銳式鉆頭與自磨式鉆頭兩種，磨銳式硬質合金鉆頭鑲嵌有可以修磨的磨銳式合金；這種鉆頭在鉆進時合金會不斷磨損而變鈍，鉆速也隨之逐漸下降。自磨式硬質合金鉆頭鑲嵌有小斷面（薄片或圓柱狀）的自磨式合金；這種鉆頭鉆進時合金不被磨鈍，鉆速基本不變，見圖2?25和圖2?26。在鉆進時，應根據(jù)鉆進地層的特點和要求及巖石的物理力學性質，來選擇或設計硬質合金鉆頭的類型和結構。現(xiàn)將各種不同地層使用的典型硬質合金鉆頭介紹如下（一）螺旋肋骨式鉆頭此型鉆頭采用K572型號硬質合金鑲嵌制成，鉆頭外側有三塊與鉆頭底唇水平面呈45°角的螺旋肋骨，材料為35號鋼。螺旋肋骨之作用在于能使沖洗液呈螺旋狀上升，這樣就加速了孔底巖粉上升速度，保證孔底清潔，減少孔內阻力，從而提高了鉆進速度。在使用此型鉆頭時，為使鉆進平穩(wěn)，避免鉆孔彎曲，須采用特制的巖心管。螺旋肋骨鉆頭適用于2～4級松軟塑性巖層、覆蓋層。粘土層、風化砂巖及鋁土頁巖等。這種鉆頭，經(jīng)各隊使用證明，在2～4級松軟地層中鉆進，能大大提高鉆進效率。如某隊在江西頁巖夾薄層砂巖和結核巖層中使用，效果比一般肋骨鉆頭鉆進效率提高1～1.5倍。當一般鉆速達3.6×10-3m／s時，純機械鉆速可達(0.75～1.2)×10-2m/s，最高達1.62×10-2m／s。（二）階梯式肋骨鉆頭此型鉆頭采用K531型號硬質合金鑲嵌而成，其特點是肋骨片較厚，水口寬大，鉆進時的實際孔徑相當于大一級的鉆頭直徑，孔底為階梯狀。其結果如圖2?28所示。階梯肋骨鉆頭適用于3～5級巖層，如頁巖、矽頁巖和膠結不緊的砂巖等。鉆進時，階梯肋骨進行擴孔，可保持一定的鉆頭內外間隙。使用該鉆頭鉆進時的平均機械鉆速為（6～9）×10-4m/s，平均回次進尺為3～5m，鉆頭進尺12～14m。階梯肋骨鉆頭的規(guī)格尺寸見表2?8。（三）普通式（內外鑲）硬質合金鉆頭普通式硬質合金鉆頭又稱5·5·13式硬質合金鉆頭，采用K573或K531型合金制成，內外出刃為1～2mm，底出刃為1～3mm，合金修磨之刃尖角為50°～60°，可以直鑲也可以斜鑲，切削角為65°～90°。其構造如圖2?29所示。以T573型合金鑲制的鉆頭可用于中硬地層；以K531型合金鑲制的鉆頭可用于堅硬地層；一般這種鉆頭廣泛用于2～5級巖石中鉆進，如均質石灰?guī)r、大理巖、較疏松的砂巖及頁巖等。在5～6級巖層中鉆進，回次進尺2.5～6m，單位小時進尺2.5～3.5m，回次鉆進時間可達1～1.5h。如采用5×10的八角柱狀硬質合金鉆進時，效果更為顯著。普通式（內外鑲）硬質合金鉆頭的規(guī)格尺寸見表2?9。（四）大八角硬質合金鉆頭鉆頭采用K534型硬質合金制成，鉆頭壁厚10mm，合金內出刃2mm，外出刃1mm，底出刃2.5mm，切削角為7.5～8.5，合金斜鑲也可直鑲。鉆頭結構如圖2?30所示。大八角合金鉆頭適宜于鉆進6～7級及部分8級不均質巖層，以及軟硬不均，含有夾層的巖石，如長石灰?guī)r，硅化灰?guī)r和凝灰?guī)r等，平均機械鉆速為（3.9～4.8）×10-4m/s，回次進尺2～4m，鉆頭進尺可達5～10m。大八角硬質合金鉆頭的規(guī)格尺寸見表3?10。（五）自磨式針狀硬質合金鉆頭在我國，自磨式針狀硬質合金鉆頭，多采用胎塊式針狀硬質合金鉆頭，其結構如圖2?31所示。胎塊式預制品如圖3?32所示，在地質隊可根據(jù)需要把它鑲焊在鉆頭體上。胎塊式針狀硬質合金鉆頭適宜于在6～7級及部分8級巖層中鉆進，其機械鉆速高，回次進尺大，鉆頭壽命長，并且鉆孔質量好，操作方便，成本也較低。（六）薄片硬質合金自磨式鉆頭薄片硬質合金鉆頭又稱單雙粒薄片硬質合金自磨式鉆頭，其結構如圖2?33所示。該鉆頭所采用的硬質合金片為1mm×5mm×20mm，支持鋼片單粒者為4mm×5mm×20mm，雙粒者為4mm×10mm×20mm，內外出刃皆為1.5mm。在單粒的外側Ф2mm針狀合金進行補強；在單雙粒主切削具后面又有5mm×5mm×10mm方柱狀合金作為輔助切削具；它們共同組成一組。如Ф91mm鉆頭上應鑲焊三組，其余隨鉆頭直徑大小而增減。這種鉆頭適用于鉆進5～7級研磨性較大的中粒砂巖或其它研磨性大的巖層，一般回次進尺提高60％～100%，機械鉆速提高10%～30％，充分顯示了自磨式鉆頭的優(yōu)越性。第四節(jié)硬質合金鉆進規(guī)程所謂鉆進規(guī)程，指的是鉆壓、轉速及沖洗液量三個在鉆進過程中可以控制的參數(shù)值。鉆進時鉆進規(guī)程的控制、調節(jié)，對鉆頭在孔底的工作情況、鉆進速度和鉆進質量有直接的影響。鉆進規(guī)程一般可分為：（1）最優(yōu)鉆進規(guī)程：使在一定條件下，能達到最好鉆探經(jīng)濟指標的鉆進參數(shù)值。鉆進時，應控制掌握的鉆進規(guī)程和《巖心鉆探操作規(guī)程》中所列的參數(shù)值，即是最優(yōu)的鉆進規(guī)程值。（2）強力鉆進規(guī)程：是指鉆進時所采用的比一般最優(yōu)鉆進規(guī)程值高的鉆進規(guī)程值，目的是達到更高的鉆進速度。有時也稱快速鉆進規(guī)程。（3）特殊鉆進規(guī)程：是為了某些特殊目的和要求而采取的特殊規(guī)程或受限制的規(guī)程值，故稱為特殊鉆進規(guī)程。這種特殊規(guī)程值在特殊目的和要求的情況下也是合理的，但也存在著如何擇優(yōu)的問題。確定鉆進規(guī)程值時，最基本的出發(fā)點是保證最大的平均鉆速和最長的鉆頭壽命。因此，必須根據(jù)巖石的性質、所選鉆頭的結構特點及鉆孔和設備條件來掌握調控鉆進規(guī)程的具體參數(shù)值。一、鉆壓鉆壓也稱軸向壓力。硬質合金鉆進表示鉆壓的方式有：單位鉆壓或單位壓力（C。）：表示每顆（或每組）合金上應加的鉆壓（壓力）；總鉆壓或總壓力（C）：表示整個鉆頭上應加的鉆壓（壓力）。鉆壓的大小對鉆進效率和鉆頭壽命有很大的影響。在一定范圍和一定條件下，鉆速和鉆頭壽命都隨鉆壓的增大而增加。鉆進時，合金的受鉆壓切入巖石而鉆進；同時，因鉆壓造成合金與巖石的摩擦而使合金磨損。所以，在選擇鉆壓時，必須在保證質量的前提下從鉆進效率和鉆頭壽命兩個方面進行分析、研究。（一）鉆壓對鉆進速度的影響關于鉆進速度有兩種概念，即：機械鉆速：表示單位時間內的進尺數(shù)?；卮毋@速：表示一個回次的進尺數(shù)。鉆進時除應提高機械鉆速外，更應提高回次鉆速。所以，在研究鉆速的同時，還應研究鉆頭合金的磨損問題。一般情況下，在松軟及軟巖石中鉆進時，因所需鉆壓不大，對鉆速和合金的磨損不是主要問題；而在中硬和硬巖層中鉆進時，鉆壓確定是否合理，對鉆速和合金磨損影響很大。（二）鉆壓對合金磨損的影響在硬質合金鉆進過程中，合金的磨損屬于研磨性磨損，即合金被較硬的巖石礦物顆?？虅澏p。表示合金磨損的概念有以下兩種：1、單位進尺合金的磨損體積；2、硬質合金鉆頭壽命，即單個鉆頭的進尺數(shù)。鉆進過程中，合金的磨損又分為正常磨損（磨鈍）和不正常磨損兩種。鉆進中由于操作不當，鉆頭鑲焊質量低，巖石軟硬變化過大等原因而造成合金崩刃、折斷、壓裂、脫落等情況，都視為非正常磨損。這是應該在操作中注意避免的。在正常情況下，鉆進試驗表明，鉆壓與合金磨損的關系如圖2?36所示。圖2?36鉆壓與合金磨損的關系v?合金的磨損；Py?軸向力，可視為C。σ?巖石的抗壓入強度當鉆壓小于巖石的抗壓強度（C0＜σS)時，合金的磨損成正比增加；當鉆壓與巖石的抗壓強度相當（C0=σS）時，則合金的磨損有所下降或不增加。這種現(xiàn)象也可以從上述破碎巖石的三個階段來解釋，即加大壓力在體積破碎過程中，不但鉆進效率提高而且合金磨損也必然下降。在鉆進過程中，合金逐漸磨損變鈍，接觸面逐漸增大，因而巖石破碎方式逐漸過渡到疲勞破碎階段，甚至表面破碎階段，使鉆速下降。所以在合金鉆進過程中，應隨合金的逐漸磨鈍而逐漸增大鉆壓，以保證以體積破碎方式進行鉆進，直到不可能或不應當再增大鉆壓時為止。（三）鉆壓的確定根據(jù)上述分析和實踐經(jīng)驗證明：硬質合金鉆進時應根據(jù)巖石性質、鉆頭結構、鉆孔深度和設備條件來合理地選擇最優(yōu)壓力值。在鉆進裂隙層或軟硬不均地層時，應適當降低鉆壓；鉆進軟巖或弱研磨性的巖石可采用中等鉆壓；鉆進硬巖石或研磨性大的巖石，則應適當增大鉆壓。鉆進過程中，一般適當加大鉆壓（使C0＞σS），可使鉆速增加而合金磨損有所下降。為保證有較高的回次進尺效率，還應隨合金的磨損而適當增加鉆壓。在實際生產中，經(jīng)常采用兩次加壓法。兩次加壓法是在回次初期一個較短的時間內，以不大的鉆壓鉆進，待合金消除鑲焊質量造成的出刃誤差而適應了孔底的條件后，再加全壓（額定鉆壓）鉆進。這種加壓方法，獲得了較好的效果。通常以YG8合金鑲焊的鉆頭，在初期加壓階段可采用額定鉆壓的3/5左右鉆進20～30min；對YG4C合金鉆頭，則初期加壓鉆進約40min。計算鉆進過程中孔底鉆壓的方法，有理論計算和現(xiàn)場計算兩種。二、轉速鉆頭的轉速，即每分鐘的轉數(shù)，表示方法有兩種：轉數(shù)n—鉆頭每分鐘的轉數(shù)r/min；轉速v—鉆頭回轉時的圓周速度m/s。在一定條件下和一定范圍內，鉆頭的轉速直接代表了合金在孔底破碎巖石的次數(shù)。鉆速將隨轉數(shù)的增高而增加。所以，硬質合金鉆頭鉆進時，掌握合理的轉速，對鉆速有著很大的影響。（一）轉速對鉆進的影響從理論上看，鉆速隨轉速的增加而成正比地增加。但實際上鉆速并不隨轉數(shù)的增加而呈正比增加，轉速的增加有其極限值（最優(yōu)值）。超過此值后，鉆速反而會下降，如圖2?37、圖2?38所示。其主要原因一是在高轉數(shù)的情況下，合金在巖石表面上的作用時間太短，從而影響合金的切人深度，導致鉆速下降；另一個原因是在高轉數(shù)的情況下，孔底溫度增高，合金的磨損或磨鈍加快而使鉆速下降。試驗表明，對不同的巖石，轉速提高一倍時，其鉆速的增長率是不相同的。如圖2?40所示。對4～5級的大理巖，轉速提高一倍，鉆速增長93％，而對9級角斑巖，轉速提高一倍鉆速僅增長28％。所以，依靠提高轉速來提高鉆速，對較軟的研磨性小的巖石來說是有利的但于硬的研磨性巖石來說，則意義不大。在當前使用的轉速范圍內，鉆桿柱在孔內產生的軸向彎曲和彈性振動，都隨轉速的增長而加??；回轉鉆桿以及克服摩擦所需功率，也隨轉速的增加而相應增大；因此，提高轉速受鉆桿柱在孔內工作穩(wěn)定性的限制，也受鉆桿柱的強度、長度、合金的強度及鉆探設備的限制。（二）轉速的確定轉速與轉數(shù)的關系如下式表示：n=60v/πD或寫成：式中：n—鉆頭的轉數(shù)r·min-1；v—鉆頭的轉速（即鉆頭的圓周速度）m/s；D—鉆頭的平均直徑m；D1—鉆頭按合金計算的外徑m；D2—鉆頭按合金計算的內徑m。為提高鉆進效率，在一定鉆壓下，應根據(jù)鉆探設備、巖石性質、鉆頭結構，以及孔徑、孔深等條件來和選擇最優(yōu)轉速值。實際上，目前各勘探隊所采用的轉速，遠沒有達到最優(yōu)值。所以，在條件允許的情況下，應增加轉速，以提高鉆進效率。在增加轉速的同時，還應適當增加鉆壓和改善排粉及冷卻鉆頭的條件。一般情況下，在軟巖石或采用小口徑鉆進時，可用高轉速；當鉆進研磨性大的巖石或深孔鉆進，以及大口徑鉆進時，應適當降低轉速。三、沖洗液量沖洗液量是指鉆進時送入孔內的沖洗液的量，有時也稱為送水量或泵量。硬質合金鉆進時，衡量沖洗液量的指標有：總泵量Q—指送入孔內的總流量L/min。單位泵量q—指每單位鉆頭直徑的泵量L/s·m。合金鉆進時泵量的大小，一般由單位時間內所產生的巖粉量來確定；同時，還應考慮到?jīng)_洗液的質量。這對鉆進效率有很大影響。（一）沖洗液量對鉆進的影響圖2?41沖洗液質量與鉆速的關系圖2?42沖洗液量與鉆速的關系圖2?43壓差對鉆壓減少的作用鉆進時，沖洗液的質量與數(shù)量對鉆進速度有很大影響。根據(jù)國內外的資料證明，鉆速隨沖洗液的密度或粘度的增大而下降，如圖2?41所示。從理論上看，增大沖洗液量，對提高鉆速有一定好處，如圖2?42所示。應當指出，當沖洗液量不足時，孔底顆粒大的巖粉不能被沖起，從而造成孔底重復破碎量的增大，使破碎效率下降；同時，過多的巖粉堆積，也造成合金散熱不好，使溫度增高，耐磨性降低；有時還易引起堵水、憋泵的現(xiàn)象。但過大的泵量會沖毀巖心或孔壁，并使鉆壓下降(圖2?43)，使鉆速降低。當采用大泵量時，則必須給予一定的重視。（二）沖洗液量的確定硬質合金鉆進時，沖洗液量的調整幅度比較大。從合理利用沖洗液量的觀點出發(fā)，沖洗液量應根據(jù)所鉆巖層的性質、所選擇的鉆壓、轉速的參數(shù)值來確定。實踐證明，鉆孔排除巖粉的最佳沖洗液量值，應使孔內沖洗液流速達到0.45m／s左右。為保證此流速，按鉆頭直徑給水應為8～15L／min以上。采用人工磨銳式合金鉆頭鉆進時，鉆頭口徑大，且鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙大。為保證上升沖洗液流速，一般采用較大的泵量。當采用小口徑針狀合金鉆頭鉆進時，鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙較小，所以應采用較小的泵量和較大的泵壓。四、各鉆進技術參數(shù)間的相互配合在生產過程中，要密切注意變化著的客觀情況，以選擇合理的最優(yōu)鉆進參數(shù)值。實際上，各參數(shù)都有各自的最優(yōu)值，各參數(shù)之間不是孤立的，而是相互有著密切聯(lián)系的。參數(shù)間的相互關系，大致如表2?16所示。一般情況下，硬質合金鉆進時，由于合金的強度和耐磨性的限制，對于不同的巖石應當有綜合最優(yōu)鉆進參數(shù)。如表2-17所示。在鉆進塑性松軟巖層時，最好采用高轉速、小鉆壓、大泵量；在鉆進4～5級中等硬度的巖層時，可采用較高轉速、中等鉆壓、較前稍小的泵量；鉆進研磨性大而堅硬的巖層，須采用大鉆壓、低轉速、中等泵量或大泵量?？傊?，鉆進4～5級以上巖層時以采用較高轉速為主；鉆進6級以上巖層時，以采用較大鉆壓為主。最優(yōu)回次進尺時間的確定硬質合金鉆進中硬巖石時，合理掌握、確定最優(yōu)回次進尺時間是提高鉆進效率的重要措施之一。合金鉆進時，因合金不斷被磨鈍，致使機械鉆速逐漸下降。從機械鉆速下降來說，早一點結束這一個回次而提鉆是有利的，這樣可以得到較高的平均機械鉆速。但是，在鉆進工作中，結束一個回次提鉆，就必須進行起下鉆具的工作。但假如過早提鉆，必將導致大部分時間消耗在起下鉆工序上，對整個回次進尺來說是不利的。因此，最合理的鉆頭工作時間，須根據(jù)最優(yōu)的回次鉆速而定。常用的確定最優(yōu)回次進尺時間的方法有以下兩種。(一)計算法計算法就是每隔一定時間測量一次進尺數(shù)，并計算一次回次鉆速填人表內，待發(fā)現(xiàn)回次鉆速下降時(或巖心堵塞及其它異樣情況)，應及時提鉆。(二)圖表法圖表法是利用回次進尺曲線的相應切點來確定t0，如圖2?44所示。圖中橫坐標為時間，縱坐標為累計進尺數(shù)，O點右側為鉆進時間，左側為起下鉆具時間。根據(jù)起下鉆具所需時間T，在橫坐標O點左邊確定A，使OA=T。由于S=L/(t+T)=tanθ，當直線AB與H—t曲線相切時，則tanθ為最大值，也即S為最大值，與該切點B相對應的時間則為t0。在鉆探現(xiàn)場，當A點確定后，以A點為中心，用直尺的邊代替直線AB；隨著鉆進不斷繪出H—t曲線。當直尺與曲線相切時，則可結束鉆程而起鉆。實際生產過程中，由于巖層軟硬的變化和鉆進參數(shù)的變化，使一個鉆程中鉆速也發(fā)生變化。所以，應當結合實際情況，按照孔深的不同，制定出通用的最優(yōu)起鉆時間，以便各機臺根據(jù)實際情況的變化而靈活掌握。六、自磨式合金鉆頭的鉆進規(guī)程由于自磨式合金鉆頭的鉆進特點與磨銳式合金鉆頭不同，因而確定鉆進規(guī)程參數(shù)的依據(jù)也就不同。一般自磨式合金鉆頭僅適于鉆進6～8級中硬以上巖層，因此其鉆進參數(shù)也應以適宜鉆進的巖層為限。（一）鉆壓的確定在自磨式合金鉆頭鉆進時，因合金總面積比較大，合金與巖石的接觸面不變，所以需要增加一定的壓力，使其鉆速保持穩(wěn)定，并能延長回次進尺時間。實踐證明，自磨式合金鉆頭比普通硬質合金鉆頭需要更大的鉆壓，因為自磨式鉆頭胎塊中所含硬合金的總截面大約相當于同直徑普通合金鉆頭合金磨去三分之一高度時的總面積；同時，還有一部分鉆壓要消耗在胎塊的磨蝕上面，所以必須采用較大的鉆壓鉆進。一般情況下，胎塊式針狀合金鉆頭的鉆壓，比磨銳式普通鉆頭的鉆壓約大20%；對每塊胎塊鉆壓1500～2000N為宜。自磨式硬質合金鉆進，應根據(jù)巖石性質、鉆頭結構特點等條件來選擇鉆壓、當鉆進致密而堅硬巖層時，鉆壓應大一些；鉆進顆粒粗而破碎的巖層時，鉆壓要小些；當鉆頭硬支點多、底唇面積大而轉速快時，鉆壓要大些；在磨合之后的正常鉆進初期，鉆壓應取大些；在鉆進的后期，鉆壓應小一些。（二）轉速的確定自磨式硬質合金鉆頭是依靠胎體內的針狀或片狀合金來切削并研磨、破碎巖石鉆進的，所以增大轉速是提高鉆進效率的重要因素。試驗表明，胎塊式針狀合金鉆頭鉆進，采用300r/min可獲得比較高的鉆速，同時鉆頭的磨耗也不大。云南九隊及山東一隊的試驗結果（見表2?18）表明，在現(xiàn)有轉速范圍內，增加轉速能較顯著地提高鉆進效率。（三）沖洗液量的確定自磨式合金鉆頭鉆進時，巖粉的顆粒比較細，所以選用的沖洗液量比一般合金鉆進要小些；但在鉆孔條件允許的情況下，為了更好地冷卻鉆頭、清除孔底巖粉，以獲得較高的鉆進效率，在不發(fā)生憋泵的前提下，可盡量采用較大的沖洗液量。一般對小口徑鉆進，沖洗液量采用（0.68～1）L／s為宜；對大口徑鉆進，沖洗液量采用（2～3）L／s為宜。鉆進過程中，要特別注意泵壓表的變化，以免燒鉆。因自磨式鉆頭鉆程的長短，取決于胎塊的磨耗情況；若過晚提鉆，胎塊的有效高度磨完，沒有了水口，如繼續(xù)鉆進，則很快會發(fā)生燒鉆；特別是在胎塊磨耗較快的研磨性巖層中鉆進，則更需特別注意。另外，在正常鉆進中，加壓、給水都要均勻平穩(wěn)，不應任意提動鉆具或變化鉆進參數(shù)，以免發(fā)生巖心堵塞，在新鉆頭下人孔底時，應有一個“磨合”的過程；一般采用加大鉆壓、增快轉速和少給沖洗液的辦法進行磨合。第五節(jié)硬質合金鉆進的操作及注意事項一、合理選擇鉆頭類型及鉆進規(guī)程硬質合金鉆頭適用于在軟巖及中硬巖層中鉆進，不適合鉆進8級以上的堅硬巖層）。鉆進時，應根據(jù)巖石性質合理選擇高效鉆頭和最優(yōu)鉆進規(guī)程。為便于選擇，現(xiàn)將適宜硬質合金鉆進的巖石，歸納為以下四類：第一類為松軟的巖石（1～2級）：如黃土、粘土等第四紀地層及泥炭、矽藻土等；第二類為較軟的巖石（3～4級）：如泥巖、泥質巖、頁巖、大理巖、白云巖等；第三類為較硬的巖石，或稱中等硬度巖石（5～6級）：如鈣質砂巖、石灰?guī)r、蛇紋巖、橄欖巖、細大理巖、白云巖等；第四類為硬巖（7級及部分8級）：如輝長巖