【正文】 查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 （二）金剛石在胎體中密度（濃度） 金剛石在胎體中的密度 金 剛 石在胎體中的 密度 是表 鑲鉆頭 金 剛 石含量的表示方法，其含 義為 ： 胎體表面 單 位面 積 金 剛 石的 顆 粒數(shù)。 “ 400%濃 度制 ” 。 出刃 值 取決于金 剛 石粒度和所 鉆 巖石的物理力學(xué)性 質(zhì) 。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 （四）金剛石在胎體上的排列 金 剛 石在胎體上的排列主要是指表 鑲鉆頭 唇面上的金 剛 石顆 粒的排列， 其原 則為 ： 金 剛 石均勻布 滿鉆頭 的胎體表面，并有一定的重疊度； 便于沖洗液排除巖粉，充分冷卻金 剛 石； 鉆進(jìn)中，唇面內(nèi)外兩側(cè)的棱部金剛石負(fù)擔(dān)最重，其次為底刃，再次為側(cè)面刃。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 四、鉆頭的唇面形狀 （一）表鑲金剛石鉆頭的唇面形狀 圓 弧形唇面（ 圓 弧直徑 ≥ 胎體厚度） —— 規(guī) 徑 處 可布置較 多的金 剛 石，保徑效果好，適用于中硬和硬巖 層 ； 多 階 梯形唇面 —— 多用于壁厚大的 鉆頭 ，適用于中硬和硬巖 層 ，有利于破巖和 導(dǎo) 向； 內(nèi) 錐 形唇面 —— 鉆頭 內(nèi) 邊 刃保 強(qiáng) ；適用于研磨性 強(qiáng) 、破碎的巖 層 。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 五、鉆頭的水口與水槽 （一）表鑲鉆頭的水口與水槽 表鑲鉆頭的主水路是唇面與孔底之間的間隙， 強(qiáng)制沖洗液從主水路通過，有效地冷卻唇面金剛石和及時(shí)排除孔底巖粉，唇面上的水口和水槽的數(shù)目不能太多，常用的水口形狀見圖 423。因此，孕鑲鉆頭往往設(shè)計(jì)成多水口、小水口，這樣對防止燒鉆有利。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 六、金剛石擴(kuò)孔器 （二）擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)類型 擴(kuò) 孔器由 鋼 體和含金 剛 石的凸起胎體 組 成（形成水槽） 現(xiàn)用擴(kuò)孔器的樣式很多，有單管的、雙管的、繩索取心的；有天然金剛石、人造單晶金剛石、人造聚晶金剛石的；有直棱、直條、螺旋棱、螺旋條的等等。鉆進(jìn)中，鉆頭向下施加一定的軸向壓力，并作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。改變沖洗液量可改變分選狀態(tài)； Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 鋼粒鉆進(jìn)的特點(diǎn) （ 5）由于碎巖過程本身的特點(diǎn)，決定了這種方法可以破碎比鋼粒自身還要硬的巖石，可用于鉆進(jìn)中等硬度以上的堅(jiān)硬巖石（ 9～ 12級的巖石），但鉆進(jìn)效率較低； （ 6）鋼粒、鉆頭鋼體和管材的磨耗量很大； （ 7）鉆探質(zhì)量較差（孔壁與巖心表面粗糙、巖心直徑變化大、采取率低、孔壁間隙大、鉆孔易彎曲等） （ 8）不能鉆水平、向上和大頂角的鉆孔，也不宜于在大裂隙、空洞和涌水量大的地層中采用； （ 9）鉆進(jìn)工藝較復(fù)雜，特別是沖洗液量的控制。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 （一）鋼粒 鋼粒的粒度 通常，鋼粒的粒度按 、 、 4mm分成四個(gè)粒度級別。 ② 外環(huán)間隙增大， 孔徑被擴(kuò)大，鉆桿和粗徑鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)，會造成過大的鉆孔彎曲。鉆頭唇面把鉆粒壓在孔底巖面上，并依靠其本身的彈塑性變形及摩擦力帶動(dòng)鋼粒在孔底巖石上滾動(dòng)，破碎巖石，鉆頭本身不直接破碎巖石，但受鋼粒及巖屑的作用，不斷被磨損。 ② 外徑上下一致，內(nèi)壁上部有 1﹕ 100的錐 度，以便卡取巖心。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 （ 2）水口的形式 鋼 粒 鉆頭 的水口一般只有一個(gè)，水口不宜 過寬 ，通常不大于 鉆頭 周 長 的 1／ 4。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 三、鋼粒鉆進(jìn)的碎巖機(jī)理 鋼粒鉆進(jìn)破碎孔底巖石主要有以下機(jī)理： 壓碎碎巖 —— 體積破碎 （ 1）尖楔壓入破碎巖石 —— 鉆進(jìn)開始階段 （ 2）球形壓模壓入碎巖 —— 鉆進(jìn)中后期 疲勞破碎 —— 鋼粒鉆進(jìn)的主要碎巖方式 脈動(dòng)沖擊碎巖 —— 鋼粒鉆進(jìn)全過程 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 （ 1）尖楔 壓 入破碎巖石： 開始 時(shí) ， 鋼 粒呈柱狀 ，當(dāng) 邊 棱與巖石接觸 時(shí) ，接觸面 積 小，壓 力集中，接觸面上的 壓 強(qiáng) 較大， 達(dá)到巖石的 壓 入硬度， 鋼 粒 壓 入巖石，巖石呈體 積 破碎方式破裂。同時(shí)在鉆進(jìn)中 以棱角壓巖石的機(jī)會也比較少 。 隨著眾多鋼粒的重復(fù)碾壓，裂紋加深加密，使交叉發(fā)育的裂紋以巖屑的形式被剝離下來離開母體。 正是 由于碾壓疲勞碎巖和脈動(dòng)沖擊碎巖，所以，鋼粒鉆進(jìn)可以破碎比鋼粒和鉆頭體本身還要硬的巖石。生產(chǎn)中以三牙輪鉆頭應(yīng)用最多。單錐牙輪由主錐和背錐組成；復(fù)錐牙輪由主錐、副錐和背錐組成。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 牙輪的布置 （ 1）不超頂布置。適用于鉆硬地層。適用于軟及中硬地層鉆進(jìn)。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪鉆頭的牙齒 牙齒可分為銑齒和鑲齒兩大類。 （ 2）鑲齒： 牙齒由硬質(zhì)合金鑲焊而成。 在孔底無滑動(dòng)的情況下，牙輪自轉(zhuǎn)速度與鉆頭旋轉(zhuǎn)速度之比等于鉆頭直徑與牙輪直徑之比。單齒接觸孔底時(shí)，牙輪中心處于高點(diǎn)；雙齒接觸時(shí)牙輪中心處于低點(diǎn)。 超 頂 引起的滑 動(dòng) 如 圖 ，牙 輪錐頂 超 過鉆頭軸 心的 結(jié)構(gòu)稱 為 超 頂 ，超 過 的距離 ob為 超 頂 距 c。 （ 3） 速度合成后，在 ob段形成一個(gè)向后的滑動(dòng)速度 vsx， 此時(shí)牙輪受到一滑動(dòng)阻力 Ps（ 與滑動(dòng)方向相反），因而有滑動(dòng)阻力矩 Ms（ ） =PsR。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 5） Ms（ ）、 M′ s（ ）及 Ms（ +） 達(dá)到平衡，使 Σ Ms=0。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 復(fù)錐引起的滑動(dòng) 復(fù)錐牙輪包括主錐和副錐（圖 432），主錐頂與鉆頭中心重合，而副錐錐頂?shù)难由炀€是超頂?shù)摹? 綜 上所述，超 頂 和復(fù) 錐 引起的切 線 方向滑 動(dòng) ，可以剪切掉同一 齒 圈相 鄰 牙 齒 破碎坑之 間 的巖脊；移 軸產(chǎn) 生的 軸 向滑 動(dòng) ，可以剪切掉 齒 圈之 間 的巖脊。u 全面鉆頭的應(yīng)用： 。軟 中硬地層的鉆頭一般兼有移軸、超頂和復(fù)錐；部分中硬或硬地層的鉆頭有超頂和復(fù)錐；用于堅(jiān)硬和強(qiáng)研磨性地層的牙輪鉆頭是純滾動(dòng)的（單錐，不超頂，也不移軸）。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 移軸引起的滑動(dòng) 鉆頭 水平投影面上，牙 輪軸線 相 對 于 鉆頭 徑向平移一段距離， 這 種 結(jié) 構(gòu)稱 為 牙 輪 的移 軸 。 （ 6） vsx= vbx+vcx即牙輪相對于巖石的滑動(dòng)速度，呈直線分布，它與 ab 線交于 M點(diǎn)， vsM=0為純滾動(dòng)點(diǎn)， bM 段向后滑動(dòng)， aM 段向前滑動(dòng)。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 4）由于牙輪角速度降低，在 oa段由 vbx和降低的 vcx合成一個(gè)滑動(dòng)速度 vsx（ 靠近 o的一端向后，靠近 a的一端向前）。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 1）在牙輪與地層接觸母線上任一點(diǎn) x，由 ω b引起的的速度 Vbx是呈直線分布的，在 oa段方向向前，在 ob段向后，在鉆頭中心 o處速度 vbO=0。 實(shí)際鉆進(jìn)中，由于鉆頭在孔底的縱向振動(dòng)，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，加之孔底的不平，在牙輪滾振的基礎(chǔ)上還疊加了振幅較大的低頻振動(dòng)，對地層產(chǎn)生沖擊作用破碎巖石。 靜 載壓 入碎巖 鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭上的鉆壓經(jīng)牙齒作用在巖石上，這是靜載尖楔壓頭壓入碎巖的過程。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 主要有以下幾種作用： u 牙輪鉆頭的縱向振動(dòng)及對地層的沖擊、壓碎作用 l 靜載壓入碎巖 l 沖擊動(dòng)載碎巖u 牙齒對地層的剪切作用l 超頂引起的滑動(dòng)l 復(fù)錐引起的滑動(dòng)l 移軸引起的滑動(dòng)Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 （一）牙輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 牙 輪 的公 轉(zhuǎn) 鉆頭繞鉆柱軸線順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為 “ 公轉(zhuǎn) ” 。為了提高牙齒的耐磨性，在齒面上敷焊硬合金粉。 牙輪軸線偏移，且主錐超頂，牙輪可自洗，且可以使牙輪產(chǎn)生軸向滑動(dòng)。 軸線交于鉆頭軸線，主錐超頂。牙輪純滾動(dòng)，無滑動(dòng)。 牙輪軸線的偏移值，應(yīng)根據(jù)巖層的特性來定。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪 帶有牙齒的錐體，用以破碎巖石。 牙輪鉆進(jìn)的應(yīng)用： 牙輪鉆進(jìn)一般是不取心的全面鉆進(jìn)，廣泛應(yīng)用于油氣鉆井和大口徑施工鉆進(jìn)，適用于 Ⅰ ～ Ⅻ 級的巖石，在 Ⅵ ～ Ⅹ 級的巖石中效果最好。由于 鋼 粒 鉆進(jìn) 中， 這 種脈動(dòng)沖 擊 比 較 強(qiáng) 烈。 至于靠 分布不勻壓力集中以達(dá)到壓碎巖石的情況，產(chǎn)生的機(jī)會也較少。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 壓碎碎巖方式雖屬于體積式碎巖，但在鋼粒鉆進(jìn)中，它所占的 碎巖比率不大 ，因?yàn)檫@種碎巖方式主要是靠接觸面積小而造成大的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)的。 弧形 邊 比直斜 邊 的 導(dǎo) 砂性能要好，但加工 較 困 難 。 ④ 鉆頭 底部開有水口，用于流通沖洗液和向 鉆頭 唇面下 補(bǔ)給鋼 粒。 Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 鋼粒鉆頭的功用和結(jié)構(gòu) （ 2）鋼粒鉆頭的結(jié)構(gòu) ① 鋼 粒 鉆頭 的 結(jié) 構(gòu)呈 圓 筒狀。一般，鋼粒直徑與鉆頭壁厚的配合關(guān)系為： t =（ 3~4） d式中： t—— 鉆頭壁厚，毫米； d—— 鋼粒直徑，毫米。從這種意義上講，增大鋼粒的粒度是有益的。 （ 2）鋼粒的材質(zhì)與性能： 一般是 60號、 70號高碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)、淬火可達(dá)到較高硬度。同時(shí)，泵送的沖洗液由鉆頭內(nèi)間隙流經(jīng)孔底，再由鉆頭外間隙上返流出，沖排巖屑和磨損失去工作能力的鋼粒屑。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 鋼粒鉆進(jìn)的基本原理 巖心管的下端接有鋼粒鉆頭（鉆頭鋼體），鉆頭上開有口。 （一）擴(kuò)孔器的作用 修 擴(kuò) 孔壁，保 證鉆 孔直徑符合要求； 保持孔內(nèi) 鉆 具的 穩(wěn) 定性，使 鉆 具在高 轉(zhuǎn) 速回 轉(zhuǎn) 條件下保持良好的 動(dòng) 平衡狀 態(tài) ； 延長鉆頭壽命。 （二）孕鑲鉆頭的水口與水槽 孕鑲金剛石鉆頭 的金剛石出刃非常小，它的 主水路 不是鉆頭唇面與孔底的間隙，而 是水口 。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴(kuò) 孔器 （二）孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀 孕鑲金剛石鉆頭的唇面形狀比較簡單，多為平底形，在孔內(nèi)磨合一段時(shí)間后便自然形成圓弧形。Date 中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室