【正文】 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 孔器 （四）金剛石在胎體上的排列 金剛石在鉆頭唇面上的 排列方式有放射排列，螺旋排列和等距離排列等 。 軟 、粗粒巖石中，出刃值應(yīng)較 大；硬巖及破碎巖 層 中，出刃 值應(yīng)較 小。當(dāng)小于巖石抗 壓 強 度 時 ，其 為 表面破碎和疲 勞 破碎， 鉆 速很低，甚至不 進 尺； 濃 度 過 低，在端面上出露的金 剛 石太少，不能 滿 足全斷面切削孔底巖石，同 時還 造成 單 粒金 剛 石上的 壓 強 太大，出露的金 剛 石就 過 早地磨 鈍 或崩刃、脫粒 。大 顆 粒的、 軟 地 層 的 選 用低密度，小 顆 粒的、硬地 層 的 選 用高密度。反之，如果胎體磨損太快，則造成金剛石過早的崩刃或脫粒，從而失去鉆進能力、鉆頭壽命縮短。 胎體的硬度、耐磨性要與所鉆巖石的硬度、研磨性相適應(yīng)。 (3)巖心管的外徑與孔壁應(yīng)有足夠的間隙以便沖洗液暢通，其內(nèi)徑應(yīng)該能容納巖心。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) 第四 節(jié) 金 剛 石 鉆頭 和 擴 孔器 一、金剛石鉆頭的種類 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 孔器 一、金剛石鉆頭的種類 我國在鉆探生產(chǎn)中主要采用的是孕鑲金剛石鉆頭，與表鑲鉆頭相比孕鑲鉆頭的優(yōu)越性表現(xiàn)在： (1) 對金剛石品級的要求低于表鑲鉆頭； (2) 孕鑲鉆頭抗沖擊載荷的能力較好，對鉆進效果的影響小于表鑲鉆頭，對違反操作規(guī)程的敏感程度也小于表鑲鉆頭； (3) 制造過程簡單，不必按規(guī)定布置擺放金剛石顆粒。 在軸向壓力（鉆壓）下，鉆頭被緊壓在孔底巖石表面，鉆具的回轉(zhuǎn)振動和鉆柱彈性變形對孔底鉆壓的加強或減弱、泵送流體的壓力脈動，對孔底巖石的破碎起到了積極的促進作用。以唇面上多而小的硬質(zhì)點（金剛石）對加工件（孔底巖石）進行 刻劃、磨削 ，隨著硬質(zhì)點的逐漸磨損和粘結(jié)胎體的不斷磨耗，新的硬質(zhì)點又裸露出來參加工作。 當(dāng)以塑性破碎 為 主 時 ，將 發(fā) 生明 顯 的犁掘作用 過 程， 即： 鉆頭 唇面上出露的金 剛 石， 在 軸 向 壓 力作用下侵入巖石表面 ， 在切向力作用下沿橫向滑移 時 ， 滑移前方的 壓縮應(yīng) 力區(qū) 產(chǎn) 生 張應(yīng) 力滑移區(qū)，在滑移區(qū)內(nèi) 產(chǎn) 生向前、向左、向右、向下的裂 紋 ， 當(dāng) 應(yīng) 力增加時 ， 裂 紋擴 展 。 國內(nèi)外研究表明，金剛石鉆進的孔底碎巖過程存在有以下幾種機理 壓碎剪切與疲勞破碎 犁掘作用原理 多刃研磨切削 微動載碎巖 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) 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 壓碎剪切與疲勞破碎 表鑲鉆頭 上的單粒金剛石在 Py、 Px聯(lián)合作用下， 類似球體壓入巖石 （彈脆性巖石）產(chǎn)生大、小剪切體破碎，切槽寬度＞金剛石顆粒直徑。 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) 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 二、鉆探用金剛石 鉆探用金剛石的粒度和品級（ 2）金剛石的品級： 主要根據(jù)晶形和 強 度來判定。將 連 晶破碎 為單 晶， 經(jīng) 整形分 選 ，得到 質(zhì) 量 較 好的金 剛 石在 鉆 探上使用。 晶體長軸與短軸之比超過 ﹕1 者為非等積形。 ② 等 積 形。 其中，粗、中粒多用于表鑲鉆頭和表鑲擴孔器，細、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴孔器。因此，在金剛石工具的制造過程中，須隔氧，避免長時間受高溫；在使用中，須及時冷卻切削刃。 （ 3）金 剛 石是世界上最硬、抗 壓 強 度最大、抗磨 損 能力最 強 的材料。 金剛石聚晶： 高溫穩(wěn)定性好，強度較高，耐磨性好，能直接合成所需的形狀，在中硬地層中能取得較好的鉆進效果，但其強度較單晶小，所以不適用于大部分硬 堅硬的巖層鉆進。其中， “ 包布茲 ”主要用于制造表鑲鉆頭， “ 剛果 ” 主要用于孕鑲鉆頭， “卡邦納多 ” 和 “ 巴拉斯 ” 現(xiàn)已很少用于做鉆頭， “ 雅庫特 ” 產(chǎn)于俄羅斯，主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用。 它是將金剛石材料采用一定的方法包裹于基體（胎體）中，并與鉆頭鋼體固結(jié)為一體形成金剛石鉆頭，用于回轉(zhuǎn)碎巖的一種方法。胎 塊內(nèi)按一定原 則 包裹 針 狀硬 質(zhì) 合金，支撐體的胎體硬度要合適，保 證 超前磨耗，以利于 針 狀硬 質(zhì) 合金自磨出刃。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) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 中硬及較硬巖層用的鉆頭 （ 2）單雙粒硬合金鉆頭和品字形硬合金鉆頭： 把 3顆硬合金切削具焊成一組呈品字形，可分散排列（單雙粒硬合金鉆頭），也可集中排列（品字形硬合金鉆頭）。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) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 （二）取心式硬質(zhì)合金鉆頭 中硬及較硬巖層用的鉆頭 這類巖層中鉆進的特點是： ① 巖石的壓入硬度較大，為了保證切削具切入巖石，需有大的軸向壓力，因此，要求切削具有承受較大的抗彎能力； ② 切削具切入深度較小，鉆速相對較低，單位時間產(chǎn)生的巖粉量也較軟巖要少； ③ 巖石脆性較大、粘性小，排粉問題不很突出。可鉆進 3~5級巖石。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) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 松 軟 及中 軟 巖 層 所用的 鉆頭 （ 1）肋骨式 鉆頭 ： 主要用于 鉆進 遇水膨 脹 、粘性 較 大的 軟 巖。 切削具一般是單斜面銳角，鉆進中，隨切削具磨損，機械鉆速逐漸下降。（ 3）水口的數(shù)目： 等于切削具的數(shù)目或組數(shù)。 對軟 巖取較 少的數(shù)量， 對較 硬和非均 質(zhì) 及研磨性巖石， 為 保 證鉆頭 壽命，一般 應(yīng) 取密集式排列。 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) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 硬質(zhì)合金切削具在鉆頭體上的布置方式 （ 2）切削具布置方式 ① 單 （雙） 環(huán) 排列： 一個或二個切削具覆蓋唇面，加工 簡單 ； ② 多 環(huán) 排列： 多個切削具分 環(huán) 覆蓋唇面，造成多的碎巖自由面 ； ③ 密集排列： 多個切削具集中為一組排列，前刃掏槽，后刃擴槽，相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。 ～ 105176。 （ 2）切削角 α 的 選擇 ： 根據(jù)所 鉆 巖性來 選擇 。 ～ 50176。 階梯式可 增加切削具破碎巖石的自由面，容易產(chǎn) 生體積破碎。 底出刃大?。?由切入深度和過水間隙兩部分組成 。 合理選擇： 主要取決于巖層，一般為 1~3 mm。 切削具出刃有： 內(nèi)出刃、外出刃和底出刃。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) 第二節(jié) 取心式硬質(zhì)合金鉆頭 一、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素 鉆頭 體 鉆頭體是硬質(zhì)合金切削具的支撐體，傳遞軸載和扭矩給切削具，承受切削具破巖的反作用力、孔底的動載和摩擦。 (5) 采用有潤滑作用的乳化液或泥漿洗孔， 減輕磨損。 (2) 切削具的磨損速度取決于切削具的硬度與所鉆巖石的硬度之比、巖石的研磨性、裂隙性等性質(zhì)，還取決于切削具在鉆頭唇面的布置。平均鉆速和進尺 H 在鉆進很容易測得， 可以用一元回歸分析的方法 ， 在若干觀測計算值的基礎(chǔ)上求出 k0 和 v0 ， 從而利用（ 47）式來預(yù)測切削具磨損對鉆速的影響。 切削具的磨損面積與鉆進時間成正比，而機械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。隨著切削具上的比壓 σ 增大， W不僅未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢。 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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 四、硬質(zhì)合金切削具的磨損 切削具磨 損 和 鉆壓 的關(guān)系 費得洛夫等研究了單位時間磨損量與刃端面積上比壓的關(guān)系。 切槽寬度有規(guī)律地變化， B1為大剪切時的切槽寬。 當(dāng) 刃前接觸面 較大時，前進受阻。 其碎巖的顯著特點 則是在切削具的作用下以跳躍式的剪切破碎為主。因此，其 切屑 應(yīng)該 是連續(xù)的、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬是相同的。 ～ 50176。即： Py≥ Hy F0 式中： Hy—— 巖石的 壓 入硬度； F0—— 切削具刃尖處與巖石的接觸面積。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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 二、鉆探用硬質(zhì)合金 選擇切削具形狀的一般原則是： （ 1）片狀硬 質(zhì) 合金 ： 刃薄易于 壓 入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于 Ⅰ ～ Ⅴ 級軟 巖； （ 2）柱狀硬 質(zhì) 合金 ： 抗彎能力 較 強 ， 壓 入阻力也 較 小，主要適用于 Ⅳ ～ Ⅶ 級 中硬巖石 ； 八角柱狀 合金的 抗崩能力 強 ，利于排粉和破巖，易于 焊 牢，在裂隙 發(fā) 育 和 較 硬地 層 中 應(yīng) 用廣泛； （ 3） 針 狀和薄片狀硬 質(zhì) 合金 ： 主要用于 鑲焊 自磨式 鉆頭 ，在硬地 層 或研磨性巖石中使用。這類硬質(zhì)合金稱為 YG類硬質(zhì)合金。不受孔向、孔徑和孔深的限制 ； （ 2） 鉆 出的孔壁及巖心直徑比 較 一致，表面比 較 光滑，有利 于 安全 鉆進 和保 證 取心 ； （ 3）可以根據(jù)不同的巖性和要求，合理地 設(shè)計 和 選擇鉆頭的 結(jié) 構(gòu)，以便在不同的巖 層 中取得 較優(yōu) 的效果 ； （ 4）鉆進中操作簡便，容易掌握。 鋼粒鉆頭主要用于 91mm以上的口徑； ⑦ 硬質(zhì)合金和牙輪鉆頭則既可鉆進小口徑，又可鉆進大口徑水井、工程施工孔和淺井。 ⑤ 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 一、 硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程 二、 金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程 三、 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 四、 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 五、 全面鉆進與鉆頭 工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 u 巖土 鉆進 （井）方法 絕 大多數(shù)是機械方式，主要有：u 伴有循環(huán)沖洗介質(zhì)的 硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆 頭回轉(zhuǎn)鉆進和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進；② 采用液動、氣動孔底沖擊器的 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進；③ 鋼絲繩沖擊鉆進；④ 振動鉆進。 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) 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 u 回轉(zhuǎn)鉆進選擇鉆頭的一般原則是： ① 在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭； ③ 在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 一、 硬質(zhì)合金鉆進的基本概念與特點 硬 質(zhì) 合金 鉆進 的特點 （ 1）切削具固定在 鉆頭 體上，它可以 鉆進 任意 傾 角的 鉆 孔。它以碳化鎢粉末為骨架金屬，鈷粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。 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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 二、鉆探用硬質(zhì)合金 選 用硬 質(zhì) 合金切削具的基本原 則 合金切削具形狀主要有： 薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等。 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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況 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至少等于巖石的抗壓入硬度。 雖然 β 角越小切削具刃尖切入巖石越容易，但如果 β 很小則切削具會很快崩裂，實際上 β 角的最小值為 45176。在切屑的裂隙尚未發(fā)展到全段面斷裂之前，下一部分切屑又發(fā)生滑移。理論上，按切削具的切入條件，需要很大的軸向力，而實際的 Py力要小得多（ 1/6~1/3），究其原因，主要是切削具并非以靜壓入的方式破巖，而 是在雙向力的同時作用下破碎巖石。 繼續(xù) 前 移 產(chǎn)生若干次小剪切 。 切槽斷面近似于梯形 。 機械鉆速 vm取決于切削具切入巖石的深度 h 和鉆頭轉(zhuǎn)速 n ， 其表達式為 vm= 60n? m? h ， 鉆進中，由于切削具被磨損， h 減小，鉆速將逐漸衰減。 （ 2） 曲線 Ⅱσ ＞ σ 0 ， 巖石呈體積破碎。 A—— 系數(shù)，當(dāng)巖性、鉆進規(guī)程及鉆頭一定時它為常量。因此，平均鉆速為 ，通過變換可寫成 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) 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 四、硬質(zhì)合金切削具的