【文章內(nèi)容簡介】 用量的五分之一，主要用于金 剛 石 鉆進 的鉆頭、擴孔器和其他金 剛 石切削工具 一、金 剛 石 鉆進 的概念與特點 金 剛 石 鉆進 的概念 金剛石鉆進是一種比較先進的鉆進方法。 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。 Date 中國地質(zhì)大學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 一、金 剛 石 鉆進 的概念與特點 金剛石鉆進的特點 （ 1）主要用于硬巖和 堅 硬巖石，也可 鉆進軟 中硬巖石； （ 2） 鉆進 效率高； （ 3） 鉆 孔 質(zhì) 量好； （ 4）施工 勞動 強 度比 較輕 ； （ 5）鉆探成本比較低，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。 Date 中國地質(zhì)大學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 鉆探用金剛石的分類 鉆探用金剛石按成因分為天然的、人造的兩大類。 （ 1）制造鉆頭的天然金剛石可分為 “ 包布茲 ” （ Bortz），“ 剛果 ” （ Congo）， “ 卡邦納多 ” （ Carbonado）， “ 巴拉斯 ”（ Ballas） 和 “ 雅庫特 ” （ Якут ） 五類。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。 Date 中國地質(zhì)大學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 鉆探用金剛石的分類 （ 2） 人造金 剛 石 包括 單 晶、聚晶和金 剛 石復(fù)合片等 。 聚晶是由 細 小的金 剛 石 顆 粒、粘合 劑燒結(jié) 成 較 大 顆粒的多晶金 剛 石； 金 剛 石復(fù)合片（ PDC）是由一 層金 剛 石多晶薄 層 、一 層較 厚的硬 質(zhì) 合金 層 復(fù)合而成。Date 中國地質(zhì)大學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 鉆探用金剛石的分類 金剛石單晶： 強度高、耐磨性好，在硬 堅硬地層中鉆進能取得良好的效果；但由于其粒度小，在軟 中硬地層中難以取得較高的鉆速，且由于出刃量小，容易發(fā)生糊鉆事故。 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。 金剛石復(fù)合片： 綜合了金剛石的耐磨性和硬質(zhì)合金的抗沖擊韌性，且在鉆進中金剛石層保持了銳利的切削角，所以，在軟 中硬地層能取得較好的效果。Date 中國地質(zhì)大學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 金剛石的特性 （ 1）金剛石為碳的結(jié)晶體，晶體結(jié)構(gòu)為正四面體，碳原子之間以共價 鍵 相 連 ， 結(jié) 構(gòu)非常 穩(wěn) 定。 （ 2）典型的晶形有立方體、八面體和十二面體等。 （ 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。其莫氏硬度 為 10級 ，是石英的 1000倍；天然金 剛 石的抗 壓 強度 約為 8 600MPa， 是 鋼 的 9倍。耐磨性是 鋼 的 2022~5000倍。 （ 4）它的脆性 較 大，遇到?jīng)_ 擊載 荷會出 現(xiàn) 碎裂； （ 5）熱穩(wěn)定性較差，在高溫下遇氧便氧化并被轉(zhuǎn)化為石墨（ “石墨化 ” ）。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。 Date 中國地質(zhì)大學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 鉆探用金剛石的粒度和品級 （ 1）金 剛 石的粒度 通用的計量單位是克拉（ carat）。 鉆探用金剛石常用一克拉（ ） 多少?；蜻^篩網(wǎng)目數(shù)（每平方英寸的網(wǎng)格數(shù)）來衡量。 鉆探用的金剛石粒度： 粗粒 —— 5～ 20粒 /克拉； 中粒 —— 20～ 40粒 /克拉； 細粒 —— 40～ 100粒 /克拉； 粉粒 —— 100～ 400粒 /克拉。 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。 Date 中國地質(zhì)大學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 （ 2）金剛石的品級： 主要根據(jù)晶形和 強 度來判定。 人造 單 晶晶形分 為 5種 ： ① 完整晶體。 晶形好、 強 度高、耐沖 擊 ，是理想 的 切磨耗材。 ② 等 積 形。 晶體 長軸 與短 軸 之比不超 過 ﹕ 1的稱 為 等 積 形。強 度 較 高，但形狀尚好，在 鉆 探中的 應(yīng) 用占有一定比例。 ③ 非等積形。 晶體長軸與短軸之比超過 ﹕1 者為非等積形。質(zhì) 量差，形狀不好， 強 度很低，在 鉆 探中不宜采用。 ④ 連 晶。 共晶面或晶棱的晶體、非完整晶體的 連 生體。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。 ⑤ 聚晶體。 許多小的晶體無規(guī)則地聚合叢生稱為聚晶體。質(zhì)量差，強度很低，鉆探中不能采用。 Date 中國地質(zhì)大學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。 按強度區(qū)分是金剛石的品級： 工業(yè)上衡量人造單晶金剛石質(zhì)量的可計量指標是 單軸抗壓強度。 用于鉆探的人造金剛石強度一般在 2500Mpa以上，即： 60（ 60目）單晶單粒的抗壓值在 85N以上。 Date 中國地質(zhì)大學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 三、金剛石鉆進的孔底碎巖過程 表鑲鉆頭 （鉆頭胎體上的金剛石顆粒較大） 與孕鑲鉆頭（胎體上的金剛石顆粒較?。?的碎巖機理有著顯著的不同。 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。當金剛石被磨鈍時， 在 Py、Px的作用下，產(chǎn)生壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)，巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋， 裂紋的數(shù)量及深度取決于軸載和轉(zhuǎn)速。孔底某一點經(jīng)多次重復(fù)加載，產(chǎn)生破碎，碎巖過程 具有疲勞破碎的性質(zhì) 。 Date 中國地質(zhì)大學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 犁掘作用原理（塑性破碎） 鉆進時 ， 孔底巖石是在三向 應(yīng) 力狀 態(tài) 下（ 圍 巖 壓 力、液柱壓力和 軸 向 載 荷），隨 圍壓 的增加，巖石的塑性增大。 當以塑性破碎 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 應(yīng) 力增加時 ， 裂 紋擴 展 。 應(yīng) 力 超 過 巖石 強 度 時 ，首先在金 剛 石的 正前方出 現(xiàn) 溝槽形的破碎，在其兩 側(cè) 也將沿薄弱面 產(chǎn) 生破碎 。Date 中國地質(zhì)大學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 多刃研磨切削 孕 鑲鉆頭 金 剛 石 顆 粒小，且埋藏于胎體之中， 鉆進 中必須自磨出刃才能 維 持 鉆 速恒定而不衰減。 其碎巖機理類似于砂輪磨削工件 。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。 當唇面金剛石出露較好時，在磨削的同時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。 如果孕鑲金剛石鉆頭的胎體性能與所鉆巖石不適應(yīng)或沒有足夠的鉆壓，胎體不能超前磨耗，鉆進中表現(xiàn)為 鉆頭 “ 打滑 ”，鉆速迅速下降。 Date 中國地質(zhì)大學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 微動載碎巖 有些學者認為，無論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過程中，孔底還存在著微動載的碎巖過程。 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。 Date 中國地質(zhì)大學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 金 剛 石 鉆頭 、金 剛 石 擴 孔器 組 成一套 鉆 具。 金 剛 石 鉆頭 的種類有： 天然、人造； 電鍍、熱壓；單 管 、 雙管； 繩 索取心、定向鉆進 ；取心、全面； 礦 山、油井；等等。 根據(jù)碎巖特點，可分 為 表 鑲金 剛 石 鉆頭 、孕 鑲 金 剛 石 鉆頭 和聚晶 燒結(jié) 體 (包括復(fù)合片 )金 剛 石鉆頭 。Date 中國地質(zhì)大學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。 Date 中國地質(zhì)大學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 二、金剛石鉆頭的規(guī)格和標準 金 剛 石 鉆頭 的 規(guī) 格尺寸是很 嚴 格的 ，我國的金 剛 石 鉆頭規(guī) 格系列 為 ： ， ， 59． 5， 75（ 76）， 91mm等。 鉆頭、擴孔器、巖心管與套管之間有嚴密的級配關(guān)系。 (1)所鉆的鉆孔要為下入該級套管提供足夠的間隙， (2)當套管下入后，其內(nèi)徑須為下一級鉆頭及擴孔器的下入提供足夠的間隙。 (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 Date 中國地質(zhì)大學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 三、金剛石鉆頭胎體和胎體中的金剛石參數(shù) (一 )金 剛 石 鉆頭 胎體 金 剛 石 鉆頭 胎體用于包裹金 剛 石，并與 鉆頭鋼 體牢固 連 接。 對鉆頭 胎體性能的要求是： 胎體 能 牢固地包 鑲 金 剛 石。 胎體 應(yīng) 有足 夠 的 強 度和抗沖 擊 性能。 胎體的硬度、耐磨性要與所鉆巖石的硬度、研磨性相適應(yīng)。孕鑲鉆頭對這些性能要求更加嚴格。 Date 中國地質(zhì)大學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 胎體 孕鑲鉆頭鉆進時，胎體的磨損速度應(yīng)適當超前于金剛石的磨損速度，使金剛石不斷出刃。如果胎體不磨損或磨損極慢，則金剛石出刃甚小，發(fā)揮不了多刃微切削作用，鉆速很低。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。合適的胎體耐磨性應(yīng)能使唇面金剛石正常出刃，且在每粒金剛石的后面形成蝌蚪狀支撐。Date 中國地質(zhì)大學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 （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)。 其范