【文章內(nèi)容簡介】 在中硬地層中能取得較好的鉆進(jìn)效果 ， 但由于其強(qiáng)度較單晶小 ， 所以不適用于大部分硬堅(jiān)硬的巖層鉆進(jìn) 。 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(jìn)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 。 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(jià)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(qiáng)度最大 、 抗磨損能力最強(qiáng)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(qiáng)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(shí)間受高溫；在使用中 ， 須及時(shí)冷卻切削刃 。 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 國際上通用的計(jì)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(xì)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(kuò)孔器，細(xì)、粉粒多用于孕鑲鉆頭和孕鑲擴(kuò)孔器。 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(qiáng)度來判定 。 人造單晶晶形分為 5種： ① 完整晶體： 晶形好 、 強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度很低 ， 鉆探中不能采用 。 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(qiáng)度來判定 。 按強(qiáng)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(jì)量指標(biāo)是 單軸抗壓強(qiáng)度 。 用于鉆探的人造金剛石強(qiáng)度一般在2500Mpa以上 ， 即： 60（ 60目 ） 單晶單粒的抗壓值在 85N以上 。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 三、金剛石鉆進(jìn)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?。┑乃閹r機(jī)理有著顯著的不同。國內(nèi)外研究表明，金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過程存在有以下幾種機(jī)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 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(dāng)金剛石被磨鈍時(shí) ， 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(diǎn)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) 。 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(jìn)時(shí) ， 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(dāng)以塑性破碎為主時(shí) ， 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(shí) ， 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(shí) ， 裂紋擴(kuò)展 。 應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度時(shí) ， 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 。 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(jìn)中必須自磨出刃 （ “ 自銳 ” ） 才能維持鉆速恒定而不衰減 。 其碎巖機(jī)理類似于砂輪磨削工件 。 以唇面上多而小的硬質(zhì)點(diǎn) （ 金剛石 ） 對加工件 （ 孔底巖石 ）進(jìn)行刻劃 、 磨削 ， 隨著硬質(zhì)點(diǎn)的逐漸磨損和粘結(jié)胎體的不斷磨耗 ， 新的硬質(zhì)點(diǎn)又裸露出來參加工作 。 當(dāng)唇面金剛石出露較好時(shí) ， 存在磨削的同時(shí) ， 也有可能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 ， 胎體不能超前磨耗使喪失破巖能力的金剛石顆粒自行脫落 ， 在孔底鉆進(jìn)中表現(xiàn)為鉆頭 “ 打滑 ” ， 鉆速迅速下降 。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 微動載碎巖 有些學(xué)者認(rèn)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(qiáng)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(jìn)作用 。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 一、金剛石鉆頭的種類 用金剛石制作的破碎孔底巖石的工具統(tǒng)稱為金剛石鉆頭。在鉆頭 的上部安置一個(gè)金剛石擴(kuò)孔器，與鉆頭組成一套鉆具。 金剛石鉆頭 的種類有： 天然的、人造的；電鍍的、熱壓的； 單管的、雙管的；繩索取心的、定 向鉆進(jìn)的；取心的、全面的；礦山 的、油井的；等等。 根據(jù)碎巖特點(diǎn)，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。 一、金剛石鉆頭的種類 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)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(jìn)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)定用手工布置擺放金剛石顆粒 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 二、金剛石鉆頭的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn) 金剛石鉆頭的規(guī)格尺寸是很嚴(yán)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(kuò)孔器、巖心管與套管之間有嚴(yán)密的級配和間隙關(guān)系。 和擴(kuò)孔器所鉆的鉆孔要為下入該級套管提供足夠的間隙，當(dāng)套管下人后其內(nèi)徑又須為下一級鉆頭及擴(kuò)孔器的下入提供足夠的間隙。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。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)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 ， 表鑲金剛石鉆頭更是如此； 應(yīng)有足夠的強(qiáng)度 ， 具有一定的抗沖擊性能 ， 胎體與剛體之間的連接要牢固； 胎體的硬度 、 抗沖蝕性能 、 耐磨性要與所鉆巖石的壓入硬度 、 抗壓強(qiáng)度 、 研磨性相適應(yīng) 。 孕鑲鉆頭對這些性能要求更加嚴(yán)格 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 (一 )金剛石鉆頭胎體 孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí) ， 胎體的磨損速度應(yīng)適當(dāng)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(jìn)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 。 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) 。 其范圍一般為 16~41粒 /cm2，根據(jù)金剛石顆粒大小和所鉆地層適當(dāng)調(diào)節(jié) 。 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 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 金剛石在胎體中濃度 孕鑲鉆頭使用濃度來表示金剛石在胎體中的含量 ， 鉆頭胎體工作層中金剛石體積的百分含量 。 “ 400%濃度制 ” ， 當(dāng)金剛石的體積占胎體工作層體積的 1/4時(shí) ， 其濃度為 100% 。 孕鑲鉆頭中的金剛石濃度一般為 70~120%， 濃度過高 ， 端面金剛石與巖石的接觸面積增大 ， 單粒金剛石上的壓力較小 ， 壓入巖石的深度減小 。 當(dāng)小于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí) ， 其為表面破碎和疲勞破碎 ， 鉆速很低 ， 甚至不進(jìn)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(shí)還造成單粒金剛石上的壓強(qiáng)太大 ， 出露的金剛石就過早地磨鈍或崩刃 、 脫粒 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 （ 三 ） 金剛石的出刃 表鑲鉆頭金剛石出刃原則： （ 1） 正常的泵壓條件下巖粉能從鉆頭端面順利通過； （ 2） 金剛石出刃在鉆進(jìn)時(shí)不易被折斷； （ 3） 金剛石在胎體中包鑲牢固 。 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) 。一般 ， 以不超過金剛石直徑的 25％ 一 30％ 為宜 。 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 。 孕鑲鉆頭的金剛石出刃 孕鑲鉆頭金剛石的出刃是一個(gè)自銳的過程 ， 設(shè)計(jì)其金剛石出刃值的實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)好胎體的性能 。 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： 金剛石要均勻地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 。 須選擇優(yōu)質(zhì)金剛石作規(guī)徑刃和內(nèi)邊刃 。 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 。 螺旋排列一般用于軟巖鉆 ， 其排粉效果最好 。 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 （ 如繩索取心 ） ， 適用于中硬和硬巖層 ， 有利于破巖和導(dǎo)向； 內(nèi)錐形唇面 ——適用于研磨性強(qiáng)的和破碎的巖層及容易起鉆頭內(nèi)邊刃過早磨損的巖層； 外錐形唇面 ——適用于較軟和易碎的地層 ， 多用于雙管和繩索取心鉆頭 。 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 。 如果堅(jiān)硬 、 弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚 ， 可把鉆頭唇面做成同心環(huán)槽 、 鋸齒狀或階梯形 ， 以形成較多的破巖自由面 。 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