【正文】 果好 ， 適用堅(jiān)硬弱研磨性地層 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 金剛石鉆頭唇面形狀 示意圖 名稱 實(shí)物圖 特點(diǎn) 平底型 平面呈矩形 ， 加工制作簡(jiǎn)單 ， 適用于地層廣 ， 工作一段時(shí)間后自動(dòng)變?yōu)閳A弧形；但導(dǎo)向性差 ， 容易出現(xiàn)非正常磨損和破壞 。 在唇面扇形塊的下面只存在漫流 （ 或濕潤(rùn) ） 區(qū) ， 用于冷卻和排粉的水流主要通過(guò)水口和水槽 。 第四節(jié) 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器 五 、 鉆頭的水口與水槽 由于表鑲鉆頭的金剛石粒徑與布排與孕鑲鉆頭不同 ， 其水口與水槽也有所不同 。 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 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(guò)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 （ 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 。 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 。 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 。 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) 。 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(guò)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(guò)早地磨鈍或崩刃 、 脫粒 。 “ 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% 。 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 （ 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) 。 反之 ， 如果胎體磨損太快 ， 則造成金剛 石過(guò)早的崩刃或脫粒 ， 從而失去 鉆進(jìn)能力 、 鉆頭壽命縮短 。 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 。對(duì)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) 。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。 鉆頭、擴(kuò)孔器、巖心管與套管之間有嚴(yán)密的級(jí)配和間隙關(guān)系。 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(guó)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(duì)金剛石品級(jí)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(duì)鉆進(jìn)效果的影響小于表鑲鉆頭 ， 對(duì)違反操作規(guī)程的敏感程度也小于表鑲鉆頭； (3) 制造過(guò)程簡(jiǎn)單 ， 不必按規(guī)定用手工布置擺放金剛石顆粒 。 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。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)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。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 微動(dòng)載碎巖 有些學(xué)者認(rèn)為 ， 無(wú)論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過(guò)程中 ， 孔底還存在著微動(dòng)載的碎巖過(guò)程 。 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 。 其碎巖機(jī)理類似于砂輪磨削工件 。 應(yīng)力超過(guò)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(guò)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)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 。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 三、金剛石鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)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。 按強(qiáng)度區(qū)分是金剛石的品級(jí)：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 。 質(zhì)量 差 ， 強(qiáng)度很低 ， 鉆探中不能采用 。 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 。 質(zhì)量差 ， 形狀不好 ， 強(qiáng)度很低 ， 在鉆探中不宜采用 。 強(qiáng)度較高 ， 但形狀尚好 ， 在鉆探中的應(yīng)用占有一定比例 。 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 。 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。鉆探用金剛石常用一克拉（ ）多少?；蜻^(guò)篩網(wǎng)目數(shù)（每平方英寸的網(wǎng)格數(shù)）來(lái)衡量。 因此 ， 在金剛石工具的制造過(guò)程中 ，須隔氧 ， 避免長(zhǎng)時(shí)間受高溫；在使用中 ， 須及時(shí)冷卻切削刃 。 耐磨性是鋼的 2022~5000倍 。 （ 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 。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)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 。 金剛石聚晶： 高溫穩(wěn)定性好 ， 強(qiáng)度較高 ， 耐磨性好 ，能直接合成所需的形狀 ， 所以 ， 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) 。 其中 ， 聚晶是由細(xì)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 。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(kù)特 ” 產(chǎn)于俄羅 斯，主要在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)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 。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。 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過(guò)程 金剛石是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬的研磨切削材料，已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。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。單雙粒硬合金鉆頭可鉆進(jìn) 45級(jí)巖石，品字形硬合金鉆頭可鉆進(jìn) 4~6級(jí)巖石。 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）。 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鉆進(jìn)該類巖層鉆頭形式很多 ， 主要有： （ 1） 內(nèi)外鑲硬質(zhì)合金鉆頭：將四方柱或大八角硬質(zhì)合金在鉆頭底唇面分內(nèi)外出刃分環(huán)排列 ， 斜鑲或直鑲 。 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(jìn)的特點(diǎn)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(duì)較低 ， 單位時(shí)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(wèn)題不很突出 。有菱形與斜角薄片等形式。 可鉆進(jìn) 3~5級(jí)巖石 。 ① 螺旋肋骨鉆頭特點(diǎn)：流通載面大 ， 孔底干凈 ， 鉆進(jìn)效率 較高 。 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(jìn)遇水膨脹 、 粘性較大的軟巖 。 自磨式硬質(zhì)合金鉆頭 采用小斷面切削刃，磨損后，接觸面積 不變，無(wú)變鈍的弱點(diǎn)，機(jī)械鉆速基本平穩(wěn)。切削具一般是單斜面銳角， 鉆進(jìn)中，隨切削具磨損，機(jī)械鉆速逐漸下 降。 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 （一）取心式硬質(zhì)合金鉆頭分類 按切削具的磨損形態(tài)，硬合金鉆頭分為磨銳式和自磨式。 （ 3） 水口的數(shù)目：等于切削具的數(shù)目或組數(shù) 。 保證切削具的冷卻和孔底及時(shí)排粉 。 對(duì)軟巖取較少的數(shù)量 ， 對(duì)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 。但是 ， 由于軸向載荷有限 ， 單個(gè)切削具上的載荷不足 ，只能形成表面破碎；同時(shí) ， 切削具數(shù)目太多 ， 使剪切體變小 ， 孔底冷卻效果變差 。 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 單環(huán)排列：一個(gè)或二個(gè)切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡(jiǎn)單； ② 多環(huán)排列：多個(gè)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(gè)切削具集中為一組排列，前刃掏槽，后刃擴(kuò)槽，相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。 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 切削具的排列方式有：?jiǎn)苇h(huán)排列 、 多環(huán)排列 、 密集排列等 。 ～ 105176。 ～ 80176。 （ 2） 切削角 α 的選擇：根據(jù)所鉆巖性來(lái)選擇 。 ， 用于 Ⅴ ～ Ⅶ 級(jí)巖石； ③ β =90176。 ～ 50176。 切削具在鉆頭唇面上有三種鑲焊方式：正斜鑲 ， 直鑲 ， 負(fù)斜鑲 。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 。 一般為 2~5 mm。 底出刃大?。河汕腥肷疃群瓦^(guò)水間隙兩部分組成 。 在遇水膨脹或有大量巖粉的軟地層鉆進(jìn)時(shí) ， 必須加焊肋骨 ， 增大內(nèi) 、 外環(huán)狀空間 ， 一般取內(nèi) 、 外出刃 3～ 6mm ， 底出刃 4～ 5mm 。 合理選擇：主要取決于巖層 ， 一般為 1~3 mm。 設(shè)置不合理的危害：出刃過(guò)大 ， 合金抗外力的能力降低 、碎巖斷面和功耗增大 ， 鉆孔易彎曲 。 切削具出刃有：內(nèi)出刃、外出刃和底出刃。上端車有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁上設(shè)計(jì)有內(nèi)錐，便于卡取巖心。 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(dòng)載和摩擦。這些決定鉆頭結(jié)構(gòu)的因素稱為硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素 。 (5) 采用有潤(rùn)滑作用的乳化液或泥漿洗孔，減輕切削具的磨損。 (3) 及時(shí)修磨切削具，減小初始接觸面積，以降低其磨損率。 (2) 切削具的磨損速度取決于切削具的硬度與所鉆巖石的