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首页 国家精品课程岩土钻掘工程学第4章——回转钻进用钻头(修改)

国家精品课程岩土钻掘工程学第4章——回转钻进用钻头(修改).ppt

国家精品课程岩土钻掘工程学第4章——回转钻进用钻头(修改)

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2019-02-21 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《国家精品课程岩土钻掘工程学第4章——回转钻进用钻头(修改)ppt》,可适用于高等教育领域

第四章回转钻进用钻头一、硬质合金钻头及其孔底的碎岩过程二、金刚石钻头及其孔底碎岩过程三、钢粒钻头及其孔底碎岩过程四、牙轮钻头及其孔底碎岩过程五、全面钻进与钻头国家精品课程中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四章回转钻进用钻头岩土钻进(井)方法绝大多数是机械方式主要有:①伴有循环冲洗介质的硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻头回转钻进和长螺旋干式回转钻进②采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进③钢丝绳冲击钻进④振动钻进。使用最广泛的是回转钻进。冲击回转钻进是在回转的基础上增加孔底冲击载荷钢丝绳冲击钻进主要用于水井施工振动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤和软岩中打浅孔(工程施工)。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程回转钻进选择钻头的一般原则是:①  在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头②  在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头③  在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头④  在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。⑤  金刚石钻头主要用于、()、mm的小口径⑥  钢粒钻头主要用于mm以上的口径⑦硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径又可钻进大口径水井、工程施工孔和浅井。第四章回转钻进用钻头中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、硬质合金钻进的基本概念与特点、硬质合金钻进的基本概念利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具这种钻进方法称为硬合金钻进。硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法它用于软岩层及中硬岩层的钻进(级软的沉积岩、中硬的级及部分级岩浆岩和变质岩)。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程一、钻探用硬质合金、硬质合金的特性()钻探用的钨(WC)钴(Co)合金,以碳化钨粉末为骨架钴粉末为粘结剂用粉末冶金方法制成。称为YG类合金。()牌号的意义:如YGc:YG钨钴系硬质合金钴的百分含量为c(x)粗(细)粒合金。()硬质合金特性:含钴量↑相对密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗弯强度↑,冲击韧性↑WC的颗粒↓硬度↑,耐磨性↑反之WC的颗粒↑则抗弯强度↑、韧性↑。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、选用硬质合金切削具的基本原则合金切削具形状主要有:薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程选择切削具形状的一般原则是:()片状硬质合金:刃薄易于压入和切削岩石但抗弯能力差适用于Ⅰ~Ⅴ级软岩()柱状硬质合金:抗弯能力较强压入阻力也较小主要适用于Ⅳ~Ⅶ级中硬岩石八角柱状合金的抗崩能力强利于排粉和破岩并易于焊牢在裂隙发育和较硬地层中应用广泛()针状和薄片状硬质合金:主要用于镶焊自磨式钻头在硬地层或研磨性岩石中使用。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程二、硬合金钻进的孔底碎岩过程硬合金钻进的过程实际上是切削具在轴向力的作用下压入岩石在回转水平力的作用下沿孔底切削碎岩在轴向力和水平力的共同作用下孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。Vm=nmh根据所钻岩石的不同其破碎方式也不相同可分为塑性岩石的碎岩和弹塑性岩石的碎岩两种情况。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程(一)塑性岩石的碎岩情况、切入岩石的过程钻头上切削具切入岩石的必要条件是:切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。即:Py≥HyF式中:Hy岩石的压入硬度F切削具刃尖处与岩石的接触面积。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程塑性岩石中切削具切入岩石如图示(切削具未磨钝)根据各力的平衡关系可推导出切入深度的关系式:式中:Py切削具上的轴载力Nb切削具的刃宽mmβ切削具的刃角度Hy岩石的压入硬度η摩擦力影响系数(η小于)。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程上式表明:塑性岩石的切入深度h与轴向力Py成正比而与切削具的刃角β、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成反比。虽然β角越小切削具刃尖切入岩石越容易但如果β很小则切削具会很快崩裂实际上β角的最小值为°~°。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、回转切削过程切削具切入岩石并回转在水平力Px作用下压迫前面的岩石使发生塑性变形并不断地向自由面滑移切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前下一切屑又发生滑移。因此切屑是连续、平稳的其切削槽宽与切削具刃宽相同。实际上由于振动、冲刷岩屑将碎裂并被冲洗液带至地表在Py和Px共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易也切入的更深。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程(二)弹塑性岩石的孔底破碎过程弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上切削具切入需要很大的轴向力而在双向力的同时作用下实际的Py力为(~)。碎岩显著特点:以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段:、切入岩石岩石剪切破碎前移碰撞刃前岩石。、刃前接触面很小挤压力较大小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、当刃前接触面较大时前进受阻。继续挤压刃前岩石(部分被压成粉状)同时Px力急剧增大当Px力达到极限值时产生大的剪切破碎然后Px力突然减小。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程切削具不断向前推进重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化B为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程综上所述用切削具破碎弹塑性岩石时在每个剪切循环中和各个循环之间水平力Px都是跳跃式而在塑性岩石中水平力Px没有显著的变化基本上是常量。三、硬质合金切削具的磨损关于切削具磨损和钻速问题的研究费得洛夫得出磨损曲线。反映切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压σ关系。在分界点σ=σ前后属于两种不同性质的磨损。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程()曲线Ⅰσ<σ切削具未能有效地吃入岩石钻进处于表面破碎状态。切削具单位磨损量W正比于切削具上的比压σ()曲线Ⅱσ>σ岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压↑磨损量W不仅未↑反而出现↓。即在体积破碎条件下切削具的磨损主要不取决于轴向压力而取决于岩石的硬度、切削具的材质及切削具的磨钝面积。费得洛夫提出在一定条件下切削具的磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关S(t)=Sθtθ磨损系数中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程A岩性、钻进规程及钻头一定时为常量。切削具的磨损面积与钻进时间成正比而机械钻速与切削具接触面积的平方成反比。设钻进的初始钻速为v=AS上式可写成:式中:k钻速下降的特征系数k=θS。钻头在t时间内总进尺为得到中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程平均钻速是进尺H的一元线性方程v是纵坐标上的截距k为直线的斜率。平均钻速和进尺H在钻进很容易测得可以用一元回归分析的方法在若干观测计算值的基础上求出k和v从而利用()式来预测切削具磨损对钻速的影响。Hvmvk中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损实际钻进中切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的即:y外>y内>yt外>t内>t切削具底端也不是被磨损成平面而是呈圆弧形刃前缘和后缘磨损更厉害。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第一节硬质合金钻进孔底碎岩过程、减轻切削具磨损的措施()避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其在高转速、低钻压的条件下钻进研磨性岩石时切削具磨损更快。()切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比、岩石的研磨性、裂隙性等性质还取决于切削具在钻头唇面的布置。应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号采用合理的钻头唇面结构。()及时修磨切削具减小初始接触面积以降低其磨损率。()采取等强度磨损的原则对磨损严重的内外侧面进行补强。()采用有润滑作用的乳化液或泥浆洗孔减轻切削具的磨损。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头一、取心式硬质合金钻头结构要素一定数量的硬质合金切削具按一定的形式排布在钻头体上形成钻进不同地层的钻头结构。硬质合金钻头的结构要素主要包括:切削具出刃、切削具的镶焊角度、切削具在钻头体上的数目及布置方式等。、钻头体硬合金切削具的支撑体传递轴载和扭矩承受切削具破岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。DZ无缝钢管制成。上有外螺纹与岩心管连接内壁有内锥便于卡取岩心。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、切削具出刃()内、外出刃使钻头体与孔壁、岩心之间的间隙避免摩擦孔壁和岩心提供循环冲洗通道。出刃过大合金抗外力的能力降低、碎岩断面和功耗增大钻孔易弯曲。出刃过小流阻增大容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。合理选择出刃:一般~mm。岩硬、孔壁稳、钻速低取小值反之取大值。遇水膨胀或大量岩粉的软地层加焊肋骨增大内、外环状空间一般取内、外出刃~mm底出刃~mm。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头()底出刃作用:保证切削具能顺利地切入岩石并为冲洗液冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。底出刃大小:由切入深度和过水间隙两部分组成。H值过大在硬岩和裂隙性岩层中容易造成崩刃应增加补强。一般为~mm。底出刃有平底式、阶梯式。阶梯式可增加切削具破碎岩石的自由面容易产生体积破碎。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、切削具的镶焊角度具有一定刃角β的切削具以不同的前角(亦称镶焊角)镶焊在钻头体上形成不同的切削角α从而获得不同的钻进效果。切削具在钻头唇面上有三种镶焊方式:正斜镶直镶负斜镶。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头()刃角β的选择:β=°~°Ⅰ~Ⅳ级非裂隙性岩石β=°Ⅴ~Ⅶ级岩石β=°的小切削具用于自磨式钻头。()选择镶焊形式(正斜镶、直镶、负斜镶)应考虑下述原则:对所钻岩石切入和回转阻力小可保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力有利于及时排除岩粉磨损后的端面接触面积不能过快增大应保持一定的切削能力。上述条件很难同时满足设计钻头应根据岩性有所侧重地考虑。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程()三种镶焊形式的特征分析切入深度相同时切入所需轴向力Py和水平力Px:正斜镶>直镶>负斜镶磨损体积相同时切削刃端的磨损面积:正斜镶>直镶>负斜镶三者出刃一致时切削刃上的弯矩:正斜镶>直镶>负斜镶排粉条件:正斜镶>直镶>负斜镶通常正斜镶的钻头在软岩中具有高钻速而负斜镶钻头适用于硬岩和非均质岩层最常用的是直镶。第二节硬质合金钻头中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、硬质合金切削具在钻头体上的布置方式切削具的排列方式有:单环排列、多环排列、密集排列等。()确定切削具布置方式的原则:①能保证钻头在孔底工作平稳②多环排列时每个切削具只破碎孔底的一部分叠加起来完成整个唇面的切削若各环之间能相互造成自由面则破岩效果更佳③尽量使每个切削具负担的破岩量接近避免局部磨损过甚④切削具之间应保持一定的距离以利于排粉⑤对切削具的镶焊和修磨方便。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头()切削具布置方式①单环排列:一个或二个切削具并联覆盖唇面加工简单②多环排列:多个切削具分环覆盖唇面造成多的碎岩自由面③密集排列:多个切削具集中为一组排列前刃掏槽后刃扩槽相互支撑承载大抗弯、抗磨损好。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、切削具在钻头体上的数目钻头上切削具数目越多切削点就多单位时间完成的切削量就大钻速也越高钻头寿命较长。但是由于轴向载荷有限单个切削具上的载荷不足只能形成表面破碎同时切削具数目太多使剪切体变小孔底冷却效果变差。切削具数目取决于岩性、钻头直径和切削具形状。对软岩取较少的数量对较硬和非均质及研磨性岩石为保证钻头寿命一般应取密集式排列。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、钻头的水口和水槽()作用:是冲洗液流经钻头、冲洗孔底并返回钻柱外环空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。()水口形状:矩形、半圆形、梯形和三角形三角弧形水口效果最好。()水口的数目:等于切削具的数目或组数。总面积应大于或等于钻头外环空间(包括回水槽)的面积。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程二、取心式硬质合金钻头取心式硬质合金钻头分为磨锐式和自磨式。、磨锐式硬质合金钻头钻头上的合金切削具磨钝后可用砂轮修磨锐利的钻头。切削具一般是单斜面锐角钻进中随切削具磨损机械钻速逐渐下降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。、自磨式硬质合金钻头采用小断面切削刃磨损后接触面积不变无变钝的弱点机械钻速基本平稳。第二节硬质合金钻头中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头、典型钻头结构举例()螺旋肋骨钻头外焊三块呈°螺旋肋骨有助液流上返提高清粉能力。正斜镶利于切软岩。通水截面积大循环阻力小使孔底比较干净避免重复破碎提高钻进效率。适用于钻进Ⅱ~Ⅳ级(部分Ⅴ级)松软岩层、粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头()薄片硬合金钻头:切削具锋利采用掏槽刃容易切入岩石出刃较大保证较大间隙冲洗岩粉主要用于钻进粘结性较小的软岩。()“品”字形硬合金钻头三颗合金呈“品”字形焊成一组。中间的出刃较大掏槽两边的出刃较小扩槽。主要用于Ⅳ~Ⅵ级和软硬互层的岩石。切削具可以直镶也可以正斜镶。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头()针状自磨式钻头把预制好的胎块焊在钻头体上。胎块内包裹针状硬质合金。支撑体胎体硬度要合适保证超前磨耗以利于针状硬质合金自磨出刃。钻头可用于钻进~级中等研磨性的岩石。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第二节硬质合金钻头三、硬质合金钻头选型表钻头类型岩石可钻性级别岩石螺旋肋骨钻头Ⅱ~Ⅳ松散可塑性岩层阶梯肋骨钻头Ⅲ~Ⅴ页岩砂页岩薄片式钻头Ⅱ~Ⅳ砂页岩碳质泥岩方柱状钻头Ⅲ~Ⅴ均质大理岩,灰岩,软砂岩,页岩单双粒钻头Ⅳ~Ⅵ中研磨性砂岩灰岩品字形钻头Ⅳ~Ⅵ灰岩大理岩细砂岩破扩式钻头Ⅲ~Ⅴ砂砾岩砾岩负前角阶梯钻头Ⅴ~Ⅶ玄武岩砂岩辉长岩灰岩胎体针状钻头Ⅵ~Ⅷ中研磨性片麻岩闪长岩钢柱针状钻头Ⅵ~Ⅷ研磨性石英砂岩混合岩薄片式自磨钻头Ⅵ~Ⅷ研磨性粉砂岩砂页岩中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程金刚石是迄今最坚硬的研磨切削材料钻探用金刚石约占世界工业金刚石。一、钻探用金刚石、钻探用金刚石的分类钻探用金刚石分为天然的、人造的两大类。天然金刚石“包布兹”(Bortz)制造表镶钻头天然金刚石“刚果”(Congo)孕镶钻头天然“卡邦纳多”(Carbonado)“巴拉斯”(Ballas)首饰天然“雅库特”(якут)主要在前苏联境内使用。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程人造金刚石单晶人造金刚石聚晶由细小的金刚石颗粒、粘合剂烧结成较大颗粒的多晶金刚石人造金刚石复合片(PDC)由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。天然金刚石的特性金刚石为结晶体碳原子之间以共价键相连结构非常稳定。金刚石的弱点:①脆性较大遇冲击出现碎裂②热稳定性较差高温下氧化并“石墨化”。金刚石工具制造过程中须隔氧避长时间高温在使用中须避免承受冲击载荷并及时冷却切削刃。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程与钻探有关的金刚石物理力学性质()硬度极高研磨硬度是刚玉的倍石英的倍。()有极大的抗静压强度。天然金刚石的抗压强度大约MPa约为刚玉的倍硬质合金的倍钢的倍。用于钻探的人造金刚石一般要求强度达MPa以上。()极高的耐磨性是刚玉的倍硬质合金的~倍钢的~倍。人造金刚石聚晶体一般与中硬碳化硅砂轮的磨耗比在:以上。()金刚石是热的良导体它散热比硬质合金刃具快。线膨胀系数仅为硬质合金的~钢的~但随温度升高而增长较快这对金刚石的包镶和钻头使用不利。金刚石容易受热损伤虽然温度低于燃烧温度但金刚石的强度、耐磨性已受到严重影响。所以钻进中必须充分冷却防止发生金刚石钻头烧钻事故。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程、钻探用金刚石的粒度和品级()金刚石的粒度国际上通用的计量单位是克拉。钻探用金刚石常用一克拉(g)多少粒或过筛网目数来衡量。钻探用的金刚石粒度:粗粒~粒克拉中粒~粒克拉细粒~粒克拉粉粒~粒克拉。粗、中粒多用于表镶钻头和表镶扩孔器细、粉粒多用于孕镶钻头和孕镶扩孔器。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程()金刚石的品级中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程二、金刚石钻进的孔底碎岩过程表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程把钻头上的一粒金刚石看作在轴向压力Py和切向力Px作用下沿岩石表面移动的切削具岩石破碎时力Px克服岩石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力T上Px=PgT=PgPyff金刚石与岩石的摩擦系数Py每粒金刚石上的载荷。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程表镶单粒金刚石在Py,Px联合作用下类似球体压入岩石(弹脆性岩石)产生大小剪切体切槽宽度>金刚石颗粒直径。金刚石被磨钝时在Py,Px作用下岩石中出现一些微小的裂纹岩石的致密结构被改变。孔底某一点经多次重复加载产生破碎具有疲劳破碎的性质。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程不同于表镶钻头。金刚石颗粒小埋藏于胎体之中孕镶钻头必须在钻进规程中保持自磨出刃的性能(“自锐”)才能维持钻速恒定而不衰减。其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。以唇面上多而小的硬质点(金刚石)对加工件(孔底岩石)进行刻划、磨削随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨耗新的硬质点又裸露出来参加工作。唇面金刚石出露较好时也存在孔底的微剪切和微压碎作用。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第三节金刚石及其孔底碎岩过程如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落则孔底过程中表现为钻头“打滑”钻速迅速下降。微动载碎岩有学者认为无论表镶或孕镶钻头在孔底的碎岩过程中孔底还存在着微动载的碎岩过程。钻压、钻柱弹性变形、回转振动和泵压脉动对孔底岩石的破碎起到了积极的促进作用。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器根据碎岩特点可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体(包括复合片)金刚石钻头。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器一、表镶金刚石钻头金刚石的粒度和选择表镶金刚石钻头大都选用天然金刚石常用的粒度为~粒克拉。表镶钻头用的金刚石粒度粒度粗粒中粒细粒粒克拉~~~岩层中硬硬坚硬中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器金刚石在唇面的排列钻进过程中钻头外侧的规径刃和内边棱部的金刚石负担最重其次为底刃再次为侧刃。制造钻头时须选择优质金刚石作规径刃和内边刃用回收的金刚石作侧刃以求均衡磨损。金刚石在钻头唇面上的排列方式有放射排列螺旋排列和等距离排列等。金刚石在钻头唇面厚度方向多采用同心环分列并在径向有一定的重叠度以保证钻进中不会在孔底形成“岩脊”。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器钻头的唇面断面形状()圆弧形唇面:较好保护内外径用于中硬和硬岩层()半圆形唇面:可布置较多金刚石缓解规径刃过分磨损适用于坚硬和软硬互层的研磨性岩层()多阶梯形唇面:用于厚壁钻头(绳索取心)用于中硬和硬岩有利于破岩和导向()内锥形唇面:用于强研磨性和破碎岩层及内边刃过早磨损的岩层也可钻砾岩用于厚壁钻头中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器()外锥形唇面:用于较软和易碎地层双管和绳索取心钻头。钻头的水口与水槽钻头的水路直接影响着孔底冲洗及钻进效果。表镶钻头的主水路是唇面与孔底之间的间隙水口和水槽的数目不能太多可强制冲洗有效地冷却唇面金刚石和及时排除孔底岩粉。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器二、孕镶金刚石钻头我国钻探生产主要用孕镶钻头比表镶钻头优越性:对于金刚石品级的要求低于表镶钻头抗冲击载荷能力较好如果唇面金刚石发生剪崩对钻进效果的影响小对违反操作规程的敏感程度也小。不必用手工摆放金刚石颗粒工业制造过程更简单。孕镶钻头用的金刚石孕镶钻头使用的天然和人造金刚石粒度取决于所钻岩性。粒度(目)人造>~~~天然~~~~岩层中硬硬硬坚硬中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器金刚石在胎体中的含量浓度表示金刚石在胎体中的含量是影响孕镶钻头性能的重要参数。浓度沿用砂轮制造业的“浓度制”当金刚石的体积占胎体工作层体积时浓度为全部是金刚石浓度。选择金刚石浓度的依据是所钻岩性、金刚石的品级和粒度兼顾胎体的包镶能力和钻压值的大小。岩石越坚硬致密金刚石质量好粒度细浓度宜较低唇面比压较大时可选较高的浓度这样对提高胎体耐磨性也有好处。常用浓度~过高了将影响胎体的包镶能力和钻速。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器钻头的胎体性能孕镶钻头钻进时胎体的磨损速度应适当超前于金刚石的磨损速度使金刚石不断出刃。如果胎体不磨损或磨损极慢则金刚石出刃甚小发挥不了多刃微切削作用钻速很低。反之如果胎体磨损太快则造成金刚石过早的崩刃或脱粒从而失去钻进能力、钻头寿命缩短。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器当岩石更硬时金刚石磨损得更快但这时产生的岩屑更薄数量更少因此岩屑对胎体的磨蚀作用弱于稍软的岩石。所以在坚硬的岩石中钻进时必须选择低耐磨性(硬度较小)的胎体。由于测定硬度的方法简单虽然胎体的硬度不能完全代表其耐磨性但目前仍习惯用胎体的硬度来表示其耐磨性。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器钻头的唇面形状孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单多为平底形在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形使比压集中并在孔底形成破岩自由面。孕镶金刚石钻头常用聚晶保径可取得满意的钻进效果。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器钻头的水口与水路对孕镶金刚石钻头而言因为它的金刚石出刃非常小故它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙而是水口。在唇面扇形块的下面只存在漫流(或湿润)区用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。孕镶钻头往往设计成多水口、小水口这样对防止烧钻有利。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第四节金刚石钻头和扩孔器三、金刚石扩孔器金刚石扩孔器安装于钻头和岩心管之间是金刚石钻进不可缺少的组成部分。扩孔器的作用:修扩孔壁保证钻孔直径符合要求减少新钻头下孔的扩孔量保持孔内钻具的稳定性使钻具在高转速下保持动平衡状态四、金刚石钻头及扩孔器制造无压浸渍法热压法电铸法中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程用未镶焊切削具的钻头压住自由状态的钢粒并带动它们在孔底滚动而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。曾广泛用于Ⅶ~Ⅻ级岩石随着金刚石钻进普及它在中小口径中已逐渐被取代。但在大口径硬岩钻进中仍有一席之地。一、钢粒及钢粒钻进用钻具钢粒的特性抗压碎强度、硬度、耐磨性和屈服极限较高可减少破岩过程中自身的消耗在轴向载荷下不至于产生明显的塑性变形利于在孔底翻滚。为保证钢粒在孔底容易翻滚钢粒的形状:高等于直径~mm的圆柱体。钢粒的材质:一般号、号高碳钢经调质、淬火可达到较高硬度。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程钢粒钻头与钻具钢粒钻头的功能是将轴向载荷和水平回转力传递给钢粒带动其在孔底翻滚。钻头呈圆筒形下开弧形水口用于排除岩粉、分选钢粒和“导砂”。整套钻具由钻头、岩心管、异径接头、取粉管和钻杆柱组成。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程二、钢粒钻进的孔底碎岩过程圆柱形钢粒在钻头轴向和回转力(联系力)作用下在孔底岩面不断翻滚以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎方式破岩。动压入体积破碎圆柱形钢粒在孔底每翻滚一次都会给岩石一个微动载作用。完整钢粒的棱边与岩石接触类似于楔形工具动压入破岩钢粒与岩石的接触面积很小压应力集中周围的岩石出现裂纹继而产生跳跃式体积破碎。由于孔底不平可能轴载瞬时集中在少数钢粒上更加强了这种动压入体积破碎。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程动疲劳破碎钢粒在不断翻滚中逐渐被磨成椭球形或球形。以一定的压力压于岩石表面时类似于球形压模动压入岩石的情况下部岩石存在着两个危险极值带压力边缘存在拉伸应力有助于产生一定深度的表面裂纹。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程众多钢粒的重复碾压裂纹加深加密加之冲洗液的侵蚀作用使交叉发育的裂纹以岩屑的形式被剥离下来离开母体。这就是钢粒钻进的主要破岩方式动疲劳破碎。若轴载越大则造成疲劳破碎所需要的重复次数越少破岩效果越好。在实际生产过程中上述两种破岩方式往往是同时发生的只是新鲜的圆柱形钢粒以第一种为主被磨圆的钢粒以第二种为主。由于孔底不平经冲洗液分选后的钢粒形状不一、尺寸不均、压力不均加之孔底环状间隙大这些都造成钢粒钻具振动加剧这种振动对钢粒动压入、动疲劳破岩是有利的中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮钻进概述牙轮钻进利用牙轮钻头在井底回转使牙轮在井底滚动以冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。牙轮钻进一般不取心广泛用于油气和大口径施工钻进适应性广在Ⅵ~Ⅹ级的岩石中效果最好。牙轮钻的类型:铣齿、镶齿有体式、无体式单牙轮、双牙轮和三牙轮等。生产中以三牙轮钻头应用最多。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程塑性岩石:自洗式牙轮钻头。硬和坚硬岩石:镶齿式牙轮钻头。冲洗:中心冲洗式和圆周冲洗式。带喷嘴的水力喷射式钻头更有利于提高软岩的破岩效果。牙轮钻头的轴承是最容易磨损的薄弱环节。一、牙轮钻头的结构由钻头体、牙轮爪、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等组成。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程二、牙轮钻头的孔底碎岩过程牙轮的自转与公转牙齿随钻头一起绕钻头轴线顺时针旋转公转速度=钻机回转速度。外齿公转线速度最大。牙齿绕牙轮轴逆时针旋转自转。牙轮自转是破岩时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程由牙轮牙齿与孔底单齿、双齿交替接触使钻头沿轴向作上下往返运动造成静载外的冲击载荷。还由于孔底不平叠加了振幅较大的低频振动。钻头在孔底的纵向振动使钻柱不断压缩与伸张周期变化的弹性能通过牙齿转化为冲击作用破碎岩石与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用这是牙轮钻头的主要形式。、钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙齿对地层的剪切作用剪切作用主要是由于牙轮在滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动而产生的产生滑动的原因在于牙轮的超顶、复锥和移轴三种结构。超顶引起的滑动牙轮锥顶超过钻头轴心的结构称为超顶超过的距离ob为超顶距c。设工作时牙轮上每一点的公转为ωb自转转速为ωc。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮与地层接触母线上x点由ωb引起的的速度Vbx呈直线分布oa段向前ob段向后vbo=。由ωc引起的速度vcx也呈直线分布方向向后在b点vcb=。速度合成后在ob段形成向后滑动速度vsx此时牙轮受一滑动阻力Ps因而有滑动阻力矩Ms()=PsR。使牙轮的角速度ωc降低。在oa段由vbx和vcx合成的滑动速度vsx。近o处产生与Ms()同向的滑动阻力矩M’s()在近a处产生一个Ms()反向的滑动阻力矩Ms()。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程Ms()、M’s()及Ms()达到平衡使ΣMs=。于是牙轮的角速度稳定,不再减慢。牙轮相对于岩石的滑动速度呈直线与ab线交于M点vsM=为纯滚动点bM段向后滑动aM段向前滑动。滑动速度随超顶距c的增大而增大。复锥引起的滑动复锥牙轮包括主锥和副锥主锥顶与钻头中心重合而副锥锥顶的延伸线是超顶的。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程复锥牙轮线速度不作直线而是折线分布所以产生滑动。移轴引起的滑动牙轮轴线在钻头水平投影沿钻头旋转方向平移一段距离牙轮的移轴。移轴后将产生牙轮的轴向滑动。低硬、高塑岩层偏移大高硬度、低塑性岩层偏移值小研磨性的硬地层偏移为零。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程综上所述:超顶和复锥引起切线方向滑动除冲击、压碎方式碎岩外还可剪掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊移轴的轴向滑动可剪掉齿圈之间的岩脊轴向滑动虽可提高破岩效率但牙齿也磨损剧烈因此须铣齿加固。实际上用于软中硬地层的钻头一般兼有移轴、超顶和复锥一部分用于中硬或硬地层钻头有超顶和复锥用于坚硬和强研磨性地层的牙轮钻头是纯滚动而无滑动的(即单锥不超顶也不移轴)。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮钻头的自洗牙齿钻头在软地层钻进时牙齿间易积存岩屑产生泥包影响钻进效率。为此出现了自洁式钻头。这类钻头各牙轮的牙齿互相啮合一个牙轮的牙齿间积存的岩屑由另一个牙轮的牙齿剔除。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程三、牙轮钻头的分类法我国三牙轮钻头的分类和代号三牙轮钻头分为大类个系列系列代号用汉语拼音表示钻头型号表示方法如下:□钻头直径用数字表示□系列名称代号用表规定的字母表示□型号代号用表规定的数字表示IADC牙轮钻头分类方法及编号(自习)中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头、全面钻头概述全面钻进钻进中不采取岩心全面破碎孔底岩石。全面钻进所使用的钻头全面钻头。使用全面钻头不受回次进尺的限制可节约大量升降钻具和取心的辅助作业时间因此在油气钻井、水井钻探和工程施工钻井中得到广泛应用。全面钻头包括硬质合金全面钻头、金刚石全面钻头、钢粒全面钻头、牙轮钻头和螺旋钻头等。硬质合金和金刚石全面钻头的破岩机理与取心钻头类似。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头一、硬质合金全面钻头翼片式全面钻头翼片式全面钻头主要包括刮刀钻头和翼片钻头。刮刀钻头刀翼呈曲面形切削具正斜镶刃尖角较小多用于钻进松软岩层钻进翼片钻头的翼片切削具采用直镶多用于钻进软~中硬岩层。一般按翼片数量命名。如三刀翼的称为三刮刀钻头或三翼钻头两刀翼的常叫做鱼尾钻头。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头()切削角α:α角越大吃入深度越深但α角过大时剪切破碎困难钻进阻力大。一般α=~°软地层α角应小一些硬地层α角大一些。()刃后角ψ:ψ=αβ。必须大于孔底碎岩倾角。刀翼背部几何形状钻头工作时刀翼的受力类似于悬臂梁背部应成抛物线形状即厚度随距刃尖的距离而逐渐增厚。刀翼的结构角()刃尖角β:表示刀刃的尖锐程度。β越小切入岩石的能力越强但强度小。软岩层~°岩石较硬~°夹层多孔较深时β角也适当增大。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头刀翼底部几何形状平底、正阶梯、反阶梯和反锥形平底刀翼形成的孔底只有一个裸露自由面阶梯可形成较多自由面碎岩速度较快扭矩和功耗较小但容易磨损成锥形使钻孔缩径。反阶梯钻头可防缩径但外侧底刃既掏槽又保径蹩钻严重。大庆油田根据反阶梯的特点设计了反锥形刮刀钻头刀翼的底刃可设计一个或两个斜面使孔底形成一两个截锥体。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头提高刀翼的耐磨性为保证足够的强度刀翼一般用高强度合金钢锻制而成。刀翼表面平铺一层YG硬质合金块以增强耐磨性和防止泥浆对刀翼的冲刷。侧部镶焊YG硬质合金保径。典型翼片钻头举例()常用二翼、三翼钻头适用于Ⅰ~Ⅳ级的岩层。三翼钻头在大口径钻进中应用广泛它的钢体上装有可更换喷嘴的水眼使水流加速提高机械钻速。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头()三翼片阶梯钻头:可钻进Ⅲ~Ⅴ级岩层。阶梯翼片直焊。根据不同岩性取不同的翼片偏心距保证中心处能剪切碎岩。 中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头()针状自磨式全面钻头:可做成三翼、四翼或六翼。耐磨性能好钻速均匀。适宜在Ⅴ~Ⅶ级的研磨性岩层中钻进。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头笼式全面钻头单腰钻头和双腰钻头适用于粘土、砂层和含少量砾石的土层。钻头的结构中心管、“腰带”、立柱、横支杆、斜支杆、翼板和超前小钻头等组成。上下导正圈间距≮钻头直径外侧面加焊合金肋骨修扩钻孔。翼板按一定的角度焊在下导正圈的内壁上合金切削具镶焊在翼板上(或螺栓固定)。一般为正斜镶近年来在钻进基岩和卵砾石层时采用一字形钎头直立焊的形式。翼板的数量视钻头直径而定。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头钻头的特点()单腰带钻头钻进阻力小钻速比双腰钻头高()双腰带钻头具有良好的导正作用超前的四翼锥形小钻头主要起定向作用(并保护出浆口不被阻塞)使钻头工作平稳扩孔率也小钻孔的垂直精度较高。()钻头底部呈锥形、阶梯状端部有小钻头超前钻进故孔底破岩自由面大钻效高。()小钻头可对砂砾层起松动作用少量不易破碎的卵砾石可挤进圆笼内不妨碍继续钻进。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头螺旋钻头长螺旋钻、短螺旋钻土层中成孔速度快无冲洗液不污染环境在工程施工中应用广泛。长螺旋钻进靠整个钻杆柱上螺旋面把岩屑输送至地表。短螺旋只靠钻头部分螺旋叶片把岩屑积聚在有限几个螺旋面上然后提至地表清除短螺旋钻对地层的适应性更广。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头平底螺旋钻头由心管、螺旋带(双头螺旋)、平刀与中心刃刀等组成平刀长度比螺旋叶片的外径大~mm。适用于一般的土层。耙式螺旋钻头由心管、螺旋带(双头螺旋)、中心刃刀、切削刀齿等组成。切削刀齿上镶焊硬质合金适用于含有大量砖头、瓦块的杂填土层及松软岩层钻进。 中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头二、金刚石全面钻头(一)单晶金刚石全面钻头钻头工作剖面的几何形状()双锥阶梯形:两个锥面上有阶梯增加碎岩自由面提高效率但锥顶金刚石受力大。适用于软~中硬的地层。()双锥形:工作面由内锥、外锥和顶部圆弧三部分组成。内锥~°外锥~°无阶梯适于较硬和致密岩石。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头()B型剖面:由内锥与圆弧面组成内锥不小于°结构特点是顶部较宽也较平缓可均匀布置较多金刚石防止局部金刚石早期损坏。适用于适用于硬地层。()带波纹的B型剖面:内锥和圆弧面上带有螺旋形波纹槽。金刚石就镶在波纹的波峰上适用于坚硬地层。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头水力结构金刚石全面钻头采用水孔、水槽式水力结构保证金刚石的冷却、润滑和清洗。()逼压式水槽:高压水槽入口小出口大低压水槽相反。两者间形成一定压差使部分冲洗液漫过金刚石进入低压水槽清洗冷却和润滑金刚石。用于软地层。()辐射型水槽:多水槽呈放射形均匀分布金刚石工作面很窄冲洗液能很好地冲洗岩屑冷却金刚石。用于软~中硬地层。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头()辐射型逼压式水槽:是上述两种水槽结构的组合适用于中硬~硬地层钻头和涡轮钻金刚石钻头。()螺旋形水槽:水槽为反螺旋流道在高转速条件下强迫冲洗液流过金刚石工作表面。适用于高转速金刚石钻头。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头金刚石粒度和排列与取心式钻头类似(自习)聚晶金刚石全面钻头胎体PDC钻头和钢体PDC钻头胎体钻头用铸造碳化钨粉烧结而成将复合片直接焊接在窝槽上。钢体钻头用合金钢加工而成复合片镶焊在钢体上。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头钻头工作剖面的几何形状PDC钻头工作剖面的几何形状影响钻头的稳定性、孔底清洗、钻头磨损等。钻头工作面形状包括内锥、顶部、侧面、肩部及保径五个基本要素。PDC钻头的水力结构和切削齿的分布采用水眼或喷嘴钻头有刮刀、单齿、组合式三种。()刮刀式布齿方式:用于粘性的或软地层钻进。()单齿式布齿方式:可提高钻头寿命但容易形成泥包钻头。()组合式布齿方式:具有上述两种的优点用于中硬地层。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头PDC钻头切削齿的工作角复合片在唇面上一般取~°的负斜镶并有一定的侧倾角。负斜镶有利于保护复合片提高寿命侧倾角有利于切削齿在切削地层时对岩屑产生侧向推力帮助岩屑向钻头外缘运动清洁孔底。中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学国家精品课程第七节全面钻头三、其他钻头图例中国地质大学勘查教研室

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