第二章硬質(zhì)合金鉆進(jìn)

1、第二章 硬質(zhì)合金鉆進(jìn),硬質(zhì)合金鉆進(jìn)是把不同幾何形狀和一定尺寸的硬質(zhì)合金塊，按照一定要求鑲嵌在鉆頭體上，并按一定鉆進(jìn)規(guī)程破碎巖石而鉆孔的方法。硬質(zhì)合金塊是一種很硬的、強(qiáng)度很高的合金材料，最初應(yīng)用于金屬切削工具上，二十世紀(jì)初開始應(yīng)用于采礦和石油鉆井以及地質(zhì)勘探鉆孔作業(yè)中。目前我國(guó)和世界各國(guó)在石油鉆井和地質(zhì)勘探鉆孔中已廣泛應(yīng)用硬質(zhì)合金。,硬質(zhì)合金在巖心鉆探中占有重要地位，我國(guó)每年的鉆探工作量，用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)法完成的約占60%；在煤田地質(zhì)勘探

2、中約占80%。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，一般適用于可鉆性為1～6級(jí)及部分7～8級(jí)的巖石。鉆孔直徑為35.5mm直至2000mm，常用的鉆頭直徑為75、91、110、130、150mm等規(guī)格。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)可鉆進(jìn)任何角度的鉆孔。其鉆具組裝如圖 2?1所示。,,圖 2? 硬質(zhì)合金鉆具1—合金鉆頭；2—巖心管；3—異徑接頭；4—鉆桿接頭；,硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是：在軟巖及中硬巖石中鉆進(jìn)效率高，鉆進(jìn)質(zhì)量好，鉆探材料消耗少，成本低，鉆進(jìn)操作簡(jiǎn)便，鉆探方法靈

3、活，應(yīng)用范圍廣泛。一般情況下，影響硬質(zhì)合金鉆進(jìn)效率的主要因素有：巖石的性質(zhì)、硬質(zhì)合金鉆頭的質(zhì)量及鉆進(jìn)時(shí)的操作技術(shù)和鉆進(jìn)規(guī)程等。,第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)原理,硬質(zhì)合金鉆進(jìn)是以堅(jiān)硬的硬質(zhì)合金作切削具來破碎（切削）巖石，即在軸向壓力和鉆具回轉(zhuǎn)力作用下，由硬質(zhì)合金克取（壓入、壓碎、切削）破碎巖石。我們研究硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)研究以下四個(gè)過程；(1)硬質(zhì)合金鉆頭通過軸心壓力和鉆具的回轉(zhuǎn)作用，克取破碎孔底巖石；(2)被克取破碎的巖石顆粒由注人孔內(nèi)

4、的沖洗液排出孔外；同時(shí)，沖洗液還起著冷卻鉆頭的作用；(3)鉆進(jìn)過程中，在巖石被克取破碎的同時(shí)，合金本身不斷磨鈍和磨損．因此必須定時(shí)更換鉆頭；(4)鉆進(jìn)過程中必須定期采取巖(礦)心。,在上述四個(gè)過程中，主要的是第三個(gè)過程，即研究硬質(zhì)合金鉆進(jìn)原理時(shí)．應(yīng)重點(diǎn)研究硬質(zhì)合金鉆進(jìn)破碎巖石的過程和硬質(zhì)合金本身的磨損問題。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)破碎巖石的理論，可分為兩類，即塑性巖石破碎過程和脆性巖石破碎過程。前者是將巖石破碎過程看成具有明顯的高塑性，因而鉆

5、進(jìn)時(shí)巖石的破碎與金屬切削的狀態(tài)相同。研究外載與破碎之間關(guān)系時(shí)，主要是力學(xué)平衡分析；后者考慮到巖石破碎過程中存在著脆性破碎，因而是在孔底碎巖機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。,硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的基本情況如圖 2?2所示。鉆進(jìn)時(shí)，合金受到兩個(gè)力的作用。即軸心壓力Py和回轉(zhuǎn)力Px。當(dāng)軸心壓力Py達(dá)到一定值后，合金對(duì)巖石的單位壓力超過巖石的抗壓入阻力，合金便切入巖石一定深度h0；與此同時(shí)，在回轉(zhuǎn)力Px的作用下，向前推擠巖石，如巖石較脆，則受力體被剪切推出；若巖

6、石較軟呈塑性體，則合金前部的巖石便被切削去一層，孔底工作面呈螺旋形式而不斷加深。,鉆進(jìn)塑性巖石時(shí)，只有加在合金上的軸心壓力C0大于與巖石接觸面上的抗壓入強(qiáng)度時(shí)才能切入。即：C0>δS0式中：δ?巖石的抗壓入強(qiáng)度；S0?合金刃與巖石的接觸面積。鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速主要取決于合金切入巖石的深度；而切入深度則取決于軸心壓力C0和巖石性質(zhì)，并與鉆頭的轉(zhuǎn)數(shù)、合金數(shù)量及其幾何形狀有關(guān)。,鉆頭上的合金(切削具)切入巖石時(shí)的理想受力情況如圖2

7、—2所示，在軸心壓力G(即Py，)的作用下，合金開始切人巖石。由于巖石對(duì)切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿著與垂直方向呈交角γ的方向向下移動(dòng)；γ角的值主要取決予巖石對(duì)合金間的摩擦系數(shù)和刃尖角。在合金切人巖石的過程中，合金的后面與前面分別遇到法線阻力N1和N2(見圖 2?3)；若將這些力分別投影于z軸和y軸上時(shí)，解之，便可解得切人深度h0。與各種因素的關(guān)系：,鉆進(jìn)脆性巖石時(shí)，合金（切削具）以軸心壓力C0向下切入巖石，當(dāng)合金與接觸面

8、的壓強(qiáng)大于巖石的抗壓入強(qiáng)度時(shí)，則巖石發(fā)生脆性剪切，剪切體向自由面崩出而呈現(xiàn)kok´破碎穴，如圖 2?5所示。當(dāng)合金切入巖石h0深度后，在水平力Px的作用下，產(chǎn)生水平剪切過程：首先將巖石塊abc（圖 2?6）剪切掉，此時(shí)稱為大剪切。當(dāng)合金繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，合金刃尖前端不斷產(chǎn)生小體積剪切，崩落出小體積的巖屑；經(jīng)過不斷的小體積剪切后，合金刃前與巖石接觸面逐漸增大，直至又達(dá)到a´b´全面接觸時(shí)，然后又產(chǎn)生一次a

9、0;b´c´大剪切。,因此，在脆性巖石中回轉(zhuǎn)切削的過程，是由數(shù)個(gè)小剪切和一個(gè)大剪切所組成的不斷循環(huán)的過程。同時(shí)，合金兩側(cè)的切削槽寬也發(fā)生大小不同的變化。當(dāng)發(fā)生小剪切時(shí)，切削糟窄；當(dāng)發(fā)生大剪切時(shí)，槽的寬度增大。從巖面上看，切削槽的寬度基本上是有規(guī)則地變化著。切削糟的底面也是不平整的，隨著大小剪切的交替進(jìn)行，底槽深度也是高低不平，呈起伏狀態(tài)。,合金在孔底破碎巖石的同時(shí)也被磨損，因而鉆頭上的合金在鉆進(jìn)開始和終了時(shí)的情況不同

10、。合金隨著進(jìn)尺數(shù)的增加被磨損而變鈍，因而機(jī)械鉆速逐漸下降。鉆進(jìn)時(shí)，我們不但要求有較高的機(jī)械鉆速，而且還要求有較高的回次進(jìn)尺和臺(tái)班效率。因此，必須盡可能地掌握鉆進(jìn)規(guī)律，使鉆頭有較長(zhǎng)的鉆進(jìn)時(shí)間。所以，研究鉆進(jìn)中硬質(zhì)合金的磨損，就成為合金鉆進(jìn)中的一個(gè)重要問題。,從上式可以看出影響合金磨損和鉆頭在孔底耐久性的各種因素及其相互關(guān)系，但上式仍是理想情況下所得。故必須在合金鉆進(jìn)時(shí)經(jīng)常注意地層情況的變化，掌握合金磨損的特點(diǎn)。實(shí)際上切削刃在孔底的磨損是不

11、均勻的。鉆進(jìn)時(shí)，切削刃沿高度的磨損使內(nèi)外刃的負(fù)擔(dān)加重，所以磨損大于中部，而外刃磨損又大于內(nèi)刃。由于內(nèi)外刃磨損較重，所以內(nèi)外側(cè)刃端磨損的厚度也較大，如圖 2?8所示。切削刃的前緣負(fù)擔(dān)較重，因而磨損也較重；同時(shí)，切削刃的后緣在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中受巖屑和巖面的研磨會(huì)產(chǎn)生"自磨"現(xiàn)象；合金刃尖角和孔底螺旋面傾角愈大，則這種"自磨"現(xiàn)象愈明顯。因此，切削刃端不是平面磨損而是呈圓弧形磨損，如圖 2?9所示。也就是說，

12、合金切削刃在孔底有"自銳"的磨損作用，這種磨損作用是對(duì)鉆進(jìn)有利的。,在實(shí)際鉆進(jìn)工作中，用沖洗液沖孔時(shí)，對(duì)合金切削刃有一定的潤(rùn)滑作用，可減少合金的磨損。同時(shí)冷卻鉆頭合金，并使孔底保持清潔，對(duì)減少合金磨損會(huì)起重要作用。,第二節(jié) 鉆探用硬質(zhì)合金,一、硬質(zhì)合金的種類和性質(zhì)鉆探用的硬質(zhì)合金，主要是碳化鎢（WC）—鈷（Co）類壓結(jié)式合金。其主要成分是碳化鎢，它以碳化鎢粉為骨架，以鈷粉末做膠結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金方法壓制燒結(jié)成各種型式

13、，然后將其鑲焊在鉆頭體上，制成各種型式的鉆頭。這類硬質(zhì)合金統(tǒng)稱為YG類硬質(zhì)合金，亦稱鎢鈷合金。,一般情況下，要求硬質(zhì)合金具備以下性能：（一）硬度一般巖心鉆探用的硬質(zhì)合金，其硬度應(yīng)大于HRA50。（二）韌性因鉆進(jìn)用的鉆桿是彈性體，而所鉆巖石又大都是非均質(zhì)的，故鉆進(jìn)時(shí)孔底載荷變化很大，所以要求合金的抗彎強(qiáng)度大于1150MPa。（三）材料應(yīng)成型，以便易于鑲焊在鉆頭上。（四）應(yīng)有一定的熱硬性和導(dǎo)熱性，以減少合金的磨損，延長(zhǎng)鉆頭的壽命

14、。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)和使用條件，合理地選用硬質(zhì)合金的牌號(hào)及型式。,供地質(zhì)勘探用的YG類硬質(zhì)合金，其物理機(jī)械性質(zhì)及特性見表 2?1。表中所列各種牌號(hào)：第一個(gè)字母"Y"表示硬質(zhì)合金；YG表示碳化鎢-鈷類（WC-Co）硬質(zhì)合金；后面的數(shù)字表示其含鈷量；數(shù)字后面的字母"C"表示粗晶粒；"X"表示細(xì)晶粒。"A"表示加有碳化鈮。例如YG6x表示含鈷6％的細(xì)晶粒鎢鈷

15、合金；YG8c表示含鈷8％的粗晶粒鎢鈷合金。YG類合金中含鈷量越高，韌性和抗彎強(qiáng)度越高，但耐磨性下降；碳化鎢粉末的粒度愈細(xì)，則硬度愈高，而抗彎強(qiáng)度愈低；反之亦然，抗彎強(qiáng)度以YG11c合金最高。,、硬質(zhì)合金的型式巖心鉆探用硬質(zhì)合金的型式，應(yīng)具備以下條件：①切削刃尖，接觸面小，便于切入巖石；②有較大的強(qiáng)度和耐磨性，抗崩、抗磨；③具有適當(dāng)?shù)某叽绾托螤?，能與鉆頭體牢固焊接；④合金磨損后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自銳作用）。巖心鉆探

16、用硬質(zhì)合金已有定型產(chǎn)品，其型號(hào)、尺寸及使用條件見表 2?2所列。表 3?2所列硬質(zhì)合金的定型產(chǎn)品，可分為兩大類，即：磨銳式合金和自磨式合金（見圖 2?10）。,（一）磨銳式硬質(zhì)合金磨銳式硬質(zhì)合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），鉆進(jìn)時(shí)刃尖角的斷面逐漸增大，其幾何形狀有：（1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三種，如圖 3?10所示。常用的T0、T4和S3、S5 型。厚度一般小于3～6mm，易切入巖石，但強(qiáng)度和耐磨性較差，多

17、用于1～4級(jí)軟巖或均質(zhì)巖石中鉆進(jìn)。其中S3型多用于刮刀鉆頭，S5型多用于油井鉆進(jìn)的刮刀鉆頭。,（2）楞柱狀合金：有八角柱 （T1型）、方柱（T3型）和錐片柱狀（T5型）三種，如圖 2?10所示。鉆進(jìn)時(shí)，柱狀合金與巖石的接觸面較大，其強(qiáng)度和耐磨性都較大，故多用于 4-7級(jí)中硬巖層。其中，T1型合金可用于較硬巖層，T5型合金用于液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。一般情況下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎巖石、便于排除巖粉、抗磨能力強(qiáng)和易于焊牢等優(yōu)點(diǎn)。八角

18、柱合金有超前刃，切入巖石阻力小，有掏槽作用，又可使巖粉順切削具兩側(cè)排出，減少磨損；而且具有近圓弧狀切削刃，可使磨損均勻，也就是說，磨損后還成弧面，仍能保持切削能力（如圖 2?11所示）。另外，八角柱合金采用鉆圓眼鑲焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圓眼鑲焊，則空隙過大，而采用刨槽焊接，在鉆進(jìn)中很易崩落，如圖 2?12所示。,（二）自磨式硬質(zhì)合金自磨式合金沒有刃尖角，其本身斷面小，所以在軸心壓力下能吃入并破碎巖石。磨損后合金斷面不增加，也就

19、是說，鉆進(jìn)時(shí)合金不被磨鈍。自磨式合金有圓柱狀和片狀兩種，多用于研磨性較大的堅(jiān)硬巖層，常用的自磨式合金為T2型，見圖 2?10。,第三節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭,巖心鉆探用的硬質(zhì)合金鉆頭，可分為取心鉆頭和不取心鉆頭兩大類。將一定數(shù)量的硬質(zhì)合金，按特定形式排列在鉆頭上，可構(gòu)成品種繁多的鉆頭類型。決定鉆頭形式類型的因素，稱為硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素。合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素有：鉆頭體（空白鉆頭）、合金數(shù)目、合金出刃及排列方式、合金的鑲焊角度、鉆頭水口、水槽的

20、形式和數(shù)目等。為提高鉆進(jìn)效率和質(zhì)量，必須根據(jù)巖石性質(zhì)對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便合理地選擇和設(shè)計(jì)不同類型的鉆頭。,一、合金鉆頭的結(jié)構(gòu)分析（一）鉆頭體（空白鉆頭）鉆頭體是由DZ-40地質(zhì)鉆探用無縫鋼管制成。絲扣為地質(zhì)專用特殊梯形扣，鉆頭上端內(nèi)壁有一定錐度，以便卡取巖心。空白鉆頭的同心度、各端面與中心的垂直度以及各尺寸間的相互關(guān)系都應(yīng)嚴(yán)格要求；否則會(huì)直接影響鉆進(jìn)效率和質(zhì)量?？瞻足@頭的結(jié)構(gòu)如圖 2?13所示，各種鉆頭的規(guī)格尺寸見表 2?3

21、。,（二）鉆頭上合金的數(shù)目?影響鉆頭上合金數(shù)目最優(yōu)值的因素很多，目前還不能用理論公式來表示。一般情況下，在確定合金數(shù)目時(shí)，要綜合考慮鉆頭直徑、鉆探設(shè)備能力、鉆進(jìn)規(guī)程、巖粉的排除及合金的冷卻等條件。從理論上分析，只要保證每個(gè)合金在鉆進(jìn)某種巖石時(shí)的軸心壓力值，合金數(shù)目的增加與鉆速應(yīng)成正比。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，情況并不如此，合金數(shù)目過多反而會(huì)使鉆速下降。其原因是過密的合金（或合金組）會(huì)使合金之間的距離縮小，使巖石在大剪切時(shí)體積破碎的過程受到限制

22、，而使巖石破碎的體積減小，鉆速下降。,在確定或設(shè)計(jì)鉆頭上合金數(shù)目時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：（1）在一定的巖性條件下，合金之間的距離應(yīng)有一定值，以保證碎巖時(shí)能產(chǎn)生大剪切體進(jìn)行體積破碎。（2）在保證每個(gè)合金所需壓力的情況下，在一定范圍內(nèi)增加合金數(shù)目就等于增加同時(shí)工作的切削量，可以提高鉆進(jìn)速度。（3）確定合金數(shù)目時(shí)，還應(yīng)考慮鉆頭體上所允許的水口數(shù)目，以保證每個(gè)合金的完全冷卻與沖洗。（4）研磨性大的巖石，要適當(dāng)增加合金數(shù)目，以保證每個(gè)合金的體

23、積磨損量不致過大。（5）由于合金體積的磨損量與合金切削運(yùn)動(dòng)的路程有關(guān)，所以大口徑鉆頭在相同轉(zhuǎn)數(shù)條件下，應(yīng)適當(dāng)增多合金數(shù)目；鉆頭的外沿亦應(yīng)比內(nèi)沿合金數(shù)目多；或增加補(bǔ)強(qiáng)合金以保持鉆頭內(nèi)外沿合金體積磨損量大致相同，以避免鉆孔縮徑。,（三）鉆頭上的合金出刃鉆進(jìn)時(shí)，為了使合金能順利地切入巖石，并保持沖洗液暢通，以及減少鉆頭體的磨損，合金必須突出鉆頭體一定高度，此突出部分則稱為出刃。合金出刃有內(nèi)出刃、外出刃和底出刃，如圖 2?14所示。外出刃

24、是在鉆頭體的外側(cè)與鉆孔側(cè)壁之間留有一定的通水間隙；內(nèi)出刃是在巖心的外側(cè)與鉆頭體內(nèi)側(cè)壁之間留有一定的通水間隙；底出刃是切入巖石的深度h0和保持水流沖洗的高度h1之和，即底出刃 H=h0+h1，如圖 2?15所示。,鉆頭上內(nèi)、外、底出刃的尺寸，應(yīng)根據(jù)巖石的性質(zhì)來確定：在軟巖中鉆進(jìn)，所需軸心壓力不大，為能使大量巖粉及時(shí)排除孔底，需要加大內(nèi)、外、底出刃；在堅(jiān)硬巖層中鉆進(jìn)，合金切入巖石淺，巖粉少，同時(shí)為減少回轉(zhuǎn)阻力和彎曲力矩，避免合金崩刃，應(yīng)減小

25、內(nèi)、外、底出刃。不同地層鉆進(jìn)時(shí)，硬質(zhì)合金鉆頭的合金出刃量可參考表 3?5所列。,（四）鉆頭上合金的排列方式合金在鉆頭上的排列形式，歸納起來可分成以下幾種：1、按階梯破碎方式排列圖 2?16所示為多環(huán)階梯式排列底出刃的孔底狀況：圖（a）是二環(huán)階梯排列。內(nèi)環(huán)合金比外環(huán)合金底出刃大，因而形成孔底階梯狀。圖（b）是三環(huán)階梯排列。中環(huán)合金是以超前方式比內(nèi)、外合金的底出刃大，故可起到掏槽作用。,圖（c）是四環(huán)多階梯排列。此種鉆頭所鑲合金

26、較小，故稱小切削具鉆頭。圖（d）是肋骨鉆頭的排列形式。肋骨刃與主刃高差較大。階梯破碎方式排列合金的目的，是使孔底增多自由面，以提高破碎效果。在5～6級(jí)以上、研磨性較大的巖石中鉆進(jìn)時(shí)，要注意超前刃的過快磨損或折斷；否則發(fā)揮不出理想的效果。,,2、按分區(qū)破碎方式排列合金在鉆頭底面上的分布，除單環(huán)排列的（圖 2?17）外，大都采取了分區(qū)破碎方式排列，如圖 2?18所示。分區(qū)破碎方式排列的合金都呈內(nèi)、外、中三環(huán)排列和四環(huán)排列（圖 2?19

27、）；合金排列的特點(diǎn)是沿鉆頭徑向?qū)挾纫酝膱A式排列，整個(gè)孔底寬度是按同心圓方式分區(qū)破碎的，每個(gè)合金只破碎一條環(huán)形孔底巖石。采用分區(qū)破碎能保證合金的穩(wěn)定性，減少了合金破碎巖石的寬度，因此減輕了合金所承受的負(fù)荷，增加了合金的壽命和碎巖速度。很多現(xiàn)代高效率的鉆頭，往往是將階梯式破碎和分區(qū)式破碎結(jié)合，組成多樣化鉆頭。,3．密集式排列密集式排列主要用于研磨性巖石和較硬巖石的鉆進(jìn)，它以成組的合金比較集中地排列在一起，有堆狀排列（圖 2?20）和

28、疏松排列（圖 2?21）兩種：前者每組合金堆集在一起，互相補(bǔ)強(qiáng)，前刃掏槽，后刃擴(kuò)槽，如一個(gè)單元合金；后者每組合金成疏松的一組，可完成一個(gè)寬糟的切削量。圖 2?22 合金的鑲嵌角度Px ?軸向力;Pz ?回轉(zhuǎn)力;Φ?前角;β?刃尖角;α?切削角;θ?后角密集式排列的硬質(zhì)合金鉆頭有很多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛。,（五）硬質(zhì)合金的鑲嵌角度硬質(zhì)合金經(jīng)鑲嵌后所形成的各種角度，如圖 2?22所示。合金的刃尖角β（也稱磨銳角）的大小，對(duì)鉆頭

29、耐久性和鉆速有很大影響。其大小應(yīng)根據(jù)所鉆巖性而定。切削角α，也稱鑲嵌角。為便于切入巖石，合金的鑲嵌角也不相同：切削角為900 的角叫直鑲；小于900的叫正斜鑲；大于900的叫負(fù)斜鑲，如圖 2?23所示。,,選擇合金在鉆頭上的不同鑲嵌角時(shí)，應(yīng)考慮以下三點(diǎn)：（1）合金在切入巖石和回轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)有較小的阻力；（2）鉆進(jìn)過程中隨合金的磨損它與巖石的接觸面不迅速增大；（3）在堅(jiān)硬巖層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)使合金有較大的抗彎斷面，以防崩刃。在選擇合金鑲嵌

30、角時(shí)，應(yīng)根據(jù)所鉆巖石性質(zhì)和鉆進(jìn)規(guī)程來確定，可參考表 2?6所列。,（六）鉆頭的水口和水槽鉆頭上的水口、水槽主要作用是使孔底沖洗液暢通，并能及時(shí)冷卻鉆頭和攜帶巖粉離開孔底。水口和水槽開得是否合理，直接影響著鉆進(jìn)效率和合金的磨損。通常每組合金應(yīng)當(dāng)至少開一個(gè)水口，水口的總面積大于鉆頭與巖心之間的環(huán)狀間隙的面積，以免因過水面積太小而引起不必要的水頭損失。水口的大小應(yīng)能滿足沖洗液暢通、很好地排除巖粉和及時(shí)冷卻鉆頭的要求。一般在松軟、膨脹、縮徑

31、等地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)加大水口，甚至增加肋骨進(jìn)一步擴(kuò)大孔壁間隙，以保證正常沖孔。水口的位置應(yīng)盡可能地接近合金的前邊，以使沖洗液的流動(dòng)中心靠近合金前棱。目前，各地質(zhì)隊(duì)?wèi)?yīng)用的鉆頭水口形式（如圖 2?24所示）。有矩形（a）、梯形（b）、半圓形（c）、偏斜形（d）及弧形（e）等。,鉆頭上的水槽和水口連接，其目的是補(bǔ)充增加鉆頭內(nèi)、外環(huán)形間隙過水?dāng)嗝娴牟蛔?。水槽有直槽和與順鉆頭旋轉(zhuǎn)方向成60-80°的斜槽兩種；水槽一般深1.5～2mm，寬7～

32、10mm。,二、硬質(zhì)合金鉆頭的制造硬質(zhì)合金鉆頭的制造工藝，對(duì)鉆頭壽命和鉆進(jìn)速度有很大影響。為此，要提高鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，必須提高鉆頭的鑲焊質(zhì)量。硬質(zhì)合金鉆頭的制造過程是：（1）準(zhǔn)備鉆頭體：將鉆頭體車圓、車絲扣。加工水口、水槽；（2）劃定合金位置：在鉆頭體上將鑲嵌合金的位置劃好線，再用鑿子打出記號(hào)；（3）開鑿合金巢：鑲焊柱狀合金時(shí)用鉆床進(jìn)行鉆眼。然后將剩余的薄壁鑿?fù)ǎㄍ馊袕耐獗阼復(fù)?，?nèi)刃從內(nèi)壁鑿?fù)ǎ驳纳疃葢?yīng)能使合金嵌入后留

33、出底刃的高度。鑲嵌薄片合金時(shí)，可用刨床或銑床加工。,（4）鑲嵌合金片：將合金洗凈壓入合金巢，校正規(guī)格。用鑿子使合金周邊的鋼料將合金固定起來。鑲嵌敲打時(shí)，不得用鐵錘直接敲打合金。（5）鑲焊合金：鑲焊工序是鉆頭制造過程中最主要的工序，它直接影響鉆頭的質(zhì)量。最常用的方法是氧焊法（如無氧焊，可用帶鼓風(fēng)的炭爐進(jìn)行加熱），銅焊條的直徑一般為2～6mm。加熱前應(yīng)將鉆頭絲扣用石棉包好，合金則以水浸濕，撒上加熱的硼砂粉末，再將鉆頭加熱到硼砂溶化的溫度（

34、800℃），然后再放上焊料；采用黃銅焊條時(shí)，加熱到900～950℃ ，用電解銅時(shí)加熱至1100℃，當(dāng)焊料注滿空隙時(shí)即行取出，放于干砂或木炭灰中緩緩冷卻。,除上述方法外，還可采用銅液浸漬法進(jìn)行鑲焊，其程序?yàn)椋簩⒑辖鹎逑锤蓛羟度脬@頭中，再放在70～80℃的硼砂溶液中洗滌干凈，在浸入銅液之前，應(yīng)使鉆頭預(yù)熱到200～300℃。熔化黃銅應(yīng)使用鐵坩堝或石墨坩堝，溶化時(shí)加10%的食鹽，溶化后再加0.5kg氧化鋇，并攪拌一分鐘，將表面溶渣清除。每焊10

35、0個(gè)鉆頭應(yīng)清渣一次，清渣以后，必須按比例增加一些氧化鋇和食鹽。銅液浸漬法是將鑲好的合金鉆頭浸入溶化的銅液中浸焊而成，此方法簡(jiǎn)單，效率高，加熱均勻，不用氧氣，能保證鑲焊質(zhì)量，比較適于在修配廠大批生產(chǎn)中采用。,三、典型硬質(zhì)合金鉆頭目前，硬質(zhì)合金鉆頭種類繁多，用途各異，但歸納起來可分為兩大類：一類是取心式硬質(zhì)合金鉆頭，它的特點(diǎn)是鉆頭呈環(huán)狀，鉆進(jìn)后能取出圓柱狀的巖心，所以又稱環(huán)狀巖心合金鉆頭，這是巖心鉆探最常用的一類鉆頭；另一類是不取心式硬

36、質(zhì)合金鉆頭。它的特點(diǎn)是鉆頭底部全面鑲有合金，進(jìn)行全面鉆進(jìn)不取巖心，所以又可稱為全面合金鉆頭，這是鉆進(jìn)覆蓋層、軟巖最常用的一類鉆頭。,,取心式合金鉆頭又可根據(jù)鉆進(jìn)巖石的性質(zhì)，分為磨銳式鉆頭與自磨式鉆頭兩種，磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭鑲嵌有可以修磨的磨銳式合金；這種鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)合金會(huì)不斷磨損而變鈍，鉆速也隨之逐漸下降。自磨式硬質(zhì)合金鉆頭鑲嵌有小斷面（薄片或圓柱狀）的自磨式合金；這種鉆頭鉆進(jìn)時(shí)合金不被磨鈍，鉆速基本不變，見圖 2?25和圖 2?26。

37、在鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)地層的特點(diǎn)和要求及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，來選擇或設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金鉆頭的類型和結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)將各種不同地層使用的典型硬質(zhì)合金鉆頭介紹如下,,（一）螺旋肋骨式鉆頭此型鉆頭采用K572型號(hào)硬質(zhì)合金鑲嵌制成，鉆頭外側(cè)有三塊與鉆頭底唇水平面呈45°角的螺旋肋骨，材料為35號(hào)鋼。 螺旋肋骨之作用在于能使沖洗液呈螺旋狀上升，這樣就加速了孔底巖粉上升速度，保證孔底清潔，減少孔內(nèi)阻力，從而提高了鉆進(jìn)速度。在使用此型鉆頭時(shí)，為使鉆進(jìn)

38、平穩(wěn)，避免鉆孔彎曲，須采用特制的巖心管。螺旋肋骨鉆頭適用于2～4級(jí)松軟塑性巖層、覆蓋層。粘土層、風(fēng)化砂巖及鋁土頁巖等。這種鉆頭，經(jīng)各隊(duì)使用證明，在2～4級(jí)松軟地層中鉆進(jìn)，能大大提高鉆進(jìn)效率。如某隊(duì)在江西頁巖夾薄層砂巖和結(jié)核巖層中使用，效果比一般肋骨鉆頭鉆進(jìn)效率提高1～1.5倍。當(dāng)一般鉆速達(dá)3.6×10-3 m／s時(shí)，純機(jī)械鉆速可達(dá)(0.75～1.2)×10-2m/s，最高達(dá)1.62×10-2m／s。,（二

39、）階梯式肋骨鉆頭此型鉆頭采用K531型號(hào)硬質(zhì)合金鑲嵌而成，其特點(diǎn)是肋骨片較厚，水口寬大，鉆進(jìn)時(shí)的實(shí)際孔徑相當(dāng)于大一級(jí)的鉆頭直徑，孔底為階梯狀。其結(jié)果如圖 2?28所示。階梯肋骨鉆頭適用于3～5級(jí)巖層，如頁巖、矽頁巖和膠結(jié)不緊的砂巖等。鉆進(jìn)時(shí)，階梯肋骨進(jìn)行擴(kuò)孔，可保持一定的鉆頭內(nèi)外間隙。使用該鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的平均機(jī)械鉆速為（6～9）×10-4m/s，平均回次進(jìn)尺為3～5m，鉆頭進(jìn)尺12～14m。階梯肋骨鉆頭的規(guī)格尺寸見表 2?8

40、。,（三）普通式（內(nèi)外鑲）硬質(zhì)合金鉆頭普通式硬質(zhì)合金鉆頭又稱5·5·13式硬質(zhì)合金鉆頭，采用K573或K531型合金制成，內(nèi)外出刃為1～2mm，底出刃為1～3mm，合金修磨之刃尖角為50°～60°，可以直鑲也可以斜鑲，切削角為65°～90°。其構(gòu)造如圖 2?29所示。以T573型合金鑲制的鉆頭可用于中硬地層；以K531型合金鑲制的鉆頭可用于堅(jiān)硬地層；一般這種鉆頭廣泛用于2～

41、5級(jí)巖石中鉆進(jìn)，如均質(zhì)石灰?guī)r、大理巖、較疏松的砂巖及頁巖等。在5～6級(jí)巖層中鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺2.5～6m，單位小時(shí)進(jìn)尺2.5～3.5m，回次鉆進(jìn)時(shí)間可達(dá)1～1.5h。如采用5×10的八角柱狀硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，效果更為顯著。普通式（內(nèi)外鑲）硬質(zhì)合金鉆頭的規(guī)格尺寸見表 2?9。,,（四）大八角硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭采用K534型硬質(zhì)合金制成，鉆頭壁厚10mm，合金內(nèi)出刃2mm，外出刃1mm，底出刃2.5mm，切削角為7.5～8.5，合金

42、斜鑲也可直鑲。鉆頭結(jié)構(gòu)如圖 2?30所示。大八角合金鉆頭適宜于鉆進(jìn)6～7級(jí)及部分8級(jí)不均質(zhì)巖層，以及軟硬不均，含有夾層的巖石，如長(zhǎng)石灰?guī)r，硅化灰?guī)r和凝灰?guī)r等，平均機(jī)械鉆速為（3.9～4.8）×10-4m/s，回次進(jìn)尺2～4m，鉆頭進(jìn)尺可達(dá)5～10m。大八角硬質(zhì)合金鉆頭的規(guī)格尺寸見表 3?10。,,（五）自磨式針狀硬質(zhì)合金鉆頭在我國(guó)，自磨式針狀硬質(zhì)合金鉆頭，多采用胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖 2?31所示。胎塊式預(yù)制品

43、如圖 3?32所示，在地質(zhì)隊(duì)可根據(jù)需要把它鑲焊在鉆頭體上。胎塊式針狀硬質(zhì)合金鉆頭適宜于在6～7級(jí)及部分8級(jí)巖層中鉆進(jìn)，其機(jī)械鉆速高，回次進(jìn)尺大，鉆頭壽命長(zhǎng)，并且鉆孔質(zhì)量好，操作方便，成本也較低。,（六）薄片硬質(zhì)合金自磨式鉆頭薄片硬質(zhì)合金鉆頭又稱單雙粒薄片硬質(zhì)合金自磨式鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖 2?33所示。該鉆頭所采用的硬質(zhì)合金片為1mm×5mm×20mm，支持鋼片單粒者為4mm×5mm×20mm，

44、雙粒者為4mm×10mm×20mm，內(nèi)外出刃皆為1.5mm。在單粒的外側(cè)Ф2mm針狀合金進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；在單雙粒主切削具后面又有5mm×5mm×10mm方柱狀合金作為輔助切削具；它們共同組成一組。如Ф91mm鉆頭上應(yīng)鑲焊三組，其余隨鉆頭直徑大小而增減。這種鉆頭適用于鉆進(jìn)5～7級(jí)研磨性較大的中粒砂巖或其它研磨性大的巖層，一般回次進(jìn)尺提高60％～100%，機(jī)械鉆速提高10%～30％，充分顯示了自磨式鉆頭的

45、優(yōu)越性。,第四節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)規(guī)程,所謂鉆進(jìn)規(guī)程，指的是鉆壓、轉(zhuǎn)速及沖洗液量三個(gè)在鉆進(jìn)過程中可以控制的參數(shù)值。鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)規(guī)程的控制、調(diào)節(jié)，對(duì)鉆頭在孔底的工作情況、鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)質(zhì)量有直接的影響。鉆進(jìn)規(guī)程一般可分為：（1）最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程：使在一定條件下，能達(dá)到最好鉆探經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的鉆進(jìn)參數(shù)值。鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)控制掌握的鉆進(jìn)規(guī)程和《巖心鉆探操作規(guī)程》中所列的參數(shù)值，即是最優(yōu)的鉆進(jìn)規(guī)程值。,（2）強(qiáng)力鉆進(jìn)規(guī)程：是指鉆進(jìn)時(shí)所采用的比一般最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程值高

46、的鉆進(jìn)規(guī)程值，目的是達(dá)到更高的鉆進(jìn)速度。有時(shí)也稱快速鉆進(jìn)規(guī)程。（3）特殊鉆進(jìn)規(guī)程：是為了某些特殊目的和要求而采取的特殊規(guī)程或受限制的規(guī)程值，故稱為特殊鉆進(jìn)規(guī)程。這種特殊規(guī)程值在特殊目的和要求的情況下也是合理的，但也存在著如何擇優(yōu)的問題。確定鉆進(jìn)規(guī)程值時(shí)，最基本的出發(fā)點(diǎn)是保證最大的平均鉆速和最長(zhǎng)的鉆頭壽命。因此，必須根據(jù)巖石的性質(zhì)、所選鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鉆孔和設(shè)備條件來掌握調(diào)控鉆進(jìn)規(guī)程的具體參數(shù)值。,一、鉆壓鉆壓也稱軸向壓力。硬質(zhì)合金

47、鉆進(jìn)表示鉆壓的方式有：?jiǎn)挝汇@壓或單位壓力（C。）：表示每顆（或每組）合金上應(yīng)加的鉆壓（壓力）；總鉆壓或總壓力（C）：表示整個(gè)鉆頭上應(yīng)加的鉆壓（壓力）。鉆壓的大小對(duì)鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命有很大的影響。在一定范圍和一定條件下，鉆速和鉆頭壽命都隨鉆壓的增大而增加。鉆進(jìn)時(shí)，合金的受鉆壓切入巖石而鉆進(jìn)；同時(shí)，因鉆壓造成合金與巖石的摩擦而使合金磨損。所以，在選擇鉆壓時(shí)，必須在保證質(zhì)量的前提下從鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命兩個(gè)方面進(jìn)行分析、研究。,,（一）

48、鉆壓對(duì)鉆進(jìn)速度的影響關(guān)于鉆進(jìn)速度有兩種概念，即：機(jī)械鉆速：表示單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)尺數(shù)?；卮毋@速：表示一個(gè)回次的進(jìn)尺數(shù)。鉆進(jìn)時(shí)除應(yīng)提高機(jī)械鉆速外，更應(yīng)提高回次鉆速。所以，在研究鉆速的同時(shí)，還應(yīng)研究鉆頭合金的磨損問題。一般情況下，在松軟及軟巖石中鉆進(jìn)時(shí)，因所需鉆壓不大，對(duì)鉆速和合金的磨損不是主要問題；而在中硬和硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓確定是否合理，對(duì)鉆速和合金磨損影響很大。,（二）鉆壓對(duì)合金磨損的影響在硬質(zhì)合金鉆進(jìn)過程中，合金的磨損屬于研

49、磨性磨損，即合金被較硬的巖石礦物顆粒刻劃而磨損。表示合金磨損的概念有以下兩種：1、單位進(jìn)尺合金的磨損體積；2、硬質(zhì)合金鉆頭壽命，即單個(gè)鉆頭的進(jìn)尺數(shù)。鉆進(jìn)過程中，合金的磨損又分為正常磨損（磨鈍）和不正常磨損兩種。鉆進(jìn)中由于操作不當(dāng)，鉆頭鑲焊質(zhì)量低，巖石軟硬變化過大等原因而造成合金崩刃、折斷、壓裂、脫落等情況，都視為非正常磨損。這是應(yīng)該在操作中注意避免的。在正常情況下，鉆進(jìn)試驗(yàn)表明，鉆壓與合金磨損的關(guān)系如圖 2?36所示。,圖 2

50、?36 鉆壓與合金磨損的關(guān)系v?合金的磨損；Py?軸向力，可視為C。σ?巖石的抗壓入強(qiáng)度當(dāng)鉆壓小于巖石的抗壓強(qiáng)度（C0＜σS)時(shí)，合金的磨損成正比增加；當(dāng)鉆壓與巖石的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)（C0=σS）時(shí)，則合金的磨損有所下降或不增加。這種現(xiàn)象也可以從上述破碎巖石的三個(gè)階段來解釋，即加大壓力在體積破碎過程中，不但鉆進(jìn)效率提高而且合金磨損也必然下降。在鉆進(jìn)過程中，合金逐漸磨損變鈍，接觸面逐漸增大，因而巖石破碎方式逐漸過渡到疲勞破碎階段，甚至表

51、面破碎階段，使鉆速下降。所以在合金鉆進(jìn)過程中，應(yīng)隨合金的逐漸磨鈍而逐漸增大鉆壓，以保證以體積破碎方式進(jìn)行鉆進(jìn)，直到不可能或不應(yīng)當(dāng)再增大鉆壓時(shí)為止。,（三）鉆壓的確定根據(jù)上述分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆孔深度和設(shè)備條件來合理地選擇最優(yōu)壓力值。在鉆進(jìn)裂隙層或軟硬不均地層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓；鉆進(jìn)軟巖或弱研磨性的巖石可采用中等鉆壓；鉆進(jìn)硬巖石或研磨性大的巖石，則應(yīng)適當(dāng)增大鉆壓。鉆進(jìn)過程中，一般適當(dāng)加大鉆壓（

52、使C0＞σS），可使鉆速增加而合金磨損有所下降。為保證有較高的回次進(jìn)尺效率，還應(yīng)隨合金的磨損而適當(dāng)增加鉆壓。,在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常采用兩次加壓法。兩次加壓法是在回次初期一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，以不大的鉆壓鉆進(jìn)，待合金消除鑲焊質(zhì)量造成的出刃誤差而適應(yīng)了孔底的條件后，再加全壓（額定鉆壓）鉆進(jìn)。這種加壓方法，獲得了較好的效果。通常以YG8合金鑲焊的鉆頭，在初期加壓階段可采用額定鉆壓的3/5左右鉆進(jìn)20～30min；對(duì)YG4C合金鉆頭，則初期加壓鉆進(jìn)約

53、40min。計(jì)算鉆進(jìn)過程中孔底鉆壓的方法，有理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算兩種。,二、轉(zhuǎn)速鉆頭的轉(zhuǎn)速，即每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，表示方法有兩種：轉(zhuǎn)數(shù)n—鉆頭每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min；轉(zhuǎn)速v—鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)的圓周速度m/s。在一定條件下和一定范圍內(nèi)，鉆頭的轉(zhuǎn)速直接代表了合金在孔底破碎巖石的次數(shù)。鉆速將隨轉(zhuǎn)數(shù)的增高而增加。所以，硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，掌握合理的轉(zhuǎn)速，對(duì)鉆速有著很大的影響。,（一）轉(zhuǎn)速對(duì)鉆進(jìn)的影響從理論上看，鉆速隨轉(zhuǎn)速的增加而成正比地增加。但實(shí)

54、際上鉆速并不隨轉(zhuǎn)數(shù)的增加而呈正比增加，轉(zhuǎn)速的增加有其極限值（最優(yōu)值）。超過此值后，鉆速反而會(huì)下降，如圖 2?37、圖 2?38所示。其主要原因一是在高轉(zhuǎn)數(shù)的情況下，合金在巖石表面上的作用時(shí)間太短，從而影響合金的切人深度，導(dǎo)致鉆速下降；另一個(gè)原因是在高轉(zhuǎn)數(shù)的情況下，孔底溫度增高，合金的磨損或磨鈍加快而使鉆速下降。,試驗(yàn)表明，對(duì)不同的巖石，轉(zhuǎn)速提高一倍時(shí)，其鉆速的增長(zhǎng)率是不相同的。如圖 2?40所示。對(duì)4～5級(jí)的大理巖，轉(zhuǎn)速提高一倍，鉆速增

55、長(zhǎng)93％，而對(duì)9級(jí)角斑巖，轉(zhuǎn)速提高一倍鉆速僅增長(zhǎng)28％。所以，依靠提高轉(zhuǎn)速來提高鉆速，對(duì)較軟的研磨性小的巖石來說是有利的但于硬的研磨性巖石來說，則意義不大。在當(dāng)前使用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，鉆桿柱在孔內(nèi)產(chǎn)生的軸向彎曲和彈性振動(dòng)，都隨轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)而加??；回轉(zhuǎn)鉆桿以及克服摩擦所需功率，也隨轉(zhuǎn)速的增加而相應(yīng)增大；因此，提高轉(zhuǎn)速受鉆桿柱在孔內(nèi)工作穩(wěn)定性的限制，也受鉆桿柱的強(qiáng)度、長(zhǎng)度、合金的強(qiáng)度及鉆探設(shè)備的限制。,（二）轉(zhuǎn)速的確定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系如下式表

56、示：n=60v/πD或?qū)懗桑菏街校簄—鉆頭的轉(zhuǎn)數(shù)r·min-1；v—鉆頭的轉(zhuǎn)速（即鉆頭的圓周速度）m/s；D—鉆頭的平均直徑m；D1—鉆頭按合金計(jì)算的外徑m；D2—鉆頭按合金計(jì)算的內(nèi)徑m。為提高鉆進(jìn)效率，在一定鉆壓下，應(yīng)根據(jù)鉆探設(shè)備、巖石性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)，以及孔徑、孔深等條件來和選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)速值。實(shí)際上，目前各勘探隊(duì)所采用的轉(zhuǎn)速，遠(yuǎn)沒有達(dá)到最優(yōu)值。所以，在條件允許的情況下，應(yīng)增加轉(zhuǎn)速，以提高鉆進(jìn)效率。在增加轉(zhuǎn)速的同

57、時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)增加鉆壓和改善排粉及冷卻鉆頭的條件。一般情況下，在軟巖石或采用小口徑鉆進(jìn)時(shí)，可用高轉(zhuǎn)速；當(dāng)鉆進(jìn)研磨性大的巖石或深孔鉆進(jìn)，以及大口徑鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。,三、沖洗液量沖洗液量是指鉆進(jìn)時(shí)送入孔內(nèi)的沖洗液的量，有時(shí)也稱為送水量或泵量。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，衡量沖洗液量的指標(biāo)有：總泵量Q—指送入孔內(nèi)的總流量L/min。單位泵量q—指每單位鉆頭直徑的泵量L/s·m。合金鉆進(jìn)時(shí)泵量的大小，一般由單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的巖粉量

58、來確定；同時(shí)，還應(yīng)考慮到?jīng)_洗液的質(zhì)量。這對(duì)鉆進(jìn)效率有很大影響。,（一）沖洗液量對(duì)鉆進(jìn)的影響圖 2?41 沖洗液質(zhì)量與鉆速的關(guān)系圖 2?42 沖洗液量與鉆速的關(guān)系圖 2?43 壓差對(duì)鉆壓減少的作用鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液的質(zhì)量與數(shù)量對(duì)鉆進(jìn)速度有很大影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料證明，鉆速隨沖洗液的密度或粘度的增大而下降，如圖 2?41所示。從理論上看，增大沖洗液量，對(duì)提高鉆速有一定好處，如圖 2?42所示。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)沖洗液量不足時(shí)，孔底顆粒大的巖粉不能

59、被沖起，從而造成孔底重復(fù)破碎量的增大，使破碎效率下降；同時(shí)，過多的巖粉堆積，也造成合金散熱不好，使溫度增高，耐磨性降低；有時(shí)還易引起堵水、憋泵的現(xiàn)象。但過大的泵量會(huì)沖毀巖心或孔壁，并使鉆壓下降(圖 2?43)，使鉆速降低。當(dāng)采用大泵量時(shí)，則必須給予一定的重視。,（二）沖洗液量的確定硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液量的調(diào)整幅度比較大。從合理利用沖洗液量的觀點(diǎn)出發(fā)，沖洗液量應(yīng)根據(jù)所鉆巖層的性質(zhì)、所選擇的鉆壓、轉(zhuǎn)速的參數(shù)值來確定。實(shí)踐證明，鉆孔排除巖

60、粉的最佳沖洗液量值，應(yīng)使孔內(nèi)沖洗液流速達(dá)到0.45m／s左右。為保證此流速，按鉆頭直徑給水應(yīng)為8～15L／min以上。采用人工磨銳式合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭口徑大，且鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙大。為保證上升沖洗液流速，一般采用較大的泵量。當(dāng)采用小口徑針狀合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙較小，所以應(yīng)采用較小的泵量和較大的泵壓。,,四、各鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)間的相互配合在生產(chǎn)過程中，要密切注意變化著的客觀情況，以選擇合理的最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)值。實(shí)際上，各參

61、數(shù)都有各自的最優(yōu)值，各參數(shù)之間不是孤立的，而是相互有著密切聯(lián)系的。參數(shù)間的相互關(guān)系，大致如表 2?16所示。,一般情況下，硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，由于合金的強(qiáng)度和耐磨性的限制，對(duì)于不同的巖石應(yīng)當(dāng)有綜合最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)。如表2-17所示。在鉆進(jìn)塑性松軟巖層時(shí)，最好采用高轉(zhuǎn)速、小鉆壓、大泵量；在鉆進(jìn)4～5級(jí)中等硬度的巖層時(shí)，可采用較高轉(zhuǎn)速、中等鉆壓、較前稍小的泵量；鉆進(jìn)研磨性大而堅(jiān)硬的巖層，須采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、中等泵量或大泵量?？傊@進(jìn)4～5級(jí)以上

62、巖層時(shí)以采用較高轉(zhuǎn)速為主；鉆進(jìn)6級(jí)以上巖層時(shí)，以采用較大鉆壓為主。,最優(yōu)回次進(jìn)尺時(shí)間的確定硬質(zhì)合金鉆進(jìn)中硬巖石時(shí)，合理掌握、確定最優(yōu)回次進(jìn)尺時(shí)間是提高鉆進(jìn)效率的重要措施之一。合金鉆進(jìn)時(shí)，因合金不斷被磨鈍，致使機(jī)械鉆速逐漸下降。從機(jī)械鉆速下降來說，早一點(diǎn)結(jié)束這一個(gè)回次而提鉆是有利的，這樣可以得到較高的平均機(jī)械鉆速。但是，在鉆進(jìn)工作中，結(jié)束一個(gè)回次提鉆，就必須進(jìn)行起下鉆具的工作。但假如過早提鉆，必將導(dǎo)致大部分時(shí)間消耗在起下鉆工序上，對(duì)整個(gè)

63、回次進(jìn)尺來說是不利的。因此，最合理的鉆頭工作時(shí)間，須根據(jù)最優(yōu)的回次鉆速而定。常用的確定最優(yōu)回次進(jìn)尺時(shí)間的方法有以下兩種。,,(一)計(jì)算法計(jì)算法就是每隔一定時(shí)間測(cè)量一次進(jìn)尺數(shù)，并計(jì)算一次回次鉆速填人表內(nèi)，待發(fā)現(xiàn)回次鉆速下降時(shí)(或巖心堵塞及其它異樣情況)，應(yīng)及時(shí)提鉆。 (二)圖表法圖表法是利用回次進(jìn)尺曲線的相應(yīng)切點(diǎn)來確定t0，如圖 2?44所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為累計(jì)進(jìn)尺數(shù)，O點(diǎn)右側(cè)為鉆進(jìn)時(shí)間，左側(cè)為起下鉆具時(shí)間。根據(jù)起下鉆具

64、所需時(shí)間T，在橫坐標(biāo)O點(diǎn)左邊確定A，使OA=T。由于S=L/(t+T)=tanθ，當(dāng)直線AB與H—t曲線相切時(shí)，則tanθ為最大值，也即S為最大值，與該切點(diǎn)B相對(duì)應(yīng)的時(shí)間則為t0。在鉆探現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)A點(diǎn)確定后，以A點(diǎn)為中心，用直尺的邊代替直線AB；隨著鉆進(jìn)不斷繪出H—t曲線。當(dāng)直尺與曲線相切時(shí)，則可結(jié)束鉆程而起鉆。,實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于巖層軟硬的變化和鉆進(jìn)參數(shù)的變化，使一個(gè)鉆程中鉆速也發(fā)生變化。所以，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，按照孔深的不同，制定出

65、通用的最優(yōu)起鉆時(shí)間，以便各機(jī)臺(tái)根據(jù)實(shí)際情況的變化而靈活掌握。,六、自磨式合金鉆頭的鉆進(jìn)規(guī)程由于自磨式合金鉆頭的鉆進(jìn)特點(diǎn)與磨銳式合金鉆頭不同，因而確定鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)也就不同。一般自磨式合金鉆頭僅適于鉆進(jìn)6～8級(jí)中硬以上巖層，因此其鉆進(jìn)參數(shù)也應(yīng)以適宜鉆進(jìn)的巖層為限。,（一）鉆壓的確定在自磨式合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，因合金總面積比較大，合金與巖石的接觸面不變，所以需要增加一定的壓力，使其鉆速保持穩(wěn)定，并能延長(zhǎng)回次進(jìn)尺時(shí)間。實(shí)踐證明，自磨式合金

66、鉆頭比普通硬質(zhì)合金鉆頭需要更大的鉆壓，因?yàn)樽阅ナ姐@頭胎塊中所含硬合金的總截面大約相當(dāng)于同直徑普通合金鉆頭合金磨去三分之一高度時(shí)的總面積；同時(shí)，還有一部分鉆壓要消耗在胎塊的磨蝕上面，所以必須采用較大的鉆壓鉆進(jìn)。一般情況下，胎塊式針狀合金鉆頭的鉆壓，比磨銳式普通鉆頭的鉆壓約大20%；對(duì)每塊胎塊鉆壓1500～2000N為宜。自磨式硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等條件來選擇鉆壓、當(dāng)鉆進(jìn)致密而堅(jiān)硬巖層時(shí)，鉆壓應(yīng)大一些；鉆進(jìn)顆粒粗而破

67、碎的巖層時(shí)，鉆壓要小些；當(dāng)鉆頭硬支點(diǎn)多、底唇面積大而轉(zhuǎn)速快時(shí)，鉆壓要大些；在磨合之后的正常鉆進(jìn)初期，鉆壓應(yīng)取大些；在鉆進(jìn)的后期，鉆壓應(yīng)小一些。,（二）轉(zhuǎn)速的確定自磨式硬質(zhì)合金鉆頭是依靠胎體內(nèi)的針狀或片狀合金來切削并研磨、破碎巖石鉆進(jìn)的，所以增大轉(zhuǎn)速是提高鉆進(jìn)效率的重要因素。試驗(yàn)表明，胎塊式針狀合金鉆頭鉆進(jìn)，采用300r/min可獲得比較高的鉆速，同時(shí)鉆頭的磨耗也不大。云南九隊(duì)及山東一隊(duì)的試驗(yàn)結(jié)果（見表 2?18）表明，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)

68、，增加轉(zhuǎn)速能較顯著地提高鉆進(jìn)效率。,（三）沖洗液量的確定自磨式合金鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，巖粉的顆粒比較細(xì)，所以選用的沖洗液量比一般合金鉆進(jìn)要小些；但在鉆孔條件允許的情況下，為了更好地冷卻鉆頭、清除孔底巖粉，以獲得較高的鉆進(jìn)效率，在不發(fā)生憋泵的前提下，可盡量采用較大的沖洗液量。一般對(duì)小口徑鉆進(jìn)，沖洗液量采用（0.68～1）L／s為宜；對(duì)大口徑鉆進(jìn)，沖洗液量采用（2～3）L／s為宜。鉆進(jìn)過程中，要特別注意泵壓表的變化，以免燒鉆。因自磨式鉆頭鉆程的

69、長(zhǎng)短，取決于胎塊的磨耗情況；若過晚提鉆，胎塊的有效高度磨完，沒有了水口，如繼續(xù)鉆進(jìn)，則很快會(huì)發(fā)生燒鉆；特別是在胎塊磨耗較快的研磨性巖層中鉆進(jìn)，則更需特別注意。另外，在正常鉆進(jìn)中，加壓、給水都要均勻平穩(wěn)，不應(yīng)任意提動(dòng)鉆具或變化鉆進(jìn)參數(shù)，以免發(fā)生巖心堵塞，在新鉆頭下人孔底時(shí)，應(yīng)有一個(gè)“磨合”的過程；一般采用加大鉆壓、增快轉(zhuǎn)速和少給沖洗液的辦法進(jìn)行磨合。,第五節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的操作及注意事項(xiàng),一、合理選擇鉆頭類型及鉆進(jìn)規(guī)程硬質(zhì)合金鉆頭適用于

70、在軟巖及中硬巖層中鉆進(jìn)，不適合鉆進(jìn)8級(jí)以上的堅(jiān)硬巖層）。鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)合理選擇高效鉆頭和最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程。為便于選擇，現(xiàn)將適宜硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的巖石，歸納為以下四類：第一類為松軟的巖石（1～2級(jí)）：如黃土、粘土等第四紀(jì)地層及泥炭、矽藻土等；第二類為較軟的巖石（3～4級(jí)）：如泥巖、泥質(zhì)巖、頁巖、大理巖、白云巖等；第三類為較硬的巖石，或稱中等硬度巖石（5～6級(jí)）：如鈣質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、蛇紋巖、橄欖巖、細(xì)大理巖、白云巖等；第四類為硬巖（