回转钻进第一节硬质合金.ppt

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1、工程钻探学课件,工程钻探,主讲人：杜振川,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,钻进方法：是指在钻探或钻井工程中，向地下钻孔（井）时，破碎孔（井）底岩石的方法及技术措施的总称。根据破碎岩石的外力作用性质及方式，钻进方法可以分为冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进以及振动钻进等；在回转钻进中，按回转钻进时破碎岩石所使用的磨料，又分为硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进、牙轮钻进等。,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,硬质合金钻进：利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具的钻进方法。,第一节 硬质合金钻进,一、概述,它适用于软岩层及中硬

2、岩层的钻进工作，即可钻进14级软的沉积岩及中硬的57级及部分8级岩浆岩和变质岩。,硬合金钻进是地质勘探钻进中的一种常用的主要钻进方法。,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,第一节 硬质合金钻进,一、概述,硬质合金钻进钻头,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,硬质合金钻进的特点：1）由于切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔，不受孔向、孔径和孔深的限制。2）可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结构，以便在不同的岩层中取得较优的效果，并满足工作要求。3）钻进中操作简便，容易掌握。4)钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。,第一节 硬质合金钻进,一、概述,工

3、程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,影响硬质合金钻进的主要因素：1)岩层性质：如岩石的硬度、研磨性、裂隙性和不均匀性等，以及岩层的硅化程度；2）钻头方面：硬质合金的性能：如硬度、强度、韧性和抗磨性能等；硬质合金切削具的形状、规格等；切削具在钻头体上的排布形式和数量；镶焊的方法及质量。3）钻进规程和操作技术，如所采用的钻压，转速和泵量等。,第一节 硬质合金钻进,一、概述,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,硬质合金钻进的过程，实际上是硬合金切削具在外载作用下不断破碎岩石和岩石不断磨损硬质合金切削具的过程。,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩

4、过程,硬合金钻进中，由于所钻岩石的性质不同，其破碎岩石的方式也不相同。硬合金钻进的孔底碎岩过程，可分为塑性岩石的碎岩情况和脆性岩石的碎岩情况。,工程钻探学课件,第三章 回转钻进钻头与工艺,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,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强度（压入硬度）。,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,即：,式中：P y一一个切削具上的轴向

5、压力；S。切削具与岩石的接触面积；岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的硬度）。,是切削具切入岩石的必要条件。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,如图所示。一个单斜刃的切削具在轴向压力P y的作用下，切入岩石的深度为h0 由于切削具后斜面的作用，使切削具的刃尖并非垂直切入岩石，而是沿着与垂线成r角的00线方向切入岩石。因此，在前面OB上，在切入过程中，产生正压力N2及摩擦阻力N2tg 同理，在后斜面上产生正压力N l及摩擦阻力N1 tg,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合

6、金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,各作用力的平衡关系如下：,（1）,（2）,（3）,所以,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,根据切削具切入岩石的条件知：,式中：b切削具的宽度；一OA面上的法线应力 垂直于AB面上的压强，等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,把（4）代入（3）式中，则：,因此切入深度为：

7、,令,则：,（5）,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,为由切削具刃尖角 和切削具与岩石的摩擦角 所决定的一个系数，在一般情况下，=0.880.97,由（5）式看出，对塑性岩石来说，切入深度h0与轴向压力Py成正比，而与切削具的宽度b，刃尖角的正切，以及岩石的抗压入强度成反比。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,1）塑性岩石的碎岩情况,回转切削过程,如图所示，当切削具切入岩石并作回转运动时，切削具在水平力（切削力）Px作用下压迫其

8、前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自由面滑移，称为切削作用。,Py-轴向压力；Px-水平力；h0-切入深度；b-切削槽宽（切削具宽度）,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,2）脆性岩石的碎岩情况,切入岩石的过程,如图所示，当切削具与岩石接触面的压强达到或超过岩石的压入硬度时，在轴向力Py作用下切削具切入岩石。此时岩石发生脆性剪切，碎裂的岩屑向自由面崩出。,单面锲形切削具切入脆性岩石Py-轴向压力；h0-切入深度；ko k-崩落岩穴,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,

9、2）脆性岩石的碎岩情况,回转切削过程,脆性岩石的回转切削过程Py-轴向压力；Px-回转水平力；刃角h0-切入深度；abc-大剪切体；abc-第二次大剪切体；B1大剪切时岩面槽宽；,当切削具在轴向力Py的作用下切入岩石ho深度后，再在水平力Px的作用下，发生水平剪切。,当切削具在水平力Px作用下前进时，首先将刃尖前的岩石abc剪切掉（称为大剪切），于是Px力突然减落下来。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,2）脆性岩石的碎岩情况,回转切削过程,经过不断的小体积剪切后，切削具刃前与岩石接触的面积逐渐增大，直至又达到ab全高接触时，然后

10、又发生一次abc的大剪切。因此，在脆性岩石中回转切削过程是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程。,当切削具继续前进时，在切削具刃尖前不断发生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,3)切削具的运动轨迹,实际上，孔底破碎岩石是切入与切削同时进行的。孔底切削面成螺旋线前进。如图所示。,Py给进力；Px切削力；R岩石底抗压入阻力；Q刃前阻力；N,TR的分力；f摩擦系数；切削角；切削具前面与岩石破碎面底夹角；井底切削面倾角,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合

11、金切削具的碎岩过程,4)切削具上的作用力,作用于切削具刃上的有给进力和切削力。,给进力Py，是单位刃长上的轴向力，这是主要作用力，其他作用力都决定于该主作用力的大小和岩石的力学性质。切削力Px，是单位刃长上的水平力。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,1、硬合金切削具的碎岩过程,4)切削具上的作用力,作用于切削具刃上的有给进力和切削力。,因岩石的抗剪强度比压入硬度小许多倍，故力Px通常小于Py值很多倍。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,硬质合金切削具破碎岩石；岩石磨损硬质合金切削具。,衡量切削具

12、的磨损，常采用下列指标：(1）绝对磨损，是切削具高度的磨损，也称总磨损(2）相对磨损，可分为：单位时间的磨损 单位进尺的磨损 单位摩擦功的磨损,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,1）切创具高度的磨损,当切削具高度磨损后，切削具的切入深度减小。由图可知，其实际切入深度为：,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,1）切创具高度的磨损,当转速为n(r/min)，时间为t(min）时，则,V切削具的磨损体积；A摩擦功；表示切削具抗磨性能的系数,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二

13、、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,1）切创具高度的磨损,当转速为n(r/min)，时间为t(min）时，则,可改写为：,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,1）切创具高度的磨损,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,1）切创具高度的磨损,式中：岩石的压入硬度；f岩石与切削具的摩擦系数；R-r切削具宽度；R+r钻头平均直径；切削具刃尖角和摩擦角所决定的 系数。不同岩石硬合金切削具的抗磨性能系数值可查表。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进

14、的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,2）切削具在孔底工作时的不均衡磨损,切削具内、外侧磨损的不均匀状况,钻进时，由于内、外两侧的工作负担较重，所以磨损比中部大，又由于外侧比内侧行程长，所以外侧的磨损更为严重。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,2）切削具在孔底工作时的不均衡磨损,切削刃底端的磨损状况,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,二、硬质合金钻进的孔底碎岩过程,2、硬质合金切削具的磨损,2）切削具在孔底工作时的不均衡磨损,切削刃底端的磨损状况,实际钻进中切削具高度磨损后，底端不是呈平面形状。因为工作刃前缘担负的碎岩工作

15、很重，所以前缘磨损较大；同时刃的后缘在回转运动中受岩屑和岩面的研磨也产生磨损。因此实际上切削刃端不是呈平面状磨损而是呈圆弧状磨损，如图（b）所示。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,三、硬质合金切削具钻头,1、钻头体,钻头体是用D35或D45号钢的无缝钢管制成。,2、硬质合金切削具,硬质合金主要是碳化钨(WC）一钻(CO）系列硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钻粉末为粘结剂。这类硬质合金称为YG类硬质合金。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,三、硬质合金切削具钻头,硬质合金定型产品形状：,硬质合金切削具形状的确定和选择应考虑的因素：,(1)有利于破碎岩石；(2)有利于抗磨损；(3)有

16、利于抗断、抗崩；(4)有利于镶焊和修磨。,片状柱状针状,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,取心式钻头的结构要素有：,钻头体；切削具的出刃；切削具的镶焊角度；切削具在钻头上的排列和布置；切削具的数目；水口、水槽的形式与数目等。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,1）、钻头体,钻头体高度85mm，螺纹部分长度40mm，螺距4mm钻头内壁制成锥度，为了便于卡取岩心。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,2）、切削具出刃,为了使切削具顺利地切入岩石，冲洗液畅通，以及减少钻头体的磨损，切削具必

17、须突出于钻头体一定的量，此突出部分称为出刃。,出刃有内出刃、外出刃和底出刃,井壁,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,2）、切削具出刃,（1）内、外出刃,内、外出刃是保证钻具与岩心、钻具与孔壁之间留有间隙以及保持一定的孔径和岩心直径,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,2）、切削具出刃,（1）内、外出刃,内、外出刃的大小主要取决于所钻岩层。对于较硬的岩层，孔壁较稳固，钻速较低，产生的岩粉量也较少，故需要的冲洗液量也小，内、外出刃可取小值。对于软岩层，钻速大，产生的岩粉量大，需要冲洗液量也大，因此，内、外出刃应选大一些。,工

18、程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,2）、切削具出刃,（1）内、外出刃,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,2）、切削具出刃,（2）底出刃,底出刃大小必须满足h1和h0两部分所需的高度，即底出刃Hh0hl,h0是切入岩石的深度；h1是保证冲洗液畅通地清除岩粉和冷却切削具所需高度。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,3）、切削具的镶焊角,一个具有一定刃角的切削具以不同的镶焊角镶捍在钻头上，即有不同的切削角，可有不同的碎岩效果。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的

19、结构要素,3）、切削具的镶焊角,当=0时，即=900，切削具垂直于钻头唇面，称为直镶,当为正时，即 900称为正斜镶,当为负，即 900时，称为负斜镶,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,3）、切削具的镶焊角,切削角应根据所钻岩石来选定。一般钻进软岩，角选用小一些，=700800；对脆性和较硬的岩石，切削具主要是压碎和剪切作用破碎岩石，切削具被磨钝较为突出，因此最好用直镶或负斜镶，角选用900-1050。这样切削具的抗磨性能较好，同时岩屑也易排出。,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,3）、切削具的镶焊角,切削角影响切削具抗磨性能的情况如图所示

20、，当刃角一定时，假如磨损高度相同，则3种不同的切削角（1,2，3）的切削具磨损y后，切削具刃端与岩面的接触面积便不同。由图可知：S2S1S3所以，负斜镶切削具的刃比较锋利，易于切入岩石且其抗磨性能较好，因而多用于钻进研磨性强的较硬岩层。,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,4)切削具在钻头底面上的排列,切削具在钻头底面的排列，有均布排列和密集排列两种类型,均布排列,单环排列 多环排列,单环排列,多环排列,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,4)切削具在钻头底面上的排列,切削具在钻头底面的排列，有均布排列和密集排列两种类型,密集排列,堆状排列 硫松排列,堆状排列,疏松

21、排列,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,4)切削具在钻头底面上的排列,切削具在钻头底面上的排列形式，应考虑下列因素：切削具应成组地排列在钻头底端，每组完成一个环槽宽度的切削；有利于玻碎岩石，即将孔底环宽分成多环来分别破碎岩石，造成更多的自由面，有利于碎岩；尽量提高抗磨能力，并使各个切前具的磨损均匀，以免局部磨损过多而影响整个钻头的寿命。便于排除岩粉，减少岩屑对切削具的磨损和避免重复碎岩。,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,5）切削具在钻头底面上的数目,每组切削具完成一个槽宽的切削工作量。因此，在一定条件下，组数越多，单位时间内完成的切削量也愈大，钻速便愈高。其机

22、械钻速为：式中：v机械钻速；h切削具切入岩石的深度；q切削具的组数；n钻头的转数。,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,5）切削具在钻头底面上的数目,显然，当切入深度和转数不变时，钻头体上的组数愈多，机械钻速愈高。但切削具的组数受到每组切削具的排列方式及钻头直径的限制。由于在组与组之间还必须为冲洗水口留出一定的距离，因此，切削具在钻头体上可能的最大组数受钻头周长的限制。钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬度等因素而定。mP/s一般情况下，一个钻头上的切削具数目不少于4个。,工程钻探学课件,四、取心式硬质合金钻头的结构要素,6）钻头上

23、的水口和水槽,硬质合金钻头上必须有合理的水口和水槽，水口和水槽是冲洗液流经钻头到孔底并返回井筒的通道，它直接影响着冲洗岩屑和冷却切削具的效果，进而影响钻进效率和钻头磨损状况。,硬质合金钻头的各种水口和水槽,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,磨锐式硬合金钻头：是指钻头磨钝后可修磨锐利的钻头。为了使切削具容易切入岩石，把切削具磨成（制成）单斜面切削具。但是这种切削具在钻进中不断被磨损而变钝，如图所示。,取心式硬质合金钻头,磨锐式钻头自磨式钻头,1、磨锐式硬质合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,磨锐式硬合金钻头这种切削具在钻进中不断被磨损而变钝，因而钻速随着切削具磨钝而逐渐下降，如图

24、曲线I所示。岩石研磨性愈大，切削具磨损愈快，钻速下降也愈快。所以磨锐式钻头只适应于研磨性小的软及中硬岩石。,1、磨锐式硬质合金钻头,磨锐式和自磨式钻头的钻进曲线 I一磨锐式钻头；一自磨式钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,钻进的特点是：a 压入硬度较小，可在较小的轴向压力下切入岩石；切入深度较大，岩屑的颗粒也较大；b 钻速高，单位时间内产生的岩屑量大，故要求钻头易于排粉；c 该类岩层粘结性大，容易发生糊钻和遇水膨胀等问题，因此，钻具和孔壁间以及岩心管和岩心要有较大的间隙；d 岩层的研磨性较小，可以选用锋利的切削刃。,1、磨锐式硬质合金钻头,1）松软及中软岩层所用的钻头,工程钻探学课件,

25、五、取心式硬合金钻头,螺旋肋骨钻头：该钻头采用K572型硬合金切削具镶焊而成。钻头外面有3块与钻头底唇面呈450的螺旋肋骨，在肋骨上直镶T313型硬质合金。,1、磨锐式硬质合金钻头,1）松软及中软岩层所用的钻头,代表性钻头有：,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,螺旋肋骨钻头回转钻进时，流通截面大，可使孔底干净，从而提高钻进效率。螺旋肋骨钻头适用于钻进25级的岩层，覆盖层，粘土层，风化砂岩及铝土页岩等。,1、磨锐式硬质合金钻头,1）松软及中软岩层所用的钻头,代表性钻头有：,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,品字形钻头：此种钻头每组三颗硬质合金切削具呈品字排布，直镶的T107中间合金底出刃

26、大，起掏槽作用，两边合金起扩大自由面作用。适用于4-6级中硬岩层，如石灰岩、大理岩和粗砂岩等。,1、磨锐式硬质合金钻头,1）松软及中软岩层所用的钻头,代表性钻头有：,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,在该类岩层中钻进的特点是：a 岩石的压入硬度较大。为了保证切削具切入岩石，需有大的轴向压力，因此，要求切削具有承受较大的抗弯能力；b 切削具切入深度较小，钻速相对较低，所以单位时间产生的岩粉量也较软岩要少；c 同时一般岩石脆性较大、粘性小，排粉问题不很突出。因此，在这类岩层中钻进，主要的问题是碎岩和磨损。故切削具的排列应创造条件，有利于碎岩，有利于硬合金抗磨。,1、磨锐式硬质合金钻头,2）中硬

27、及较硬岩层用的钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,内外镶硬合金钻头：钻头上镶有K573型硬质合金，内外出刃一般为1-2mm，底出刃为2-3mm。切削具可斜镶也可直镶，孔底形成二环阶梯。适用于如均质石灰岩、大理岩、较松散的砂岩等。,1、磨锐式硬质合金钻头,2）中硬及较硬岩层用的钻头,代表性钻头有：,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,大八角硬合金钻头：钻头壁厚l 0mm，镶焊K534硬质合金，可斜镶也可直镶。用以钻进5-7级和部分8级不均质岩层。如长兴灰岩、硅化灰岩、凝灰岩等。,1、磨锐式硬质合金钻头,2）中硬及较硬岩层用的钻头,代表性钻头有：,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,为

28、了克服磨锐式钻头在钻进中不断被磨钝的问题，选用小断面切削刃（薄片或小圆柱），使在钻进中切削刃磨损后与岩石接触面积保持不变，即不会变钝，称为自磨式钻头。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,自磨式钻头的切削具由硬质合金和支撑体两部分组成。硬合金切削具有针状合金、薄片合金等；支撑体采用软钢片和软钢柱或粉末冶金等作胎块。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,自磨式硬合金钻头主要用于钻进硬而研磨性大的可钻性5-8级及部分9级岩石。在钻进中切削具刃与岩石的接触面积保持不变，始终保持一定的刻取岩石的能力，直到切削具磨完为止。所以自磨式钻头有比较稳定的机械钻速

29、，同时也有较长的回次进尺。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,胎块式针状硬合金钻头：这种针状硬合金钻头适宜于在6-7级及部分8级岩层中钻进，其机械钻速高，钻头寿命长，并且钻孔质量好，操作方便，成本低。这种钻头的胎块是预制品，各勘探队可根据需要，将胎块镶焊在钻头体上，供不同岩层条件下使用。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,胎块式针状硬合金钻头：,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,薄片硬合金钻头：该钻头采用1520mm的硬合金薄片。支撑钢片单粒为4520mm，双粒者为41020mm，内、外出刃皆为l.5mm。在主切削具

30、后面有5510mm方柱硬合金作为辅助切削具，它们共同组成一组，在 91钻头上镶焊3组。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,五、取心式硬合金钻头,薄片硬合金钻头：这种钻头适于钻进67级研磨性较大的中粒砂岩。试验表明，这种钻头比普通硬合金钻头在钻进5-7级研磨性大的岩层时，具有较大的优越性。一般回次进尺提高60%100%；机械钻速提高10-30，显示了自磨式钻头的优点。,2、自磨式硬合金钻头,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,1、全面钻进概述,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

31、，因此在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。,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,刮刀钻头,刮刀钻头是回转钻进中使用最早的一种钻头，它是在圆柱形壳体上，焊有侧向工作刀翼，刀翼上焊有薄片状硬质合金切削具，刀翼相对于钻头轴线垂直地布置，冲洗通道在刀翼之间，液流朝向孔底的周边部位。,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,刮刀钻头,刮刀钻头是回转钻进中使用最早的一种钻头，它是在圆柱形壳体上，焊有侧向工作刀翼，刀翼上焊有薄片状硬质合金切削具，刀翼相对于钻头轴线垂直地布置，冲洗通道在刀

32、翼之间，液流朝向孔底的周边部位。,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,刮刀钻头,依刀翼的数目，刮刀钻头分为：(1)两翼刮刀钻头（鱼尾钻头）；(2）三冀乱刀钻头；(3）四冀刮刀钻头。翼片切削具采用直镶，多用于钻进软中硬岩层。,两翼刮刀钻头,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,刮刀钻头,依刀翼的数目，刮刀钻头分为：(1)两翼刮刀钻头（鱼尾钻头）；(2）三冀乱刀钻头；(3）四冀刮刀钻头。翼片切削具采用直镶，多用于钻进软中硬岩层。,三翼刮刀钻头,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质

33、合金全面钻进钻头的类型,刮刀钻头,依刀翼的数目，刮刀钻头分为：(1)两翼刮刀钻头（鱼尾钻头）；(2）三冀乱刀钻头；(3）四冀刮刀钻头。翼片切削具采用直镶，多用于钻进软中硬岩层。,四翼刮刀钻头,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,刮刀钻头,刮刀钻头刀翼的结构参数,刮刀钻头的刀翼是碎岩的主要部件，刀翼的几何形状对钻头的钻进效率和钻头的寿命影响很大。,工程钻探学课件,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,刮刀钻头,刮刀钻头刀翼的结构参数,（1）刃尖角：表示刀刃的尖锐程度。越 小，切入岩石的能力越强但强度小。软岩层810；岩石较硬1215；孔较

34、深时角也适当增大。,工程钻探学课件,刮刀钻头,刮刀钻头刀翼的结构参数,（2）切削角：角越大，吃入深度越深，但角过大时，剪切破碎困难，钻进阻力大。一般=7085，软地层角应小一些，硬地层角大一些。（3）刃后角：=-。,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,锥形三翼钻头,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,四翼阶梯笼式钻头,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,笼式全面钻头,六、硬质合金全面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,KDJ-1500型扩底钻头,六、硬质合金全

35、面钻进钻头,2、硬质合金全面钻进钻头的类型,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,钻进规程：是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压、转速、冲洗介质的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量（冲洗液量或泵量）等工艺参数。生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,1）、最优规程：指在一定地质条件和钻进方法下，为保证钻孔质量，获取最高钻速或最低钻进成本而选择的钻进参数搭配。每米钻进总成本(元/m)

36、Cb钻头价格；Cr钻机单位时间费用；H钻头进尺。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,1）、最优规程：,变换得：(元/m)vm机械钻速，m/h；t纯钻时间，h；k=t1/t、K1=T1/t、K2=T2/t；,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,1）、最优规程：,对于一定的钻孔、设备和孔深，k、K1、K2基本上为一经验值。依据C=f（vm），求出对应于最低成本Cmin的最优钻速vm优，并由此可确定最优的钻压、转速等规程参数。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,2）、合理规程

37、在给定条件下，当规程参数选择受到某种制约时（例如设备功率不足，钻具强度不够、冲洗液泵量不足等），在保证钻孔质量的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,1、概述,3）、专用规程 为完成特种取心，纠斜，定向钻进等任务所采用的参数组合称为专用规程。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,钻压是孔底碎岩的必要条件。钻压的大小决定着碎岩的方式和特点，它直接影响钻进速度。,1）钻压的确定,钻压对机械钻速的影响,机械钻速与钻压的关系是：机械钻速随着钻压的增加而不断地增大。具

38、体可分为3个阶段：表面破碎阶段、疲劳破碎阶段、体积破碎阶段。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,机械钻速随着钻压的增加而不断地增大。随后增加钻压钻速是下降的。,1）钻压的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,机械钻速下降的原因是：在钻进过程中，切削具逐渐被磨钝后，切削具与岩石的接触面积逐渐增大，使切削具接触面上的压强减小，以致低于岩石的压入硬度，因而碎岩方式由体积破碎过渡到疲劳破碎，甚至表面破碎，钻速急剧下降。,1）钻压的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻

39、进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,具体实施时，确定钻压必须考虑岩石的状态、钻头的类型、钻孔深度和钻具强度等因素。例如：钻进粘结性的软岩时，钻压应选得小一些，以免堵水糊钻；钻进研磨性较大的岩层时，钻压应适当加大一些，以免钻压不足而造成钻头过早磨钝；钻进裂隙性岩层时，则钻压应适当降低一些，以免崩刃等。,1）钻压的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,钻头的转速，即钻头每分钟的转数。在钻进中，用以衡量钻头回转速度的指标有：转速(n)每分钟的转数；周速（v)钻头切削具的圆周速度。两者的关系是：,2）转速

40、的确定,v钻头的圆周速度，m/s n钻头每分钟的转数，r/min D钻头直径，m,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,转速对不同硬度岩石的碎岩状态的影响是不同的：由图可知：在粘土类岩石（曲线1）中，机械钻速几乎随转速成正比地 增长；在坚硬的，高研磨性的岩石（曲线）中，机械钻速随转速增加而增长得相对缓慢些；而在中等硬度的，研磨性较小的岩石（曲线）时，则介于前两者之间。,2）转速的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,在坚硬的，高研磨性的岩石（曲线）中，机械钻速随转速

41、增加而增长得相对缓慢些；若超过极限转速no 继续增加转速时，将导致机械钻速的下降。,2）转速的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,另外，提高转速还受到钻杆柱的强度，钻杆柱工作稳定性的限制，以及钻杆结构和钻探设备能力的限制。缩小钻孔直径，改善钻杆柱在孔内的工作状态和采用乳状液等润滑措施，以减小其回转磨阻，在这样的条件下，转速可以提高到较高的水平。,2）转速的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,在钻探中，将由泵送入孔内的冲洗液的流量称为冲洗液量或泵量。,3）冲

42、洗液量的确定,送入孔内的冲洗液量，主要是用于清除孔底产生的岩粉和冷却钻头。孔底的清洁状态对钻进影响很大，把孔底破碎下来的岩屑及时冲离孔底，就为连续破碎岩石新鲜面创造了条件，从而避免重复破碎岩屑和无益地消耗功能。同时，孔底清洁也减少了钻具的磨损和防止某些孔内事故的发生。随着冲洗液量的增加，对孔底清除岩粉和冷却钻头的能力也增强。,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,因此，在硬质合金钻进中，尽可能采用较大的泵量是有益的。但是过大的泵量，即工作泵压增大。一方面直接增加了冲洗泵的负荷；另一方面，过大的泵量还会带来在软地层冲毁岩心和孔壁的问题

43、，并且在岩心顶端造成很大的压力，使岩心劈裂而发生岩心堵塞，降低岩心采取率。因此泵量应有一个合理的值。,3）冲洗液量的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,一般说来，岩石可钻性级别越低，转速越大，机械钻速越高，则所用的泵量应越大；孔径越大，所用的泵量也越大。泵量应有一个合理的值。冲洗液的排粉、冷却、润滑和护壁诸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此为依据来选择泵量。,3）冲洗液量的确定,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,钻压、转速和泵量对钻进速度都产生影响，而各参数

44、之间又是相互关联的，并且各钻进参数都存在着各自的最优值。但是不同的岩石具有不同的可钻性和不同的研磨性，在各参数的相互影响下，这些最优值都会有所改变。,4）各钻进参数间的配合关系,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,一般说来，用磨锐式硬合金钻头钻进，由于切削具的强度和耐磨性的限制，对于不同的岩石，应当有综合的最优钻进规程参数。,4）各钻进参数间的配合关系,对于软岩研磨性小、易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；,工程钻探学课件,第一节 硬质合金钻进,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻

45、头的钻进规程,研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；,4）各钻进参数间的配合关系,定性分析的原则是：钻进45级及以下岩层，以较高转速为主；钻进56级 及以上岩层，应以较大的钻压为主。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,用磨锐式硬合金钻头，在岩层中钻进时，其瞬时机械钻速将随着切削具的不断磨钝而降低。因此，从瞬时机械钻速来说，早一些结束钻程是有利的，这样可获得较高的平均机械钻速。但是在钻进工作中，结束一个钻程，完成一回次，还必须进行起、下钻具的工作，假若过早结束钻程，必将导致大部分时间消耗在起、下钻

46、工序上，对整个回次来说是不利的。当瞬时钻速下降到什么程度起钻换钻头最好？,5）最优回次钻程时间的确定,思路原理是：,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,确定最佳回次钻程时间的标准是：回次钻速达最大值。,5）最优回次钻程时间的确定,思路原理是：,钻头在 t 时间内的累计进尺为H,回次钻速VR,VR回次机械钻速；H回次进尺；t-纯钻进时间；T-消耗在起、下钻具工序的时间（在一定孔深下可视为一定值）。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次钻程时间的确定,思路原理是：,瞬时机械钻速VM,VM=,平均机械钻速

47、VA,VA=,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次钻程时间的确定,思路原理是：,瞬时机械钻速曲线VM与平均机械钻速曲线VR的交点，也就是VM=VR时，其对应的时间即为最优钻程时间t0,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次钻程时间的确定,在实际工作中，用以确定最优钻程时间t0的办法有：,l)利用VMt和VRt两曲线的交点来确定to，在钻进过程中，随时计算VM=VR=H/(t+T)。当两者相等时，此时间即为最优钻程时间t0,即结束钻程而起钻。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、

48、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次钻程时间的确定,在实际工作中，用以确定最优钻程时间t0的办法有：,2)利用回次进尺曲线的相应切点来确定to如图所示，起下钻所需的时间为T，在横坐标0点的左边确定A点，使OA=T,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次钻程时间的确定,在实际工作中，用以确定最优钻程时间t0的办法有：,2)利用回次进尺曲线的相应切点来确定to当直线AB与Ht曲线相切时，to=为最大值，也即VR为最大值。与该切点相对应的时间即为to。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,2、磨锐式硬质合金钻头的钻进规程,5）最优回次

49、钻程时间的确定,在实际工作中，用以确定最优钻程时间t0的办法有：,2)利用回次进尺曲线的相应切点来确定to在实际应用中，当某一孔深的T确定后，即A点确定后，可依A点为中心，用一直尺的边代替AB，随着钻进，不断绘出H-t曲线。当直尺与曲线相切时，便可结束钻程而起钻。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,3、自磨式硬合金钻头的钻进规程,自磨式硬合金钻头的钻进与磨锐式硬合金钻头不同，因而确定其钻进规程参数的依据也就不同。在自磨式硬合金钻头钻进时，硬合金切削具与岩石的接触面积不变，因此，其机械钻速基本是稳定的，回次进尺也较长，不受机械钻速不断下降的影响。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进

50、规程,3、自磨式硬合金钻头的钻进规程,在自磨式硬合金钻头钻进过程中，主要是要求硬合金切削具随着磨耗而能适时适量地从胎块中裸露出来。切削具过早过多地出露便会折断；过晚出露则会影响机械钻速。对于不同岩石，钻进规程的配合，便要从这点出发。,工程钻探学课件,七、硬质合金钻头的钻进规程,3、自磨式硬合金钻头的钻进规程,以胎块式针状自磨式硬合金钻头为例。实践表明，它比普通硬合金钻头需要更大的钻压。因为钻头的胎块中所含的硬合金切削具与岩石接触的总截面积，大约相当于同直径磨锐式硬合金钻头的切刃磨掉1/3高度时的总截面积；同时，还有一部分钻压需消耗在胎块的磨蚀方面，所以需采用较大的钻压来钻进。大约需总钻压应大于