金刚石钻进培训课件.doc

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1、金刚石钻进培训课件第1节 概述 金刚石(diamond)是现已发现的硬度最大的矿物。金刚石的主要特性：金刚石的晶体结构为正四面体，元素为C，硬度最大、抗压强度最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。 一、分类(Classification) 金刚石按成因可分为天然(Natural diamond)和人造(Synthetic diamond)的两大类。 天然金刚石按品种、用途不同分为9个等级。地质钻探(diamond for drilling) 、建筑工具所用金刚石列为第9级。 人造金刚石分单晶(Monocrystalline diamond)、聚晶(Polycrystalline diamon

2、d)和复合片Polycry-stalline diamond compact)三种。(也有分两种的)二、与钻探有关的物理性质1、硬度(Hardness) 金刚石的莫氏硬度是10级，金刚石的压痕硬度大约是碳化钨的3.7倍、刚玉的4.4倍、石英的8.5倍、碳化硼的3.1倍、立方氮化硼的1.56倍。2、强度(Strength) 金刚石具有极大的静抗压强度。天然金刚石的抗压强度为8.8GPa，但抗冲击强度、抗弯强度小、脆性大，受冲击易产生裂纹甚至破碎所以在钻进时要避免冲击、碰撞。3、耐磨性(Wear resistance) 金刚石的硬度高、弹性模量大、摩擦系数小，故具有极高的耐磨性和研磨能力。4、热性

3、能(Thermal properties) 热稳定性：指在高温下性能的稳定程度。金刚石在低温时的热膨胀系数仅为(914.5)*10-7；热稳定性差；具有良好的导热性，容易吸热和散热；温度对其影响较大：温度升高，强度降低。5、化学性质 常温下金刚石不与酸反应，与碱起缓慢反应，具有十分好的化学稳定性；在沸腾温度下，硝酸、氢氟酸、王水对金刚石的质量有影响；金刚石能溶于硝酸钠、硝酸钾及碳酸钠的熔融体中；在高温下，某些金属如铁、镍等能溶解金刚石。三、钻探用金刚石的粒度与品级 金刚石的计量单位为克拉（carat），度量常用一克拉多少粒表示（对于粗颗粒而言），或“目”表示。四、金刚石钻头和扩孔器的制造方法1

4、、金刚石钻头的分类 据镶嵌型式分为表镶；孕镶。据制造工艺分为冷压浸渍；热压烧结；无压浸渍；低温电镀；电火花烧结。2、制造：为保证钻进时孔径不致因钻头磨损而缩小，应在金刚石钻头的上部安置一个金刚石扩孔器。扩孔器制造方法与钻头制造方法相同五、金刚石钻进的特点 是目前效率较高的一种钻进方法，是加快地质勘探速度，提高钻孔质量的一个有效途径。具有很多的优越性：钻进效率高，在岩石愈硬的地层，钻进效率提高的幅度愈大；钻孔质量好，岩心采取率比较高，岩心完整、光滑；孔内事故少，应用范围广第二节金刚石钻头破碎岩石机理金刚石钻头破岩过程中存在研磨、切削、压碎、压裂等破岩形式，对不同岩石类型应采用不同的钻头类型和规程

5、参数，各种破岩形式所占的地位也不同。一、表镶金刚石钻头单粒出刃较大似球体。 破碎坚硬脆性岩石时，破碎方式以压裂、压碎加体积剪切为主，切削破碎方式是次要的；破碎塑性大的硬及中硬岩石时，主要以切削方式破碎岩石为主、压裂压碎为辅。表镶金刚石切削碎岩的基本过程 ： 在轴向力和切向力共同作用下，金刚石一方面吃入岩石，产生类似压入碎岩的作用，同时在金刚石转动的前方，则以剪切作用产生贝壳状剪切体，且在靠金刚石一侧的厚度最大。金刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体如上图。 用金刚石切削典型的脆性体光学玻璃时，其剪切破碎作用发育得十分完全，同时在切槽内部产生相应的裂纹，并有超前裂纹。其裂纹状况与大、小剪切相互

6、对应。随着岩石塑性系数的增大，其剪切破碎效果较差。在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度，又表示选用工具和工艺的优劣程度。图中：切削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细斑岩。二、孕镶钻头 所用的金刚石的粒度小，而且藏于胎体之中，其实际破岩机理和砂轮磨削类似。刃具面多而小的硬质点金刚石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压裂压碎。因此孕镶钻头要取得应有的效率需要高转速工作，为了有效地磨削岩石，需要使胎体适当地被磨蚀。孕镶钻头工作实质：1、依靠小而多的硬质点(金刚石)刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得应用效率；2、胎体应有自磨自锐作用。根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为：

7、1、保持金刚石上的轴向力为一定值，称为自由给进；2、保持金刚石的切削深度为一定值，称为强制给进。孕镶金刚石钻头钻进是自磨自锐性质，在保持正常钻进的状态下，其钻速应当是一定的，即钻头每转的切入量应是一定的。钻头每转的切入量是评定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一第三节金刚石钻头和扩孔器 金刚石钻头与扩孔器是直接破岩的工具，质量与岩层适应程度直接影响钻进效率、质量和成本。一、 金刚石钻头的技术参数 影响钻头适应性的主要技术参数包括胎体的端面形状、性能，水路系统，金刚石的质量、粒度、出刃量、浓度、排列等。1、 钻头的钢体 钻头的钢体用中碳钢制成，为了加强钢体同胎体的粘结强度，钢体下端加工成棱嵌式、阶梯

8、式、方形或螺纹形等。 钢体主要分为单管和双管：2、 胎体的唇面形状 孕镶金刚石钻头的唇面形状多为平底唇面，钻进过程中会自然形成圆弧形。因钻头壁较厚或钻进坚硬而弱研磨性岩层时,钻头容易打滑，往往把唇面制成同心环或交错环的锯齿状。为了克服在钻进坚硬岩层时钻头内、外环磨耗不均，将钻头制成梯形唇面。 表镶金刚石钻头的唇面形状有多种，随岩石的性质、钻头壁厚、工作稳定性和要求不同来选用。3、钻头的水口和水路 钻头的水路包括钻头的水口和水槽。 常用的几种水品及水槽形状: 直水口; 正螺旋水口; 反螺旋水口; 底喷水口.钻头的水路要保证钻头破岩面上的热量及时被冲洗液带走，有效地冷却钻头和金刚石；大部分冲洗液经

9、钻头内壁水槽均匀分布到整个钻头端面；水口的形式有直水口、正螺旋水口、反螺旋水口及底喷水口等。4、金刚石在唇面上的排列 金刚石在唇面上的排列和分布是表镶钻头的一个重要结构参量； 金刚石面上的三种排列方式: 放射状; 螺旋状; 等距状.钻进过程中，边刃负担最重，其次为底刃，再次为侧刃；优质金刚石用于边部，品级较高的用于底部，品级较低及回收金刚石用于侧部。充满度：单位面积内摆放金刚石的数目。充满度过小，金刚石工作面过小，相对单粒金刚石负担过大，钻头寿命短；充满度过大，钻头成本高，且影响孔底冲洗。金刚石在钻头唇面上的排列方式有放射状、螺旋状和等间距状。 金刚石在钻头唇面厚度方向多采用同心环状排列，并在

10、径向必须有一定的重叠度，减少钻头部位拉槽的可能性。5、金刚石的粒度 金刚石的粒度决定了金刚石在钻头唇面的出刃高度、分布密度、切入岩石的深度、金刚石与岩石的接触面积和孕镶钻头的自锐能力等，对钻进指标有明显影响。 岩层越硬、越致密，越应选小粒度的金刚石钻头。6、金刚石的含量金刚石的含量取决于钻头直径和岩石性质： 钻头直径大，克取岩石面积大，所需金刚石的数量多；同一直径的钻头，岩层研磨性强，金刚石磨耗快，金刚石的数量也应增加.金刚石浓度：是胎体工作层单位体积中所含的金刚石量（体积浓度）。对孕镶钻头金刚石含量还与金刚石的浓度有关： 确定胎体的金刚石浓度时，应考虑岩石性质和金刚石的质量、粒度，岩层愈坚硬

11、、致密，金刚石的浓度应降低，金刚石质量好、粒度细、浓度取低值，反之，取高值。7、胎体的性能胎体成分主要由骨架材料和粘结金属组成，改变骨架材料和粘结金属的配方就能改变胎体的硬度和耐磨性； 对于表镶钻头，胎体的作用主要是牢固包镶金刚石并与钻头体牢固焊接； 对于孕镶钻头，胎体的作用除了牢固包镶金刚石与钢体牢固焊接外，还要保证金刚石在钻进过程中有自锐作用； 胎体硬度和耐磨性应与所钻进的岩层相适应； 胎体的磨耗略超前于金刚石磨耗，使得金刚石在旋转方向的背后形成蝌蚪状的胎体支撑，用手触摸时有粗糙感。8、保径层 表镶钻头因有内外侧刃，无需保径； 孕镶钻头通常采用人造聚晶金刚石、针状合金或质量差的天然金刚石进

12、行保径补强，提高内外径的耐磨性 二、金刚石扩孔器 金刚石钻头一般要配用扩孔器。扩孔器位于钻头和岩心管之间，直径略大于钻头直径：一般大0.5mm。扩孔器的作用： （1)修整孔壁，保持钻孔直径均匀，避免或减少新钻头扫孔； (2)增加钻具的稳定性，减少摆动现象，提高钻头的寿命。三、金刚石钻头的制造1、无压浸渍法主要用于制造表镶钻头。 先将金刚石按设计要求摆放入石墨模具上预先准备的坑内，再把骨架金属放入模槽，并安放钻头钢体。装模后轻轻敲击模壁，使骨架粉末密实。最后把粘结合金碎片放于模心之内，上面撒上助熔剂和保温砂，即可放入马弗炉中加热烧结。当温度达到1100度时，粘结金属熔化，很快渗入骨架金属之中，形

13、成有硬质点的胎体，把金刚石与钻头钢体粘结在一起。也可制造扩孔器。2、热压法主要制造孕镶钻头。 先将胎体的骨架金属粉末和粘结金属粉末按设计比例混合，并在胎体工作层混入一定浓度的金刚石，装入石墨模具内。在电阻热压炉上烧结，边加温边加压，按照设计的烧结工艺流程（一般全压1015MPa，最高温度1000度左右）即可制成孕镶金刚石钻头。3、电铸法主要制造孕镶钻头。 原理：在电镀槽内将镍、钴一类金属沉积到钻头体上，同时分层分次把金刚石微粒撒到电镀面上，利用沉积的金属把金刚石孕镶在胎体中。也可制造扩孔器。 优点：在制造中金刚石不接触高温。第四节金刚石钻进规程钻进规程包括钻压、转速和冲洗液量3个参量。表镶和孕

14、镶金刚石钻头的特点和碎岩机理，决定它们必须采用以高转速为主体的钻进规程。特别是孕镶钻头，由于粒度小，切入量有限，要获得较高的钻进速度必须依靠高转速。同时，考虑到金刚石性质较脆和不耐高温等弱点，必须配合适当的钻压和足够的冲洗液量。评定金刚石钻进规程是否合理，要综合钻速、钻头的总进尺和单位进尺金刚石的耗量3个方面的指标来衡量。一、钻压 钻压对钻速和金刚石钻头磨损的影响分为三个区域：（I）表面研磨破碎（II）疲劳破碎区 （III）钻压切入岩石的体积破碎区钻压的计算公式： （1）表镶金刚石钻头的钻压：P = Gp。 式中钻头上金刚石的粒数，粒； p单粒金刚石上允许的压力，kgf/粒。对细粒金刚石：p

15、.kgf/粒；对中粒金刚石：p 1.5 kgf/粒；对粗粒金刚石： p kgf/粒。2、孕镶金刚石钻头的钻压 q 式中：钻头实际工作唇面面积，cm2；q单位底唇面积允许的压力， kgf/ cm2对中硬岩石：q 4050 kgf/ cm2 ；对坚硬岩或金刚石质量高的钻头：q6070 kgf/cm23、不同金刚石钻头的钻压推荐值 实际影响钻压的因素很多，在生产中钻压的确定必须依具体情况分别对待： （）岩石的性质：在破碎、非均质岩石中钻进，应视裂隙密度适当减小钻压，一般降低25%40 %，在研磨性岩层中钻进应适当降低钻压，幅度为20%30 %。 （）钻头的类型和技术参数 表镶钻头的钻压要适当稍大于孕

16、镶钻头的钻压。钻头口径大、壁厚、胎体较软时，应采用较大的钻压；反之应采用较小钻压。钻头上的金刚石质量好、数量多、粒度大时，应选用较大的钻压；反之，应选用较小的钻压。（）钻头的初磨 新钻头在使用时先进行初磨，即采用较小钻压和转速；正常钻进时不要轻易改变钻压；钻头磨钝时，转速下降，可适当增加压力；切忌盲目加压，以免损坏金刚石钻头。二、转速 1、转速是影响金刚石钻进效率的主要因素，在通常条件下，转速越快钻速越高； 2、转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其它条件正常，二者之间存在一个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量最小； 3、在选择转速时还应注意钻杆转动的稳定性，因为往往在某一转速时，钻杆便发生强

17、烈振动，此时金刚石的单位磨耗量急剧增加；4、金刚石钻头的转速一般根据其圆周线速度计算。5、金刚石钻头的转速可按下式计算：n=60VR/ D；式中： n钻头的转速，r/min； D钻头直径，m； VR推荐的线速度，m/s。影响钻头转速的因素很多，在生产中应根据实际情况进行适当地调整：（1）岩层的性质：在中硬完整的岩层中钻进，可采用高转速；在岩层破碎、裂隙发育、软硬不均、孔壁不稳、孔径不均匀，应采用较低的转速。 （2）钻孔的结构和深度：钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大，应尽量选用高转速钻进；反之，则须降低转速。在实际钻进中，常常随钻孔的延深不断降低转速。 （3）钻探设备：如果钻机的稳定性差，钻杆

18、质量不好，钻头转速要相应降低；钻具级配不合理也应降低转速；如果采用优质冲洗液或减振润滑剂及其它减振措施，则钻头转速可提高，反之应降低转速。三、冲洗液量 1、冲洗液量指送往孔内的水量。冲洗液量是金刚石钻头的另一重要规程参数，它必须保证有效地冷却钻头和清除岩粉。在孕镶钻头钻进中,有时还利用它的变化来调节钻头的金刚石出刃。 就冲洗液本身的性质而言，它还有保护孔壁和润滑钻具等功能。 在实际钻进中，排粉所需冲洗液量大于冷却钻头所需冲洗液量，这是确定冲洗液量的主要因素。 冲洗液量不足，使岩粉堆积于孔底，降低机械钻速，增大钻头金刚石和胎体的磨损，散热困难易烧钻，减少钻头寿命。冲洗液量太大，使钻具的离举力增大

19、，抵消一部分钻压，同时会冲坏孔壁、冲蚀岩心，易造成岩心堵塞事故，甚至造成钻具的振荡。 以冲洗液的上返流速来计算金刚石钻进所需的泵量，即：Q = 6 V F； 式中：Q冲洗液量，l/min；V环空间隙上返流速，对金刚石钻进v0.30.5m/s；F钻孔的环空面积，cm2 金刚石钻进中常用的冲洗液量如下表：冲洗液量的选定根据实际生产需要综合考虑： （1）岩层性质及完整程度：钻进坚硬致密岩石时，钻速低、岩粉少，可选用较小泵量； 钻进中、硬、颗粒粗的岩层时，钻速高，应选用较大泵量； 钻进研磨性较高的岩层，适量增大泵量以增强冷却(泵量增加不宜超过30%40%)，泵量太大，携带岩粉的高速液流会严重冲蚀胎体而

20、使金刚石过早脱落；钻进弱研磨性岩石时，在钻头端面必须保持有一定数量的岩屑，以免岩屑磨损胎体使金刚石出刃，因而要减少泵量； 泵量的选择要考虑地层的裂隙程度，补偿冲洗液的漏失。（2）钻头类型 孕镶钻头由于金刚石粒度小，为了及时冷却金刚石和胎体，应采用较大的泵量和较高的泵压强制循环； 表镶钻头金刚石出刃量比孕镶钻头大，排粉和冷却条件好，泵量和泵压可以稍小些。 钻头的胎体、水口、转速、钻压和钻速及冲洗液本身性能等对泵量都各自有不同的影响。(3)泵压 泵压表示冲洗液流经循环系统的总阻力。 借助泵压的变化判断冲洗液的循环状况和 孔底钻进的工作状况： 泵压发生小幅度上升或下降，一般是孔底换层的征兆，这时要注

21、意进尺的情况；在钻进效率突然降低，或不进尺的同时，泵压猛然大幅度增高，通常是发生严重岩心堵塞的反映，要尽快将钻具提离孔底，否则就可能发生烧钻事故；如果泵压突然大幅度下降，通常是钻具折断或脱扣，应停止钻进进行检查。第五节金刚石钻进技术1、钻具的组配 (1) 钻具的分类： 单管钻具；普通双管钻具；绳索取心用双管钻具。（2）钻进前钻具组配工作应注意的问题：钻具的级配：钻具级配指钻杆与钻头外径的配合关系，二者的外径差小，钻杆柱稳定，级配就好。 扩孔器与钻头的配合：扩孔器的直径应比钻头直径大0.30.5mm，在硬岩中一般不能超过0.3mm。扩孔器外径过大，易加剧自身的磨损；过小，起不到扩孔保护钻头的作用

22、。 双层岩心管金刚石取心钻具组合：1岩心管接头；2外管；3.内管4扩孔器；5卡簧（生产中也有用砂子扭断岩心）；6卡簧座；7钻头（3）卡簧与钻头的配合：卡簧自由内径比钻头内径应小0.3mm左右，最大不超过0.5mm；卡簧的作用是卡取岩心，过小岩心易堵塞，过大，卡心不牢，岩心易脱落。（4）内管底端与短接和卡簧座的配合：内管底端与短接和卡簧座3个部件装好后，将双管钻具放在垂直位置时，它们不致自由脱落，而且稍加用力才能拔开。这样可防止部件在钻进中脱落，造成蹩水和岩心堵塞。另外，双管钻具组装后，卡簧座底端离钻头台阶应有34mm的间隙，同样是为防止蹩水和岩心堵塞。 二、钻头的选择和使用1、选择的原则* 软

23、、中硬和完整均质的岩层宜用表镶钻头；硬的、坚硬和硬脆的、软硬不均的、裂隙性岩层宜用孕镶钻头。 岩层研磨性愈强、愈硬，选用的金刚石粒度越细，金刚石品级应愈好。高研磨性岩层和特硬岩层均宜用孕镶钻头。钻头胎体硬度应根据岩层的研磨性、破碎程度、硬度、颗粒等因素选择。一般岩层研磨性强、破碎严重、较软、颗粒度粗的，应选用硬的胎体；反之，研磨性弱、均质完整、硬度大、颗粒细的岩层，应选用软的胎体。 2、使用 （1）钻头排队使用：依孔(身)结构、岩性及每孔可能用钻头数量，按钻头内径大小排队用，尽量减少扫孔工作量。同一批钻头和扩孔器，使用前用游标卡尺测量内外径，并将数据及胎体硬度记在钻头的卡片上。先用外径大、内径

24、小的钻头，减少卡钻或扫孔工作量，避免岩心堵塞。每次下入的钻头与前个回次钻头直径差要小：89级岩石 0.1mm；1012级岩石 0.05mm。钻完硬岩后较好的钻头用于钻软岩（2）与针状合金分层混合使用：针状合金钻进7级以下中硬和软岩层，用金刚石钻进7级以上硬岩层； （3）合理地控制时效：时效过高影响钻头寿命；时效过低，得不到较高的经济效益。在钻压和转速的乘积为临界值的条件下，可能发生烧钻事故，因此，必须合理控制规程参数，不要盲目追求时效3、钻具的振动及其预防 转速的高低对钻进有极大的影响，一般情况下，高转速比低转速好，但实行高转速钻进时，钻具会产生不同程度的振动。钻具的振动不仅会影响钻进效率，而且使金刚石严重损坏。产生振动的原因很多，大体分为技术设备、工艺和地质方面的原因。除地质原因外，其它方面可以采取一定的措施加以预防：（1）使用减振器防振 减掁器装于钻杆和岩心管之间，钻杆引起的振动被减掁器的弹簧吸收，增加钻具的稳定性。（2）使用稳定接头减振 稳定接头用于增加粗径钻杆具的稳定性。注意：不使用已经弯曲和磨偏的岩心管及磨钝、磨偏的钻头，适当加长岩心管。（3）使用减振润滑剂 在钻杆柱上涂防掁乳化液或润滑剂：吸收钻杆对孔壁的冲击、减少钻杆与孔壁的磨擦力。 KABC15润滑剂配制：将黑机油烧开（占65%），依次加入松香粉（20%）、沥青（10%）、石蜡（5%）不断搅拌，直完全溶合。