第二章 硬质合金钻进.doc

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1、第二章硬质合金钻进图21硬质合金钻具1—合金钻头；2—岩心管；3—异径接头；4—钻杆接头；硬质合金钻进是把不同几何形状和一定尺寸的硬质合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上，并按一定钻进规程破碎岩石而钻孔的方法。硬质合金块是一种很硬的、强度很高的合金材料，最初应用于金属切削工具上，二十世纪初开始应用于采矿和石油钻井以及地质勘探钻孔作业中。目前我国和世界各国在石油钻井和地质勘探钻孔中已广泛应用硬质合金。硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年的钻探工作量，用硬质合金钻进法完成的约占60%；在煤田地质勘探中约占80%。硬质合金钻进，一般适用于可

2、钻性为1～6级及部分7～8级的岩石。钻孔直径为35.5mm直至2000mm，常用的钻头直径为75、91、110、130、150mm等规格。硬质合金钻进可钻进任何角度的钻孔。其钻具组装如图21所示硬质合金钻进的优点是：在软岩及中硬岩石中钻进效率高，钻进质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻进操作简便，钻探方法灵活，应用范围广泛。一般情况下，影响硬质合金钻进效率的主要因素有：岩石的性质、硬质合金钻头的质量及钻进时的操作技术和钻进规程等。第一节硬质合金钻进原理硬质合金钻进是以坚硬的硬质合金作切削具来破碎（切削）岩石，即在轴向压力和钻具回转力作用下，

3、由硬质合金克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。我们研究硬质合金钻进时，应研究以下四个过程；(1)硬质合金钻头通过轴心压力和钻具的回转作用，克取破碎孔底岩石；(2)被克取破碎的岩石颗粒由注人孔内的冲洗液排出孔外；同时，冲洗液还起着冷却钻头的作用；(3)钻进过程中，在岩石被克取破碎的同时，合金本身不断磨钝和磨损．因此必须定时更换钻头；(4)钻进过程中必须定期采取岩(矿)心。在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研究硬质合金钻进原理时．应重点研究硬质合金钻进破碎岩石的过程和硬质合金本身的磨损问题。硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即塑性岩石

4、破碎过程和脆性岩石破碎过程。前者是将岩石破碎过程看成具有明显的高塑性，因而钻进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后者考虑到岩石破碎过程中存在着脆性破碎，因而是在孔底碎岩机理的基础上进行分析。硬质合金钻进的基本情况如图22所示。钻进时，合金受到两个力的作用。即轴心压力Py和回转力Px。当轴心压力Py达到一定值后，合金对岩石的单位压力超过岩石的抗压入阻力，合金便切入岩石一定深度h0；与此同时，在回转力Px的作用下，向前推挤岩石，如岩石较脆，则受力体被剪切推出；若岩石较软呈塑性体，则合金前部的岩石便

5、被切削去一层，孔底工作面呈螺旋形式而不断加深。图22硬质合金钻进的基本情况Py—轴向力；Px—回转力；h0—含金切人深度；b—切削宽度(切削具宽度)图23合金切入塑性岩石时的受力情况Py—轴向力；β—刃尖角；h0—切入深度;γ—刃尖切入角;N1—后面轴正压力;N2—前面正压力;φ—摩擦角;tagφ—摩擦系数钻进塑性岩石时，只有加在合金上的轴心压力C0大于与岩石接触面上的抗压入强度时才能切入。即：C0>δS0式中：δ岩石的抗压入强度；S0合金刃与岩石的接触面积。钻进时，机械钻速主要取决于合金切入岩石的深度；而切入深度则取决于轴心压力C

6、0和岩石性质，并与钻头的转数、合金数量及其几何形状有关。钻头上的合金(切削具)切入岩石时的理想受力情况如图2—2所示，在轴心压力G(即Py，)的作用下，合金开始切人岩石。由于岩石对切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿着与垂直方向呈交角γ的方向向下移动；γ角的值主要取决予岩石对合金间的摩擦系数和刃尖角。在合金切人岩石的过程中，合金的后面与前面分别遇到法线阻力N1和N2(见图23)；若将这些力分别投影于z轴和y轴上时，解之，便可解得切人深度h0。与各种因素的关系：沿水平方向投影：化简后得：(21)沿垂直方向投影：则为：(22)在合金

7、切人岩石时，当岩石的抗压人强度值为σ，则切削具后刃面上的单位压力为δn：当合金后刃的宽度为b=R-r时(见)即可得N1，为：式中：R—合金外环半径；r—合金内环半径。将N2与N1代人式(01)中得：若设：，则有：(23)从上式中可以看出，切人深度h0与轴心压力C0成正比，而与合金的宽度b、刃尖角β以及岩石的抗压入强度σ成反比．这在塑性岩石中是符合实际情况的。当合金切人岩石，并作回转运动时，其水平方向所需的力为：在Px作用下压迫并切削前面的岩石，使之发生塑性变形，并不断向自由面之前滑移切削。钻进时的切削过程是平稳的、连续的，并且其切削槽宽

8、与刃宽基本上是相等的，如图24所示。知道h0值后，假如合金未被磨钝(实际上是逐渐磨钝的)，且钻头上合金数目为m颗，如钻具的转数为n时，则可计算在t时间内的，进尺数l为：(24