1、勘探钻进原理Exploration drilling principals主讲：段隆臣博士Lectured by Dr.longchen Duan绪绪 论论(Preface)一、一、“钻探工艺学钻探工艺学”课程的内容、地位课程的内容、地位和任务和任务 二、钻进技术的用途二、钻进技术的用途 三、钻进方法的分类三、钻进方法的分类 四、学习本课程应注意的问题四、学习本课程应注意的问题一、一、“勘探钻进原理勘探钻进原理”课程的内容、地位课程的内容、地位Contents and status of“Exploration Drilling Principles”1、内容、内容 岩石的物理力学性质与碎岩机
2、理岩石的物理力学性质与碎岩机理 钻头与钻进工艺钻头与钻进工艺 钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）2、地位、地位 2.1 从专业课的课时分配上说明从专业课的课时分配上说明 2.2 从与其它专业课的关系上进行说明从与其它专业课的关系上进行说明 2.3 从专业历史沿革进行说明从专业历史沿革进行说明二、钻进技术的用途二、钻进技术的用途Application fields of drilling technology 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探
3、、极地钻探、科学钻探）极地钻探、科学钻探）开采矿产资源开采矿产资源 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、通风孔等）通风孔等）三、钻进方法的分类三、钻进方法的分类Classification of drilling method 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质合金钻进、钢粒钻进合金钻进、钢粒钻进 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进。回转钻进、回转冲击钻进。按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、
4、反循环钻进、孔底局部反循环钻进钻进、孔底局部反循环钻进 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进钻进、工程施工钻进（a）正循环）正循环（b）正循环）正循环（c）孔底局）孔底局 部部 反循环反循环四、学习本课程应注意的问题四、学习本课程应注意的问题Problems noted in learning the subject 1.理论联系实际，课本描述性语言多,注意总结,结合实践,上升理论；2.理论、实践并重；3.注重实验课；4.注重工程实例。第一章第一章 岩石钻进过程与破碎机理岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling p
5、rocess of rocks Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanismand fracturing mechanism 第一节、岩石的物理力学性质第一节、岩石的物理力学性质 第二节、岩石可钻性及其分级第二节、岩石可钻性及其分级 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式要方式 第四节、静载作用下的岩石应力状态第四节、静载作用下的岩石应力状态 第五节、外载作用下岩石的破碎过程第五节、外载作用下岩石的破碎过程第一章 岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling proce
6、ss of rocks and fracturing mechanism 第一节、岩石的物理力学性质第一节、岩石的物理力学性质 第二节、岩石可钻性及其分级第二节、岩石可钻性及其分级 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式要方式 第四节、静载作用下的岩石应力状态第四节、静载作用下的岩石应力状态 第五节、外载作用下岩石的破碎过程第五节、外载作用下岩石的破碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质Physical&mechanical properties of rocks一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩
7、浆岩、沉积岩和变岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变质岩。质岩。岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。颗粒和胶结物两大类。变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（
8、原岩成分和变质岩特学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造 岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和
9、裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。在环境有紧密的联系。岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造。等，形成不同的结构和构造。岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。往往研磨性较大。沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是沉积岩：颗粒和胶结物组成，
10、沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。图11 晶体结构类型图13 层理产生的原因图1-2 胶结物的类型 岩岩 石石 照照 片片花岗石花岗石花岗石花岗石花岗岩花岗岩白云岩白云岩第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质Natural properties of rocks 岩石的自然性质岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成的特性。密度密度:单位体积
11、岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量.比重比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积.一般来说,密度越高,强度越大。孔隙度孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大,强度越低.含水性含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性透水性:KW=ql/A(Pi-Po)岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质Mechanical properties of rocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度
12、特性和表面特的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。性。变形特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度抗弯强度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性1.3.1、变形特性、变形特性（deformation properties）弹性变形 塑性变形岩石破坏的形式岩石破坏的形式Broken form of rocks脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）(a)(b)(c)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Fact
13、s affecting rocks elasticity and plasticity）1、岩石物质成分2、岩石结构构造3、应力状态4、载荷性质5、受力条件6、温度和湿度岩石弹塑性的测定岩石弹塑性的测定Measure of rocks elasticity and plasticityKp=SOABC/SODE图图 1.110 由应力由应力应变应变曲线确定弹性模数曲线确定弹性模数图图 1.111 岩石压入时的载荷侵深曲线岩石压入时的载荷侵深曲线1.3.2、强度性质、强度性质（Strength properties）岩石强度岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的
14、最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图图 1.114 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试验 1岩样；岩样；2球座；球座；3钢垫板钢垫板 图图 1.115 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验1岩样；岩样；2夹头；图中尺寸单位：夹头；图中尺寸单位：cmiPPaA图1.116 圆盘劈裂试验 图1.117 剪切试验1岩样；2上下剪切模具；3模套；4斜锲块；5上下垫板；6钢滚子t=2p/3.14DL影响岩石强度的因素影响岩石强度的因素（Factors affecting rocks streng
15、th）1、岩石的物质成份、岩石的物质成份2、岩石的结构构造、岩石的结构构造3、岩石的容重和孔隙度、岩石的容重和孔隙度4、受力条件、受力条件5、应力状态、应力状态6、载荷速度、载荷速度7、岩样的线性尺寸、岩样的线性尺寸8、湿度和温度、湿度和温度1.3.3、表面特性、表面特性(Surface properties)岩石的硬度岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。岩石的研磨性岩石的研磨性：在用机械
16、方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。影响岩石硬度的因素影响岩石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness）岩石的矿物成分和结构构造 应力状态 载荷速度 液体介质 工具形状和尺寸影响岩石研磨性的因素影响岩石研磨性的因素（Factors affecting rocks abrasiveness）岩石的矿物成分和结构特征 正压力 滑动速度 介质第四节第四节 岩石可钻性及其分级岩石可钻性及其分级（Drillability of rocks and its classif
17、ication）岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度。它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。1.4.1 岩石可钻性分级的观点岩石可钻性分级的观点(Viewpoints on classification of rock drillability)用岩石力学性质评价岩石的可钻性 用实钻速度评价岩石的可钻性 用微钻速度评价岩石的可钻性 用碎岩比功评价岩石的可钻性1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法划分岩石可钻性
18、的具体方法(Methods for classification of rock drillability)力学性质指标法力学性质指标法 实际钻进速度法实际钻进速度法 模拟钻进速度法模拟钻进速度法 破碎比功法破碎比功法 第五节第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式（Main mode of action between rock-broken tool and rock）第六节第六节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态（Stress conditions of rock under static load）一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态一
19、、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态()222rPpa ar2Ppa图图1.134 平底圆柱压头压力面上的压力分布平底圆柱压头压力面上的压力分布图图1.136 球形压头压力面上的压力分球形压头压力面上的压力分布布图图1.137 平底压头压入时沿平底压头压入时沿 对称轴的应力分布对称轴的应力分布三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态图215 轴向力作用时岩石 内的应力分布图216 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布 （a）等应力线图；（b）应力状态特征 压应力区；拉应力区；过渡区 在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于
20、岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图215）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图216）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无线体内（如图216(b)所示），形成正应力区（）、拉应力区（）和过渡区（）。由此可以推知，在兩向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：1.轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一
21、方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。2.轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。3.当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。第七节第七节 外载作用下岩石的破碎过程外载作用下岩石的破碎过程（Failure process of rock under exterior load）一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式图图1.145 破碎功与破碎
22、产物粉碎度的关系破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1根据黎金格尔定律；根据黎金格尔定律；2根据基尔切夫定律根据基尔切夫定律图图1.146 转速与载荷的关系曲线转速与载荷的关系曲线 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 三、尖楔状切削切削具压入时和冲击碎岩机理图 221 液体压差下的碎岩机理图 220 尖楔状切削具碎岩机理第二章、回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 第二节、硬质合金钻头第二节
23、、硬质合金钻头 第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程 第四节、金刚石钻头和扩孔器第四节、金刚石钻头和扩孔器 第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程 第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程 第七节、全面钻头第七节、全面钻头第二章 回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一节第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 第二节第二节 硬质合金钻头硬质合金钻头 第三节第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程钻探用金刚石及其
24、孔底碎岩过程 第四节第四节 金刚石钻头和扩孔器金刚石钻头和扩孔器 第五节第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程钢粒钻头及其孔底碎岩过程 第六节第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程牙轮钻头及其孔底碎岩过程 第七节第七节 全面钻头全面钻头第一节第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit 一、钻探用硬质合金一、钻探用硬质合金(hardmetal for drilling)通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料，钴为粘结材料。硬质合金钻进一般适用于软、
25、中硬岩层钻进。硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状和针状等形状。薄片状：1-5级软岩；方柱状、八角柱状：4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育；针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。表表41 YG类硬质合金的性能表类硬质合金的性能表合金牌号化学成分（）物理机械性质特性及用途WCCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗弯强度（MPa）YG3x97315.015.3921050耐磨性最好，冲击韧性最差，用于金属切削YG4c96414.915.2901400适用于均质和软质互层地层中回转钻进YA69193614.415.0921400加有少量TaC成分，提高了硬度YG694
26、614.615.089.51400适用于回转钻进，使用效果仅次于YG4cYG6x94614.615.0911350细粒合金，强度接近YA6，耐磨性较YA6高YG892814.014.8891500地质勘探和石油回转钻进用主要品种YG8c92814.014.8881750粗粒合金，冲击韧性较高适于冲击回转钻进YG11c891114.014.4872000耐磨性最差，冲击韧性最高，适于冲击回转凿岩YG15851513.914.1872000注：硬质合金中的附加字母“x”表示细粒合金，“c”表示粗粒合金。二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程(Failure proce
27、ss of downhole rock drilled by carbide-insert bit)回转钻进的机械钻速回转钻进的机械钻速vm=60nmh1 影响切入深度影响切入深度h1的主要因素有：轴向力大小，的主要因素有：轴向力大小，岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、几何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝几何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝程度。程度。1、塑性岩石的孔底破碎过程、塑性岩石的孔底破碎过程 2、脆性岩石的孔底破碎过程、脆性岩石的孔底破碎过程 3、切入与切削同时作用下的碎岩过程、切入与切削同时作用下的碎岩过程式中：
28、Py一个切削具上的轴向压力；S0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）。Py .S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图1.31所示。一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的深度为。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成角的线方向切入岩石。因此，在切入的过程中,在前面OB上产生的正压力及摩擦力（等于摩擦一、塑性岩石的碎岩情况：一、塑性岩石的
29、碎岩情况：岩石切入岩石底过程：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（和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即：0yps（1.31）f)。系数同理，在后斜面OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下：0 xF21cos()cosNN0yF21sin()cosyPN tgN（1.32）（1.33）12sin(2)cosypN010.sin.cosnhNbOAbh b tg02sin(2)cosyph b tg20cossin(2)yphb tg2cossin(2)0yphb tg式中：式中：b切削具的宽度；切削具的宽度；nOA面上的法线压强；面上的法线压强
30、；垂直于垂直于AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。将式（将式（1.35）代入式（）代入式（1.34）中，则有：）中，则有：因此，切入深度因此，切入深度h0为：为：若设：若设：则有：则有：式中：式中：v由切削具刃尖角由切削具刃尖角和切削具与岩石的摩擦角和切削具与岩石的摩擦角所决定的一个系数。所决定的一个系数。在一般情况下，在一般情况下，v0.880.97。根据切削具切入岩石的条件知：根据切削具切入岩石的条件知：图图1.32 塑性岩石中的回转切削塑性岩石中的回转切削Py-轴向压力；轴向压力；Px-水平力；水平力；h0-切入深度；切入深度；b-
31、切削槽宽（切削具宽度）切削槽宽（切削具宽度）图图1.35 脆性岩石的回转切削过程脆性岩石的回转切削过程Py-轴向压力；轴向压力；Px-回转水平压力；回转水平压力；刃角刃角h0-切入深度；切入深度；abc-大剪切体；大剪切体；abc-第二次大剪切体；第二次大剪切体；B1大剪切时岩面槽宽；大剪切时岩面槽宽；图图1.34 单面锲形切削具切入脆性岩石单面锲形切削具切入脆性岩石Py-轴向压力；轴向压力；h0-切入深度；切入深度；kok-崩落岩穴崩落岩穴 当钻头的直径较大时，当钻头的直径较大时，很小，即很小，即cos=1，sin0，则式（，则式（1.310）、）、（1.311）写成：）写成：图图1.37
32、切入切削同时作用的井底碎岩情况切入切削同时作用的井底碎岩情况 Py-给进力；给进力；Px-切削力；切削力；R岩石底抗压入阻力；岩石底抗压入阻力；Q刃前阻力；刃前阻力；N,T-R的分力；的分力；f-摩擦系数；摩擦系数；-切削角；切削角；-切削具前面与岩石破碎面底夹角；切削具前面与岩石破碎面底夹角；-井底切削面倾角井底切削面倾角三、硬质合金切削具的磨损三、硬质合金切削具的磨损(Wear of tungsten carbide cutter)1.关于切削具磨损和转速问题的研究关于切削具磨损和转速问题的研究 费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究，得出如图45中的磨损曲线。该曲
33、线反映了切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压的关系。横坐标的分界点 表示岩石的压入硬度，在其前后属于两种不同性质的磨损。（1）曲线当 0时，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎状态，此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压。（2）曲线当 0时，岩石呈体积破碎。随着切削具上的比压增大，单位时间的磨损量W不但未增加，反而出现下降的趋势。即在体积破碎的条件下，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磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关。S（t）=S0+t 式中：S0 切削具的初始面积，mm2；t磨损时间
34、，min；取决于岩石性质的磨损系数，mm2/min。硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降，其机械转速vm与切削刃磨钝面积的平凡成反比：（45）式中：A系数。当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。设钻进的初始参数为v0=A/so2，（45）式可写成 （46）式中：k0=/S0,，k0转速下降的特征系数；钻头在t时间内的总进尺为，将（46）代入，则有。因此，平均转速为，通过变换可写成：（47）（47）式表明，平均转速可写成以进尺H为自变量的一元线性方程。其中，v0是在纵坐标上的截距，k0为直线的斜率。进尺H是在钻进过程中容易准确测得的参数，我们可以用一元线性回归分析的方法，在若干观
35、察值的基础上求出k0值，从而利用（47）式莱预测切削具磨损对转速的影响。2.切削具在孔底磨损的实际情况切削具在孔底磨损的实际情况 前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际上在钻进过程中，钻头硬质合金切削具出刃的内、外侧磨损量是不均匀的（图46），即：y外y内y，t外t内y 切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前端和后缘磨损更加厉害（图47）3.减轻切削具磨损底措施减轻切削具磨损底措施 虽然切削具的磨损是不可避免的，但我们应设法把它控制在最低限度内。可采取的主要措施是：（1）避免切削具在表面破碎状态下工作。尤其是在高转速、低钻压的条件下钻进研磨性岩石时，切削具磨损更
36、快。（2）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。图图45 不同比压下切削具的磨损情况不同比压下切削具的磨损情况 表面碎岩；表面碎岩；体积碎岩体积碎岩 图图47 切削具刃端磨损的切削具刃端磨损的理想情况（理想情况（a）与实际情况（）与实际情况（b）图图46 切削刃的实际磨损情况切削刃的实际磨损情况y切削刃磨损高度；切削刃磨损高度；r,R-环槽内外径环槽内外径t-刃端磨损高度；刃端磨损高度；t内，内，t外刃端内、外侧磨损宽度；外刃端内、外侧磨损宽度；b-环槽
37、宽度；环槽宽度；y内，内，y外外-切削刃内外侧磨损高度；切削刃内外侧磨损高度；第二节第二节 硬质合金钻头硬质合金钻头(Carbide-insert bit)分为取芯钻头和不取芯钻头分为取芯钻头和不取芯钻头 取芯式硬质合金钻头的结构要素取芯式硬质合金钻头的结构要素 钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角度，切削具在钻头体上的布置方式，切削度，切削具在钻头体上的布置方式，切削具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽钻头体钻头体(Bit blank)图图 1.315 硬质合金钻头硬质合金钻头切削具出刃切削具出刃(Protruding edge
38、 of cutter)岩石性质岩石性质内出刃内出刃外出刃外出刃底出刃底出刃松软、塑性、粘性、弱研磨性松软、塑性、粘性、弱研磨性2-2.52.5-33-5中硬、强研磨性中硬、强研磨性1-1.51.5-22-3图图 1.316 硬质合金钻头底出刃示意图硬质合金钻头底出刃示意图 b-环槽宽度；环槽宽度；r环槽内半径环槽内半径 图图 1.317 硬质合金切削具底出刃和补强硬质合金切削具底出刃和补强H切削具底出刃；切削具底出刃；h0-切入深度；切入深度；h1-钻头底面过水间钻头底面过水间切削具的镶焊角度切削具的镶焊角度Welding/soldering angle of cutter 选择原则选择原则：
39、对所钻岩切入和回转阻力小；镶焊形式有利于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，磨损后的切削具应保持一定的切削能力。比较三种镶焊方式的排粉条件、受力情况、锋利情况切削具在钻头体上的布置方式切削具在钻头体上的布置方式Layout of cutters on the crown of bit blank布置时应考虑以下：能保证钻头工作平稳；多环、不同底出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨。图图411 切削具在钻头体上底布置切削具在钻头体上底布置 （1）单环排列；（）单
40、环排列；（b）双环排列；（）双环排列；（c）多环排列）多环排列切削具在钻头体上的数目切削具在钻头体上的数目(Numbers of cutter on the crown of bit blank)切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切削具在钻头体上的数目。削具在钻头体上的数目。机械钻速与切削具组数的关系：机械钻速与切削具组数的关系：v=hqn（q：切：切削具的组数）削具的组数）钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的钻压、切削
41、的型式（决定切入面积）和岩石压入硬钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬度等因素而定。度等因素而定。mP/s钻头的水口与水槽钻头的水口与水槽(Waterways of bit)1、水口的数目与面积 每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头与岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积。2、水口的形状3、水槽图图 1.328 硬质合金钻头的各种水口和水槽硬质合金钻头的各种水口和水槽一一 取芯式硬质合金钻头取芯式硬质合金钻头(Carbide-insert bits for coring)分为磨锐式钻头与自磨式钻头分为磨锐式钻头与自磨式钻头图图 1.329 磨锐式切削具和自磨式切削具磨锐式切
42、削具和自磨式切削具图图 1.330 磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线 磨锐式钻头；磨锐式钻头；自磨式钻头自磨式钻头典型钻头结构举例典型钻头结构举例磨锐式钻头磨锐式钻头：在钻进遇水膨胀、粘结性的地层肋骨钻头和薄和薄片钻头片钻头；在钻进中硬及较硬地层分环式、掏槽式自磨式钻头自磨式钻头：针状硬质合金钻头（胎块式，钢柱式）和薄片硬质合金钻头分分环环式式钻钻头头掏掏 槽槽 式式 钻钻 头头胎块式针状硬质合金钻头胎块式针状硬质合金钻头常用常用硬质合金硬质合金钻头选型钻头选型类别类别钻头类型钻头类型 岩石可钻性级别岩石可钻性级别岩石岩石磨磨锐锐式式钻钻头头螺旋肋骨钻头螺旋肋骨
43、钻头松散可塑性岩层松散可塑性岩层阶梯肋骨钻头阶梯肋骨钻头页岩，砂页岩页岩，砂页岩薄片式钻头薄片式钻头砂页岩，碳质泥岩砂页岩，碳质泥岩方柱状钻头方柱状钻头均质大理岩，灰岩，软均质大理岩，灰岩，软砂岩，页岩砂岩，页岩单双粒钻头单双粒钻头中研磨性砂岩，灰岩中研磨性砂岩，灰岩晶字形型钻头晶字形型钻头灰岩，大理岩，细砂岩灰岩，大理岩，细砂岩破扩式钻头破扩式钻头砂硕岩，硕岩砂硕岩，硕岩负前角阶梯钻头负前角阶梯钻头玄武岩，砂岩，辉长岩，玄武岩，砂岩，辉长岩，灰岩灰岩自自磨磨式式胎体针状钻头胎体针状钻头中研磨性片麻岩，闪长中研磨性片麻岩，闪长岩岩钢柱针状钻头钢柱针状钻头研磨性石英砂岩，混合研磨性石英砂岩，混合
44、岩岩薄片式自磨钻头薄片式自磨钻头研磨性粉沙岩，砂页岩研磨性粉沙岩，砂页岩表表43 常用硬质合金钻头及其使用范围表常用硬质合金钻头及其使用范围表第三节第三节 钻探用金刚石及孔底碎岩过程钻探用金刚石及孔底碎岩过程Diamond for drilling and downhole failure process 一、钻探用金刚石钻探用金刚石(diamond for drilling)1、分类分类(Classification)天然(Natural diamond)与人造(Synthetic diamond)。人造金刚石包括单晶(Monocrystalline diamond)、聚晶(Polycrys
45、talline diamond)和复合片Polycrystalline diamond compact)。(Explain them briefly)2、特性特性：晶体结构为正四面体，元素为C，最硬、抗压强度最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。3、与钻探有关的物理力学性质与钻探有关的物理力学性质(Mechanical properties for diamond pertaining to drilling)硬度(Hardness)强度(Strength)耐磨性(Wear resistance)热性能(Thermal properties)4、钻探用金刚石的粒度与品级钻探用金刚石的粒度与品
46、级(Quality and size of diamond for drilling)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。表表44 天然金刚石品级分类表天然金刚石品级分类表级别代号用途级别代号用途特级（AAA）TT特硬地层或绳索取心钻头低级（C）TD中硬地层优质级（AA）TY坚硬、硬地层或绳索取心钻头等外级TX择优后用于制造孕镶钻头标准级（A）TB硬和中硬地层TS表表45 人造金刚石品级分类表人造金刚石品级分类表金刚石品级代号单晶强度（MPa）单晶强度（N/粒）应用地层特 级RT220050坚硬优质级RY180022004050硬标准
47、级RB150018003440中硬硬表表46 人造金刚石聚晶品级分类表人造金刚石聚晶品级分类表聚 晶 级 别代 号磨 耗 比特 级RJT1:30000优质级RJY1：200001：30000标准级RJB1：150001：20000第四节第四节 金刚石钻头与扩孔器金刚石钻头与扩孔器(Diamond bit and reamer shell)1、金刚石钻头的规格和标准、金刚石钻头的规格和标准(Specifications and standard of diamond bit)（注意（注意“级配级配”）图图 1.410 双层岩心管金刚石取心钻具组合双层岩心管金刚石取心钻具组合1岩心管接头；岩心管接
48、头；2外管；外管；3内管；内管；4扩孔器；扩孔器；5卡簧；卡簧；6卡簧座；卡簧座；7钻头钻头图图 1.411 金刚石钻具级配金刚石钻具级配 图图 1.412 金刚石钻头金刚石钻头（a）表镶金刚石钻头；（）表镶金刚石钻头；（b）孕镶金刚石钻头；（）孕镶金刚石钻头；（c）复合片钻头）复合片钻头 图图 1.413 金刚石钻头的结构金刚石钻头的结构 （a）表镶钻头；）表镶钻头；（b）孕镶钻头；）孕镶钻头；1金刚石；金刚石；2胎体；胎体；3钻头体；钻头体；4水口水口 图图 1.41.414 14 金刚石钻头刃部金刚石钻头刃部(a)a)表镶钻头：表镶钻头：1 1底刃金刚石；底刃金刚石；2 2保径金刚石；保
49、径金刚石；3 3侧刃金刚石；侧刃金刚石；4 4胎体；胎体；5 5钻头体钻头体(b)-(b)-孕镶钻头：孕镶钻头：1 1金刚石；金刚石；2 2工作部分胎体；工作部分胎体；3 3非工作部分胎体；非工作部分胎体；4 4钻头体钻头体;h-;h-孕镶层高度孕镶层高度Surface-set diamond bitImpregnated diamond bit Polycrystalline diamond compact bit（PDC bit）2、表镶金刚石钻头（Surface-set diamond bit）diamond sizeCoarse grainMedium grainSmall grain
50、Stones per carat15-2525-4040-60Strata Medium hardHard Stiff hardVarious size of diamond used in surface-set diamond bitOthers of surface-set diamond bit 1.Layout of diamond on the crown of the surface-set bit；2.Crown configuration of surface-set diamond bit；3.Waterways of surface-set diamond bit；4.M
