第二章 硬质合金钻进.doc

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，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C0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(31)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)钻进脆性岩石时，合金（切削具）以轴心压力C0向下切入岩石，当合金与接触面的压强大于岩石的抗压入强度时，则岩石发生脆性剪切，剪切体向自由面崩出而呈现kok´破碎穴，如图 25所示图 24 切削具与切削环槽1—切削具；r—环槽内经；R—环槽外经图 25 合金切入脆性岩石Py—轴向力；h0—切入深度；kok'—崩落岩屑当合金切入岩石h0深度后，在水平力Px的作用下，产生水平剪切过程：首先将岩石块abc（图 26）剪切掉，此时称为大剪切。

当合金继续前进时，合金刃尖前端不断产生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑；经过不断的小体积剪切后，合金刃前与岩石接触面逐渐增大，直至又达到a´b´全面接触时，然后又产生一次a´b´c´大剪切因此，在脆性岩石中回转切削的过程，是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程同时，合金两侧的切削槽宽也发生大小不同的变化当发生小剪切时，切削糟窄；当发生大剪切时，槽的宽度增大从岩面上看，切削槽的宽度基本上是有规则地变化着切削糟的底面也是不平整的，随着大小剪切的交替进行，底槽深度也是高低不平，呈起伏状态合金在孔底破碎岩石的同时也被磨损，因而钻头上的合金在钻进开始和终了时的情况不同合金随着进尺数的增加被磨损而变钝，因而机械钻速逐渐下降钻进时，我们不但要求有较高的机械钻速，而且还要求有较高的回次进尺和台班效率因此，必须尽可能地掌握钻进规律，使钻头有较长的钻进时间所以，研究钻进中硬质合金的磨损，就成为合金钻进中的一个重要问题图 26 脆性岩石的切削过程Py—轴向力；Px—回转力； h0—切入深度；abc—大剪切体；a´b´c´—第二次大剪切体；β—合金侧刃崩落角；B1—大剪切岩石槽宽图 27 切屑刃的磨损Py—轴向力；h0—切入深度；β—合金刃角；y—沿高度的磨损；h—实际切入深度合金被磨损的强烈程度，取决于所钻岩石的研磨性、合金性质及钻进规程等。

一般情况下认为合金的磨损体积V可以下式表示(见图 27)： (25)式中：V—合金的磨损体积；y一合金的磨损高度；β—合金的刃尖角；R-r—合金的宽度合金的体积磨损还可用下式表示： (26)式中：A——合金与岩石的摩擦功；ω——合金之体积磨损系数，即合金抗磨性能的系数，其意义为单位摩擦功所磨损的合金体积当转数n为r/min，时间t为min时，则： (27)式中：f——岩石与合金的摩擦系数；R+r——钻头平均直径将上式代入式(2-5)和式(2-6)．可得：图 28 切屑刃的磨损的实际磨损情况y—切屑刃磨损高度；y内—切屑刃内侧磨损高度；y外—切屑刃外侧磨损高度；l—刃端磨损高度；l内—切屑刃内侧磨损宽度；l外—切屑刃外侧磨损宽度；b—环槽宽度；r—环槽宽度；R—环槽宽度；即： (28)当钻进t分钟后，合金的直线磨损为y时，则： (29)所以：钻进时，合金磨损至y=h0，则合金钻头停止工作，即： (210)解上式，即可得到合金钻头在孔底工作的最大时间为：图 29合金磨损的理想情况与实际情况Py—轴向力；Px—回转力 (211)从上式可以看出影响合金磨损和钻头在孔底耐久性的各种因素及其相互关系，但上式仍是理想情况下所得。

故必须在合金钻进时经常注意地层情况的变化，掌握合金磨损的特点实际上切削刃在孔底的磨损是不均匀的钻进时，切削刃沿高度的磨损使内外刃的负担加重，所以磨损大于中部，而外刃磨损又大于内刃由于内外刃磨损较重，所以内外侧刃端磨损的厚度也较大，如图 28所示切削刃的前缘负担较重，因而磨损也较重；同时，切削刃的后缘在回转运动中受岩屑和岩面的研磨会产生"自磨"现象；合金刃尖角和孔底螺旋面倾角愈大，则这种"自磨"现象愈明显因此，切削刃端不是平面磨损而是呈圆弧形磨损，如图 29所示也就是说，合金切削刃在孔底有"自锐"的磨损作用，这种磨损作用是对钻进有利的在实际钻进工作中，用冲洗液冲孔时，对合金切削刃有一定的润滑作用，可减少合金的磨损同时冷却钻头合金，并使孔底保持清洁，对减少合金磨损会起重要作用第二节 钻探用硬质合金一、硬质合金的种类和性质钻探用的硬质合金，主要是碳化钨（WC）—钴（Co）类压结式合金其主要成分是碳化钨，它以碳化钨粉为骨架，以钴粉末做胶结剂，经粉末冶金方法压制烧结成各种型式，然后将其镶焊在钻头体上，制成各种型式的钻头这类硬质合金统称为YG类硬质合金，亦称钨钴合金一般情况下，要求硬质合金具备以下性能：（一）硬度一般岩心钻探用的硬质合金，其硬度应大于HRA50。

二）韧性因钻进用的钻杆是弹性体，而所钻岩石又大都是非均质的，故钻进时孔底载荷变化很大，所以要求合金的抗弯强度大于1150MPa三）材料应成型，以便易于镶焊在钻头上四）应有一定的热硬性和导热性，以减少合金的磨损，延长钻头的寿命钻进时应根据岩石性质和使用条件，合理地选用硬质合金的牌号及型式供地质勘探用的YG类硬质合金，其物理机械性质及特性见表 21表中所列各种牌号：第一个字母"Y"表示硬质合金；YG表示碳化钨-钴类（WC-Co）硬质合金；后面的数字表示其含钴量；数字后面的字母"C"表示粗晶粒；"X"表示细晶粒"A"表示加有碳化铌例如YG6x表示含钴6％的细晶粒钨钴合金；YG8c表示含钴8％的粗晶粒钨钴合金YG类合金中含钴量越高，韧性和抗弯强度越高，但耐磨性下降；碳化钨粉末的粒度愈细，则硬度愈高，而抗弯强度愈低；反之亦然，抗弯强度以YG11c合金最高表 21 YG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)YG3x97315.0～15.3921 050耐磨性最好,冲击韧性最差,用于金属切削YG4c96414.9～15.2901 400适用于均质和软硬互。