第二章硬质合金钻进

第二章硬质合金钻进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2-1所示。图2-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2-2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。•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：•C0δS0•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2-3)；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：•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2-5所示。•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2-6）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。•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2-8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2-9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2-1。•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。•、硬质合金的型式•岩心钻探用硬质合金的型式，应具备以下条件：①切削刃尖，接触面小，便于切入岩石；②有较大的强度和耐磨性，抗崩、抗磨；③具有适当的尺寸和形状，能与钻头体牢固焊接；④合金磨损后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自锐作用）。•岩心钻探用硬质合金已有定型产品，其型号、尺寸及使用条件见表2-2所列。•表3-2所列硬质合金的定型产品，可分为两大类，即：磨锐式合金和自磨式合金（见图2-10）。•（一）磨锐式硬质合金•磨锐式硬质合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），钻进时刃尖角的断面逐渐增大，其几何形状有：•（1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三种，如图3-10所示。常用的T0、T4和S3、S5型。厚度一般小于3～6mm，易切入岩石，但强度和耐磨性较差，多用于1～4级软岩或均质岩石中钻进。其中S3型多用于刮刀钻头，S5型多用于油井钻进的刮刀钻头。•（2）楞柱状合金：有八角柱（T1型）、方柱（T3型）和锥片柱状（T5型）三种，如图2-10所示。钻进时，柱状合金与岩石的接触面较大，其强度和耐磨性都较大，故多用于4-7级中硬岩层。其中，T1型合金可用于较硬岩层，T5型合金用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎岩石、便于排除岩粉、抗磨能力强和易于焊牢等优点。八角柱合金有超前刃，切入岩石阻力小，有掏槽作用，又可使岩粉顺切削具两侧排出，减少磨损；而且具有近圆弧状切削刃，可使磨损均匀，也就是说，磨损后还成弧面，仍能保持切削能力（如图2-11所示）。另外，八角柱合金采用钻圆眼镶焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圆眼镶焊，则空隙过大，而采用刨槽焊接，在钻进中很易崩落，如图2-12所示。•（二）自磨式硬质合金•自磨式合金没有刃尖角，其本身断面小，所以在轴心压力下能吃入并破碎岩石。磨损后合金断面不增加，也就是说，钻进时合金不被磨钝。自磨式合金有圆柱状和片状两种，多用于研磨性较大的坚硬岩层，常用的自磨式合金为T2型，见图2-10。第三节硬质合金钻头•岩心钻探用的硬质合金钻头，可分为取心钻头和不取心钻头两大类。将一定数量的硬质合金，按特定形式排列在钻头上，可构成品种繁多的钻头类型。•决定钻头形式类型的因素，称为硬质合金钻头的结构要素。合金钻头的结构要素有：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃及排列方式、合金的镶焊角度、钻头水口、水槽的形式和数目等。•为提高钻进效率和质量，必须根据岩石性质对钻头结构进行分析，以便合理地选择和设计不同类型的钻头。•一、合金钻头的结构分析•（一）钻头体（空白钻头）•钻头体是由DZ-40地质钻探用无缝钢管制成。丝扣为地质专用特殊梯形扣，钻头上端内壁有一定锥度，以便卡取岩心。空白钻头的同心度、各端面与中心的垂直度以及各尺寸间的相互关系都应严格要求；否则会直接影响钻进效率和质量。•空白钻头的结构如图2-13所示，各种钻头的规格尺寸见表2-3。•（二）钻头上合金的数目˝•影响钻头上合金数目最优值的因素很多，目前还不能用理论公式来表示。一般情况下，在确定合金数目时，要综合考虑钻头直径、钻探设备能力、钻进规程、岩粉的排除及合金的冷却等条件。从理论上分析，只要保证每个合金在钻进某种岩石时的轴心压力值，合金数目的增加与钻速应成正比。但在生产实践中，情况并不如此，合金数目过多反而会使钻速下降。其原因是过密的合金（或合金组）会使合金之间的距离缩小，使岩石在大剪切时体积破碎的过程受到限制，而使岩石破碎的体积减小，钻速下降。•在确定或设计钻头上合金数目时，应考虑以下因素：•（1）在一定的岩性条件下，合金之间的距离应有一定值，以保证碎岩时能产生大剪切体进行体积破碎。•（2）在保证每个合金所需压力的情况下，在一定范围内增加合金数目就等于增加同时工作的切削量，可以提高钻进速度。•（3）确定合金数目时，还应考虑钻头体上所允许的水口数目，以保证每个合金的完全冷却与冲洗。•（4）研磨性大的岩石，要适当增加合金数目，以保证每个合金的体积磨损量不致过大。•（5）由于合金体积的磨损量与合金切削运动的路程有关，所以大口径钻头在相同转数条件下，应适当增多合金数目；钻头的外沿亦应比内沿合金数目多；或增加补强合金以保持钻头内外沿合金体积磨损量大致相同，以避免钻孔缩径。•（三）钻头上的合金出刃•钻进时，为了使合金能顺利地切入岩石，并保持冲洗液畅通，以及减少钻头体的磨损，合金必须突出钻头体一定高度，此突出部分则称为出刃。合金出刃有内出刃、外出刃和底出刃，如图2-14所示。•外出刃是在钻头体的外侧与钻孔侧壁之间留有一定的通水间隙；内出刃是在岩心的外侧与钻头体内侧壁之间留有一定的通水间隙；底出刃是切入岩石的深度h0和保持水流冲洗的高度h1之和，即底出刃H=h0+h1