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tungsten carbide drilling
简介
使用硬质合金钻头破碎岩石的回转钻进方法。它适用于岩石可钻性1～6级岩土层和部分7～8级岩层的钻进。硬质合金钻进一直作为工程钻探的主要钻进方法而广泛应用着。
工作原理 镶焊在筒状钢体上的硬质合金切削具在钻头唇部均匀分布，每个切削具均磨有刃尖角，钻进时各切削具的刃尖与孔底岩石接触。借助于钻机驱动钻头回转，并对钻头施加轴向压力。钻头的切削具在轴向压力 (Py) 和水平回转力 (Px) 的共同作用下以回转切削方式使孔底岩石破碎。被破碎下来的岩粉或岩屑，随着泵入孔底的钻探冲洗介质而循环排出钻孔外，使钻孔连续深进。
硬质合金钻进孔底岩石的破碎过程分为塑性破碎和脆性破碎两种形式，如图1所示。
图1 硬质合金钻进回转切削破碎孔底岩石示意图
Px-水平回转力;Py-轴向压力abc-大剪切体;a′b′c′-第二次大剪切体; G-岩石破碎体崩出方向
对钻头的技术要求 硬质合金钻头分为取心钻进钻头和全面钻进钻头两种类型，其中以取心钻进钻头应用更普遍。各种地层对取心钻进钻头切削具在钻头唇面上的分布排列方式、切削具的刃角和镶焊角度、切削具的出刃以及切削具的镶焊数目等均有不同要求。
切削具分布排列方式 一般，软岩层钻进的钻头用单环形，中硬岩层钻头用双环形，稍硬 (可钻性7级)岩层钻头用多环形排列。切削具分布排列的原则是：(1)保证钻头在孔底钻进平稳;(2)每组切削具能完成整个环状切槽宽度的切削;(3)尽量使每个切削具担负的破岩量相近，避免局部磨损过甚;(4)使孔底形成多环破碎;(5)利于排粉(渣);(6)镶焊和修磨方便。
切削具的刃角和镶焊角度 均与岩石性质有关。切削具在钻头上的镶焊形式有三种(图2)。正斜镶式切削性能较好，直镶式和负斜镶式抗磨和抗折断性能较好。直镶式因镶焊加工方便而被广泛采用。切削具的刃角和镶焊形式的适用范围列于表1。
图2 切削具在钻头上的镶焊形式
α—切削角;β—刃角;φ—镶焊角;Px-水平回转力;Py-轴向压力;1—切削具;2—钻头体
表1 切削具的刃角和镶焊形式与岩石性质的适应关系
| 岩石特征 |
岩石可钻 性/级 |
切削角α/ (°) |
刃角β/ (°) |
镶焊形式 |
| 均质岩石 |
2～3 4～6 7～8 |
65～75 80～90 90～100 |
45～50 60～65 70～80 |
正斜 正斜-直 直-负斜 |
| 非均质岩石 | 3～4 | 90 | 65～75 | 直 |
| 裂隙岩石 | 7～8 | 90～105 | 75～90 | 直-负斜 |
切削具的出刃 分为内出刃、外出刃和底出刃，其大小与岩石性质有关。常规口径钻进硬质合金钻头的出刃量列入表2。
表2 常规口径钻进硬质合金钻头的出刃量(mm)
| 岩石性质 | 内出刃 | 外出刃 | 底出刃 |
| 松软、塑性、粘性、弱研磨性 | 2～2.5 | 2.5～3 | 3～5 |
| 中硬、强研磨性 | 1～1.5 | 1.5～2 | 2～3 |
切削具的镶焊数目 一般根据岩石性质、钻头直径、切削具的形状和尺寸等确定。常规口径钻头镶焊切削具的数目应不少于表3中所列。
表3 常规口径的钻头镶焊切削具的数目
| 岩石性质 | 钻头直径/mm | |||||
| 58.5 | 75 | 91 | 110 | 130 | 150 | |
|
弱研磨性 具有研磨性 强研磨性 |
4～5 4～5 4～5 |
5～6 6 6 |
6～7 7 8 |
7～8 8 9 |
8～9 9～10 10～12 |
10～12 10～12 12～14 |
钻进参数 硬质合金钻进参数包括钻压、转速和冲洗液量。
钻压 钻进时作用于钻头上的轴向荷载。所钻岩石可钻性级别不同，施加在钻头上的压力也不等。钻头上的总压力P=mq。m为钻头上切削具数目;q为每颗切削具上的压力，称单位压力，其经验值见表4。
转速 钻头在孔底每分钟回转的圆周数。可根据钻头切削具的平均线速度计算，不同岩层钻头线速度的取值范围列于表5。钻头平均线速度v(m/s)与转速n (r/min)的关系是
式中Dp为钻头平均直径，m。
表4 YG8硬质合金钻头切削具的单位压力推荐值
| 岩层特性 | 切削具形状 |
单位压力 q/kN·颗-1 |
| 软-部分中硬岩层 | 片状 | 0.40～0.70 |
| 中硬-部分硬岩层 |
方柱状 中八角柱状 大八角柱状 |
0.80～1.20 0.90～1.40 1.50～1.80 |
| 强研磨性岩层 | 方柱形 | 1.20～1.40 |
| 中八角柱状 | 1.20～1.70 |
表5 不同岩层的钻头线速度取值范围
| 岩层特征 |
钻头线速度/ m·s-1 |
|
软的弱研磨性岩石 中硬的研磨性岩石 中硬一硬的研磨性岩石 裂隙性岩石 |
1.2～1.6 0.9～1.2 0.6～0.8 0.3～0.6 |
冲洗液量 钻进中泵入孔内的冲洗液的液量，也常称泵量。它是在满足及时排除孔底岩屑(粉)的原则下，兼顾其他工艺技术因素而确定的。泵量Q的计算公式为：
式中Q为泵量，L/min; K为孔壁孔径不规则系数，一般取1.03～1.10; D为钻孔直径或套管内径，dm; d为钻杆外径，dm; v1为冲洗液在孔内环状间隙的上返速度，dm/min。v1的经验值通常为：当用清水钻进时，取150～360 dm/min; 当用泥浆钻进时，取120～300dm/min。