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    典型岩心钻探硬质合金钻头

    时间:2015-08-02 12:41:33来源:本站人气:1144

          目前,硬质合金钻头种类繁多,用途各异,但归纳起来可分为两大类:一类是取心式硬质合金钻头,它的特点是钻头呈环状,钻进后能取出圆柱状的岩心,所以又称环状岩心合金钻头,这是岩心钻探最常用的一类钻头;另一类是不取心式硬质合金钻头。它的特点是钻头底部全面镶有合金,进行全面钻进不取岩心,所以又可称为全面合金钻头,这是钻进覆盖层、软岩最常用的一类钻头。

           取心式合金钻头又可根据钻进岩石的性质,分为磨锐式钻头与自磨式钻头两种,磨锐式硬质合金钻头镶嵌有可以修磨的磨锐式合金;这种钻头在钻进时合金会不断磨损而变钝,钻速也随之逐渐下降。自磨式硬质合金钻头镶嵌有小断面(薄片或圆柱状)的自磨式合金;这种钻头钻进时合金不被磨钝,钻速基本不变,见图3-25和图3-26。

           在钻进时,应根据钻进地层的特点和要求及岩石的物理力学性质,来选择或设计硬质合金钻头的类型和结构。现将各种不同地层使用的典型硬质合金钻头介绍如下:

           (一)螺旋肋骨式钻头
           此型钻头采用K572型号硬质合金镶嵌制成,钻头外侧有三块与钻头底唇水平面呈45°角的螺旋肋骨,材料为35号钢。其结构如图3—27所示。
        
           螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液呈螺旋状上升,这样就加速了孔底岩粉上升速度,保证孔底清洁,减少孔内阻力,从而提高了钻进速度。在使用此型钻头时,为使钻进平稳,避免钻孔弯曲,须采用特制的岩心管。

           螺旋肋骨钻头适用于2-4级松软塑性岩层、覆盖层。粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。这种钻头,经地勘队使用证明,在2-4级松软地层中钻进,能大大提高钻进效率。如某地勘队在江西页岩夹薄层砂岩和结核岩层中使用,效果比一般肋骨钻头钻进效率提高1~1.5倍。当一般钻速达3.6×10-3 m/s时,纯机械钻速可达(0.75~1.2)×10-2 m/s,最高达1.62×10-2 m/s。

          螺旋肋骨钻头的规格尺寸见表3-7。

           (二)阶梯式肋骨钻头
           此型钻头采用K531型号硬质合金镶嵌而成,其特点是肋骨片较厚,水口宽大,钻进时的实际孔径相当于大一级的钻头直径,孔底为阶梯状。其结果如图3-28所示。
          阶梯肋骨钻头适用于3~5级岩层,如页岩、硅质页岩和胶结不紧的砂岩等。钻进时,阶梯肋骨进行扩孔,可保持一定的钻头内外间隙。使用该钻头钻进时的平均机械钻速为(6~9)×10-4m/s,平均回次进尺为3~5m,钻头进尺12~14m。阶梯肋骨钻头的规格尺寸见表3-8。
         (三)普通式(内外镶)硬质合金钻头
         普通式硬质合金钻头又称5·5·13式硬质合金钻头,采用K573或K531型合金制成,内外出刃为1~2mm,底出刃为1~3mm,合金修磨之刃尖角为50°~60°,可以直镶也可以斜镶,切削角为65°~90°。其构造如图3-29所示。
        以T573型合金镶制的钻头可用于中硬地层;以K531型合金镶制的钻头可用于坚硬地层;一般这种钻头广泛用于2~5级岩石中钻进,如均质石灰岩、大理岩、较疏松的砂岩及页岩等。在5~6级岩层中钻进,回次进尺2.5~6m,单位小时进尺2.5~3.5m,回次钻进时间可达1~1.5h。如采用5×10的八角柱状硬质合金钻进时,效果更为显著。普通式(内外镶)硬质合金钻头的规格尺寸见表3-9。
         (四)大八角硬质合金钻头
         钻头采用K534型硬质合金制成,钻头壁厚10mm,合金内出刃2mm,外出刃1mm,底出刃2.5mm,切削角为75°~85°,合金斜镶也可直镶。钻头结构如图3-30所示。
          大八角合金钻头适宜于钻进6~7级及部分8级不均质岩层,以及软硬不均,含有夹层的岩石,如长石灰岩,硅化灰岩和凝灰岩等,平均机械钻速为(3.9-4.8)×10-4 m/s,回次进尺2~4m,钻头进尺可达5~10m。大八角硬质合金钻头的规格尺寸见表3-10。
         (五)自磨式针状硬质合金钻头
         在我国,自磨式针状硬质合金钻头,多采用胎块式针状硬质合金钻头,其结构如图3-31所示。胎块式预制品如图3-32所示,可根据需要把它镶焊在钻头体上。
         胎块式针状硬质合金钻头适宜于在6~7级及部分8级岩层中钻进,其机械钻速高,回次进尺长,钻头寿命长,并且钻孔质量好,操作方便,成本也较低。

         经研究和试验,选定胎块为70%铁粉与30%铜粉烧结的假合金具有较好的抗弯强度和冲击韧性,以及合适的硬度,适用范围较广,但耗铜量偏多。有时也采用80%铁粉与20%铜粉烧结的胎体,但其性能不如前者。在胎块中主要起碎岩作用的支点—针状合金对钻进性能影响很大。

         试验证明:合金材质以YG4c、YG6、YG8三种效果较好,新型合金YA6也是比较理想的一种。针状合金的直径以1.8~2mm为宜,直径过小容易折断,直径过大则胎块包镶困难。针状合金在胎块端面的排布与数量,直接影响钻进效率与钻头寿命。其基本要素是以一定数量的针状合金将环槽宽度(即胎块厚)的孔底岩石破碎完满,并对内外边缘都有所加强。一般硬质合金的断面积占胎块断面的12%~22%,如图3-32所示。对研磨性大的岩石取上限,对致密岩石取下限。

         在针状合金钻头钻进中,突出的问题是外径磨损严重,因此需增强外径的抗磨能力。经试验,胎块的规格以15mm×8.5mm为最好,配合通用的硬质合金钻头体。在胎块外侧增加铸造碳化钨颗粒,对保径最简便有效。一般可根据钻头直径大小,每个钻头体上可镶焊4~5个胎块(胎块必须按内、外径严格要求,嵌入钻头体的长度为胎块高度之半),镶焊要牢固,以免掉块。

         (六)薄片硬质合金自磨式钻头
         薄片硬质合金钻头又称单双粒薄片硬质合金自磨式钻头,其结构如图3-33所示。
         该钻头所采用的硬质合金片为1mm×5mm×20mm,支持钢片单粒者为4mm×5mm×20mm,双粒者为4mm×10mm×20mm,内外出刃皆为1.5mm。在单粒的外侧φ2mm针状合金进行补强;在单双粒主切削具后面又有5mm×5mm×10mm方柱状合金作为辅助切削具;它们共同组成一组。如φ91mm钻头上应镶焊三组,其余随钻头直径大小而增减。

         这种钻头适用于钻进5~7级研磨性较大的中粒砂岩或其他研磨性大的岩层,一般回次进尺提高60%~100%,机械钻速提高10%~30%,充分显示了自磨式钻头的优越性。

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