第三章金刚石钻进分析课件.ppt
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1、 第三章第三章 金刚石钻进金刚石钻进 第一节 概 述一、金刚石钻进的发展一、金刚石钻进的发展 1862年出现金刚石钻进,至今已有一百多年。在此期间,从钻头制造、钻探设备、钻进工艺等方面都有较大的发展。二、金刚石钻进的优越性二、金刚石钻进的优越性 钻进效率高;钻孔质量好;装备轻、劳动强度低;孔内事故少;钻探成本低;应用范围广。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 三三、金刚石钻进的孔底碎岩过程、金刚石钻进的孔底碎岩过程 1 1、表镶金刚石钻头碎岩的基本过程、表镶金刚石钻头碎岩的基本过程 破碎坚硬脆性岩石:以压裂压碎为主,剪切切削破碎为辅;破碎中硬塑性岩石:以剪切切削为主,压裂压碎破碎为辅。2
2、 2、孕镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头碎岩碎岩的的基本过程基本过程 观点一:与砂轮磨削相似,即钻进时,金刚石压在岩石表面,使岩石表面受到挤压并变形,在回转力作用下推挤岩石表层,当推挤力超过岩石分子间结合力时,使岩石表层从整体上分离下来,观点二:与表镶钻头相同。区别仅在金刚石颗粒小,故切入深度小。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 第第二二节节 钻探用金刚石钻探用金刚石一、金刚石一、金刚石的的分类分类 1 1、天然天然金刚石金刚石 地下碳元素在火山筒内的高温高压下结晶而成。常用“包尔兹”和“刚果”两种。2 2、人造人造金刚石金刚石 将石墨放在人为的高温高压下而生成。人造金刚石又分为单晶、聚晶和
3、复合片三种。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院二、金刚石的品级二、金刚石的品级 1、天然金刚石 钻头级:作边刃和底刃。碎粒级:作侧刃和扩孔器。2、人造金刚石 单晶:按强度分15000以上的用于孕镶钻头。聚晶:按磨耗比分1:15000用于作表镶钻头,孕镶钻头和扩孔器。三、金刚石粒度三、金刚石粒度 金刚石的计量单位为克拉,度量常用一克拉多少粒表示(对于粗颗粒而言),或“目”表示(对于细颗粒而言)。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院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
4、钻头标准级(A)TB硬和中硬地层TS表表4 44 4 天然金刚石品级分类表天然金刚石品级分类表云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院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硬标准级RB150018003440中硬硬表表4 45 5 人造金刚石品级分类表人造金刚石品级分类表云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院表表4 46 6 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云南国
5、土资源职业学院云南国土资源职业学院四、金刚石金刚石的性质的性质 1 1、金刚石的、金刚石的力学力学性质性质 硬度:已知矿物中硬度最大。为莫氏10级。强度:具有极大的抗静压强度。约88000kg/cm。耐磨性:极高,具有各向异性。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院2、金刚石的物理性质金刚石的物理性质 热膨胀性:低温时线膨胀系数极小,有利于镶嵌。导热性:良好,对钻头的冷却有利。热稳定性:较差,对钻头的制造和使用均不利。3、金刚石的化学性质金刚石的化学性质 化学稳定性好:有利于金刚石回收;高的亲油疏水性:有利于钻具润滑。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院第三节第三节 金刚石钻头和扩孔器金
6、刚石钻头和扩孔器一、钻头的类型和规格一、钻头的类型和规格 1 1、按金刚石包镶形式分、按金刚石包镶形式分 表镶钻头:用于钻进中硬至坚硬比较完整的地层;孕镶钻头:用于钻进坚硬及较破碎的地层;复合片钻头:用于钻进中硬地层。2 2、按钻头用途分、按钻头用途分 钻进用钻头:取心钻头、不取心钻头、绳索取心钻头、泥浆钻头;其他用途钻头:套管钻头、扩孔钻头、锥形钻头。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院3 3、按所配岩心管分、按所配岩心管分:单管钻头和双管钻头。4 4、按壁厚不同分、按壁厚不同分:标准钻头:壁厚8-8.5毫米,常用;厚壁钻头:壁厚10-10.5毫米,用于绳索取心钻头;薄壁钻头:壁厚小于8
7、毫米,用于钻进非常完整的地层或混凝土。5 5、按成因不同分、按成因不同分:天然金刚石钻头和人造金刚石钻头。6 6、按制造方法不同分、按制造方法不同分:冷压钻头、热压钻头、无压钻头、电镀钻头。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院图图 1.41.412 12 金刚石钻头金刚石钻头(a a)表镶金刚石钻头;()表镶金刚石钻头;(b b)孕镶金刚石钻头;()孕镶金刚石钻头;(c c)复合片钻头)复合片钻头二、钻头的组成部分二、钻头的组成部分 由金刚石、胎体和钻头体三部分组成。1 1、金刚石部分、金刚石部分 底刃:碎岩主力,要求较高;边刃:碎岩、保径,要求最高;侧刃:保径,金刚石质量较差。2 2、胎
8、体、胎体 功用:包镶金刚石,并与钻头体连接。成分:碳化钨做骨架、铜镍做粘接剂。3 3、钻头体、钻头体 材料:中碳钢。类型:单管、双管。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院图图 1.41.413 13 金刚石钻头的结构金刚石钻头的结构 (a a)表镶钻头;)表镶钻头;(b b)孕镶钻头;)孕镶钻头;1 1金刚石;金刚石;2 2胎体;胎体;3 3钻头体;钻头体;4 4水口水口图图1.41.414 14 表镶金刚石钻头刃部表镶金刚石钻头刃部1 1底刃金刚石;底刃金刚石;2 2边刃金刚石;边刃金刚石;3 3侧刃金刚石;侧刃金刚石;4 4胎体;胎体;5 5钻头体钻头体云南国土资源职业学院云南国土资源
9、职业学院图图1.41.41414孕镶金刚石钻头刃部孕镶金刚石钻头刃部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云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院三、金刚石钻头的结构分析三、金刚石钻头的结构分析 结构要素包括:金刚石的(质量,含量,粒度,排列)、胎体性能、水道数目和形状、底唇形式。1 1、金刚石质量、金刚石质量 表镶钻头比孕镶钻头的好;岩石越硬、研磨性越强,质量应越好。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院2 2、金刚石的含量、金刚石的含量 孕镶钻头比表镶钻头稍多;钻头直径越大,则金刚石量
10、多,反之则少;岩石的研磨性越强,则金刚石量多,反之则少;岩石越坚硬,致密,则浓度越低;金刚石质量好,粒度细,则浓度低。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院3 3、金刚石粒度与出刃、金刚石粒度与出刃 软至中硬岩层采用大出刃;硬而中等研磨性岩层采用较小出刃;破碎,裂隙发育岩层则用最小出刃;岩层越硬,粒度越小;岩层越致密,粒度越小;孕镶钻头的出刃由胎体的性能来保证。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院4 4、金刚石的分布与排列原则、金刚石的分布与排列原则(对表镶钻头而言对表镶钻头而言)塑性岩石采用较疏松的排列,有利于排粉有利于排粉;硬而完整的岩石,采用较密的排列,以增加克取点数以增加克取点数
11、;破碎、裂隙岩石采用密的排列,使冲击载荷分散使冲击载荷分散;保证孔底截面全被破碎,底唇金刚石有部分重叠;有足够的密度。过稀则钻头寿命短;过密则易产生裂纹;应使每颗金刚石的克取工作量相等,外侧多于内侧;尽量定向镶嵌,以提高钻头的耐磨能力。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院5 5、胎体的性能、胎体的性能 对胎体性能的要求 胎体性能调节:通过改变骨架材料和粘接金属的配方比例;通过不同压制密度调节。胎体的作用:牢固包镶金刚石并与钻头体牢固连接,孕镶钻头还应具有自锐作用。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 胎体和金刚石相应的磨耗状态胎体和金刚石相应的磨耗状态a-a-胎体硬度适当胎体硬度适当
12、b-b-胎体偏软胎体偏软 c-c-胎体太硬胎体太硬云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 6 6、水道数目和形状、水道数目和形状 组成:水口和水槽 作用:保证冲洗液流通。水道数和尺寸取决于下列因素:孕镶比表镶多;大直径比小直径多;软岩比硬岩多;泥浆比清水多;水口形状:直、螺旋、带水眼的水口。7 7、内外刃补强、内外刃补强 对孕镶钻头而言,主要是提高内外径的耐磨性。表镶钻头因为有内外侧刃,故不存在补强。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院8 8、唇面形状、唇面形状 矩形唇面:用于孕镶钻头;圆弧形唇面:用于钻进中硬和中等研磨性岩层;半圆形唇面:用于钻进坚硬和强研磨性岩层;阶梯形唇面:用于绳索
13、取心钻头,钻进中硬岩层;锥形唇面:用于绳索取心钻头,防斜性好;底喷形唇面:用于破碎地层钻进,可提高采心率;齿形唇面:用于孕镶钻头,钻进硬而致密的打滑地层。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院四、扩孔器四、扩孔器 1 1、功、功 用用 修正孔径,导正钻头,贮存卡簧(单管扩孔器)2 2、扩孔器的类型和规格、扩孔器的类型和规格 类型:与钻头基本相同。规格:一般比钻头外径大0.3-0.5毫米。3 3、扩孔器的组成部分、扩孔器的组成部分 由金刚石、胎体和扩孔器钢体三部分组成。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 第四节第四节 金刚石钻头和扩孔器制造工艺金刚石钻头和扩孔器制造工艺一、金刚石钻头的制
14、造方法一、金刚石钻头的制造方法 1 1、冷压浸渍法、冷压浸渍法 此法的工艺特点是压制成型与烧结分开,先将金刚石与骨架金属于常温下在钢模中压制成型,退模后将成型的半成品与粘接金属一起置于加热炉中烧结。在高温下,低熔点的粘接金属熔化并浸渍入骨架金属的孔隙中,将胎体固结。此法主要加工表镶钻头。冷压法的优点:便于大量生产;加工成本低。冷压法的缺点:质量不稳定;烧结温度高。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 2 2、热压烧结法、热压烧结法 此法的特点是形成钻头胎体的金属混合料和金刚石在石墨模具中,在加热过程中,当接近塑性状态时,受到压力的作用而成型,即加热和加压相结合。此法主要用于加工孕镶钻头。热
15、压法的优点:质量较高;烧结温度低;时间短;热压法的缺点:成批生产的连续性差;石墨模具消耗大。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 3、无压浸渍法 此法的特点是将金刚石与骨架金属于常温下在石墨模中成型,然后加入粘接金属,置于加热炉中烧结。在高温下,低熔点的粘接金属熔化并浸渍入骨架金属的孔隙中,将胎体固结起来。在整个胎体成型和烧结过程中,不加压力。无压法的优点:钻头成型好、质量高;能加工形状复杂的钻头;设备和工艺简单。无压法的缺点:石墨模具消耗较大。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院4 4、低温电镀法、低温电镀法 此法是利用金属电镀原理将粘接金属镀到铺有金刚石砂的钻头体上。电镀法的优点:
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