5 地质勘探钻进技术5-1 5-1 地勘钻进特点地勘钻进特点5-2 5-2 地质勘探钻进方法分类地质勘探钻进方法分类5-3 5-3 钢粒钻进钢粒钻进5-4 5-4 硬质合金钻进硬质合金钻进5-5 5-5 金刚石钻进金刚石钻进5-6 5-6 反循环钻探技术简介反循环钻探技术简介5-1 地勘钻进特点地质条件千变万化使用设备五花八门取样要求严而又严技术应用从古至今地质条件千变万化沉积岩、火成岩、变质岩样样不少；坚硬松软、完整破碎、坍塌缩径；构造复杂、裂隙丛生、溶洞发育；地形复杂、交通不便、供水困难；5-3 钢粒钻进用未镶焊切削具的钻头压住钢粒或铁砂并带动它们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进法，统称为钻粒钻进。钢粒钻进是19 世纪后期开始用于钻孔工作的。这种钻进方法主要用于钻进中等硬度以上的坚硬岩层，硬合金钻进方法因受其切削具的硬度及耐磨性的限制，现在只用于钻进中等硬度以下的软岩层，在地质勘察钻孔中，用于钻进坚硬岩层的方法，目前主要有钢粒钻进和金刚石钻进两种，钢粒钻进井底过程如右图所示，可把钢粒钻进时的孔底过如右图所示，可把钢粒钻进时的孔底过程归纳为图中程归纳为图中“底唇下底唇下”、“外环状间隙外环状间隙” ” 和和“内环状间隙内环状间隙” ” 是投砂后钢粒所处的基本是投砂后钢粒所处的基本状态，在底唇下钢粒破碎岩石的同时，内、外状态，在底唇下钢粒破碎岩石的同时，内、外环状间隙的钢粒分别磨损岩心、孔壁和钻头体环状间隙的钢粒分别磨损岩心、孔壁和钻头体。水口导砂是使钢粒向唇下转换的主要通道；。水口导砂是使钢粒向唇下转换的主要通道；外环状间隙中的水力分选则是维持孔底动平衡外环状间隙中的水力分选则是维持孔底动平衡，使钢粒，使钢粒“新陈代谢新陈代谢” ” 的关键；绝大多数被的关键；绝大多数被淘汰的碎钢粒最终都落入取粉管内。钢粒如此淘汰的碎钢粒最终都落入取粉管内。钢粒如此循环往复，是由水口形状、水量大小和转速快循环往复，是由水口形状、水量大小和转速快慢来调节。在钻进过程中，随着钢粒的消耗，慢来调节。在钻进过程中，随着钢粒的消耗，钻头也不断被磨耗，水口逐渐变小，直至不能钻头也不断被磨耗，水口逐渐变小，直至不能实现上述循环，机械钻速显著降低而结束回次实现上述循环，机械钻速显著降低而结束回次钻程。钻程。钢粒钻进碎岩机理 圆柱形钢粒在钻头给予的轴向压力圆柱形钢粒在钻头给予的轴向压力Py Py 和回转和回转力力Px Px （应理解为钻头唇面与钢粒间的联系力）（应理解为钻头唇面与钢粒间的联系力） 作作用下，在孔底岩石表面不断翻滚，主要以动压入体用下，在孔底岩石表面不断翻滚，主要以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎（辗压）积破碎方式和动疲劳破碎（辗压） 方式破岩。方式破岩。动疲劳破碎方式动压入体积破碎方式钢粒钻头钢粒钻头 钻粒钻头的功用是将钻杆柱传来的轴钻粒钻头的功用是将钻杆柱传来的轴向压力及回转力传递给钻粒；同时，钻头的唇向压力及回转力传递给钻粒；同时，钻头的唇面把钻粒压向孔底，进行钻进。钢粒钻头本身面把钻粒压向孔底，进行钻进。钢粒钻头本身不直接破碎岩石，但在钻进过程中，它受钢粒不直接破碎岩石，但在钻进过程中，它受钢粒及岩屑的作用，不断被磨耗。钢粒钻头一般用及岩屑的作用，不断被磨耗。钢粒钻头一般用中碳钢（中碳钢（45 45 号钢）号钢） 无缝钢管制成。其结构呈无缝钢管制成。其结构呈圆筒状，如图所示。钻头的外径上下一致，内圆筒状，如图所示。钻头的外径上下一致，内壁上部有壁上部有1 1 ：100 100 的锥度，以便卡取岩心。钻的锥度，以便卡取岩心。钻头壁厚随钻头直径不同而变化，小于头壁厚随钻头直径不同而变化，小于200 200 m m m m 时，壁厚在时，壁厚在9 9 11 11 m m m m 之间；大于之间；大于200 200 m m m m 时，壁厚为时，壁厚为14 14 20 20 m m m m 。新钻头的长均为。新钻头的长均为500 500 m m m m 。在钻进中，。在钻进中， 钻头沿高度逐渐被磨钻头沿高度逐渐被磨耗，耗， 直到剩余直到剩余150 150 m m m m 时，则就不能继续使时，则就不能继续使用。钻头在底部开有水口，用于流通冲洗液和用。钻头在底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下不断补给钢粒。向钻头唇面下不断补给钢粒。钢粒钻进规程参数钢粒钻进规程参数钢粒钻进规程参数包括：投砂方法及投砂量、钢粒钻进规程参数包括：投砂方法及投砂量、钻压、转速和冲洗液量等。钻压、转速和冲洗液量等。向孔底供给钢粒的方法称为投砂方法。正确地向孔底供给钢粒的方法称为投砂方法。正确地选用投砂方法和合理控制投砂量对钢粒钻进的效果选用投砂方法和合理控制投砂量对钢粒钻进的效果和质量有很大的影响。钢粒钻进的投砂方法有三种和质量有很大的影响。钢粒钻进的投砂方法有三种：一次投砂法、结合投砂法、连续投砂法。：一次投砂法、结合投砂法、连续投砂法。一次投砂法，就是在钻进开始前把一个回次所需的一次投砂法，就是在钻进开始前把一个回次所需的钢粒一次投入孔底。钢粒一次投入孔底。结合投砂法，又称分批投砂法。这种方法是在回次结合投砂法，又称分批投砂法。这种方法是在回次开始前先投入一定数量的钢粒，待钻进一定时间后开始前先投入一定数量的钢粒，待钻进一定时间后再分别补投再分别补投1 1 2 2 次。次。连续投砂法，是在钻进过程中连续不断地（或小组连续投砂法，是在钻进过程中连续不断地（或小组分接连不断地）分接连不断地） 向孔内供给钢粒，以补充钻进中的向孔内供给钢粒，以补充钻进中的消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器。消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器。一次投砂量对各钻进参数的影响（单位，kg）二、钻压二、钻压 在钢粒钻进中，钻压是保证钢粒在孔在钢粒钻进中，钻压是保证钢粒在孔底破碎岩石的必要条件。钻压是岩石破碎和牵动底破碎岩石的必要条件。钻压是岩石破碎和牵动钢粒所需连系力的主要依据。钢粒钻进中必须有钢粒所需连系力的主要依据。钢粒钻进中必须有足够大的钻压。足够大的钻压。 P=pSP=pS 式中：式中： P P轴向钻压轴向钻压kgkg；p p钻头单位唇面面积钻头单位唇面面积所需的压力所需的压力kg/cmkg/cm2 2，S S钻头唇面的实际面积钻头唇面的实际面积cmcm2 2 。 大量的试验表明：钢粒钻进的单位压大量的试验表明：钢粒钻进的单位压力存在一个最优值。实践表明：单位压力的最优力存在一个最优值。实践表明：单位压力的最优值取决于钻粒强度、岩石级别以及钻头转速等因值取决于钻粒强度、岩石级别以及钻头转速等因素。素。不同钻粒对最优单位压力不同钻粒对最优单位压力的影响（钻粒直径的影响（钻粒直径3mm3mm）1 1铁砂（铁砂（ =380kg=380kg） 2 2合金铁砂（合金铁砂（ =580kg) =580kg) 3 3纯钢砂（纯钢砂（ =575kg=575kg）4 4钢粒（钢粒（ =1900kg=1900kg）不同岩石对最优单位压力的影响不同岩石对最优单位压力的影响1 11212级石英岩级石英岩 ；2 29 9级斜长花岗岩；级斜长花岗岩；3 38 8级花岗岩级花岗岩不同转速对最优压力的影响单位压力，kg/cm12级石英岩 D 91mm机械转速cm/h4050 60 70 80 90 100322824201612840203036n=123r/minn=284r/minn=381r/min5-4 硬质合金钻进利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。这显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。这类命名方式还有：金刚石钻进、钢粒钻进等。类命名方式还有：金刚石钻进、钢粒钻进等。硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。但硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。但在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以下的地层，即可钻性以下的地层，即可钻性1 1 7 7 级和部分级和部分8 8 级地层。若级地层。若在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。硬质合金钻进。硬质合金钻进井底碎岩工况钻头上切削具切入岩石的必要条件是：钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（或最小等于）（或最小等于） 岩石的抗压入硬度，即：岩石的抗压入硬度，即：式中式中Py Py 单个切削具上的轴向压力；单个切削具上的轴向压力； S S0 0 切削具与岩石的接触面积；切削具与岩石的接触面积； Hr Hr 岩石的抗压入硬度。岩石的抗压入硬度。Py Py SS0 0Hr Hr 是切削具切入岩土的必要条件是切削具切入岩土的必要条件。否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎。否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎岩过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，碎岩过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。制造硬质合金钻头的材料钻头体钢管钻头体钢管钻头体是用钻头体是用D35 D35 或或D45 D45 号钢的无缝钢管制成。前苏联是用号钢的无缝钢管制成。前苏联是用9O 9O CT1050 CT1050 74 74 的的30 30 ，3535或或45 45 号钢或号钢或9OCT9OCT38038071CT71CT4 4号钢制造号钢制造硬合金钻头体。这种钢可保证钻头体有足够的强度和焊接时对焊料硬合金钻头体。这种钢可保证钻头体有足够的强度和焊接时对焊料有良好的浸润性。肋骨钻头的肋骨用与钻头体相同的钢制作。切削有良好的浸润性。肋骨钻头的肋骨用与钻头体相同的钢制作。切削具的垫片和安装薄片用具的垫片和安装薄片用9OCT10509OCT105074107410，2020和和3535号或号或9O 9O CT380CT3807171号钢制作，以保持硬合金片的稳定性和刚性。固定的支撑片用强度号钢制作，以保持硬合金片的稳定性和刚性。固定的支撑片用强度较高的钢较高的钢9OCT 9OCT 7445 7445 号钢制造。号钢制造。硬质合金硬质合金地质勘探钻进中所采用的硬质合金主要是碳化钨（地质勘探钻进中所采用的硬质合金主要是碳化钨（WCWC钴（钴（C CO O）系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用）系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG YG 类硬质合金。类硬质合金。影响硬质合金性能的因素随着合金中含钻量的增加，相对密度有所下降，硬度逐渐降低，随着合金中含钻量的增加，相对密度有所下降，硬度逐渐降低，耐磨性能降低；而抗弯强度逐渐增高，同时冲击韧性也提高。耐磨性能降低；而抗弯强度逐渐增高，同时冲击韧性也提高。合金中碳化钨粉粒的粗细度对机械性能有影响：粒度变细、硬度合金中碳化钨粉粒的粗细度对机械性能有影响：粒度变细、硬度增高，抗弯强度却有所下降。例如增高，抗弯强度却有所下降。例如YG6 YG6 的碳化钨粉的粒度为的碳化钨粉的粒度为2.81 2.81 3.23 3.23 时，其硬度为时，其硬度为HRc HRc A88.5 A88.5 ；碳化钨粉的粒度为；碳化钨粉的粒度为1 13535时，其时，其硬度为硬度为HR A92 HR A92 。碳化钨粉的粒度变细，其耐磨性能有所提高。碳化钨粉的粒度变细，其耐磨性能有所提高。硬合金的冲击韧性也随着含钴量增加和碳化钨粉的粒度增大而提硬合金的冲击韧性也随着含钴量增加和碳化钨粉