1、5 地質勘探鉆進技術,5-1 地勘鉆進特點 5-2 地質勘探鉆進方法分類 5-3 鋼粒鉆進 5-4 硬質合金鉆進 5-5 金剛石鉆進 5-6 反循環(huán)鉆探技術簡介,5-1 地勘鉆進特點,地質條件千變萬化 使用設備五花八門 取樣要求嚴而又嚴 技術應用從古至今,地質條件千變萬化,沉積巖、火成巖、變質巖樣樣不少； 堅硬松軟、完整破碎、坍塌縮徑； 構造復雜、裂隙叢生、溶洞發(fā)育； 地形復雜、交通不便、供水困難； ,5-2 地質勘探鉆進方法分類,鋼粒鉆進 硬質合金鉆進 金剛石鉆進 沖擊鉆進（砂礦鉆進）,5-3 鋼粒鉆進,用未鑲焊切削具的鉆頭壓住鋼?；蜩F砂并帶動它們在孔底翻滾而破碎巖石的鉆進法，統(tǒng)稱為鉆粒鉆進

2、。鋼粒鉆進是19 世紀后期開始用于鉆孔工作的。這種鉆進方法主要用于鉆進中等硬度以上的堅硬巖層，硬合金鉆進方法因受其切削具的硬度及耐磨性的限制，現(xiàn)在只用于鉆進中等硬度以下的軟巖層，在地質勘察鉆孔中，用于鉆進堅硬巖層的方法，目前主要有鋼粒鉆進和金剛石鉆進兩種，,鋼粒鉆進井底過程,如右圖所示，可把鋼粒鉆進時的孔底過程歸納為圖中“底唇下”、“外環(huán)狀間隙” 和“內環(huán)狀間隙” 是投砂后鋼粒所處的基本狀態(tài)，在底唇下鋼粒破碎巖石的同時，內、外環(huán)狀間隙的鋼粒分別磨損巖心、孔壁和鉆頭體。水口導砂是使鋼粒向唇下轉換的主要通道；外環(huán)狀間隙中的水力分選則是維持孔底動平衡，使鋼?！靶玛惔x” 的關鍵；絕大多數被淘汰的碎鋼

3、粒最終都落入取粉管內。鋼粒如此循環(huán)往復，是由水口形狀、水量大小和轉速快慢來調節(jié)。在鉆進過程中，隨著鋼粒的消耗，鉆頭也不斷被磨耗，水口逐漸變小，直至不能實現(xiàn)上述循環(huán)，機械鉆速顯著降低而結束回次鉆程。,鋼粒鉆進碎巖機理,圓柱形鋼粒在鉆頭給予的軸向壓力Py 和回轉力Px （應理解為鉆頭唇面與鋼粒間的聯(lián)系力） 作用下，在孔底巖石表面不斷翻滾，主要以動壓入體積破碎方式和動疲勞破碎（輾壓） 方式破巖。,動疲勞破碎方式,動壓入體積破碎方式,鋼粒鉆頭,鉆粒鉆頭的功用是將鉆桿柱傳來的軸向壓力及回轉力傳遞給鉆粒；同時，鉆頭的唇面把鉆粒壓向孔底，進行鉆進。鋼粒鉆頭本身不直接破碎巖石，但在鉆進過程中，它受鋼粒及巖屑的

4、作用，不斷被磨耗。鋼粒鉆頭一般用中碳鋼（45 號鋼） 無縫鋼管制成。其結構呈圓筒狀，如圖所示。鉆頭的外徑上下一致，內壁上部有1 ：100 的錐度，以便卡取巖心。鉆頭壁厚隨鉆頭直徑不同而變化，小于200 m m 時，壁厚在9 11 m m 之間；大于200 m m 時，壁厚為14 20 m m 。新鉆頭的長均為500 m m 。在鉆進中， 鉆頭沿高度逐漸被磨耗， 直到剩余150 m m 時，則就不能繼續(xù)使用。鉆頭在底部開有水口，用于流通沖洗液和向鉆頭唇面下不斷補給鋼粒。,鋼粒鉆進規(guī)程參數,鋼粒鉆進規(guī)程參數包括：投砂方法及投砂量、鉆壓、轉速和沖洗液量等。 向孔底供給鋼粒的方法稱為投砂方法。正確地選

5、用投砂方法和合理控制投砂量對鋼粒鉆進的效果和質量有很大的影響。鋼粒鉆進的投砂方法有三種：一次投砂法、結合投砂法、連續(xù)投砂法。 一次投砂法，就是在鉆進開始前把一個回次所需的鋼粒一次投入孔底。 結合投砂法，又稱分批投砂法。這種方法是在回次開始前先投入一定數量的鋼粒，待鉆進一定時間后再分別補投1 2 次。 連續(xù)投砂法，是在鉆進過程中連續(xù)不斷地（或小組分接連不斷地） 向孔內供給鋼粒，以補充鉆進中的消耗。連續(xù)投砂法必需用專門的連續(xù)投砂器。,一次投砂量對各鉆進參數的影響（單位，kg）,二、鉆壓 在鋼粒鉆進中，鉆壓是保證鋼粒在孔底破碎巖石的必要條件。鉆壓是巖石破碎和牽動鋼粒所需連系力的主要依據。鋼粒鉆進中必

6、須有足夠大的鉆壓。 P=pS 式中： P軸向鉆壓kg；p鉆頭單位唇面面積所需的壓力kg/cm2，S鉆頭唇面的實際面積cm2 。 大量的試驗表明：鋼粒鉆進的單位壓力存在一個最優(yōu)值。實踐表明：單位壓力的最優(yōu)值取決于鉆粒強度、巖石級別以及鉆頭轉速等因素。,不同鉆粒對最優(yōu)單位壓力 的影響（鉆粒直徑3mm） 1鐵砂（ =380kg） 2合金鐵砂（ =580kg) 3純鋼砂（ =575kg）4鋼粒（ =1900kg）,不同巖石對最優(yōu)單位壓力的影響 112級石英巖 ；29級斜長花崗巖；38級花崗巖,不同轉速對最優(yōu)壓力的影響,5-4 硬質合金鉆進,利用鑲焊在鉆頭體上的硬質合金切削具，作為破碎巖石的工具，這種鉆

7、進方法通稱為硬質合金鉆進。顯然，它是以破碎巖石的切削研磨材料而命名的。這類命名方式還有：金剛石鉆進、鋼粒鉆進等。 硬質合金是一種堅硬材料，前面已經討論過。但在實際使用中，硬質合金鉆進只適用于鉆進中等硬度以下的地層，即可鉆性1 7 級和部分8 級地層。若在更為堅硬的巖層中鉆進，則切削效果很差，切削具磨損很快或易折斷而迅速失去鉆進能力。當前，軟的和中硬以下的地層，尤其是土層的鉆孔工作，主要靠硬質合金鉆進。,硬質合金鉆進井底碎巖工況,鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上的單位壓力必須大于（或最小等于） 巖石的抗壓入硬度，即： 式中Py 單個切削具上的軸向壓力； S0 切削具與巖石的

8、接觸面積； Hr 巖石的抗壓入硬度。 Py S0Hr 是切削具切入巖土的必要條件。否則，切削具在井底就不能切入巖土，碎巖過程只能是切削具對巖土的表面磨蝕，碎巖效果很差。因此，在硬質合金鉆進中，必須有足以使切削具切入巖石的軸向壓力。,制造硬質合金鉆頭的材料,鉆頭體鋼管 鉆頭體是用D35 或D45 號鋼的無縫鋼管制成。前蘇聯(lián)是用9O CT1050 74 的30 ，35或45 號鋼或9OCT38071CT4號鋼制造硬合金鉆頭體。這種鋼可保證鉆頭體有足夠的強度和焊接時對焊料有良好的浸潤性。肋骨鉆頭的肋骨用與鉆頭體相同的鋼制作。切削具的墊片和安裝薄片用9OCT10507410，20和35號或9O CT3

9、8071號鋼制作，以保持硬合金片的穩(wěn)定性和剛性。固定的支撐片用強度較高的鋼9OCT 7445 號鋼制造。 硬質合金 地質勘探鉆進中所采用的硬質合金主要是碳化鎢（WC鈷（CO）系硬質合金。它以碳化鎢粉末為骨架金屬，鈷粉末為粘結劑，用粉末冶金方法制成。這類硬質合金稱為YG 類硬質合金。,影響硬質合金性能的因素,隨著合金中含鉆量的增加，相對密度有所下降，硬度逐漸降低，耐磨性能降低；而抗彎強度逐漸增高，同時沖擊韌性也提高。 合金中碳化鎢粉粒的粗細度對機械性能有影響：粒度變細、硬度增高，抗彎強度卻有所下降。例如YG6 的碳化鎢粉的粒度為2.81 3.23 時，其硬度為HRc A88.5 ；碳化鎢粉的粒度

10、為135時，其硬度為HR A92 。碳化鎢粉的粒度變細，其耐磨性能有所提高。 硬合金的沖擊韌性也隨著含鈷量增加和碳化鎢粉的粒度增大而提高。如YG6的沖擊韌性為0.35Nmcm2 ，而YG8 為025Nmcm2 。 以YG 類合金為基體，在其表面涂以很薄的一層（0.005 0.015mm） 碳化鈦（TiC）合金層，可使其表面硬度及耐磨性提高，而仍具有原基體的良好強度和韌性。涂層可使切削具的壽命提高幾倍，這是十分有益的措施。,鉆探用硬合金切削具,巖心鉆探中使用的硬合金切削具已定型生產，列入冶金部部標和國家標準。 目前鉆探中使用的硬質合金定型產品形狀有片狀、柱狀及針狀3 類。片狀切削具片薄刃寬易于切

11、入和切削巖石，但抗彎能力較差，主要用于鉆進14 級塑性軟巖；柱狀切削具抗彎、抗壓能力都較強，主要用于鉆進4 7 級中硬巖層；針狀硬合金及未列入標準的薄片硬合金（0.78.520 ，1520 等） 用來制造自磨式鉆頭。 硬合金切削具形狀的確定和選擇應從下面的原則來考慮： （1） 有利于破碎巖石； （2） 有利于抗磨損； （3） 有利于抗斷、抗崩： （4） 有利于鑲焊和修磨。,硬質合金鉆頭的制造工藝,在制造工藝中，硬合金鉆頭除了對鉆頭體的加工應嚴格合乎要求外，鑲焊合金是一個重要工序。在許多情況下，由于鑲焊不當，影響鉆頭質量，使鉆頭過早地損壞而失效，從而影響鉆進效果，甚至引起孔內事故。 鑲焊工作包括

12、硬合金的鑲嵌、焊接、修磨等工序。 鑲嵌工作是焊接的基礎。硬合金切削具的定位和方向必須確保設計要求。內、外出刃及底出刃必須嚴格按圖紙規(guī)定，鑲嵌要均勻一致。,硬質合金焊接注意事項,焊接工作要求在不損傷硬合金本身質量的前提下，把硬合金切削具牢固地焊接在鉆頭體上。YG類硬質合金中的碳化鎢是耐高溫的，可是鉆在空氣中，當溫度達到1000 時則會影響其性能。因此，焊接時若用過高的溫度直接燒切削具，則很容易損傷硬合金本身的質量，失去其切削能力。同時，在焊接時不均勻的加熱和冷卻都會對硬合金切削具造成顯微裂隙，這將大大降低硬合金切削具的強度。焊接硬合金鉆頭時應該用氧乙炔焊（即所謂氣焊）， 并使用前面所列的專門的含

13、鋅黃銅焊條， 使其熔點最好降到900 以下，并具有良好的流動性和焊接性能。在鑲嵌前應把硬合金表面的燒結浮層除掉，同時，在焊接時要用硼砂或其他焊劑，清除氧化膜和降低焊料的表面張力從而改善焊接口的浸潤性。同時，還應注意焊縫寬度要選擇適當，通常以01mm 為宜，過小則焊料不易流入，過大則降低焊接強度。成批生產時，最好采用浸銅焊法，即將所焊的鉆頭放在熔融的焊料中浸漬。這種方法不會使硬合金過熱，容易保證質量。,硬質合金鉆頭的主要參數,鉆頭體結構 切削具的性能與規(guī)格形狀：片狀、方柱狀、八角狀、針狀； 切削具出刃：內出刃、外出刃、底出刃。 切削具的鑲焊角：直鑲、正斜鑲、負斜鑲 切削具在鉆頭底面的排列方式 切

14、削具在鉆頭上的數目 鉆頭的水口與水槽（直槽與螺旋斜槽）,鉆探用硬質合金,切削具出刃,為了使切削具順利地切入巖石、沖洗液暢通以及減小鉆頭體的磨損，切削具必須突 出于鉆頭體一定的尺寸，此突出部分稱為出刃，如左圖所示。根據突出部位的不同出刃分為內出刃、外出刃和底出刃。,硬合金切削具底出刃和補強,H 切削具底出刃；h0 切入深度；h1 鉆頭底面過水間隙,補強,切削具在鉆頭上的三種鑲焊形式,（a)直鑲：0 （b)正斜鑲：0 （c)負斜鑲：0 Py 軸向壓力，Px 回轉水平力；刃角， a 切削角；鑲焊角（前角）；h0 切入深度，Q 刃前面阻力,切削具排列與水口水槽,（a）單環(huán)；（b）兩粒一組兩環(huán)；（c）三

15、粒一組三環(huán)；（d）四粒組四環(huán)；（e）密集式兩環(huán)；（f）密集式三環(huán),硬合金鉆頭的各種水口和水槽,典型鉆頭結構舉例,磨銳式鉆頭：在鉆進遇水膨脹、粘結性的地層肋骨鉆頭和薄片鉆頭；在鉆進中硬及較硬地層分環(huán)式、掏槽式。 自磨式鉆頭：針狀硬質合金鉆頭（胎塊式，鋼柱式）和薄片硬質合金鉆頭,分 環(huán) 式 鉆 頭,掏 槽 式 鉆 頭,胎塊式針狀硬質合金鉆頭,常用硬質合金鉆頭選型,常用硬質合金鉆頭及其使用范圍表,硬質合金取心鉆進,選擇合適的取心鉆頭 選擇適當的取心鉆具 采用合理的鉆進工藝,硬質合金取心鉆進工藝,鉆速 鉆壓 泵量,鉆 壓,鉆壓是孔底碎巖的必要條件。鉆壓的大小決定著碎巖的方式和特點，它直接影響鉆進速度。

16、 機械鉆速與鉆壓的關系是：機械鉆速隨著鉆壓的增加而不斷地增大。這是兩者關系的總趨勢。具體可分為3 個階段：表面破碎階段、疲勞破碎階段、體積破碎階段。 在鉆進過程中，切削具逐漸被磨鈍后，切削具與巖石的接觸面積逐漸增大，使切削具接觸面上的壓強減小，以致低于巖石的壓入硬度，因而碎巖方式由體積破碎過渡到疲勞破碎，甚至表面破碎，鉆速急劇下降。所以，在磨銳式硬合金鉆頭的鉆進過程中，為保持較高的鉆速，應隨著切削具的磨鈍而逐漸增大鉆壓，直至鉆探設備或其他條件限制不可能繼續(xù)增大鉆壓時為止。,合理確定鉆壓的依據,實際實施時，確定單顆鉆壓尚須考慮巖石的狀態(tài)、鉆頭的類型、鉆孔深度和鉆具強度等因素。例如：鉆進粘結性的軟

17、巖時，鉆壓應選得小一些，以免堵水糊鉆；鉆進研磨性較大的巖層時，鉆壓應適當加大一些，以免鉆壓不足而造成鉆頭過早磨鈍；鉆進裂隙性巖層時，則鉆壓應適當降低一些，以免崩刃。,初始鉆壓與鉆進的關系,這是一個用92 m m 的小切削具硬合金鉆頭，在轉速100rmin 下，鉆進玄武巖的試驗結果 試驗結果表明：以7.5kN 鉆壓開始的，其平均鉆速約2倍于以1.8kN 開始而逐漸增至7.5kN 鉆壓時的平均鉆速。因此，一開始就以允許的大鉆壓鉆進是有利的。其原因是它充分發(fā)揮了切削具刃具鋒利的優(yōu)勢。當然，開始的大鉆壓應理解為合理的最大值，不應視為初始鉆壓愈大愈好。,確定合理鉆壓的原則,在磨銳式硬合金鉆頭鉆進中，鉆壓

18、是一個重要的鉆進參數。鉆壓必須保證切削具切入巖石，以體積碎巖方式進行鉆進。然后，依不同巖石性質（其中主要是巖石的壓入硬度研磨性和抗剪強度），并考慮到鉆進過程中工作刃的磨鈍狀況，充分發(fā)揮鋒利刃的作用，力求達到最高的平均機械鉆速（純鉆進效率） 和最大的鉆頭進尺來確定鉆壓值。 另一方面，必須充分考慮到實現(xiàn)所要求鉆壓的可能性。最大鉆壓除了受切削具本身和鉆頭本身的強度限制外，還受到鉆桿柱和孔底鉆具組成的強度以及地面機械設備能力的限制。 在實際生產中，首先確定每顆硬合金切削具上應該施加的壓力，然后，再根據一個鉆頭上鑲焊切削具的數目，計算出總鉆壓P 。 即：P pm 式中：P 鉆頭上的總壓力；p 每顆切削具

19、上應加的壓力（單顆鉆壓）；m 鉆頭上切削具的顆數。,硬合金鉆進不同巖層時轉速對機械鉆速的影響,中硬以上巖層中鉆進時機械鉆速與轉速的關系,h轉速n時，切削具實際的碎巖深度； h0當n0 時的切入深度； 取決于巖石的彈性及塑性的衰減系數。 V（h0 n）mn,硬質合金鉆進的推薦鉆速,對于目前硬合金鉆進所用的口徑一般在91 151mm之間，鉆頭的圓周速度應在0.62 m s 的范圍內，轉速則一般為100 350rmin 。 鉆進可鉆性2 4 級的軟巖，鉆頭的轉速可按圓周速度不超過2.5 3.0 m s 來選擇， 這樣不同直徑的鉆頭，其極限轉速不應超過下列值： 鉆頭外徑mm 93 112 132 151 極限轉速（）rmin 500 400 350 300 當鉆進含有夾層或包裹有礫石或漂礫的軟巖時，上述數值應減小。,泵 量,送入孔內的沖洗液量、主要是用于清除孔底產生的巖粉和冷卻鉆頭。隨著沖洗液量的增加，對孔底