第二章 硬质合金钻进 硬质合金钻进是把不同几何形状和一定尺寸的硬质合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上，并按一定钻进规程破碎岩石而钻孔的方法。 硬质合金块是一种很硬的、强度很高的合金材料，最初应用于金属切削工具上，二十世纪初开始应用于采矿和石油钻井以及地质勘探钻孔作业中。目前我国和世界各国在石油钻井和地质勘探钻孔中已广泛应用硬质合金。

硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年的钻探工作量，用硬质合金钻进法完成的约占60%；在煤田地质勘探中约占80%。 硬质合金钻进，一般适用于可钻性为1～6级及部分7～8级的岩石。钻孔直径为35.5mm直至2000mm，常用的钻头直径为75、91、110、130、150mm等规格。硬质合金钻进可钻进任何角度的钻孔。其钻具组装如图 2‑1所示。

图 2‑ 硬质合金钻具 1—合金钻头；2—岩心管； 3—异径接头；4—钻杆接头；

硬质合金钻进的优点是：在软岩及中硬岩石中钻进效率高，钻进质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻进操作简便，钻探方法灵活，应用范围广泛。 一般情况下，影响硬质合金钻进效率的主要因素有：岩石的性质、硬质合金钻头的质量及钻进时的操作技术和钻进规程等。

第一节 硬质合金钻进原理 硬质合金钻进是以坚硬的硬质合金作切削具来破碎（切削）岩石，即在轴向压力和钻具回转力作用下，由硬质合金克取（压入、压碎、切削）破碎岩石。我们研究硬质合金钻进时，应研究以下四个过程； (1)硬质合金钻头通过轴心压力和钻具的回转作用，克取破碎孔底岩石； (2)被克取破碎的岩石颗粒由注人孔内的冲洗液排出孔外；同时，冲洗液还起着冷却钻头的作用； (3)钻进过程中，在岩石被克取破碎的同时，合金本身不断磨钝和磨损．因此必须定时更换钻头； (4)钻进过程中必须定期采取岩(矿)心。

在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研究硬质合金钻进原理时．应重点研究硬质合金钻进破碎岩石的过程和硬质合金本身的磨损问题。 硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即塑性岩石破碎过程和脆性岩石破碎过程。前者是将岩石破碎过程看成具有明显的高塑性，因而钻进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后者考虑到岩石破碎过程中存在着脆性破碎，因而是在孔底碎岩机理的基础上进行分析。

硬质合金钻进的基本情况如图 2‑2所示。钻进时，合金受到两个力的作用。即轴心压力Py和回转力Px。当轴心压力Py达到一定值后，合金对岩石的单位压力超过岩石的抗压入阻力，合金便切入岩石一定深度h0；与此同时，在回转力Px的作用下，向前推挤岩石，如岩石较脆，则受力体被剪切推出；若岩石较软呈塑性体，则合金前部的岩石便被切削去一层，孔底工作面呈螺旋形式而不断加深。

钻进塑性岩石时，只有加在合金上的轴心压力C0大于与岩石接触面上的抗压入强度时才能切入。即： C0>δS0 式中：δ‑岩石的抗压入强度； S0‑合金刃与岩石的接触面积。 钻进时，机械钻速主要取决于合金切入岩石的深度；而切入深度则取决于轴心压力C0和岩石性质，并与钻头的转数、合金数量及其几何形状有关。

钻头上的合金(切削具)切入岩石时的理想受力情况如图2—2所示，在轴心压力G(即Py，)的作用下，合金开始切人岩石。由于岩石对切削刃有阻力，切削具不是沿垂直方向，而是沿着与垂直方向呈交角γ的方向向下移动；γ角的值主要取决予岩石对合金间的摩擦系数和刃尖角。在合金切人岩石的过程中，合金的后面与前面分别遇到法线阻力N1和N2(见图 2‑3)；若将这些力分别投影于z轴和y轴上时，解之，便可解得切人深度h0。与各种因素的关系：

钻进脆性岩石时，合金（切削具）以轴心压力C0向下切入岩石，当合金与接触面的压强大于岩石的抗压入强度时，则岩石发生脆性剪切，剪切体向自由面崩出而呈现kok´破碎穴，如图 2‑5所示。 当合金切入岩石h0深度后，在水平力Px的作用下，产生水平剪切过程：首先将岩石块abc（图 2‑6）剪切掉，此时称为大剪切。当合金继续前进时，合金刃尖前端不断产生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑；经过不断的小体积剪切后，合金刃前与岩石接触面逐渐增大，直至又达到a´b´全面接触时，然后又产生一次a´b´c´大剪切。

因此，在脆性岩石中回转切削的过程，是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程。同时，合金两侧的切削槽宽也发生大小不同的变化。当发生小剪切时，切削糟窄；当发生大剪切时，槽的宽度增大。从岩面上看，切削槽的宽度基本上是有规则地变化着。切削糟的底面也是不平整的，随着大小剪切的交替进行，底槽深度也是高低不平，呈起伏状态。

合金在孔底破碎岩石的同时也被磨损，因而钻头上的合金在钻进开始和终了时的情况不同。合金随着进尺数的增加被磨损而变钝，因而机械钻速逐渐下降。钻进时，我们不但要求有较高的机械钻速，而且还要求有较高的回次进尺和台班效率。因此，必须尽可能地掌握钻进规律，使钻头有较长的钻进时间。所以，研究钻进中硬质合金的磨损，就成为合金钻进中的一个重要问题。

从上式可以看出影响合金磨损和钻头在孔底耐久性的各种因素及其相互关系，但上式仍是理想情况下所得。故必须在合金钻进时经常注意地层情况的变化，掌握合金磨损的特点。实际上切削刃在孔底的磨损是不均匀的。钻进时，切削刃沿高度的磨损使内外刃的负担加重，所以磨损大于中部，而外刃磨损又大于内刃。由于内外刃磨损较重，所以内外侧刃端磨损的厚度也较大，如图 2‑8所示。切削刃的前缘负担较重，因而磨损也较重；同时，切削刃的后缘在回转运动中受岩屑和岩面的研磨会产生"自磨"现象；合金刃尖角和孔底螺旋面倾角愈大，则这种"自磨"现象愈明显。因此，切削刃端不是平面磨损而是呈圆弧形磨损，如图 2‑9所示。也就是说，合金切削刃在孔底有"自锐"的磨损作用，这种磨损作用是对钻进有利的。

在实际钻进工作中，用冲洗液冲孔时，对合金切削刃有一定的润滑作用，可减少合金的磨损。同时冷却钻头合金，并使孔底保持清洁，对减少合金磨损会起重要作用。

第二节 钻探用硬质合金 一、硬质合金的种类和性质 钻探用的硬质合金，主要是碳化钨（WC）—钴（Co）类压结式合金。其主要成分是碳化钨，它以碳化钨粉为骨架，以钴粉末做胶结剂，经粉末冶金方法压制烧结成各种型式，然后将其镶焊在钻头体上，制成各种型式的钻头。这类硬质合金统称为YG类硬质合金，亦称钨钴合金。

一般情况下，要求硬质合金具备以下性能： （一）硬度 一般岩心钻探用的硬质合金，其硬度应大于HRA50。 （二）韧性 因钻进用的钻杆是弹性体，而所钻岩石又大都是非均质的，故钻进时孔底载荷变化很大，所以要求合金的抗弯强度大于1150MPa。 （三）材料应成型，以便易于镶焊在钻头上。 （四）应有一定的热硬性和导热性，以减少合金的磨损，延长钻头的寿命。 钻进时应根据岩石性质和使用条件，合理地选用硬质合金的牌号及型式。

供地质勘探用的YG类硬质合金，其物理机械性质及特性见表 2‑1。 表中所列各种牌号：第一个字母"Y"表示硬质合金；YG表示碳化钨-钴类（WC-Co）硬质合金；后面的数字表示其含钴量；数字后面的字母"C"表示粗晶粒；"X"表示细晶粒。"A"表示加有碳化铌。例如YG6x表示含钴6％的细晶粒钨钴合金；YG8c表示含钴8％的粗晶粒钨钴合金。 YG类合金中含钴量越高，韧性和抗弯强度越高，但耐磨性下降；碳化钨粉末的粒度愈细，则硬度愈高，而抗弯强度愈低；反之亦然，抗弯强度以YG11c合金最高。

、硬质合金的型式 岩心钻探用硬质合金的型式，应具备以下条件：①切削刃尖，接触面小，便于切入岩石；②有较大的强度和耐磨性，抗崩、抗磨；③具有适当的尺寸和形状，能与钻头体牢固焊接；④合金磨损后仍具有一定的切削能力（即具有一定的自锐作用）。 岩心钻探用硬质合金已有定型产品，其型号、尺寸及使用条件见表 2‑2所列。 表 3‑2所列硬质合金的定型产品，可分为两大类，即：磨锐式合金和自磨式合金（见图 2‑10）。

（一）磨锐式硬质合金 磨锐式硬质合金具有刃尖角（或能修磨成刃尖角），钻进时刃尖角的断面逐渐增大，其几何形状有： （1）薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片三种，如图 3‑10所示。常用的T0、T4和S3、S5 型。厚度一般小于3～6mm，易切入岩石，但强度和耐磨性较差，多用于1～4级软岩或均质岩石中钻进。其中S3型多用于刮刀钻头，S5型多用于油井钻进的刮刀钻头。

（2）楞柱状合金：有八角柱 （T1型）、方柱（T3型）和锥片柱状（T5型）三种，如图 2‑10所示。钻进时，柱状合金与岩石的接触面较大，其强度和耐磨性都较大，故多用于 4-7级中硬岩层。其中，T1型合金可用于较硬岩层，T5型合金用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱合金比方柱合金具有易于破碎岩石、便于排除岩粉、抗磨能力强和易于焊牢等优点。八角柱合金有超前刃，切入岩石阻力小，有掏槽作用，又可使岩粉顺切削具两侧排出，减少磨损；而且具有近圆弧状切削刃，可使磨损均匀，也就是说，磨损后还成弧面，仍能保持切削能力（如图 2‑11所示）。另外，八角柱合金采用钻圆眼镶焊法，牢固可靠而方柱合金若采用圆眼镶焊，则空隙过大，而采用刨槽焊接，在钻进中很易崩落，如图 2‑12所示。

（二）自磨式硬质合金 自磨式合金没有刃尖角，其本身断面小，所以在轴心压力下能吃入并破碎岩石。磨损后合金断面不增加，也就是说，钻进时合金不被磨钝。自磨式合金有圆柱状和片状两种，多用于研磨性较大的坚硬岩层，常用的自磨式合金为T2型，见图 2‑10。

第三节 硬质合金钻头 岩心钻探用的硬质合金钻头，可分为取心钻头和不取心钻头两大类。将一定数量的硬质合金，按特定形式排列在钻头上，可构成品种繁多的钻头类型。 决定钻头形式类型的因素，称为硬质合金钻头的结构要素。合金钻头的结构要素有：钻头体（空白钻头）、合金数目、合金出刃及排列方式、合金的镶焊角度、钻头水口、水槽的形式和数目等。 为提高钻进效率和质量，必须根据岩石性质对钻头结构进行分析，以便合理地选择和设计不同类型的钻头。

一、合金钻头的结构分析 （一）钻头体（空白钻头） 钻头体是由DZ-40地质钻探用无缝钢管制成。丝扣为地质专用特殊梯形扣，钻头上端内壁有一定锥度，以便卡取岩心。空白钻头的同心度、各端面与中心的垂直度以及各尺寸间的相互关系都应严格要求；否则会直接影响钻进效率和质量。 空白钻头的结构如图 2‑13所示，各种钻头的规格尺寸见表 2‑3。

（二）钻头上合金的数目˝ 影响钻头上合金数目最优值的因素很多，目前还不能用理论公式来表示。一般情况下，在确定合金数目时，要综合考虑钻头直径、钻探设备能力、钻进规程、岩粉的排除及合金的冷却等条件。从理论上分析，只要保证每个合金在钻进某种岩石时的轴心压力值，合金数目的增加与钻速应成正比。但在生产实践中，情况并不如此，合金数目过多反而会使钻速下降。其原因是过密的合金（或合金组）会使合金之间的距离缩小，使岩石在大剪切时体积破碎的过程受到限制，而使岩石破碎的体积减小，钻速下降。

在确定或设计钻头上合金数目时，应考虑以下因素： （1）在一定的岩性条件下，合金之间的距离应有一定值，以保证碎岩时能产生大剪切体进行体积破碎。 （2）在保证每个合金所需压力的情况下，在一定范围内增加合金数目就等于增加同时工作的切削量，可以提高钻进速度。 （3）确定合金数目时，还应考虑钻头体上所允许的水口数目，以保证每个合金的完全冷却与冲洗。 （4）研磨性大的岩石，要适当增加合金数目，以保证每个合金的体积磨损量不致过大。 （5）由于合金体积的磨损量与合金切削运动的路程有关，所以大口径钻头在相同转数条件下，应适当增多合金数目；钻头的外沿亦应比内沿合金数目多；或增加补强合金以保持钻头内外沿合金体积磨损量大致相同，以避免钻孔缩径。

（三）钻头上的合金出刃 钻进时，为了使合金能顺利地切入岩石，并保持冲洗液畅通，以及减少钻头体的磨损，合金必须突出钻头体一定高度，此突出部分则称为出刃。合金出刃有内出刃、外出刃和底出刃，如图 2‑14所示。 外出刃是在钻头体的外侧与钻孔侧壁之间留有一定的通水间隙；内出刃是在岩心的外侧与钻头体内侧壁之间留有一定的通水间隙；底出刃是切入岩石的深度h0和保持水流冲洗的高度h1之和，即底出刃 H=h0+h1，如图 2‑15所示。

钻头上内、外、底出刃的尺寸，应根据岩石的性质来确定：在软岩中钻进，所需轴心压力不大，为能使大量岩粉及时排除孔底，需要加大内、外、底出刃；在坚硬岩层中钻进，合金切入岩石浅，岩粉少，同时为减少回转阻力和弯曲力矩，避免合金崩刃，应减小内、外、底出刃。 不同地层钻进时，硬质合金钻头的合金出刃量可参考表 3‑5所列。

（四）钻头上合金的排列方式 合金在钻头上的排列形式，归纳起来可分成以下几种： 1、按阶梯破碎方式排列 图 2‑16所示为多环阶梯式排列底出刃的孔底状况： 图（a）是二环阶梯排列。内环合金比外环合金底出刃大，因而形成孔底阶梯状。 图（b）是三环阶梯排列。中环合金是以超前方式比内、外合金的底出刃大，故可起到掏槽作用。

图（c）是四环多阶梯排列。此种钻头所镶合金较小，故称小切削具钻头。 图（d）是肋骨钻头的排列形式。肋骨刃与主刃高差较大。 阶梯破碎方式排列合金的目的，是使孔底增多自由面，以提高破碎效果。在5～6级以上、研磨性较大的岩石中钻进时，要注意超前刃的过快磨损或折断；否则发挥不出理想的效果。

2、按分区破碎方式排列 合金在钻头底面上的分布，除单环排列的（图 2‑17）外，大都采取了分区破碎方式排列，如图 2‑18所示。分区破碎方式排列的合金都呈内、外、中三环排列和四环排列（图 2‑19）；合金排列的特点是沿钻头径向宽度以同心圆式排列，整个孔底宽度是按同心圆方式分区破碎的，每个合金只破碎一条环形孔底岩石。 采用分区破碎能保证合金的稳定性，减少了合金破碎岩石的宽度，因此减轻了合金所承受的负荷，增加了合金的寿命和碎岩速度。 很多现代高效率的钻头，往往是将阶梯式破碎和分区式破碎结合，组成多样化钻头。

3．密集式排列 密集式排列主要用于研磨性岩石和较硬岩石的钻进，它以成组的合金比较集中地排列在一起，有堆状排列（图 2‑20）和疏松排列（图 2‑21）两种：前者每组合金堆集在一起，互相补强，前刃掏槽，后刃扩槽，如一个单元合金；后者每组合金成疏松的一组，可完成一个宽糟的切削量。 图 2‑22 合金的镶嵌角度 Px ‑轴向力;Pz ‑回转力;Φ‑前角;β‑刃尖角;α‑切削角;θ‑后角 密集式排列的硬质合金钻头有很多优点，在我国应用较为广泛。

（五）硬质合金的镶嵌角度 硬质合金经镶嵌后所形成的各种角度，如图 2‑22所示。 合金的刃尖角β（也称磨锐角）的大小，对钻头耐久性和钻速有很大影响。其大小应根据所钻岩性而定。 切削角α，也称镶嵌角。为便于切入岩石，合金的镶嵌角也不相同：切削角为900 的角叫直镶；小于900的叫正斜镶；大于900的叫负斜镶，如图 2‑23所示。

选择合金在钻头上的不同镶嵌角时，应考虑以下三点： （1）合金在切入岩石和回转时，应有较小的阻力； （2）钻进过程中随合金的磨损它与岩石的接触面不迅速增大； （3）在坚硬岩层钻进时，应使合金有较大的抗弯断面，以防崩刃。 在选择合金镶嵌角时，应根据所钻岩石性质和钻进规程来确定，可参考表 2‑6所列。

（六）钻头的水口和水槽 钻头上的水口、水槽主要作用是使孔底冲洗液畅通，并能及时冷却钻头和携带岩粉离开孔底。水口和水槽开得是否合理，直接影响着钻进效率和合金的磨损。 通常每组合金应当至少开一个水口，水口的总面积大于钻头与岩心之间的环状间隙的面积，以免因过水面积太小而引起不必要的水头损失。水口的大小应能满足冲洗液畅通、很好地排除岩粉和及时冷却钻头的要求。一般在松软、膨胀、缩径等地层钻进时，应加大水口，甚至增加肋骨进一步扩大孔壁间隙，以保证正常冲孔。水口的位置应尽可能地接近合金的前边，以使冲洗液的流动中心靠近合金前棱。目前，各地质队应用的钻头水口形式（如图 2‑24所示）。有矩形（a）、梯形（b）、半圆形（c）、偏斜形（d）及弧形（e）等。

钻头上的水槽和水口连接，其目的是补充增加钻头内、外环形间隙过水断面的不足。水槽有直槽和与顺钻头旋转方向成60-80°的斜槽两种；水槽一般深1 钻头上的水槽和水口连接，其目的是补充增加钻头内、外环形间隙过水断面的不足。水槽有直槽和与顺钻头旋转方向成60-80°的斜槽两种；水槽一般深1.5～2mm，宽7～10mm。

二、硬质合金钻头的制造 硬质合金钻头的制造工艺，对钻头寿命和钻进速度有很大影响。为此，要提高钻进效率和钻头寿命，必须提高钻头的镶焊质量。 硬质合金钻头的制造过程是： （1）准备钻头体：将钻头体车圆、车丝扣。加工水口、水槽； （2）划定合金位置：在钻头体上将镶嵌合金的位置划好线，再用凿子打出记号； （3）开凿合金巢：镶焊柱状合金时用钻床进行钻眼。然后将剩余的薄壁凿通（外刃从外壁凿通，内刃从内壁凿通），巢的深度应能使合金嵌入后留出底刃的高度。镶嵌薄片合金时，可用刨床或铣床加工。

（4）镶嵌合金片：将合金洗净压入合金巢，校正规格。用凿子使合金周边的钢料将合金固定起来。镶嵌敲打时，不得用铁锤直接敲打合金。 （5）镶焊合金：镶焊工序是钻头制造过程中最主要的工序，它直接影响钻头的质量。最常用的方法是氧焊法（如无氧焊，可用带鼓风的炭炉进行加热），铜焊条的直径一般为2～6mm。加热前应将钻头丝扣用石棉包好，合金则以水浸湿，撒上加热的硼砂粉末，再将钻头加热到硼砂溶化的温度（800℃），然后再放上焊料；采用黄铜焊条时，加热到900～950℃ ，用电解铜时加热至1100℃，当焊料注满空隙时即行取出，放于干砂或木炭灰中缓缓冷却。

除上述方法外，还可采用铜液浸渍法进行镶焊，其程序为：将合金清洗干净嵌入钻头中，再放在70～80℃的硼砂溶液中洗涤干净，在浸入铜液之前，应使钻头预热到200～300℃。熔化黄铜应使用铁坩埚或石墨坩埚，溶化时加10%的食盐，溶化后再加0.5kg氧化钡，并搅拌一分钟，将表面溶渣清除。每焊100个钻头应清渣一次，清渣以后，必须按比例增加一些氧化钡和食盐。 铜液浸渍法是将镶好的合金钻头浸入溶化的铜液中浸焊而成，此方法简单，效率高，加热均匀，不用氧气，能保证镶焊质量，比较适于在修配厂大批生产中采用。

三、典型硬质合金钻头 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 2‑25和图 2‑26。 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。 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，经各队使用证明，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)×10-2m/s，最高达1.62×10-2m／s。

（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 2‑28所示。 阶梯肋骨钻头适用于3～5级岩层，如页岩、矽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 2‑8。

（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 2‑29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 2‑9。

（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7.5～8.5，合金斜镶也可直镶。钻头结构如图 2‑30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）×10-4m/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 2‑31所示。胎块式预制品如图 3‑32所示，在地质队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，回次进尺大，钻头寿命长，并且钻孔质量好，操作方便，成本也较低。

（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 2‑33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Ф2mm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Ф91mm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它研磨性大的岩层，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。

第四节 硬质合金钻进规程 所谓钻进规程，指的是钻压、转速及冲洗液量三个在钻进过程中可以控制的参数值。 钻进时钻进规程的控制、调节，对钻头在孔底的工作情况、钻进速度和钻进质量有直接的影响。钻进规程一般可分为： （1）最优钻进规程：使在一定条件下，能达到最好钻探经济指标的钻进参数值。钻进时，应控制掌握的钻进规程和《岩心钻探操作规程》中所列的参数值，即是最优的钻进规程值。

（2）强力钻进规程：是指钻进时所采用的比一般最优钻进规程值高的钻进规程值，目的是达到更高的钻进速度。有时也称快速钻进规程。 （3）特殊钻进规程：是为了某些特殊目的和要求而采取的特殊规程或受限制的规程值，故称为特殊钻进规程。这种特殊规程值在特殊目的和要求的情况下也是合理的，但也存在着如何择优的问题。 确定钻进规程值时，最基本的出发点是保证最大的平均钻速和最长的钻头寿命。因此，必须根据岩石的性质、所选钻头的结构特点及钻孔和设备条件来掌握调控钻进规程的具体参数值。

一、钻压 钻压也称轴向压力。硬质合金钻进表示钻压的方式有： 单位钻压或单位压力（C。）：表示每颗（或每组）合金上应加的钻压（压力）； 总钻压或总压力（C）：表示整个钻头上应加的钻压（压力）。 钻压的大小对钻进效率和钻头寿命有很大的影响。在一定范围和一定条件下，钻速和钻头寿命都随钻压的增大而增加。 钻进时，合金的受钻压切入岩石而钻进；同时，因钻压造成合金与岩石的摩擦而使合金磨损。所以，在选择钻压时，必须在保证质量的前提下从钻进效率和钻头寿命两个方面进行分析、研究。

（一）钻压对钻进速度的影响 关于钻进速度有两种概念，即： 机械钻速：表示单位时间内的进尺数。 回次钻速：表示一个回次的进尺数。 钻进时除应提高机械钻速外，更应提高回次钻速。所以，在研究钻速的同时，还应研究钻头合金的磨损问题。一般情况下，在松软及软岩石中钻进时，因所需钻压不大，对钻速和合金的磨损不是主要问题；而在中硬和硬岩层中钻进时，钻压确定是否合理，对钻速和合金磨损影响很大。

（二）钻压对合金磨损的影响 在硬质合金钻进过程中，合金的磨损属于研磨性磨损，即合金被较硬的岩石矿物颗粒刻划而磨损。表示合金磨损的概念有以下两种： 1、单位进尺合金的磨损体积； 2、硬质合金钻头寿命，即单个钻头的进尺数。 钻进过程中，合金的磨损又分为正常磨损（磨钝）和不正常磨损两种。 钻进中由于操作不当，钻头镶焊质量低，岩石软硬变化过大等原因而造成合金崩刃、折断、压裂、脱落等情况，都视为非正常磨损。这是应该在操作中注意避免的。 在正常情况下，钻进试验表明，钻压与合金磨损的关系如图 2‑36所示。

图 2‑36 钻压与合金磨损的关系 v‑合金的磨损；Py‑轴向力，可视为C。σ‑岩石的抗压入强度 当钻压小于岩石的抗压强度（C0＜σS)时，合金的磨损成正比增加；当钻压与岩石的抗压强度相当（C0=σS）时，则合金的磨损有所下降或不增加。这种现象也可以从上述破碎岩石的三个阶段来解释，即加大压力在体积破碎过程中，不但钻进效率提高而且合金磨损也必然下降。 在钻进过程中，合金逐渐磨损变钝，接触面逐渐增大，因而岩石破碎方式逐渐过渡到疲劳破碎阶段，甚至表面破碎阶段，使钻速下降。所以在合金钻进过程中，应随合金的逐渐磨钝而逐渐增大钻压，以保证以体积破碎方式进行钻进，直到不可能或不应当再增大钻压时为止。

（三）钻压的确定 根据上述分析和实践经验证明：硬质合金钻进时应根据岩石性质、钻头结构、钻孔深度和设备条件来合理地选择最优压力值。在钻进裂隙层或软硬不均地层时，应适当降低钻压；钻进软岩或弱研磨性的岩石可采用中等钻压；钻进硬岩石或研磨性大的岩石，则应适当增大钻压。 钻进过程中，一般适当加大钻压（使C0＞σS），可使钻速增加而合金磨损有所下降。为保证有较高的回次进尺效率，还应随合金的磨损而适当增加钻压。

在实际生产中，经常采用两次加压法。两次加压法是在回次初期一个较短的时间内，以不大的钻压钻进，待合金消除镶焊质量造成的出刃误差而适应了孔底的条件后，再加全压（额定钻压）钻进。这种加压方法，获得了较好的效果。通常以YG8合金镶焊的钻头，在初期加压阶段可采用额定钻压的3/5左右钻进20～30min；对YG4C合金钻头，则初期加压钻进约40min。 计算钻进过程中孔底钻压的方法，有理论计算和现场计算两种。

二、转速 钻头的转速，即每分钟的转数，表示方法有两种： 转数n—钻头每分钟的转数r/min； 转速v—钻头回转时的圆周速度m/s。 在一定条件下和一定范围内，钻头的转速直接代表了合金在孔底破碎岩石的次数。钻速将随转数的增高而增加。所以，硬质合金钻头钻进时，掌握合理的转速，对钻速有着很大的影响。

（一）转速对钻进的影响 从理论上看，钻速随转速的增加而成正比地增加。但实际上钻速并不随转数的增加而呈正比增加，转速的增加有其极限值（最优值）。超过此值后，钻速反而会下降，如图 2‑37、图 2‑38所示。其主要原因一是在高转数的情况下，合金在岩石表面上的作用时间太短，从而影响合金的切人深度，导致钻速下降；另一个原因是在高转数的情况下，孔底温度增高，合金的磨损或磨钝加快而使钻速下降。

试验表明，对不同的岩石，转速提高一倍时，其钻速的增长率是不相同的。如图 2‑40所示。对4～5级的大理岩，转速提高一倍，钻速增长93％，而对9级角斑岩，转速提高一倍钻速仅增长28％。所以，依靠提高转速来提高钻速，对较软的研磨性小的岩石来说是有利的但于硬的研磨性岩石来说，则意义不大。 在当前使用的转速范围内，钻杆柱在孔内产生的轴向弯曲和弹性振动，都随转速的增长而加剧；回转钻杆以及克服摩擦所需功率，也随转速的增加而相应增大；因此，提高转速受钻杆柱在孔内工作稳定性的限制，也受钻杆柱的强度、长度、合金的强度及钻探设备的限制。

（二）转速的确定 转速与转数的关系如下式表示： n=60v/πD 或写成： 式中：n—钻头的转数r·min-1； v—钻头的转速（即钻头的圆周速度）m/s； D—钻头的平均直径m； D1—钻头按合金计算的外径m； D2—钻头按合金计算的内径m。 为提高钻进效率，在一定钻压下，应根据钻探设备、岩石性质、钻头结构，以及孔径、孔深等条件来和选择最优转速值。实际上，目前各勘探队所采用的转速，远没有达到最优值。所以，在条件允许的情况下，应增加转速，以提高钻进效率。在增加转速的同时，还应适当增加钻压和改善排粉及冷却钻头的条件。一般情况下，在软岩石或采用小口径钻进时，可用高转速；当钻进研磨性大的岩石或深孔钻进，以及大口径钻进时，应适当降低转速。

三、冲洗液量 冲洗液量是指钻进时送入孔内的冲洗液的量，有时也称为送水量或泵量。 硬质合金钻进时，衡量冲洗液量的指标有： 总泵量Q—指送入孔内的总流量L/min。 单位泵量q—指每单位钻头直径的泵量L/s·m。 合金钻进时泵量的大小，一般由单位时间内所产生的岩粉量来确定；同时，还应考虑到冲洗液的质量。这对钻进效率有很大影响。

（一）冲洗液量对钻进的影响 图 2‑41 冲洗液质量与钻速的关系图 2‑42 冲洗液量与钻速的关系图 2‑43 压差对钻压减少的作用钻进时，冲洗液的质量与数量对钻进速度有很大影响。根据国内外的资料证明，钻速随冲洗液的密度或粘度的增大而下降，如图 2‑41所示。从理论上看，增大冲洗液量，对提高钻速有一定好处，如图 2‑42所示。应当指出，当冲洗液量不足时，孔底颗粒大的岩粉不能被冲起，从而造成孔底重复破碎量的增大，使破碎效率下降；同时，过多的岩粉堆积，也造成合金散热不好，使温度增高，耐磨性降低；有时还易引起堵水、憋泵的现象。但过大的泵量会冲毁岩心或孔壁，并使钻压下降(图 2‑43)，使钻速降低。当采用大泵量时，则必须给予一定的重视。

（二）冲洗液量的确定 硬质合金钻进时，冲洗液量的调整幅度比较大。从合理利用冲洗液量的观点出发，冲洗液量应根据所钻岩层的性质、所选择的钻压、转速的参数值来确定。实践证明，钻孔排除岩粉的最佳冲洗液量值，应使孔内冲洗液流速达到0.45m／s左右。为保证此流速，按钻头直径给水应为8～15L／min以上。 采用人工磨锐式合金钻头钻进时，钻头口径大，且钻具与孔壁的环状间隙大。为保证上升冲洗液流速，一般采用较大的泵量。当采用小口径针状合金钻头钻进时，钻具与孔壁的环状间隙较小，所以应采用较小的泵量和较大的泵压。

四、各钻进技术参数间的相互配合 在生产过程中，要密切注意变化着的客观情况，以选择合理的最优钻进参数值。实际上，各参数都有各自的最优值，各参数之间不是孤立的，而是相互有着密切联系的。参数间的相互关系，大致如表 2‑16所示。

一般情况下，硬质合金钻进时，由于合金的强度和耐磨性的限制，对于不同的岩石应当有综合最优钻进参数。如表2-17所示。在钻进塑性松软岩层时，最好采用高转速、小钻压、大泵量；在钻进4～5级中等硬度的岩层时，可采用较高转速、中等钻压、较前稍小的泵量；钻进研磨性大而坚硬的岩层，须采用大钻压、低转速、中等泵量或大泵量。总之，钻进4～5级以上岩层时以采用较高转速为主；钻进6级以上岩层时，以采用较大钻压为主。

最优回次进尺时间的确定 硬质合金钻进中硬岩石时，合理掌握、确定最优回次进尺时间是提高钻进效率的重要措施之一。合金钻进时，因合金不断被磨钝，致使机械钻速逐渐下降。从机械钻速下降来说，早一点结束这一个回次而提钻是有利的，这样可以得到较高的平均机械钻速。但是，在钻进工作中，结束一个回次提钻，就必须进行起下钻具的工作。但假如过早提钻，必将导致大部分时间消耗在起下钻工序上，对整个回次进尺来说是不利的。因此，最合理的钻头工作时间，须根据最优的回次钻速而定。常用的确定最优回次进尺时间的方法有以下两种。

(一)计算法 计算法就是每隔一定时间测量一次进尺数，并计算一次回次钻速填人表内，待发现回次钻速下降时(或岩心堵塞及其它异样情况)，应及时提钻。 (二)图表法 图表法是利用回次进尺曲线的相应切点来确定t0，如图 2‑44所示。图中横坐标为时间，纵坐标为累计进尺数，O点右侧为钻进时间，左侧为起下钻具时间。根据起下钻具所需时间T，在横坐标O点左边确定A，使OA=T。由于S=L/(t+T)=tanθ，当直线AB与H—t曲线相切时，则tanθ为最大值，也即S为最大值，与该切点B相对应的时间则为t0。在钻探现场，当A点确定后，以A点为中心，用直尺的边代替直线AB；随着钻进不断绘出H—t曲线。当直尺与曲线相切时，则可结束钻程而起钻。

实际生产过程中，由于岩层软硬的变化和钻进参数的变化，使一个钻程中钻速也发生变化。所以，应当结合实际情况，按照孔深的不同，制定出通用的最优起钻时间，以便各机台根据实际情况的变化而灵活掌握。

六、自磨式合金钻头的钻进规程 由于自磨式合金钻头的钻进特点与磨锐式合金钻头不同，因而确定钻进规程参数的依据也就不同。一般自磨式合金钻头仅适于钻进6～8级中硬以上岩层，因此其钻进参数也应以适宜钻进的岩层为限。

（一）钻压的确定 在自磨式合金钻头钻进时，因合金总面积比较大，合金与岩石的接触面不变，所以需要增加一定的压力，使其钻速保持稳定，并能延长回次进尺时间。实践证明，自磨式合金钻头比普通硬质合金钻头需要更大的钻压，因为自磨式钻头胎块中所含硬合金的总截面大约相当于同直径普通合金钻头合金磨去三分之一高度时的总面积；同时，还有一部分钻压要消耗在胎块的磨蚀上面，所以必须采用较大的钻压钻进。一般情况下，胎块式针状合金钻头的钻压，比磨锐式普通钻头的钻压约大20%；对每块胎块钻压1500～2000N为宜。 自磨式硬质合金钻进，应根据岩石性质、钻头结构特点等条件来选择钻压、当钻进致密而坚硬岩层时，钻压应大一些；钻进颗粒粗而破碎的岩层时，钻压要小些；当钻头硬支点多、底唇面积大而转速快时，钻压要大些；在磨合之后的正常钻进初期，钻压应取大些；在钻进的后期，钻压应小一些。

（二）转速的确定 自磨式硬质合金钻头是依靠胎体内的针状或片状合金来切削并研磨、破碎岩石钻进的，所以增大转速是提高钻进效率的重要因素。试验表明，胎块式针状合金钻头钻进，采用300r/min可获得比较高的钻速，同时钻头的磨耗也不大。云南九队及山东一队的试验结果（见表 2‑18）表明，在现有转速范围内，增加转速能较显著地提高钻进效率。

（三）冲洗液量的确定 自磨式合金钻头钻进时，岩粉的颗粒比较细，所以选用的冲洗液量比一般合金钻进要小些；但在钻孔条件允许的情况下，为了更好地冷却钻头、清除孔底岩粉，以获得较高的钻进效率，在不发生憋泵的前提下，可尽量采用较大的冲洗液量。一般对小口径钻进，冲洗液量采用（0.68～1）L／s为宜；对大口径钻进，冲洗液量采用（2～3）L／s为宜。 钻进过程中，要特别注意泵压表的变化，以免烧钻。因自磨式钻头钻程的长短，取决于胎块的磨耗情况；若过晚提钻，胎块的有效高度磨完，没有了水口，如继续钻进，则很快会发生烧钻；特别是在胎块磨耗较快的研磨性岩层中钻进，则更需特别注意。另外，在正常钻进中，加压、给水都要均匀平稳，不应任意提动钻具或变化钻进参数，以免发生岩心堵塞，在新钻头下人孔底时，应有一个“磨合”的过程；一般采用加大钻压、增快转速和少给冲洗液的办法进行磨合。

第五节 硬质合金钻进的操作及注意事项 一、合理选择钻头类型及钻进规程 硬质合金钻头适用于在软岩及中硬岩层中钻进，不适合钻进8级以上的坚硬岩层）。钻进时，应根据岩石性质合理选择高效钻头和最优钻进规程。为便于选择，现将适宜硬质合金钻进的岩石，归纳为以下四类： 第一类为松软的岩石（1～2级）：如黄土、粘土等第四纪地层及泥炭、矽藻土等； 第二类为较软的岩石（3～4级）：如泥岩、泥质岩、页岩、大理岩、白云岩等； 第三类为较硬的岩石，或称中等硬度岩石（5～6级）：如钙质砂岩、石灰岩、蛇纹岩、橄榄岩、细大理岩、白云岩等； 第四类为硬岩（7级及部分8级）：如辉长岩、玄武岩、结晶灰岩、千枚岩、板岩、角闪岩以及裂隙性岩石等。

硬质合金钻进第一类岩石时，破碎岩石容易，岩石研磨性小，钻进效率高；相应地是孔内产生的岩粉多、岩粉颗粒大，有时孔壁易坍塌。此类岩石大都是塑性岩层，都有粘性，钻进时易产生糊钻、憋水、缩径等现象。所以，钻进时要解决的关键问题是憋水、糊钻，保持孔内清洁并保护孔壁等，为此，最好选用外出刃大的、排水通畅的钻头，如螺旋肋骨、内外肋骨或薄片式合金钻头等。应选用高转速、大泵量、较小钻压的钻进规程参数。如孔壁易坍塌，则应创造条件，力争快速通过，以缩短孔壁暴露的时间。 硬质合金钻进第二类岩石时的特点，大致同第一类，只是在钻进砂岩时岩石有一定的研磨性，钻进时要解决的关键问题也大致同第一类。为此，在钻进泥质类岩石时，应选用切人深度大的或出刃大的肋骨式钻头；钻进砂质类岩石时，应选用阶梯肋骨钻头或普通式硬质合金钻头，钻进时所选用的规程参数应较第一类为大。

硬质合金钻进第三类岩石时，钻进效率不高，岩石有一定的研磨性。钻进时要解决的关键问题是如何提高钻进效率。所以应选用各种阶梯式破碎钻头或各种小切削具钻头，如品字形钻头、三八式钻头等。钻进时应采用“两大一快”（钻压大、泵量大、转速快）的规程参数。 硬质合金钻进第四类岩石时，其特点是岩石坚硬、研磨性大，合金磨损严重，钻进效率低。故钻进时要解决的关键问题是在延长钻头寿命的情况下提高效率，如岩石有硬度不均和裂隙时，还应注意合金的崩刃问题。所以，在这一类岩层钻进时，应选用大八角、负前角硬质合金钻头，或选用自磨式硬质合金钻头。钻进规程参数主要是加大钻压，并适当减低转速。 对钻具情况应作具体分析，钻进时应根据不同的岩石性质，选出或设计出适合本地区特点的钻头结构，以提高钻进效率和钻进质量。也可根据钻头选型表（表 2‑19）来选择适宜的钻头结构。

二、严格遵守操作规程 1、严格检查钻头的镶焊质量：认真做好钻头分组排队，轮换修磨使用，以保孔径一致。排队使用的次序，应是先用外径大内径小的钻头，后用外径小内径大的钻头，以减少更换钻头后的扫孔、修磨岩心的时间。 2、必须保持孔底清洁：孔内残留岩心在0.5m以上或有脱落岩心时，不得下人新钻头；孔底有崩落碎合金时，或由钢粒改为合金钻进时，必须将碎合金或钢粒捞尽磨灭后，才能下人合金钻头钻进。 3、新钻头下人孔底开始钻进时，应采用轻压、慢转、大泵量，缓慢地扫孔到底，避免发生合金崩刃、岩心堵塞影响整个回次的钻进效率。 4、扫孔到底钻进3～5min后，逐渐增加压力和转速，达到正常需要数值，以防合金崩刃；在压力不足的情况下钻进硬岩时，严禁采用单纯加快转速的作法，以免合金过早磨损。正常钻进或扫孔到底后，开始钻进时应使钻具呈减压状态开车，以防发生钻杆折断事故的发生。

5、正常钻进时，应保持压力均匀，不得无故提动钻具以免造成合金崩刃、岩心折断堵塞；发现孔内有异常，如糊钻、憋水、岩心堵塞或回转阻力加大等，应立即处理。处理无效时，需立即提钻。 6、孔底遇有非均质、裂隙发育的岩石时，应适当降低压力和转速，以防合金崩刃。 7、在松软、塑性地层使用肋骨钻头或刮刃钻头钻进时，为消除孔壁上的螺旋结构或缩径现象，每钻进一段后，应及时修正孔壁。 8、在钻进过程中，如遇采心困难的岩（矿）层（如岩矿心易被冲毁、磨耗等），应合理掌握回次长度，以保证矿（岩）心采取率。严禁贪图进尺，降低岩（矿）心采取率和使钻头磨损过多，孔径缩小而增加下一回次的扫孔时间。 9、采取岩心时，严禁使用钢粒做卡料。采心时不要猛墩钻具，以免损坏合金。取心提钻时要稳，防止岩心脱落。退心时，不要用大锤直接敲打钻头。拧卸钻头时，要防止管钳夹伤合金或夹扁钻头。 10、每次提钻后，要观察钻头磨损程度和岩心状况，以便判断孔内有无异常，岩心有无变化，以确定下一回次钻进技术参数。

三、合理掌握回次进尺时间 用人工磨锐式合金钻头钻进时，随着钻进时间的增长，切削具逐渐被磨钝，因而机械钻速也就随钻进时间的增长而降低。在浅孔时，升降钻具时间少，机械钻速降低到一定程度，就应提钻更换钻头；在深孔时，升降钻具时间长，钻头稍一磨损就提钻更换钻头是不经济的；但是钻头已磨损，机械钻速已明显下降，不提钻也是不合理的。为了提高回次进尺效率，减少升降钻具时间，应合理掌握回次进尺时间，使回次钻速达到最优值。