第一节 钢粒钻进原理 第二节 钢粒和钢粒钻头 第三节 钢粒钻进技术参数

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1 第一节 钢粒钻进原理 第二节 钢粒和钢粒钻头 第三节 钢粒钻进技术参数
第四章 钢粒钻进 第一节 钢粒钻进原理 第二节 钢粒和钢粒钻头 第三节 钢粒钻进技术参数

2 第一节 钢粒钻进原理 一、钢粒钻进破碎岩石的原理 （一）钢粒钻进的特点
钢粒钻进不同于金刚石、硬质合金钻进，其磨料——钢粒不固定在钻头上，它依靠孔底钻头的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒，沿孔底滚动和移动而克取孔底岩石。由于钢粒不与钻头固结这一特点，故在钻进过程中随时可以投入钢粒以补充钢粒的损耗。从而能提高回次进尺长度，表现了在坚硬岩层中钻进的优越性。因此，我国多年来被广泛应用。

3 第一节 钢粒钻进原理 也由于磨料不固定在钻头上，钻进时一部分钢粒在钻头唇面下破碎岩石；另一部分钢粒分布在钻头内壁与岩心之间；还有一部分钢粒分布在外环状间隙。这样钢粒在破碎岩石的同时也研磨孔壁，磨损岩心和钻具，使岩心磨细及孔壁扩大，并增加了钢粒、钻具、动力的消耗。特别使在破碎、软硬互层中钻进，取心困难，采心率低。应采取有效的措施提高采取率和控制孔斜，以利提高钻孔质量。

4 第一节 钢粒钻进原理 （二）钢粒钻进破碎岩石的原理
钢粒钻进时破碎岩石是一个复杂的过程，是多种方式作用的结果：包括压皱、压碎、滚动、冲击、碾磨、切削等作用。钻头在轴心压力和回转力作用下，钢粒主要以压皱压碎方式破碎岩石。 与此同时，钢粒钻进因钻具的回转、振动而产生脉冲冲击作用，促使岩石疲劳，加速了岩石体积破碎的产生。由于钻头在轴心压力下压住钢粒，同时又在回转力矩作用下翻滚，带棱角的钢粒在孔底的工作状态大致与牙轮钻头相似。

5 第一节 钢粒钻进原理 实际工作中，观察由水量过大而被冲起来的小钢粒，可以看到多数失去棱角而磨成圆形或椭圆形（圆柱状钢粒球化），而且钢粒被磨蚀后直径变小。因此可以认为，钢粒对岩石的研磨切削作用是完全存在的，质量好的钢粒破碎岩石主要是以整粒起作用而不是碎钢粒，在较大的轴心压力下是以体积破碎为主。钢粒球化的过程即是破碎岩石的过程。

6 第一节 钢粒钻进原理 二、钢粒在孔底工作过程的分析
钢粒钻进过程中，由于钻头与钢粒相互间的磨损，钢粒钻头的唇部逐渐形成圆弧形，使钻头压砂面积比回次开始时有所减少，因而造成了向钻头底部补砂的有利条件。钢粒钻进的孔底形状与钻头的形状是相适应的，钻头唇部是弧形，因而钻头对孔底压力的分配不均匀，如图4-2所示。钢粒在运动过程中，在动平衡时唇部只能压住一层钢粒，压住二至三层钢粒时，仅是短暂的过程。多余的钢粒将以钢粒柱的形式大部分储存在钻头的外环间隙中。

7 第一节 钢粒钻进原理 钢粒压碎岩石吃入一定深度后，随着钻头的回转又使钢粒沿着压碎面升起，待升到一定高度，又重新压碎岩石，如图4-3所示。这种不断升起又下降的滚动作用，具有脉动冲击作用；钢粒以压碎方式破碎岩石，造成孔底凹凸不平，也加速了压皱压碎的效果。

8 第一节 钢粒钻进原理 钻头在推动钢粒运动过程中，正循环冲洗液的冲力将钢粒向外环状间隙推送。同时钻头回转给钢粒以离心力，使钢粒沿着钻头回转的切线方向抛出。所以钢粒柱的重量、冲洗液的冲力、离心力都促使内环间隙的钢粒向钻头唇部补给，外环状间隙的钢粒补给则比较困难。储存在外环状间隙中的钢粒，在钻头回转力与冲洗液的冲力下，以悬浮状态运动着，如图4-4所示。钢粒因离心力沿着切线方向运动，而受孔壁的约束被碰回见图4-5。

9 第一节 钢粒钻进原理 钻头的水口，能使外环状间隙的钢粒失去运动惯性而导入孔底。为此，水口的大小形状应有利于将钢粒导入孔底。水口的高度对钢粒的补给有积极作用。在确定水口高度时，除取决于回次钻进时间与钢粒对钻头的磨损速度外，还应与孔内钢粒柱的高度相适应，回次初应大于150mm；回次末的应大于50mm。水口高度是否合理，可看钻头外壁麻痕的高度，只有当水口的高度大于外环状间隙中钢粒柱的高度时，钢粒向孔底的补给才比较完善。孔内钢粒柱的高度，除决定其本身储备量外，还与冲洗液的流速及钻头转数有密切联系。如冲洗液正常，则孔底钢粒柱的高度主要与钻头回转速度有关 。

10 第一节 钢粒钻进原理 钢粒钻头的最优导砂面（即碰撞面）应加工成弧形，在钻头顺时针回转时，弧形导砂面可以强制将钢粒纳入钻头的唇部。
回次末，孔底环状间隙的钢粒不多，再通过上述动力平衡作用补给钢粒比较困难。这时应改小水量，通过提动钻具，使大部分钢粒落到孔底，则又可以维持一个时期的正常钻进速度。

11 第二节 钢粒和钢粒钻头 一、钢粒 （一）钢粒的材质
目前主要用较粗的废旧钢丝和废管材切制而成。其形状，前者切割后呈短圆柱状（使用较多）；后者为方粒状。为了提高钢粒的机械性能曾采用65#锰硅矾切制钢粒，经生产实践，效果较好。

12 第二节 钢粒和钢粒钻头 （二）钢粒的规格和性能 根据不同岩性和可钻性，对钢粒的机械性能要求如下：
1、抗压碎强度 可按整颗圆柱状钢粒承受的压力而定，如表4-3。 2、硬度 HRC50以上。钢粒的硬度大于60时，则脆性大，韧性不好；如硬度小于50时，则韧性太大，易被压扁。最合适的硬度是HRC50-58。 3、韧性 现场的简便检验方法是将钢粒放在铁砧上（或铁锤上），用1.5~2磅手锤猛击，外形不扁不碎（或只破成2~3瓣并冒出火星）的占总数90%以上者为合格。

13 第二节 钢粒和钢粒钻头 除上述用手锤击打法对钢粒质量做一般检验外，在现场使用时，还可以从钢粒的表面颜色进行观察。好的钢粒在抹掉油污后，表面呈棕黑至黑色；表面清洁后呈兰色光泽是加热温度低，淬火程度不够，这样颜色的钢粒韧性高，易压扁；反之钢粒表面成初见是棕黑色，但擦净后呈灰白色和银白色，说明加热温度过高或加热时间过长，这种颜色的钢粒性脆，易压碎。

14 第二节 钢粒和钢粒钻头 二、钢粒钻头 （一）钻头材质
要求钢粒钻头具有一定的硬度、塑性和弹性，以便增加其与钢粒的结合力。钢粒钻头以40~45号无缝钢管所制成的钻头对钻进指标的影响见表4-4所示。 （二）钻头的结构要素 1.钻头直径 终孔直径是以地质要求来决定的，但开孔和中途换径次数，则以地层情况和技术措施来选择。 生产实践表明，应用110、91mm钻头比较合适，能在保证钻孔质量的前提下提高效率。

15 第二节 钢粒和钢粒钻头 2.钻头壁厚 普通壁厚为9~11mm，厚壁钻头可达12~16mm。厚壁钻头能提高钻速，实践证明了这点，如江西某队，以16~18mm壁厚的钻头作生产实验，其效率比一般钻头提高62.5%（试验时在9级矽化砂岩，孔深50~150mm，钻头直径110mm，钢粒和铁砂混合比1：2的情况下进行的）。因钻头壁厚增大，被压在钻头底唇的钢粒数量增加，钢粒分布较为合理，并能牢靠地压住钢粒进行破碎岩石；另外，厚壁钻头所克取的孔底环状面积与它本身底唇面积所负担的克取岩石工作量，较厚壁钻头的工作量大，因此，厚壁钻头具有较高的钻进效率。

16 第二节 钢粒和钢粒钻头 3.钻头水口 钢粒钻头水口有两个作用：即为了流通冲洗液；更重要的是不断将钢粒导入钻头唇部（导砂作用）。在钻进中要求钻头水口有比较稳定的过水断面和良好的导砂作用，以保证在钻头唇部有充足的钢粒在孔底工作。水口高度一般在120~180mm之间，上宽为15~30mm；下宽为圆周长的1/4~1/3，以1/4最为常用。正循环钻进时，钻头的有效长度应大于150mm；而反循环钻进，钻头有效长度应大于100mm。其切口两边可加工成单弧形、双斜边、斜弧形、双弧形等。如图4-7.。生产实践表面以双弧形和双斜边水口导砂性能为最好。

17 第二节 钢粒和钢粒钻头 4.几种常见的钢粒钻头 （1）普通钢粒钻头其构造为：长450~500mm，壁厚9~11mm，水口上部宽20mm，下部宽为钻头外圆周长的1/3~1/4。水口高度为140~170mm，单弧形水口顺旋转方向的前面开成直的，另一边开成弧形；双弧形水口两边均为弧形。为便于卡取岩心，钻头内部上端应带有1：100的锥度，如图4-8所示。具体规格见表4-5。

18 第二节 钢粒和钢粒钻头 （2）双弧形长水口钢粒钻头一般采用普通钢粒钻头改制，水口全长300mm，下宽占钻头周长的1/3，水口为双弧形（亦可制成单弧形或直角形），在水口高150mm上部镶焊厚为1~1.2mm的铁板，并与钻头内壁平齐，具体规格如图4-9.在用完一个回次后，根据上部水口小了，可削切去一角，以保证水口宽度。其优点是由于水口形状不变，钻进中水量易于掌握；还可以节省修正水口的工具和时间，以及加工上的困难；在整个钻头未磨损之前；不必重新开水口。 这种钻头适用与7~12级岩层。在深孔中可提高回次进尺，减少起下钻时间，所以钻进效率较普通钢粒钻头为高。

19 第三节 钢粒钻进技术参数 钢粒钻进技术参数包括轴心压力、钻头转数、冲洗液量、投砂方法和投砂量等方面。要根据岩石性质、钻孔直径、深度和设备能力等条件全面分析，以确定最优的技术参数。

20 第三节 钢粒钻进技术参数 一、压力、转数、投砂量和冲洗液 （一）压力
钻压是钢粒破碎岩石的必要条件。压力不足，使体积破碎岩石（压入、压碎）不完全甚至不可能，而只能以表面破碎（研磨）岩石，致使破碎岩石效率降低。同时，钻压也是保证钻头底唇有一定的变形和摩擦力，从而产生足够的连系力，保证钢粒在孔底运动的重要因素。

21 第三节 钢粒钻进技术参数 （二）转数 钢粒钻进时，立轴的回转运动能构成破碎岩石的脉动冲击作用。在一定条件下，转数越高，钢粒在孔底的滚动冲击数增多即破碎岩石的机会增加，同时脉动冲击荷载增大，有利于对岩石产生疲劳破碎和体积破碎，因而能增强破碎岩石的效果。

22 第三节 钢粒钻进技术参数 （三）冲洗液量 在水源充足，供水条件良好，特别是孔内状况许可时，应尽量采用清水钻进，以提高钻进效率。在风化、破碎、易坍塌掉快、漏失严重等复杂地层情况才用泥浆钻进。 1、冲洗液量对钻进效率的影响 钢粒钻进中，冲洗液在孔内循环时，除了排除岩粉和冷却钻头外，更重要的还起着促使钻头唇面合理补砂；更新与分选钢粒的作用。它使钻头底部经常保持一定数量的工作钻粒，将多余的钻粒悬浮在外环间隙中，而将破碎失效的钻屑或钻粉冲到取粉管或孔外。因此在钻进中冲洗液量的控制比其它钻进方法更为重要和复杂。

23 第三节 钢粒钻进技术参数 2、水量的调节与测定 在回次钻进过程中，随着水口面积磨小及钢粒磨细，水量应当改小，特别是采用回次投砂法时，改小问题更须注意。经验证明，每次改小量不宜过大，以5升左右为好。每经40~60分钟改水一次，每个回次约改小1~2次，频繁的改小或改水不及时，都会影响钻进效率。

24 第三节 钢粒钻进技术参数 （四）投砂方法与投砂量
1、投砂方法 钢粒钻进的投砂方法和投砂量的多少，对钻进效率关系很大。向孔底补给钢粒的方法称之为投砂方法。常用的投砂方法有一次投砂法、结合投砂法和连续投砂法三种。

25 第三节 钢粒钻进技术参数 2、投砂量 是整个回次钻进中投入孔底的钢粒数量，投砂量多少对钻进效率和钻孔质量都有影响。投砂量过多，使钢粒、岩心管和钻头的磨损增加，不仅影响进度，浪费材料，而且钻孔易发生弯曲，岩心采取率也不高。投砂量过少，钢粒很快磨损完，使回次进尺减少，岩心底端变粗，容易堵塞，残留岩心多。

26 第三节 钢粒钻进技术参数 二、钻头及岩心“变形”分析 （一）钻头“变形”（变相）情况的分析
1、钻头磨损正常，其底唇面表现呈弧形，磨损均匀地分布在钻头唇面上，如图4-10-（1）。 2、钻头唇面光滑，无磨痕，表面孔底无钢粒，钻头与岩石直接接触或是砂量少，水量大的缘故，如图4-10（2）。 3、喇叭筒状，钻头底端内周向外微张，里面磨成喇叭形，底面光滑，没有麻痕。原因是送水量、压力都过大，钻头底部内周无钢粒，直接与岩石接触所致，如图4-10-（3）。

27 第三节 钢粒钻进技术参数 4、锥形钻头，钻头底端外周向内收拢，锥面光滑，是送水量过小所致，如图4-10（4）。
5、水口上面有窝坑，表面孔底钢粒过多，而水量又小，冲洗液从水口处流出，不能清除孔底钻粉，如图4-10-（5） 6、钻头内壁磨薄，主要是岩心堵塞，不进尺而空转造成，如图4-10-（6） 7、钻头底面有凹沟，表面孔底岩石软硬不均，而孔底钢粒又过少，或存在硬质合金碎块，将钻头底面磨成一条沟，4-10-（7） 8、钻头底部有蝌蚪形，表面钻头曾被钢粒卡住过。如图4-10-（8）

28 第三节 钢粒钻进技术参数 （二）岩心“变形”分析 1岩心上下粗细均匀，表明投砂量和泵量掌握合适。
1、岩心直径过粗，表明冲洗液量过大，钻头底部钢粒少的缘故。 2、岩心过细，表明冲洗液量小，砂量多，钢粒堆积在钻头唇部及内周所致。 3、岩心粗细不均，表明冲洗液时大时小，或者投砂量不均匀（非一次投砂法）所造成。 4、岩心上细下粗，直径相差较大，表明回次之初投砂量过多，水量偏小，而回次后期水量却又偏大。

29 第三节 钢粒钻进技术参数 （二）岩心“变形”分析 1岩心上下粗细均匀，表明投砂量和泵量掌握合适。
1、岩心直径过粗，表明冲洗液量过大，钻头底部钢粒少的缘故。 2、岩心过细，表明冲洗液量小，砂量多，钢粒堆积在钻头唇部及内周所致。 3、岩心粗细不均，表明冲洗液时大时小，或者投砂量不均匀（非一次投砂法）所造成。 4、岩心上细下粗，直径相差较大，表明回次之初投砂量过多，水量偏小，而回次后期水量却又偏大。

30 第三节 钢粒钻进技术参数 （三）其它情况的分析
1、岩心管外部磨损印痕超过一米高度，表明钢粒过多或水量过大。在正常情况下，麻痕高度约为0.6m左右。 2、取粉管内的钻粉颗粒大，甚至还有未失效的完整钢粒，而且数量还不少，说明冲洗液量过大；吐过取粉管内钻粉很少，颗粒又细，岩粉也部多，表明冲洗液量偏小。 3、钻进中进尺均匀，回次长，效率高，钻头磨损正常，则表明钻进技术参数合适；如孔内又“呼隆呼隆”声，钻具回转阻力增加，皮带跳动幅度大，不进尺，表明孔内钢粒多而水量少；如果钻具、皮带有规律地跳动，并且孔内有“卡卡”声，表明砂量少或水量大。

31 第三节 钢粒钻进技术参数 4、钻进中提动钻具感觉不轻，发滞或多方面调整参数也不进尺；提升后，钻头磨损又较正常，麻痕高度较大，一般是因为钢粒太多，应专门捞取孔内钢粒和钻粉。 5、钻进中没有克取振动的声音，经调整参数后，仍然进尺缓慢，钻头提出来后底唇面又光滑，表明孔底没有钢粒。 6、钻进中回次开始进尺很快，但持续时间不长，钻速就急剧下降从取粉管捞上的钢粒来看，较破碎，且又新鲜端口和明显的棱角，从粗径上边的3~4根钻杆赖看，又有明显的弯曲变形。其原因是钻压过大。

32 第三节 钢粒钻进技术参数 7、投入孔底的钢粒不少，选用的规程也较合适，就是不进尺，但此时不返水或返水少，表明孔底岩层裂隙发育和漏水，钢粒几乎都冲入裂隙中（但有时裂隙发育，也有不漏水的情况）。此时如裂隙不大，可投入一些大小不等的岩石颗粒下去堵缝，堵好后再投入钢粒钻进。如裂隙大些，应采用两用钻头（即钢粒钻头上锒硬质合金）钻进。

33 第三节 钢粒钻进技术参数 8、采用钢粒孔底反循环钻进时，如果钻头底部或岩心管中没有岩粉几种和泥包现象，则为水量合适；反之，则水量小。倘岩心管上部也没有岩粉，则为水量大。若钢粒几种在钻头部分，则为水量合适；如果出现在岩心管上部，则为水量过大；如果与岩粉搅拌在一起糊住钻头底部，则为水量偏小。从岩心完整情况来看，如果回次岩心由下而上以柱、块、粒、粉顺序排列，则为水量合适；如果无明显的上述顺序，则为水量过大。

34 第三节 钢粒钻进技术参数 三、钢粒钻进的技术操作及注意事项
1、每次提钻后都应详细对钻头是否磨损、岩心变化、钻粉粒度和操作中的感觉等情况进行分析研究，以此确定下个回次的钻进参数。 2、在岩性、孔径相同的情况下，三个小班的钻进参数和操作方法应基本保持一致。尤其是投砂量要统一，以保持孔壁规整，有利于顺利钻进和提高钻孔质量。 3、经常保持孔内清洁，粗径钻具必须带取粉管。取粉管的长度一般为1.5m左右。每个回次终了要彻底冲孔，孔底岩粉不得超过0.3m（不包括残留岩心）。如超过应专门捞取。钻进中要经常清理循环系统，保持孔内清洁。

35 第三节 钢粒钻进技术参数 4、钻进过程中应根据孔内情况适当的提动钻具且改变冲洗液量，以保证钻头底唇面有一定数量的钢粒。
5、正循环钻进时，应通过钻杆投砂；反循环钻进时可用其它方法投砂。但不得从孔口倒入。 6、钻进中使用的粗径钻具要直，最好使用厚壁或高频淬火岩心管。 7、在软硬互层中钻进，要灵活掌握轴心压力，注意在换层时不加压力，同时不随便换人操作，以免造成钻孔好、弯曲。 8、由合金钻进改用钢粒钻进时，第一回次投砂量、冲洗液量、钢粒直径都应适当减少。在由钢粒钻进改为合金钻进时，应彻底清洗钻孔，捞净钢粒。

36 第三节 钢粒钻进技术参数 9、应经常检查钻头和钢粒的质量、钻具及接头的磨损情况，不合要求的应及时更换，以保证最优钻进参数的实施，以防发生钻具折断或脱落事故。 10、使用孔底反循环钻进时，钻具下到离孔底0.5~1.0m时，要找好水量、待水量正常后，才可慢扫到底，严禁将钻具一下到底。 11、钻进时压力要均匀，尽量少调水；钻头水口不宜过大；回次终了之前要用大泵量冲孔，彻底排除孔底的岩钻粉；采岩心力求采尽；每次扫孔，特别时扫残留岩心，不要急于进尺，要慢慢套下去，切勿硬礅、乱撞，防止造成岩心堵塞。钻进中一旦发生岩心堵塞，应及时串动钻具，适当加压或提离孔底，增加转速甩脱，如果上述措施无效，应立即提钻。