勘探钻进原理
Exploration drilling principals
主讲：段隆臣博士
Lectured by Dr,longchen Duan
绪 论 (Preface)
? 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位
和任务
? 二、钻进技术的用途
? 三、钻进方法的分类
? 四、学习本课程应注意的问题
一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位
Contents and status of ―Exploration Drilling Principles‖
? 1、内容
岩石的物理力学性质与碎岩机理
钻头与钻进工艺
钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）
? 2、地位
2.1 从专业课的课时分配上说明
2.2 从与其它专业课的关系上进行说明
2.3 从专业历史沿革进行说明
二、钻进技术的用途
Application fields of drilling technology
? 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工
程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、
极地钻探、科学钻探）
? 开采矿产资源
? 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、
通风孔等）
三、钻进方法的分类
Classification of drilling method
? 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质
合金钻进、钢粒钻进
? 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击
回转钻进、回转冲击钻进。
? 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环
钻进、孔底局部反循环钻进
? 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井
钻进、工程施工钻进
（ a）正循环 （ b）正循环 （ c）孔底局 部
反循环
四、学习本课程应注意的问题
Problems noted in learning the subject
? 1.理论联系实际，课本描述性语言多,
注意总结,结合实践,上升理论；
? 2.理论、实践并重；
? 3.注重实验课；
? 4.注重工程实例。
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
Chapter 1 Drilling process of rocks
and fracturing mechanism
? 第一节、岩石的物理力学性质
? 第二节、岩石可钻性及其分级
? 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主
要方式
? 第四节、静载作用下的岩石应力状态
? 第五节、外载作用下岩石的破碎过程
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism
? 第一节、岩石的物理力学性质
? 第二节、岩石可钻性及其分级
? 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主
要方式
? 第四节、静载作用下的岩石应力状态
? 第五节、外载作用下岩石的破碎过程
第一节 岩石的物理力学性质
Physical & mechanical properties of rocks
一、岩石的组成与分类
岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变
质岩。
岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳
裂隙上升冷凝而成。
沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉
积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有
颗粒和胶结物两大类。
变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化
学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特
有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。
二、岩石的结构与构造
岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的
大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。
岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间
的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂
隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存
在环境有紧密的联系。
岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成
环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不
等，形成不同的结构和构造。
岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者
往往研磨性较大。
沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是
有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。
变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）,岩石沿
平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。
图 1－ 1 晶体结构类型 图 1－ 3 层理产生的原因图 1-2 胶结物的类型
岩 石 照 片
花岗石
花岗石
花岗岩
白云岩
第二节 岩石的自然性质
Natural properties of rocks
岩石的自然性质,岩石在生成过程中，构造变动和风化
过程中自然形成的特性。
密度,单位体积岩石的质量,容重,单位体积岩石的重量,
比重,单位体积岩石骨架体积的重量,岩石体积 =固相骨架
体积 +岩石中孔隙体积, 一般来说,密度越高,强度越大。
孔隙度,岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,
孔隙度越大,强度越低,
含水性,W=(GW-GD)/GD
透水性,KW=?ql/A(Pi- Po)
岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石
灰岩,用水浸透后,强度下降明显。
第三节 岩石的力学性质
Mechanical properties of rocks
? 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来
的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特
性。
? 变形特性：弹性、塑性和脆性
? 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和
抗弯强度
? 表面特性：硬度和研磨性
1.3.1、变形特性
（ deformation properties）
? 弹性变形
? 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
脆性破坏 塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）
(a) (b) (c)
影响岩石弹性、塑性和脆性的因素
（ Facts affecting rocks elasticity and plasticity）
1、岩石物质成分
2、岩石结构构造
3、应力状态
4、载荷性质
5、受力条件
6、温度和湿度
岩石弹塑性的测定
Measure of rock’s elasticity and plasticity
Kp=SOABC/ SODE
图 1.1－ 10 由应力－ 应变 曲线确定弹性模数 图 1.1－ 11 岩石压入时的载荷－侵深曲线
1.3.2、强度性质
（ Strength properties）
? 岩石强度,岩石在载荷作用下变形到一定程度
就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，
单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，
岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪
强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，
多向应力状态下的强度。
图 1.1－ 14 岩石单轴抗压试验
1－岩样； 2－球座； 3－钢垫板 图 1.1－ 15 岩石单轴拉伸试验1－岩样； 2－夹头；图中尺寸单位,cm
i
P Pa
A?σ
图 1.1－ 16 圆盘劈裂试验 图 1.1－ 17 剪切试验
1－岩样； 2－上下剪切模具； 3－模套；
4－斜锲块； 5－上下垫板； 6－钢滚子Бt=2p/3.14DL
影响岩石强度的因素
（ Factors affecting rocks strength）
1、岩石的物质成份
2、岩石的结构构造
3、岩石的容重和孔隙度
4、受力条件
5、应力状态
6、载荷速度
7、岩样的线性尺寸
8、湿度和温度
1.3.3、表面特性 (Surface properties)
? 岩石的硬度,岩石表面对工具压入的反抗特性。
岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。
岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗
压入硬度为单向抗压强度的（ 1+2π）倍。测定压
入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部
破碎是在多向受压状态下进行的 。
? 岩石的研磨性,在用机械方法破碎岩石的过程中，
钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻
头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而
逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。
影响岩石硬度的因素
（ Factors affecting rocks hardness）
? 岩石的矿物成分和结构构造
? 应力状态
? 载荷速度
? 液体介质
? 工具形状和尺寸
影响岩石研磨性的因素
（ Factors affecting rocks abrasiveness）
? 岩石的矿物成分和结构特征
? 正压力
? 滑动速度
? 介质
第四节 岩石可钻性及其分级
（ Drillability of rocks and its classification）
? 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反
映了钻进时岩石破碎的难易程度。
? 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程
参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编
制钻探生产计划的基础。
? 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于
岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数
有密切的关系。
1.4.1 岩石可钻性分级的观点
(Viewpoints on classification of rock drillability)
? 用岩石力学性质评价岩石的可钻性
? 用实钻速度评价岩石的可钻性
? 用微钻速度评价岩石的可钻性
? 用碎岩比功评价岩石的可钻性
1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法
(Methods for classification of rock drillability)
? 力学性质指标法
? 实际钻进速度法
? 模拟钻进速度法
? 破碎比功法
第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式
（ Main mode of action between rock-broken tool and rock）
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（ Stress conditions of rock under static load）
? 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态
() 222r
Pp
a a r?? ? 2Pp a??
图 1.1－ 34 平底圆柱压头压力面上的压力分布
图 1.1－ 36 球形压头压力面上的压力分布 图 1.1－ 37 平底压头压入时沿 对称轴的应力分布
三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态
图 2－ 15 轴向力作用时岩石
内的应力分布
图 2－ 16 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布
（ a）等应力线图；（ b）应力状态特征
Ⅰ －压应力区； Ⅱ －拉应力区； Ⅲ －过渡区
在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。
弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内
等应力线分布是均匀的、对称的（如图 2－ 15）。而轴向力和切向力
共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图 2－ 16）。
在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方
则产生拉应力，在半无线体内（如图 2－ 16(b)所示），形成正应力区
（ Ⅰ ）、拉应力区（ Ⅱ ）和过渡区（ Ⅲ ） 。由此可以推知，在兩向
载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：
1,轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面
以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来
决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方
向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，
轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。
2,轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀
的应力状态。压缩区 Ⅰ 随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；
拉伸区 Ⅱ 则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应
力的作用。
3,当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在
作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。
第七节 外载作用下岩石的破碎过程
（ Failure process of rock under exterior load）
? 一、岩石的变形破碎方式
图 1.1－ 45 破碎功与破碎产物粉碎度的关系
1－根据黎金格尔定律； 2－根据基尔切夫定律
图 1.1－ 46 转速与载荷的关系曲线
? 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程
? 三、尖楔状 切削 具压入时和冲击碎岩机理
图 2－ 21 液体压差下的碎岩机理图 2－ 20 尖楔状切削具 碎岩机理
第二章、回转钻进用钻头
Drilling bits used in the rotary-table drilling
? 第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
? 第二节、硬质合金钻头
? 第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程
? 第四节、金刚石钻头和扩孔器
? 第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程
? 第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程
? 第七节、全面钻头
第二章 回转钻进用钻头
Drilling bits used in the rotary-table drilling
? 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
? 第二节 硬质合金钻头
? 第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程
? 第四节 金刚石钻头和扩孔器
? 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程
? 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程
? 第七节 全面钻头
第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
Failure process of downhole rock drilled by
carbide-insert bit
? 一、钻探用硬质合金 (hardmetal for drilling)
通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨
架材料，钴为粘结材料。 硬质合金钻进一般适用于软、
中硬岩层钻进。
硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状
和针状等形状。薄片状,1-5级软岩；方柱状、八角柱状：
4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育；
针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。
表 4－ 1 YG类硬质合金的性能表
合金牌号
化学成分（％） 物理机械性质
特性及用途
WC Co 密度（ g/cm3） 硬度（ HRA） 抗弯强度（ MPa）
YG3x 97 3 15.0～ 15.3 92 1050 耐磨性最好，冲击韧性最 差，用于金属切削
YG4c 96 4 14.9～ 15.2 90 1400 适用于均质和软质互层地 层中回转钻进
YA6 91～ 93 6 14.4～ 15.0 92 1400 加有少量 TaC成分，提高了硬度
YG6 94 6 14.6～ 15.0 89.5 1400 适用于回转钻进，使用效 果仅次于 YG4c
YG6x 94 6 14.6～ 15.0 91 1350 细粒合金，强度接近 YA6，耐磨性较 YA6高
YG8 92 8 14.0～ 14.8 89 1500 地质勘探和石油回转钻进 用主要品种
YG8c 92 8 14.0～ 14.8 88 1750 粗粒合金，冲击韧性较高 适于冲击回转钻进
YG11c 89 11 14.0～ 14.4 87 2000 耐磨性最差，冲击韧性最
高，适于冲击回转凿岩YG15 85 15 13.9～ 14.1 87 2000
注：硬质合金中的附加字母,x”表示细粒合金，,c”表示粗粒合金。
? 二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit)
回转钻进的机械钻速 vm=60nmh1
影响切入深度 h1的主要因素有：轴向力大小，
岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、
几何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝
程度。
1、塑性岩石的孔底破碎过程
2、脆性岩石的孔底破碎过程
3、切入与切削同时作用下的碎岩过程
式中,Py—一个切削具上的轴向压力； S0—切削具与岩石的接
触面积；
σ—岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的
硬度）。
Py ≥σ,S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在
井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表
面磨蚀，碎岩效果很差。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。
在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图 1.3－ 1所示。
一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的
深度为。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖 O
并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成 γ角的线方向
切入岩石。因此，在切入的过程中,在前面 OB上产生的正
压力及摩擦力 （ 等于摩擦
一、塑性岩石的碎岩情况：
岩石切入岩石底过程：
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
（和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即：
0
yp
s ?≥
（ 1.3－ 1）
f )。 系数同理,在后斜面 OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下：
0xF?? 21 c o s( )c o sNN ?????
0yF?? 21 s i n ( )c o syP N tg N ??? ????
（ 1.3－ 2）
（ 1.3－ 3）
1 2
s in ( 2 )
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??
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b tg? ???
式中,b—切削具的宽度；
σn－ OA面上的法线压强；
σ－垂直于 AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。
将式（ 1.3－ 5）代入式（ 1.3－ 4）中，则有：
因此，切入深度 h0为：
若设,则有：
式中,v－由切削具刃尖角 β和切削具与岩石的摩擦角 φ所决定的一个系数。
在一般情况下,v＝ 0.88～ 0.97。
根据切削具切入岩石的条件知：
图 1.3－ 2 塑性岩石中的回转切削
Py-轴向压力； Px-水平力； h0-切入深度；
b-切削槽宽（切削具宽度）
图 1.3－ 5 脆性岩石的回转切削过程
Py-轴向压力； Px-回转水平压力； β－刃角
h0-切入深度； abc-大剪切体； a'b'c'-第二次大剪切体；
B1－大剪切时岩面槽宽；
图 1.3－ 4 单面锲形切削具切入脆性岩石
Py-轴向压力； h0-切入深度； kok'-崩落岩穴
当钻头的直径较大时, γ很小, 即 cosγ=1,sinγ＝ 0,则式 （ 1.3－ 10）,
（ 1.3－ 11） 写成：
图 1.3－ 7 切入切削同时作用的井底碎岩情况
Py-给进力； Px-切削力； R－岩石底抗压入阻力；
Q－刃前阻力； N,T-R的分力； f-摩擦系数； α-切削角；
β-切削具前面与岩石破碎面底夹角； γ-井底切削面倾角
三、硬质合金切削具的磨损
(Wear of tungsten carbide cutter )
1,关于切削具磨损和转速问题的研究
费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究,
得出如图 4－ 5中的磨损曲线 。 该曲线反映了切削具单位时间磨损量 W与切削具
刃端面积上比压 σ的关系 。 横坐标的分界点 表示岩石的压入硬度, 在其前后属
于两种不同性质的磨损 。
（ 1） 曲线 Ⅰ 当 σ＜ σ0时, 切削具未能有效地吃入岩石, 钻进处于表面破碎
状态, 此时切削具单位时间的磨损量 W正比于切削具上的比压 σ。
（ 2） 曲线 Ⅱ 当 σ＞ σ0时, 岩石呈体积破碎 。 随着切削具上的比压 σ增大, 单
位时间的磨损量 W不但未增加, 反而出现下降的趋势 。 即在体积破碎的条件下,
切削具的磨损主要不取决于轴向压力, 而取决于岩石的硬度, 切削具的材质及
切削具的磨钝面积 。
费得洛夫提出, 在一定条件下切削具磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关 。
S（ t） =S0+θ t
式中,S0 －切削具的初始面积,mm2； t－磨损时间,min；
θ－取决于岩石性质的磨损系数,mm2/min。
硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降, 其机械转速 vm与切削刃磨钝面积的平凡成
反比：
（ 4－ 5）
式中,A－系数 。 当岩性, 钻进规程及钻头一定时它为常量 。
设钻进的初始参数为 v0=A/so2,（ 4－ 5） 式可写成
（ 4－ 6）
式中,k0=θ/S0,,k0－转速下降的特征系数；
钻头在 t时间内的总进尺为, 将 （ 4－ 6） 代入, 则有 。 因此, 平均转速为, 通过变换可写成：
（ 4－ 7）
（ 4－ 7） 式表明, 平均转速可写成以进尺 H为自变量的一元线性方程 。 其中, v0是在纵坐标上的截距, k0
为直线的斜率 。 进尺 H是在钻进过程中容易准确测得的参数, 我们可以用一元线性回归分析的方法, 在若干
观察值的基础上求出 k0值, 从而利用 （ 4－ 7） 式莱预测切削具磨损对转速的影响 。
2.切削具在孔底磨损的实际情况
前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损, 实际上在钻进过程中, 钻头硬质合金切削具出刃的
内, 外侧磨损量是不均匀的 （ 图 4－ 6）, 即：
y外＞ y内＞ y,t外＞ t内＞ y
切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面, 而是呈圆弧形, 刃前端和后缘磨损更加厉害 （ 图 4－ 7）
3.减轻切削具磨损底措施
虽然切削具的磨损是不可避免的, 但我们应设法把它控制在最低限度内 。 可采取的主要措施是：
（ 1） 避免切削具在表面破碎状态下工作 。 尤其是在高转速, 低钻压的条件下钻进研磨性岩石时, 切削具
磨损更快 。
（ 2） 切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比, 岩石的研磨性, 裂隙性等性质, 还
取决于切削具在钻头唇面的布置 。 应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号, 采用合理的钻头唇面结构 。
图 4－ 5 不同比压下切削具的磨损情况
Ⅰ －表面碎岩； Ⅱ －体积碎岩
图 4－ 7 切削具刃端磨损的
理想情况（ a）与实际情况（ b）
图 4－ 6 切削刃的实际磨损情况
y－切削刃磨损高度； r,R-环槽内外径
t-刃端磨损高度； t内,t外－刃端内、外侧磨损宽度；
b-环槽宽度； y内,y外 -切削刃内外侧磨损高度；
第二节 硬质合金钻头
(Carbide-insert bit)
? 分为取芯钻头和不取芯钻头
? 取芯式硬质合金钻头的结构要素
钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角
度，切削具在钻头体上的布置方式，切削
具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽
钻头体 (Bit blank)
图 1.3－ 15 硬质合金钻头
切削具出刃 (Protruding edge of cutter)
岩石性质 内出刃 外出刃 底出刃
松软、塑性、粘性、弱研磨性 2-2.5 2.5-3 3-5
中硬、强研磨性 1-1.5 1.5-2 2-3
图 1.3－ 16 硬质合金钻头底出刃示意图
b-环槽宽度； r－环槽内半径
图 1.3－ 17 硬质合金切削具底出刃和补强
H－切削具底出刃； h0-切入深度； h1-钻头底面过水间
切削具的镶焊角度
Welding / soldering angle of cutter
选择原则,对所钻岩切入和回转阻力小；镶焊形式有利
于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利
于及时排除岩粉，磨损后的切削具应保持一定的切削能力。
比较三种镶焊方式的排粉条件、受力情况、锋利情况
切削具在钻头体上的布置方式
Layout of cutters on the crown of bit blank
布置时应考虑以下：能保证钻头工作平稳；多环、不同底
出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使
每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间
应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨。
图 4－ 11 切削具在钻头体上底布置
（ 1）－单环排列；（ b）－双环排列；（ c）－多环排列
切削具在钻头体上的数目
(Numbers of cutter on the crown of bit blank)
切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的
组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切
削具在钻头体上的数目。
机械钻速与切削具组数的关系,v=hqn （ q：切
削具的组数）
钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的
钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬
度等因素而定。
m≤P/s
钻头的水口与水槽 (Waterways of bit)
1、水口的数目与面积
每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头与
岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积。
2、水口的形状
3、水槽
图 1.3－ 28 硬质合金钻头的各种水口和水槽
一 取芯式硬质合金钻头
(Carbide-insert bits for coring)
? 分为磨锐式钻头与自磨式钻头
图 1.3－ 29 磨锐式切削具和自磨式切削具 图 1.3－ 30 磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线Ⅰ －磨锐式钻头； Ⅱ －自磨式钻头
典型钻头结构举例
磨锐式钻头,在
钻进遇水膨胀、
粘结性的地层 —
—肋骨钻头 和薄
片钻头 ；在钻进
中硬及较硬地
层 ——分环式、
掏槽式
自磨式钻头,针
状硬质合金钻头
（胎块式，钢柱
式）和薄片硬质
合金钻头
分
环
式
钻
头
掏 槽 式 钻 头
胎块式针状硬质合金钻头
常用 硬质合金 钻头选型
类别 钻头类型 岩石可钻性级别 岩石Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ
磨
锐
式
钻
头
螺旋肋骨钻头 － － － 松散可塑性岩层
阶梯肋骨钻头 － － － 页岩，砂页岩
薄片式钻头 － － － 砂页岩，碳质泥岩
方柱状钻头 － － － 均质大理岩，灰岩，软砂岩，页岩
单双粒钻头 － － － 中研磨性砂岩，灰岩
晶字形型钻头 － － － 灰岩，大理岩，细砂岩
破扩式钻头 － － － 砂硕岩，硕岩
负前角阶梯钻头 － － － 玄武岩，砂岩，辉长岩，灰岩
自
磨
式
胎体针状钻头 － － － 中研磨性片麻岩，闪长岩
钢柱针状钻头 － － － 研磨性石英砂岩，混合岩
薄片式自磨钻头 － － － 研磨性粉沙岩，砂页岩
表 4－ 3 常用硬质合金钻头及其使用范围表
第三节 钻探用金刚石及孔底碎岩过程
Diamond for drilling and downhole failure process
? 一,钻探用金刚石 (diamond for drilling)
1,分类 (Classification)
天然 (Natural diamond)与人造 (Synthetic diamond)。人造金
刚石包括单晶 (Monocrystalline diamond)、聚晶
(Polycrystalline diamond)和复合片 Polycrystalline diamond
compact)。 (Explain them briefly)
2,特性,晶体结构为正四面体，元素为 C，最硬、抗压强度
最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。
? 3,与钻探有关的物理力学性质 (Mechanical properties for
diamond pertaining to drilling)
硬度 (Hardness)
强度 (Strength)
耐磨性 (Wear resistance)
热性能 (Thermal properties)
? 4,钻探用金刚石的粒度与品级 (Quality and size of
diamond for drilling)
金刚石的计量单位为克拉（ carat），度量常
用一克拉多少粒表示（对于粗颗粒而言），或
“目”表示。
表 4－ 4 天然金刚石品级分类表
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钻头标准级（ A） TB 硬和中硬地层 TS
表 4－ 5 人造金刚石品级分类表
金刚石品级 代号 单晶强度（ MPa） 单晶强度（ N/粒） 应用地层
特 级 RT >2200 >50 坚硬
优质级 RY 1800～ 2200 40～ 50 硬
标准级 RB 1500～ 1800 34～ 40 中硬－硬
表 4－ 6 人造金刚石聚晶品级分类表
聚 晶 级 别 代 号 磨 耗 比
特 级 RJT >1:30000
优质级 RJY 1,20000～ 1,30000
标准级 RJB 1,15000～ 1,20000
第四节 金刚石钻头与扩孔器 (Diamond bit and reamer shell)
1、金刚石钻头的规格和标准 (Specifications and standard of diamond bit)（注意,级配” ）
图 1.4－ 10 双层岩心管金刚石取心钻具组合
1－岩心管接头； 2－外管； 3－内管； 4－扩孔器；
5－卡簧； 6－卡簧座； 7－钻头
图 1.4－ 11 金刚石钻具级配
图 1.4－ 12 金刚石钻头
（ a）－表镶金刚石钻头；（ b）－孕镶金刚石钻头；（ c）－复合片钻头
图 1.4－ 13 金刚石钻头的结构
（ a）－表镶钻头； （ b）－孕镶钻头；
1－金刚石； 2－胎体； 3－钻头体； 4－水口
图 1.4－ 14 金刚石钻头刃部
(a)－表镶钻头,1－底刃金刚石； 2－保径金刚石；
3－侧刃金刚石； 4－胎体； 5－钻头体
(b)-孕镶钻头,1－金刚石； 2－工作部分胎体；
3－非工作部分胎体； 4－钻头体 ; h-孕镶层高度
Surface-set diamond bit
Impregnated diamond bit
Polycrystalline diamond
compact bit（ PDC bit）
2、表镶金刚石钻头 （ Surface-set diamond bit）
diamond size Coarse grain Medium grain Small grain
Stones per carat 15-25 25-40 40-60
Strata Medium hard Hard Stiff hard
Various size of diamond used in surface-set diamond bit
Others of surface-set diamond bit
1,Layout of diamond on the crown of the surface-set bit；
2,Crown configuration of surface-set diamond bit；
3,Waterways of surface-set diamond bit；
4,Manufacture method of surface-set diamond bit；
? 3、孕镶金刚石钻头 （ Impregnated diamond bit）
? Diamond quality and diamond size
? Diamond concentration
? Classification of matrix properties of impregnated
diamond bit and the relationship between matrix
properties and rock properties
? Crown configuration of impregnated diamond bit
? Manufacturing method of impregnated diamond bit
Various mesh size of diamond used in impregnated diamond bit
Diamond
size
（ mesh）
Synthetic
diamond >46 46-60 60-80 80-100
Natural
diamond 20-30 30-40 40-60 60-80
Strata Medium hard-hard Hard –stiff hard
Recommended diamond concentrations of
impregnated bit for different rocks
Code 1 2 3 4 5
Con,44% 50% 75% 100% 125%
Vol,Con,11% 12.5% 18.8% 25% 31.5%
Diamond
contents
1.93
carat/cm3
2.2
carat/cm3 3.3carat/cm3 4.4carat/cm3 5.5 carat/cm3
Strata
drillable
Hard –stiff
hard,
Low
abrasiveness
Hard –stiff
hard,
Low
abrasiveness
Hard –
med.hard,
Med.abrasiv
eness
Hard –med,hard,
high abrasiveness
Classification of matrix properties and the
relationship between them and rock properties
a,matrix wears properly,diamond expose normally;
b,matrix wears fast,diamond easily break or drop off;
c,matrix wears slowly,diamonds do not expose,
Hardness---one of matrix properties
Grade Code Matrix hardness Formation drillable
Extra soft 0 10-20 Very hard and compact rock
Soft 1 20-30 Very hard rock with medium abrasiveness
Medium soft 2 30-35 Hard rock with medium abrasiveness
Medium hard 3 35-40 Medium hard,medium –high abrasiveness
Hard 4 40-45 Hard,high abrasiveness
Extra hard 5 >45 Hard-brittle-fractured rock
二、金刚石钻进的孔底碎岩过程
(Failure process of downhole rocks drilled by diamond bit)
? 1、表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程
? 试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程，试验装置如下图：
试验岩石如下表：
Pro.
Sam.
Hardness
(Mpa)
Plastic
coefficient
(K)
Drillability Penetration rate Specific weight Friction coefficient
Elastic
modulus
(Mpa)
光学玻璃 5160 1 3.86 0.11 54700
霏细斑岩 8130 1.55 10 0.59 2.55 0.13
流纹斑岩 7170 2.30 11 0.25 2.83 0.14
（表镶）金刚石切削碎岩的基本过程
在轴向力和切向力共同作用下，金刚石一方面吃入岩石，
产生类似压入碎岩的作用，同时在金刚石转动的前方，则以
剪切作用产生贝壳状剪切体，且在靠金刚石一方的厚度最大。
图 1.4-31表示金刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体
示意图。用金刚石切削典型的脆性体 —光学玻璃时，其剪切
破碎作用发育得十分完全，同时在切槽内部产生相应的裂纹，
并有超前裂纹。由图可知，其裂纹状况与大、小剪切相互对
应。随着岩石 塑性系数 的增大，其剪切破碎效果较差。
在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度，
又表示着选用的工具和工艺的优劣程度。由图 1.4-35知,切
削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细
斑岩。
孕镶金刚石钻头的钻进过程
孕镶钻头的工作实质是, 1、依靠小而多的硬质点
（即金刚石）刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得
应用的效率； 2、胎体应有自磨自锐作用。
根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为：
1、保持金刚石上的轴向力为一定值，称为自由给进；
2、保持金刚石的切削深度为一定值，称为强制给进。
孕镶金刚石钻头的钻进是自磨自锐性质，在保持正常
钻进的状态下，其钻速应当是一定的，亦即钻头每转
的切入量应当是一定的。
试验研究和生产实践表明,钻头每转的切入量是评
定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一 。
第五节 钢粒钻进及孔底碎岩过程
（ Chilled-steel shot drilling）
? 用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒，并带动他们
在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。钢粒钻进
曾广泛用于 7-12级的岩石，一般用于大口径钻进。
一、钢粒及钢粒钻进用钻具
1、钢粒的材质（ 60号,70号，直径 2.5,3.5,4mm圆柱体，
高度与直径基本相等。）
钢粒中含有较高的碳量，主要是为了能有较高的淬火硬
度；锰和硅起固溶强化作用，以提高钢粒的强度；硅元素还
能增加钢粒的回火稳定性；少量的钒能有效地细化晶粒，强
化基体组织，提高钢的强度和硬度。
2,70号钢材的钢
粒热处理工艺
采用钢粒的钢材成分，如表 1.5－ 1所示
钢号 钢 材 成 分，％ 备注碳 硅 锰 钒 镍 烙 硫 磷
65＃ 0.62～ 0.70 0.17～ 0.37 0.5～ 0.8 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
70＃ 0.67～ 0.75 0.17～ 0.37 0.5～ 0.8 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
65锰 0.62～ 0.70 0.17～ 0.37 0.9～ 1.2 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
70锰 0.67～ 0.75 0.17～ 0.37 0.9～ 1.2 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
65锰硅钒 0.60～ 0.70 1.10～ 1.40 0.9～ 1.2 0.05～ 0.12 <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 试剂
淬火质量的好坏，可用肉眼鉴别：
淬火质量好的钢粒，表面呈棕黑色或黑色；
加热温度偏低，淬火程度不够，呈蓝色光泽；
加热温度太高或加热时间过长，呈白色或银白色。
3、钢粒的粒度
一般情况下，钢粒直径与钻头壁厚的关系：
t=（ 3-4） d
式中 t—钻头壁厚,mm；
d—钢粒直径,mm。
在测试的条件和范围内，钢粒粒度增大，钻速、功耗增大，
钻粒消耗、钻头磨耗减少。
钢粒直径过大，内、外环间隙增大，无用功亦会增大。
二、钢粒钻头 （ Chilled-steel shot bit）
1,钢粒钻头的功用和结构
1）应能很好地压住钻粒，并
能带动钻粒沿孔底滚动；
2）应能顺利地流通冲洗液，
排除岩粉；
3）应能适量并及时地向钻头
底唇下面补充钻粒，保证钻进
正常；
4）钻头应耐磨，并应在磨耗
中保持良好的导砂性能和补砂
性能。
2、钢粒钻头的材质及性能
一般来说，所钻岩石越硬，钢粒强度应愈大，钻压应
愈高，则所选用的钻头硬度也应相应地增大一些。在单位
钻压为 30-50kg/cm2的条件下，钻头硬度 HRC24-32。材质：
45号钢或 DZ40或多或 50钢，经调质处理。
3、钢粒钻头壁厚（略）（ 14-16mm）
4、钢粒钻头的水口
图 1.5－ 10 钢粒钻头水口示意图
三、钢粒钻进的孔底碎岩过程
1、压碎碎岩
压碎碎岩方式属于体积式碎岩，比例不大。
2、压裂碎岩
压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式。
3、井底脉动冲击的作用
第三章 回转钻进工艺
Drilling techniques in the rotary-table drilling
? 第一节、钻进效果指标及钻进规程参数
间的关系
? 第二节、硬质合金钻进工艺
? 第三节、金刚石钻进工艺
? 第四节、钢粒钻进工艺
? 第五节、牙轮钻进工艺
? 第六节、全面钻头钻进工艺
第一节 钻进效果指标及钻进规程参数间的关系
Relationship between drilling
indexes and parameters of drilling regime
? 一、钻进效果指标（ drilling indexes）
衡量钻进工艺效果的主要指标：钻速、每米钻孔成
本岩矿芯采取率和钻孔方向等。
1、平均机械钻速（ mean penetration rate）
2、回次钻速（ drilling speed per run）
3、技术钻速（ technical speed of drilling ）
4、经济钻速（ commercial speed of drilling）
5、循环钻速（ cycle speed of drilling ）
? 二、钻进规程
所谓钻进规程是指为提高钻进效率、降低成
本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操
作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的
钻进参数：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、
单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。
1、最优规程（ optimal drilling conditions）
当地质 -技术条件和钻进方法确定时，在保证
钻孔质量指标的前提下，为获取最高钻进速度或
最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配 。
2、合理规程（ rational drilling conditions）
在给定的技术装备条件下，当钻进规程参数的选择受到
期某种制约时，在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的
钻进参数组合叫做合理规程。
3、专用规程（ special drilling conditions）
为完成特种取芯、矫正孔斜、进行定向钻进等任务所采
用的参数搭配。
确定钻进规程的一般步骤：根据地层条件、钻头类型、
设备条件和工人的技术水平等因素，查阅相关手册或标准，
对每个工艺参数初选一个取值范围；其次，在以往经验的基
础上，初步确定规程参数的若干个取值；最后，在生产实践
中边钻进、边测算钻速和钻进成本，加以分析对比或借助计
算机进行处理，找出钻效高、成本低的参数组合。
? 三、钻进过程中各参数间的基本关系
1、钻压对钻速的影响
2、转速对钻速的影响
3、切削具的磨损对钻速的影响
4、水力因素对钻速的影响
5、冲洗液性能对钻速的影响
5,1 冲洗液密度对钻速的影响
5,2 冲洗液粘度对钻速的影响
5,3 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响
Relationship curve between bit
weight and mean penetration rate
Relationship curve between bit speed
and mean penetration rate
3、切削具的磨损对钻速的影响
在钻进过程中随着切削具的磨钝，切削具与岩石
的接触面积逐渐增大，若此时钻压值保持不变，则钻
速必然下降。这与钻头唇面比压下降有关。
4、水力因素对钻速的影响
表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素。
一定的钻速条件下，意味着单位时间内钻出的岩屑总
量一定，而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全
清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻
速降低。
对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层
时，为了保持钻头一定的自锐能力，孔底须保持一定
的岩粉量。
水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用。
5、冲洗液性能对钻速的影响（ Effect of properties of drilling fluid on
penetration rate）
冲洗液的密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性都对钻速有
不同程度的影响。
5,1 冲洗液密度对钻速的影响 （ Effect of density of drilling fluid on
penetration rate ）
5,2 冲洗液粘度对钻速的影响 （ Effect of viscosity of drilling
fluid on penetration rate）
5,3 冲洗液固相含量信其分散性对钻速的影响 （ Effect of
volume of solid phase and its dispersal in drilling fluid on
penetration rate）
第二节 硬质合金钻进工艺
（ Drilling techniques of carbide-insert bits）
磨锐式钻头的钻进工艺 （ Drilling techniques of self-sharpening bit）
钻压的选择
表 5－ 1 YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值
岩 层 切削具形状 单位压力推荐值 p（ KN/颗）
Ⅰ － Ⅳ 级 软－部分
中硬岩石 片层 0.40－ 0.70
Ⅴ － Ⅵ 级 中硬－部
分硬岩石
方柱状 0.80－ 1.20
中八角柱状 0.90－ 1.40
大八角柱状 1.50－ 1.80
研磨性大的岩石 方柱状 1.20－ 1.40中八角柱状 1.20－ 1.70
? 转速的选择
V=（ h0-?n） mn V=h0mn
岩 石 性 质 线 速 度 取 值 范 围 （m/s)
软的，弱研磨性岩石
中硬的，具有研磨性的岩石
中硬－硬的研磨性岩石
裂隙性岩石
－1.6
－1.2
－0.8
－0.6
表 5－ 2 硬质合金线速度的推荐表
P,n,Q参数间的合理配合
软岩石研磨性小，易切入，应重视及时排粉，延长钻头寿
命，故应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；
对研磨性较强的中硬及部分硬岩石，为保持较高的钻速并
防止切削具早其磨钝，应取大钻压、较低的转速、中等泵量的
参数组合。
确定最优回次钻程时间的方法
第三节 金刚石钻进工艺
Diamond drilling techniques
? 合理选择金刚石钻头（ To choose diamond bit
properly）
? 金刚石钻进规程参数（ Diamond drilling regime）
? 金刚石钻进的临界规程（ Critical condition of
drilling）
? 合理选择金刚石钻头
选用不当存在的问题：
选用的一般原则：
孕镶钻头：坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较
低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金
刚石浓度高、胎体硬度大）；
表镶钻头：硬度较低、完整岩层；
PCD或 PDC钻头：中硬及中硬以下岩石；
从钻头唇面形状：
岩石坚硬、致密、研磨性小者，应选择接触面积小的
同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面；钻裂隙的、软硬互
层、研磨性的岩层，应用内外径补强、耐磨性好的半圆唇
面；当钻进倾角大、易斜的岩层，应选用阶梯形或锥形唇
面，以便钻头起导正作用。
? 金刚石钻进规程参数
评定金刚石钻进规程的主要依据：钻速、钻头总进尺和单
位进尺的金刚石耗量三个指标。（钻压）
不同钻压下转速与钻速的关系
表镶金刚石钻头的钻压 P
P=Gp （ kg or dN）
式中 G—钻头上的金刚石粒数；
p—单位金刚石上允许的压力,Kg/粒。
对细粒金刚石,p约 1-1.5 Kg/粒 ;对中粒, p约 1-1.5 Kg/粒 ;
对粗粒金刚石, p约 2-3 Kg/粒 ; 特优级金刚石, p约 5 Kg/粒 ;
孕镶金刚石钻头的钻压
P=Sp（ kg or dN）
式中, S---钻头实际的工作唇面面积,cm2;
p—单位底唇面积允许的压力,Kg/ cm2 。
对中硬岩石,推荐, p约 40-50 Kg/ cm2 ;对坚硬岩石或金刚石质
量高者 p约 60-70 Kg/ cm2 。
直径
类型
36
(36)
46
(46)
59
(56) (66)
75
(76) 91
表
镶
钻
头
初始压力 50-100 50-100 100-200 100-200 100-200 250
常压 200-400 300-600 400-750 500-880 600-1000800-1100
孕镶钻头 250-450 400-700 450-850 500-1000600-1100800-1500
不同金刚石钻头的比压
具体确定钻压时，应分别对待,
1、岩石性质：
2、钻头类型：
3、金刚石：
4、克取岩石的面积：
5、施加钻压的阶段性（磨合和正常钻进）
6、有关孔内压力的传递问题（钻孔深度、冲洗
液、转速对钻压的影响）
? 转速
转速；影响金刚石钻进的另一个重要因素。在一
定条件下，转速越快，钻速越高。转速与金刚石的磨
损关系比较复杂。若其它条件正常，二者之间存在一
个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量为最小。
转速过大或过小，金刚石的磨损量都较小。
通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕镶金刚石钻
头的周速应达到 1.5-3m/s。表镶钻头所用的金刚石粒
度较大，在钻进中允许有较大的切入量。所以，要求
的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大，在回转中
容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般为 1-2m/s。
选择合理的转速还应考虑以下：
1、岩层 的性质,在中硬完整的岩层中钻进，
可采用高转速；如果岩层破碎、裂隙发育、软硬
不均、孔壁不稳、不均，宜采用低转速。
2、钻孔的结构和深度,钻孔结构简单、环空
间隙小，孔深不大，宜采用高转速；反之，应降
低转速。
3、机械设备、钻杆柱及钻具的能力。
? 冲洗液量
? 冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数。一般
根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量 Q：
Q=6sv（ L/min),(6是由单位换算所产生的系数 )
式中,v不小于 0.3-0.5m/s; s-钻孔的环空面积,cm2.
由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小，
冲洗液的流动阴力很大，所以金刚石钻进基本是以不大的
泵量和较高的泵压来工作的。另外，泵压是反映孔底工况
的敏感参数之一。
防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。试验
表明：当转速为 800r/min，钻头唇面压力为 10Mpa时，钻
头每转一圈，胎体温度升高 1.73℃ 。所以钻进中若冲洗液
停止循环 1-2min，便可能造成烧钻的恶性事故。
金刚石钻进存在正常规程和临界规程。
在正常规程中，钻头胎体温度正常，功率消耗
平稳，同时钻头磨损轻微；
而在临界规程下，钻头胎体温升急剧上升，功
率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。
1、胎体温度与钻压和转速的关系
2、功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系
3、胎体温度与冲洗液的关系
4、钻头磨损与钻进规程的关系
?金刚石钻进的临界规程
转速
r/min
轴向压力（ kg）
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
600 60 160 190 190 560
750 100 70 100 590
950 70 80 80 620 650 670
1180 90 120 640
1500 50 70 120 550
金刚石（ 200-400微米）钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系
钻进功率消耗 (kw)与轴向压力和转速的关系
转速
r/min
轴向压力（ kg）
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
600 1.71 1.86 1.92 2.32 5.34
750 1.80 1.86 2.04 5.67
950 1.95 2.31 2.79 5.37 6.56 6.91
1180 2.16 2.64 5.52
1500 0.48 1.44 2.16 5.56
用该 钻头钻进花岗岩时,其最高钻速不得超过临界值
37mm/min,否则将出现胎体温度剧增的严重后果。
指标
冲洗液泵量（ L/min）
15 20 30
胎体温度 ℃ 725 640 550
钻进功率消耗 kw 5.67 5.22 5.13
冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响
钻头磨损与钻进规程的关系
第三节 钢粒钻进工艺
Chilled-steel shot drilling techniques
? 钢粒钻进规程包括：投砂方法及投砂量、钻压（轴向压力）、转速和
冲洗液量（泵量）等方面。
? 一、投砂方法及投砂量
1、一次投砂法：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。孔壁完整时，则从孔口直接投入；孔壁破裂时，
则当钻杆下到接近孔底时，从钻杆中投入。从投砂方法来说，一次投
砂法比较简便，所以使用较广。一次投入的砂量对回次钻程时间的长
短、钻进效率、钻孔质量及管材消耗方面都有影响。
2,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，待钻进一定时间后再分别补投 1-2次。这捉方法在
一定程度上改善了一次投砂法扩大孔径和磨细岩芯的缺点。但中途停
钻补砂、费时麻烦，其至可能引起岩芯堵塞或岩芯脱出。结合投砂法
比较适用于硬、完整、深孔中使用。先投入砂量的 50-60%，然后再分
1-2次补投其余部分。
3、连续投砂法，无理想连续投砂器，很少采用。
kg/ cm kg/ cm kg/ cm
岩石级别
钻 头 直 径，mm
图 1.5－ 11 一次投砂量对各钻进参数的影响（单位,kg） 表 1.5－ 5
? 二、钻压
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。
P=pS
式中,P轴向钻压 kg； p钻头单位唇面面积所需的
压力 kg/cm2,S钻头唇面的实际面积 cm2 。
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：单位压力的最优值取决于钻
粒强度、岩石级别以及钻头转速等因素。
图 1.5－ 12 不同钻粒对最优对最优单位压力
的影响（钻粒直径 3mm）
1－铁砂（ σ =380kg） 2－合金铁砂（ σ=580kg)
3－纯钢砂（ σ=575kg） 4－钢粒（ σ=1900kg）
图 1.5－ 13 不同岩石对最优单位压力的影响
1－ 12级石英岩 ； 2－ 9级斜长花岗岩； 3－ 8级花岗岩
图 1.5－ 14不同转速对最优压力的影响
单位压力,kg/cm
12级石英岩 D ＝ 91mm
机
械
转
速
cm/h
40 50 60 70 80 90 100
32
28
24
20
16
12
8
4
0 20 30
36
n=123r/min
n=284r/min
n=381r/min
在钢粒钻进中，虽然最段单位压力可达 75-
95kg/cm2，但实际上所选用的单位压力大都低于此
值。在生产中常用的压力见下表所列：
岩石级别 7-8 8-9 >10
单位压力
（ kg/cm2） 30-35 35-40 40-45
钢粒性能 直径 3mm，抗压强度 1200 kg/粒，硬度HRC50
? 三、转速
钻头的转速大小关系到
钢粒在孔底滚动的速度和克
取岩石的频率。
钢粒的相对抗压强度是
随岩石硬度的增加而降低的。
在硬度大的岩石中，钢粒的
抗压强度相应变小，如果转
速过大，则更易使钢粒过早
破损而失效，所以以采用较
低的转速为宜。在硬度较低
的岩石中，钢粒的相对抗压
强度较大，所以可采用较高
的转达速。
图 1.5－ 15 不同岩石在转速变化时对机械转速的影响
1－ 12级石英岩 ； 2－ 9级斜长花岗岩； 3－ 8级花岗岩
实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最
优转速要低得多。
岩石级别 7-9 >10
孔深 (m) 0-200 200-400 >400 0-300 >300
转速
r/min 180-250 180 140-180 180 150-180
110mm钢粒钻头的转速选择参考表
? 冲洗液量
在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩
粉和冷却钻具的作用,更重要的还起着分选 \更新钢粒和促使
钻头唇面下合理布砂的作用。合理的冲洗液量应该 是既能保
证有效地将钻粉冲走、保持孔内清洁，能使多余的钢粒在外
环间隙中呈悬浮状态；又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的
工作过程。常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量：
Q=kD
式中,Q—钢粒钻进的冲洗液量 L/min, D—钻头直径
cm,k—送水系数,L/min× cm。清水,k =5-3；泥浆,k
=3-1.5
钻头水口的大小直接影响到该处的流速。在钻进过程
中水口是随钻头的磨耗而变小的。为了不使水口处液流速度
过大而影响正常的补砂，冲洗液量应随水口变小而减小。
一次投砂时，孔底钢粒的数量不断地磨耗而变少，钢
粒的平均尺寸也在不断地变小，所以应随砂量和砂粒的减
小而把冲洗液量逐渐改小。若采用连续投砂法，孔底砂量
基本不变，冲洗液量也可不因砂量而变，但应随着钻头水
口变小而改变冲洗液量。在采用一次投砂法时，在整个回
次钻程中，冲洗液量应分为数次、逐步改小，一般称为
,改水,，不改水就会影响后期的钻进效率。
冲洗液量的选取还必须依钻压和转达速的大小而改变,
转速一定时,钻压增加,最优冲洗液量也应增加 ;钻压一定时,
转速增加,最优冲洗液量有所下降。
图 1.5－ 16 最优冲洗液量与单位压力和转速的关系
第四章、冲击回转钻进与冲击、振动钻进
Percussion & rotary-table drilling and
percussion & vibrat0ry drilling
? 第一节、概述
? 第二节、液动及气动冲击器
? 第三节、冲击回转钻进用钻头
? 第四节、冲击回转钻进工艺
? 第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺
第四章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进
Percussion & rotary-table drilling and
percussion & vibratory drilling
? 第一节、概述
? 第二节、液动及气动冲击器
? 第三节、冲击回转钻进用钻头
? 第四节、冲击回转钻进工艺
? 第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺
Exploration drilling principals
主讲：段隆臣博士
Lectured by Dr,longchen Duan
绪 论 (Preface)
? 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位
和任务
? 二、钻进技术的用途
? 三、钻进方法的分类
? 四、学习本课程应注意的问题
一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位
Contents and status of ―Exploration Drilling Principles‖
? 1、内容
岩石的物理力学性质与碎岩机理
钻头与钻进工艺
钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）
? 2、地位
2.1 从专业课的课时分配上说明
2.2 从与其它专业课的关系上进行说明
2.3 从专业历史沿革进行说明
二、钻进技术的用途
Application fields of drilling technology
? 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工
程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、
极地钻探、科学钻探）
? 开采矿产资源
? 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、
通风孔等）
三、钻进方法的分类
Classification of drilling method
? 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质
合金钻进、钢粒钻进
? 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击
回转钻进、回转冲击钻进。
? 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环
钻进、孔底局部反循环钻进
? 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井
钻进、工程施工钻进
（ a）正循环 （ b）正循环 （ c）孔底局 部
反循环
四、学习本课程应注意的问题
Problems noted in learning the subject
? 1.理论联系实际，课本描述性语言多,
注意总结,结合实践,上升理论；
? 2.理论、实践并重；
? 3.注重实验课；
? 4.注重工程实例。
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
Chapter 1 Drilling process of rocks
and fracturing mechanism
? 第一节、岩石的物理力学性质
? 第二节、岩石可钻性及其分级
? 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主
要方式
? 第四节、静载作用下的岩石应力状态
? 第五节、外载作用下岩石的破碎过程
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism
? 第一节、岩石的物理力学性质
? 第二节、岩石可钻性及其分级
? 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主
要方式
? 第四节、静载作用下的岩石应力状态
? 第五节、外载作用下岩石的破碎过程
第一节 岩石的物理力学性质
Physical & mechanical properties of rocks
一、岩石的组成与分类
岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变
质岩。
岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳
裂隙上升冷凝而成。
沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉
积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有
颗粒和胶结物两大类。
变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化
学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特
有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。
二、岩石的结构与构造
岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的
大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。
岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间
的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂
隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存
在环境有紧密的联系。
岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成
环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不
等，形成不同的结构和构造。
岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者
往往研磨性较大。
沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是
有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。
变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）,岩石沿
平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。
图 1－ 1 晶体结构类型 图 1－ 3 层理产生的原因图 1-2 胶结物的类型
岩 石 照 片
花岗石
花岗石
花岗岩
白云岩
第二节 岩石的自然性质
Natural properties of rocks
岩石的自然性质,岩石在生成过程中，构造变动和风化
过程中自然形成的特性。
密度,单位体积岩石的质量,容重,单位体积岩石的重量,
比重,单位体积岩石骨架体积的重量,岩石体积 =固相骨架
体积 +岩石中孔隙体积, 一般来说,密度越高,强度越大。
孔隙度,岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,
孔隙度越大,强度越低,
含水性,W=(GW-GD)/GD
透水性,KW=?ql/A(Pi- Po)
岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石
灰岩,用水浸透后,强度下降明显。
第三节 岩石的力学性质
Mechanical properties of rocks
? 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来
的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特
性。
? 变形特性：弹性、塑性和脆性
? 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和
抗弯强度
? 表面特性：硬度和研磨性
1.3.1、变形特性
（ deformation properties）
? 弹性变形
? 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
脆性破坏 塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）
(a) (b) (c)
影响岩石弹性、塑性和脆性的因素
（ Facts affecting rocks elasticity and plasticity）
1、岩石物质成分
2、岩石结构构造
3、应力状态
4、载荷性质
5、受力条件
6、温度和湿度
岩石弹塑性的测定
Measure of rock’s elasticity and plasticity
Kp=SOABC/ SODE
图 1.1－ 10 由应力－ 应变 曲线确定弹性模数 图 1.1－ 11 岩石压入时的载荷－侵深曲线
1.3.2、强度性质
（ Strength properties）
? 岩石强度,岩石在载荷作用下变形到一定程度
就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，
单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，
岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪
强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，
多向应力状态下的强度。
图 1.1－ 14 岩石单轴抗压试验
1－岩样； 2－球座； 3－钢垫板 图 1.1－ 15 岩石单轴拉伸试验1－岩样； 2－夹头；图中尺寸单位,cm
i
P Pa
A?σ
图 1.1－ 16 圆盘劈裂试验 图 1.1－ 17 剪切试验
1－岩样； 2－上下剪切模具； 3－模套；
4－斜锲块； 5－上下垫板； 6－钢滚子Бt=2p/3.14DL
影响岩石强度的因素
（ Factors affecting rocks strength）
1、岩石的物质成份
2、岩石的结构构造
3、岩石的容重和孔隙度
4、受力条件
5、应力状态
6、载荷速度
7、岩样的线性尺寸
8、湿度和温度
1.3.3、表面特性 (Surface properties)
? 岩石的硬度,岩石表面对工具压入的反抗特性。
岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。
岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗
压入硬度为单向抗压强度的（ 1+2π）倍。测定压
入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部
破碎是在多向受压状态下进行的 。
? 岩石的研磨性,在用机械方法破碎岩石的过程中，
钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻
头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而
逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。
影响岩石硬度的因素
（ Factors affecting rocks hardness）
? 岩石的矿物成分和结构构造
? 应力状态
? 载荷速度
? 液体介质
? 工具形状和尺寸
影响岩石研磨性的因素
（ Factors affecting rocks abrasiveness）
? 岩石的矿物成分和结构特征
? 正压力
? 滑动速度
? 介质
第四节 岩石可钻性及其分级
（ Drillability of rocks and its classification）
? 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反
映了钻进时岩石破碎的难易程度。
? 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程
参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编
制钻探生产计划的基础。
? 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于
岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数
有密切的关系。
1.4.1 岩石可钻性分级的观点
(Viewpoints on classification of rock drillability)
? 用岩石力学性质评价岩石的可钻性
? 用实钻速度评价岩石的可钻性
? 用微钻速度评价岩石的可钻性
? 用碎岩比功评价岩石的可钻性
1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法
(Methods for classification of rock drillability)
? 力学性质指标法
? 实际钻进速度法
? 模拟钻进速度法
? 破碎比功法
第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式
（ Main mode of action between rock-broken tool and rock）
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（ Stress conditions of rock under static load）
? 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态
() 222r
Pp
a a r?? ? 2Pp a??
图 1.1－ 34 平底圆柱压头压力面上的压力分布
图 1.1－ 36 球形压头压力面上的压力分布 图 1.1－ 37 平底压头压入时沿 对称轴的应力分布
三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态
图 2－ 15 轴向力作用时岩石
内的应力分布
图 2－ 16 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布
（ a）等应力线图；（ b）应力状态特征
Ⅰ －压应力区； Ⅱ －拉应力区； Ⅲ －过渡区
在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。
弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内
等应力线分布是均匀的、对称的（如图 2－ 15）。而轴向力和切向力
共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图 2－ 16）。
在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方
则产生拉应力，在半无线体内（如图 2－ 16(b)所示），形成正应力区
（ Ⅰ ）、拉应力区（ Ⅱ ）和过渡区（ Ⅲ ） 。由此可以推知，在兩向
载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：
1,轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面
以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来
决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方
向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，
轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。
2,轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀
的应力状态。压缩区 Ⅰ 随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；
拉伸区 Ⅱ 则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应
力的作用。
3,当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在
作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。
第七节 外载作用下岩石的破碎过程
（ Failure process of rock under exterior load）
? 一、岩石的变形破碎方式
图 1.1－ 45 破碎功与破碎产物粉碎度的关系
1－根据黎金格尔定律； 2－根据基尔切夫定律
图 1.1－ 46 转速与载荷的关系曲线
? 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程
? 三、尖楔状 切削 具压入时和冲击碎岩机理
图 2－ 21 液体压差下的碎岩机理图 2－ 20 尖楔状切削具 碎岩机理
第二章、回转钻进用钻头
Drilling bits used in the rotary-table drilling
? 第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
? 第二节、硬质合金钻头
? 第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程
? 第四节、金刚石钻头和扩孔器
? 第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程
? 第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程
? 第七节、全面钻头
第二章 回转钻进用钻头
Drilling bits used in the rotary-table drilling
? 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
? 第二节 硬质合金钻头
? 第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程
? 第四节 金刚石钻头和扩孔器
? 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程
? 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程
? 第七节 全面钻头
第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
Failure process of downhole rock drilled by
carbide-insert bit
? 一、钻探用硬质合金 (hardmetal for drilling)
通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨
架材料，钴为粘结材料。 硬质合金钻进一般适用于软、
中硬岩层钻进。
硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状
和针状等形状。薄片状,1-5级软岩；方柱状、八角柱状：
4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育；
针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。
表 4－ 1 YG类硬质合金的性能表
合金牌号
化学成分（％） 物理机械性质
特性及用途
WC Co 密度（ g/cm3） 硬度（ HRA） 抗弯强度（ MPa）
YG3x 97 3 15.0～ 15.3 92 1050 耐磨性最好，冲击韧性最 差，用于金属切削
YG4c 96 4 14.9～ 15.2 90 1400 适用于均质和软质互层地 层中回转钻进
YA6 91～ 93 6 14.4～ 15.0 92 1400 加有少量 TaC成分，提高了硬度
YG6 94 6 14.6～ 15.0 89.5 1400 适用于回转钻进，使用效 果仅次于 YG4c
YG6x 94 6 14.6～ 15.0 91 1350 细粒合金，强度接近 YA6，耐磨性较 YA6高
YG8 92 8 14.0～ 14.8 89 1500 地质勘探和石油回转钻进 用主要品种
YG8c 92 8 14.0～ 14.8 88 1750 粗粒合金，冲击韧性较高 适于冲击回转钻进
YG11c 89 11 14.0～ 14.4 87 2000 耐磨性最差，冲击韧性最
高，适于冲击回转凿岩YG15 85 15 13.9～ 14.1 87 2000
注：硬质合金中的附加字母,x”表示细粒合金，,c”表示粗粒合金。
? 二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit)
回转钻进的机械钻速 vm=60nmh1
影响切入深度 h1的主要因素有：轴向力大小，
岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、
几何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝
程度。
1、塑性岩石的孔底破碎过程
2、脆性岩石的孔底破碎过程
3、切入与切削同时作用下的碎岩过程
式中,Py—一个切削具上的轴向压力； S0—切削具与岩石的接
触面积；
σ—岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的
硬度）。
Py ≥σ,S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在
井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表
面磨蚀，碎岩效果很差。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。
在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图 1.3－ 1所示。
一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的
深度为。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖 O
并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成 γ角的线方向
切入岩石。因此，在切入的过程中,在前面 OB上产生的正
压力及摩擦力 （ 等于摩擦
一、塑性岩石的碎岩情况：
岩石切入岩石底过程：
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
（和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即：
0
yp
s ?≥
（ 1.3－ 1）
f )。 系数同理,在后斜面 OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下：
0xF?? 21 c o s( )c o sNN ?????
0yF?? 21 s i n ( )c o syP N tg N ??? ????
（ 1.3－ 2）
（ 1.3－ 3）
1 2
s in ( 2 )
c o sypN
??
?
??
010., s in,, c o sn hN b O A b h b tg? ? ? ? ??? ? ?
0 2
s in ( 2 )
c o syp h b tg
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2
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yph
b tg
?
? ? ? ?? ?
2c o s
s in ( 2 )
??
??? ? 0
yph
b tg? ???
式中,b—切削具的宽度；
σn－ OA面上的法线压强；
σ－垂直于 AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。
将式（ 1.3－ 5）代入式（ 1.3－ 4）中，则有：
因此，切入深度 h0为：
若设,则有：
式中,v－由切削具刃尖角 β和切削具与岩石的摩擦角 φ所决定的一个系数。
在一般情况下,v＝ 0.88～ 0.97。
根据切削具切入岩石的条件知：
图 1.3－ 2 塑性岩石中的回转切削
Py-轴向压力； Px-水平力； h0-切入深度；
b-切削槽宽（切削具宽度）
图 1.3－ 5 脆性岩石的回转切削过程
Py-轴向压力； Px-回转水平压力； β－刃角
h0-切入深度； abc-大剪切体； a'b'c'-第二次大剪切体；
B1－大剪切时岩面槽宽；
图 1.3－ 4 单面锲形切削具切入脆性岩石
Py-轴向压力； h0-切入深度； kok'-崩落岩穴
当钻头的直径较大时, γ很小, 即 cosγ=1,sinγ＝ 0,则式 （ 1.3－ 10）,
（ 1.3－ 11） 写成：
图 1.3－ 7 切入切削同时作用的井底碎岩情况
Py-给进力； Px-切削力； R－岩石底抗压入阻力；
Q－刃前阻力； N,T-R的分力； f-摩擦系数； α-切削角；
β-切削具前面与岩石破碎面底夹角； γ-井底切削面倾角
三、硬质合金切削具的磨损
(Wear of tungsten carbide cutter )
1,关于切削具磨损和转速问题的研究
费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究,
得出如图 4－ 5中的磨损曲线 。 该曲线反映了切削具单位时间磨损量 W与切削具
刃端面积上比压 σ的关系 。 横坐标的分界点 表示岩石的压入硬度, 在其前后属
于两种不同性质的磨损 。
（ 1） 曲线 Ⅰ 当 σ＜ σ0时, 切削具未能有效地吃入岩石, 钻进处于表面破碎
状态, 此时切削具单位时间的磨损量 W正比于切削具上的比压 σ。
（ 2） 曲线 Ⅱ 当 σ＞ σ0时, 岩石呈体积破碎 。 随着切削具上的比压 σ增大, 单
位时间的磨损量 W不但未增加, 反而出现下降的趋势 。 即在体积破碎的条件下,
切削具的磨损主要不取决于轴向压力, 而取决于岩石的硬度, 切削具的材质及
切削具的磨钝面积 。
费得洛夫提出, 在一定条件下切削具磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关 。
S（ t） =S0+θ t
式中,S0 －切削具的初始面积,mm2； t－磨损时间,min；
θ－取决于岩石性质的磨损系数,mm2/min。
硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降, 其机械转速 vm与切削刃磨钝面积的平凡成
反比：
（ 4－ 5）
式中,A－系数 。 当岩性, 钻进规程及钻头一定时它为常量 。
设钻进的初始参数为 v0=A/so2,（ 4－ 5） 式可写成
（ 4－ 6）
式中,k0=θ/S0,,k0－转速下降的特征系数；
钻头在 t时间内的总进尺为, 将 （ 4－ 6） 代入, 则有 。 因此, 平均转速为, 通过变换可写成：
（ 4－ 7）
（ 4－ 7） 式表明, 平均转速可写成以进尺 H为自变量的一元线性方程 。 其中, v0是在纵坐标上的截距, k0
为直线的斜率 。 进尺 H是在钻进过程中容易准确测得的参数, 我们可以用一元线性回归分析的方法, 在若干
观察值的基础上求出 k0值, 从而利用 （ 4－ 7） 式莱预测切削具磨损对转速的影响 。
2.切削具在孔底磨损的实际情况
前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损, 实际上在钻进过程中, 钻头硬质合金切削具出刃的
内, 外侧磨损量是不均匀的 （ 图 4－ 6）, 即：
y外＞ y内＞ y,t外＞ t内＞ y
切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面, 而是呈圆弧形, 刃前端和后缘磨损更加厉害 （ 图 4－ 7）
3.减轻切削具磨损底措施
虽然切削具的磨损是不可避免的, 但我们应设法把它控制在最低限度内 。 可采取的主要措施是：
（ 1） 避免切削具在表面破碎状态下工作 。 尤其是在高转速, 低钻压的条件下钻进研磨性岩石时, 切削具
磨损更快 。
（ 2） 切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比, 岩石的研磨性, 裂隙性等性质, 还
取决于切削具在钻头唇面的布置 。 应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号, 采用合理的钻头唇面结构 。
图 4－ 5 不同比压下切削具的磨损情况
Ⅰ －表面碎岩； Ⅱ －体积碎岩
图 4－ 7 切削具刃端磨损的
理想情况（ a）与实际情况（ b）
图 4－ 6 切削刃的实际磨损情况
y－切削刃磨损高度； r,R-环槽内外径
t-刃端磨损高度； t内,t外－刃端内、外侧磨损宽度；
b-环槽宽度； y内,y外 -切削刃内外侧磨损高度；
第二节 硬质合金钻头
(Carbide-insert bit)
? 分为取芯钻头和不取芯钻头
? 取芯式硬质合金钻头的结构要素
钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角
度，切削具在钻头体上的布置方式，切削
具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽
钻头体 (Bit blank)
图 1.3－ 15 硬质合金钻头
切削具出刃 (Protruding edge of cutter)
岩石性质 内出刃 外出刃 底出刃
松软、塑性、粘性、弱研磨性 2-2.5 2.5-3 3-5
中硬、强研磨性 1-1.5 1.5-2 2-3
图 1.3－ 16 硬质合金钻头底出刃示意图
b-环槽宽度； r－环槽内半径
图 1.3－ 17 硬质合金切削具底出刃和补强
H－切削具底出刃； h0-切入深度； h1-钻头底面过水间
切削具的镶焊角度
Welding / soldering angle of cutter
选择原则,对所钻岩切入和回转阻力小；镶焊形式有利
于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利
于及时排除岩粉，磨损后的切削具应保持一定的切削能力。
比较三种镶焊方式的排粉条件、受力情况、锋利情况
切削具在钻头体上的布置方式
Layout of cutters on the crown of bit blank
布置时应考虑以下：能保证钻头工作平稳；多环、不同底
出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使
每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间
应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨。
图 4－ 11 切削具在钻头体上底布置
（ 1）－单环排列；（ b）－双环排列；（ c）－多环排列
切削具在钻头体上的数目
(Numbers of cutter on the crown of bit blank)
切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的
组数和每组的颗数。组数和每组颗数之乘积就是切
削具在钻头体上的数目。
机械钻速与切削具组数的关系,v=hqn （ q：切
削具的组数）
钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的
钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬
度等因素而定。
m≤P/s
钻头的水口与水槽 (Waterways of bit)
1、水口的数目与面积
每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头与
岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积。
2、水口的形状
3、水槽
图 1.3－ 28 硬质合金钻头的各种水口和水槽
一 取芯式硬质合金钻头
(Carbide-insert bits for coring)
? 分为磨锐式钻头与自磨式钻头
图 1.3－ 29 磨锐式切削具和自磨式切削具 图 1.3－ 30 磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线Ⅰ －磨锐式钻头； Ⅱ －自磨式钻头
典型钻头结构举例
磨锐式钻头,在
钻进遇水膨胀、
粘结性的地层 —
—肋骨钻头 和薄
片钻头 ；在钻进
中硬及较硬地
层 ——分环式、
掏槽式
自磨式钻头,针
状硬质合金钻头
（胎块式，钢柱
式）和薄片硬质
合金钻头
分
环
式
钻
头
掏 槽 式 钻 头
胎块式针状硬质合金钻头
常用 硬质合金 钻头选型
类别 钻头类型 岩石可钻性级别 岩石Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ
磨
锐
式
钻
头
螺旋肋骨钻头 － － － 松散可塑性岩层
阶梯肋骨钻头 － － － 页岩，砂页岩
薄片式钻头 － － － 砂页岩，碳质泥岩
方柱状钻头 － － － 均质大理岩，灰岩，软砂岩，页岩
单双粒钻头 － － － 中研磨性砂岩，灰岩
晶字形型钻头 － － － 灰岩，大理岩，细砂岩
破扩式钻头 － － － 砂硕岩，硕岩
负前角阶梯钻头 － － － 玄武岩，砂岩，辉长岩，灰岩
自
磨
式
胎体针状钻头 － － － 中研磨性片麻岩，闪长岩
钢柱针状钻头 － － － 研磨性石英砂岩，混合岩
薄片式自磨钻头 － － － 研磨性粉沙岩，砂页岩
表 4－ 3 常用硬质合金钻头及其使用范围表
第三节 钻探用金刚石及孔底碎岩过程
Diamond for drilling and downhole failure process
? 一,钻探用金刚石 (diamond for drilling)
1,分类 (Classification)
天然 (Natural diamond)与人造 (Synthetic diamond)。人造金
刚石包括单晶 (Monocrystalline diamond)、聚晶
(Polycrystalline diamond)和复合片 Polycrystalline diamond
compact)。 (Explain them briefly)
2,特性,晶体结构为正四面体，元素为 C，最硬、抗压强度
最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。
? 3,与钻探有关的物理力学性质 (Mechanical properties for
diamond pertaining to drilling)
硬度 (Hardness)
强度 (Strength)
耐磨性 (Wear resistance)
热性能 (Thermal properties)
? 4,钻探用金刚石的粒度与品级 (Quality and size of
diamond for drilling)
金刚石的计量单位为克拉（ carat），度量常
用一克拉多少粒表示（对于粗颗粒而言），或
“目”表示。
表 4－ 4 天然金刚石品级分类表
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钻头标准级（ A） TB 硬和中硬地层 TS
表 4－ 5 人造金刚石品级分类表
金刚石品级 代号 单晶强度（ MPa） 单晶强度（ N/粒） 应用地层
特 级 RT >2200 >50 坚硬
优质级 RY 1800～ 2200 40～ 50 硬
标准级 RB 1500～ 1800 34～ 40 中硬－硬
表 4－ 6 人造金刚石聚晶品级分类表
聚 晶 级 别 代 号 磨 耗 比
特 级 RJT >1:30000
优质级 RJY 1,20000～ 1,30000
标准级 RJB 1,15000～ 1,20000
第四节 金刚石钻头与扩孔器 (Diamond bit and reamer shell)
1、金刚石钻头的规格和标准 (Specifications and standard of diamond bit)（注意,级配” ）
图 1.4－ 10 双层岩心管金刚石取心钻具组合
1－岩心管接头； 2－外管； 3－内管； 4－扩孔器；
5－卡簧； 6－卡簧座； 7－钻头
图 1.4－ 11 金刚石钻具级配
图 1.4－ 12 金刚石钻头
（ a）－表镶金刚石钻头；（ b）－孕镶金刚石钻头；（ c）－复合片钻头
图 1.4－ 13 金刚石钻头的结构
（ a）－表镶钻头； （ b）－孕镶钻头；
1－金刚石； 2－胎体； 3－钻头体； 4－水口
图 1.4－ 14 金刚石钻头刃部
(a)－表镶钻头,1－底刃金刚石； 2－保径金刚石；
3－侧刃金刚石； 4－胎体； 5－钻头体
(b)-孕镶钻头,1－金刚石； 2－工作部分胎体；
3－非工作部分胎体； 4－钻头体 ; h-孕镶层高度
Surface-set diamond bit
Impregnated diamond bit
Polycrystalline diamond
compact bit（ PDC bit）
2、表镶金刚石钻头 （ Surface-set diamond bit）
diamond size Coarse grain Medium grain Small grain
Stones per carat 15-25 25-40 40-60
Strata Medium hard Hard Stiff hard
Various size of diamond used in surface-set diamond bit
Others of surface-set diamond bit
1,Layout of diamond on the crown of the surface-set bit；
2,Crown configuration of surface-set diamond bit；
3,Waterways of surface-set diamond bit；
4,Manufacture method of surface-set diamond bit；
? 3、孕镶金刚石钻头 （ Impregnated diamond bit）
? Diamond quality and diamond size
? Diamond concentration
? Classification of matrix properties of impregnated
diamond bit and the relationship between matrix
properties and rock properties
? Crown configuration of impregnated diamond bit
? Manufacturing method of impregnated diamond bit
Various mesh size of diamond used in impregnated diamond bit
Diamond
size
（ mesh）
Synthetic
diamond >46 46-60 60-80 80-100
Natural
diamond 20-30 30-40 40-60 60-80
Strata Medium hard-hard Hard –stiff hard
Recommended diamond concentrations of
impregnated bit for different rocks
Code 1 2 3 4 5
Con,44% 50% 75% 100% 125%
Vol,Con,11% 12.5% 18.8% 25% 31.5%
Diamond
contents
1.93
carat/cm3
2.2
carat/cm3 3.3carat/cm3 4.4carat/cm3 5.5 carat/cm3
Strata
drillable
Hard –stiff
hard,
Low
abrasiveness
Hard –stiff
hard,
Low
abrasiveness
Hard –
med.hard,
Med.abrasiv
eness
Hard –med,hard,
high abrasiveness
Classification of matrix properties and the
relationship between them and rock properties
a,matrix wears properly,diamond expose normally;
b,matrix wears fast,diamond easily break or drop off;
c,matrix wears slowly,diamonds do not expose,
Hardness---one of matrix properties
Grade Code Matrix hardness Formation drillable
Extra soft 0 10-20 Very hard and compact rock
Soft 1 20-30 Very hard rock with medium abrasiveness
Medium soft 2 30-35 Hard rock with medium abrasiveness
Medium hard 3 35-40 Medium hard,medium –high abrasiveness
Hard 4 40-45 Hard,high abrasiveness
Extra hard 5 >45 Hard-brittle-fractured rock
二、金刚石钻进的孔底碎岩过程
(Failure process of downhole rocks drilled by diamond bit)
? 1、表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程
? 试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程，试验装置如下图：
试验岩石如下表：
Pro.
Sam.
Hardness
(Mpa)
Plastic
coefficient
(K)
Drillability Penetration rate Specific weight Friction coefficient
Elastic
modulus
(Mpa)
光学玻璃 5160 1 3.86 0.11 54700
霏细斑岩 8130 1.55 10 0.59 2.55 0.13
流纹斑岩 7170 2.30 11 0.25 2.83 0.14
（表镶）金刚石切削碎岩的基本过程
在轴向力和切向力共同作用下，金刚石一方面吃入岩石，
产生类似压入碎岩的作用，同时在金刚石转动的前方，则以
剪切作用产生贝壳状剪切体，且在靠金刚石一方的厚度最大。
图 1.4-31表示金刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体
示意图。用金刚石切削典型的脆性体 —光学玻璃时，其剪切
破碎作用发育得十分完全，同时在切槽内部产生相应的裂纹，
并有超前裂纹。由图可知，其裂纹状况与大、小剪切相互对
应。随着岩石 塑性系数 的增大，其剪切破碎效果较差。
在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度，
又表示着选用的工具和工艺的优劣程度。由图 1.4-35知,切
削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细
斑岩。
孕镶金刚石钻头的钻进过程
孕镶钻头的工作实质是, 1、依靠小而多的硬质点
（即金刚石）刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得
应用的效率； 2、胎体应有自磨自锐作用。
根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为：
1、保持金刚石上的轴向力为一定值，称为自由给进；
2、保持金刚石的切削深度为一定值，称为强制给进。
孕镶金刚石钻头的钻进是自磨自锐性质，在保持正常
钻进的状态下，其钻速应当是一定的，亦即钻头每转
的切入量应当是一定的。
试验研究和生产实践表明,钻头每转的切入量是评
定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一 。
第五节 钢粒钻进及孔底碎岩过程
（ Chilled-steel shot drilling）
? 用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒，并带动他们
在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。钢粒钻进
曾广泛用于 7-12级的岩石，一般用于大口径钻进。
一、钢粒及钢粒钻进用钻具
1、钢粒的材质（ 60号,70号，直径 2.5,3.5,4mm圆柱体，
高度与直径基本相等。）
钢粒中含有较高的碳量，主要是为了能有较高的淬火硬
度；锰和硅起固溶强化作用，以提高钢粒的强度；硅元素还
能增加钢粒的回火稳定性；少量的钒能有效地细化晶粒，强
化基体组织，提高钢的强度和硬度。
2,70号钢材的钢
粒热处理工艺
采用钢粒的钢材成分，如表 1.5－ 1所示
钢号 钢 材 成 分，％ 备注碳 硅 锰 钒 镍 烙 硫 磷
65＃ 0.62～ 0.70 0.17～ 0.37 0.5～ 0.8 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
70＃ 0.67～ 0.75 0.17～ 0.37 0.5～ 0.8 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
65锰 0.62～ 0.70 0.17～ 0.37 0.9～ 1.2 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
70锰 0.67～ 0.75 0.17～ 0.37 0.9～ 1.2 － <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 DB 699-65
65锰硅钒 0.60～ 0.70 1.10～ 1.40 0.9～ 1.2 0.05～ 0.12 <0.25 <0.25 <0.04 <0.04 试剂
淬火质量的好坏，可用肉眼鉴别：
淬火质量好的钢粒，表面呈棕黑色或黑色；
加热温度偏低，淬火程度不够，呈蓝色光泽；
加热温度太高或加热时间过长，呈白色或银白色。
3、钢粒的粒度
一般情况下，钢粒直径与钻头壁厚的关系：
t=（ 3-4） d
式中 t—钻头壁厚,mm；
d—钢粒直径,mm。
在测试的条件和范围内，钢粒粒度增大，钻速、功耗增大，
钻粒消耗、钻头磨耗减少。
钢粒直径过大，内、外环间隙增大，无用功亦会增大。
二、钢粒钻头 （ Chilled-steel shot bit）
1,钢粒钻头的功用和结构
1）应能很好地压住钻粒，并
能带动钻粒沿孔底滚动；
2）应能顺利地流通冲洗液，
排除岩粉；
3）应能适量并及时地向钻头
底唇下面补充钻粒，保证钻进
正常；
4）钻头应耐磨，并应在磨耗
中保持良好的导砂性能和补砂
性能。
2、钢粒钻头的材质及性能
一般来说，所钻岩石越硬，钢粒强度应愈大，钻压应
愈高，则所选用的钻头硬度也应相应地增大一些。在单位
钻压为 30-50kg/cm2的条件下，钻头硬度 HRC24-32。材质：
45号钢或 DZ40或多或 50钢，经调质处理。
3、钢粒钻头壁厚（略）（ 14-16mm）
4、钢粒钻头的水口
图 1.5－ 10 钢粒钻头水口示意图
三、钢粒钻进的孔底碎岩过程
1、压碎碎岩
压碎碎岩方式属于体积式碎岩，比例不大。
2、压裂碎岩
压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式。
3、井底脉动冲击的作用
第三章 回转钻进工艺
Drilling techniques in the rotary-table drilling
? 第一节、钻进效果指标及钻进规程参数
间的关系
? 第二节、硬质合金钻进工艺
? 第三节、金刚石钻进工艺
? 第四节、钢粒钻进工艺
? 第五节、牙轮钻进工艺
? 第六节、全面钻头钻进工艺
第一节 钻进效果指标及钻进规程参数间的关系
Relationship between drilling
indexes and parameters of drilling regime
? 一、钻进效果指标（ drilling indexes）
衡量钻进工艺效果的主要指标：钻速、每米钻孔成
本岩矿芯采取率和钻孔方向等。
1、平均机械钻速（ mean penetration rate）
2、回次钻速（ drilling speed per run）
3、技术钻速（ technical speed of drilling ）
4、经济钻速（ commercial speed of drilling）
5、循环钻速（ cycle speed of drilling ）
? 二、钻进规程
所谓钻进规程是指为提高钻进效率、降低成
本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操
作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的
钻进参数：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、
单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。
1、最优规程（ optimal drilling conditions）
当地质 -技术条件和钻进方法确定时，在保证
钻孔质量指标的前提下，为获取最高钻进速度或
最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配 。
2、合理规程（ rational drilling conditions）
在给定的技术装备条件下，当钻进规程参数的选择受到
期某种制约时，在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的
钻进参数组合叫做合理规程。
3、专用规程（ special drilling conditions）
为完成特种取芯、矫正孔斜、进行定向钻进等任务所采
用的参数搭配。
确定钻进规程的一般步骤：根据地层条件、钻头类型、
设备条件和工人的技术水平等因素，查阅相关手册或标准，
对每个工艺参数初选一个取值范围；其次，在以往经验的基
础上，初步确定规程参数的若干个取值；最后，在生产实践
中边钻进、边测算钻速和钻进成本，加以分析对比或借助计
算机进行处理，找出钻效高、成本低的参数组合。
? 三、钻进过程中各参数间的基本关系
1、钻压对钻速的影响
2、转速对钻速的影响
3、切削具的磨损对钻速的影响
4、水力因素对钻速的影响
5、冲洗液性能对钻速的影响
5,1 冲洗液密度对钻速的影响
5,2 冲洗液粘度对钻速的影响
5,3 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响
Relationship curve between bit
weight and mean penetration rate
Relationship curve between bit speed
and mean penetration rate
3、切削具的磨损对钻速的影响
在钻进过程中随着切削具的磨钝，切削具与岩石
的接触面积逐渐增大，若此时钻压值保持不变，则钻
速必然下降。这与钻头唇面比压下降有关。
4、水力因素对钻速的影响
表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素。
一定的钻速条件下，意味着单位时间内钻出的岩屑总
量一定，而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全
清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻
速降低。
对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层
时，为了保持钻头一定的自锐能力，孔底须保持一定
的岩粉量。
水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用。
5、冲洗液性能对钻速的影响（ Effect of properties of drilling fluid on
penetration rate）
冲洗液的密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性都对钻速有
不同程度的影响。
5,1 冲洗液密度对钻速的影响 （ Effect of density of drilling fluid on
penetration rate ）
5,2 冲洗液粘度对钻速的影响 （ Effect of viscosity of drilling
fluid on penetration rate）
5,3 冲洗液固相含量信其分散性对钻速的影响 （ Effect of
volume of solid phase and its dispersal in drilling fluid on
penetration rate）
第二节 硬质合金钻进工艺
（ Drilling techniques of carbide-insert bits）
磨锐式钻头的钻进工艺 （ Drilling techniques of self-sharpening bit）
钻压的选择
表 5－ 1 YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值
岩 层 切削具形状 单位压力推荐值 p（ KN/颗）
Ⅰ － Ⅳ 级 软－部分
中硬岩石 片层 0.40－ 0.70
Ⅴ － Ⅵ 级 中硬－部
分硬岩石
方柱状 0.80－ 1.20
中八角柱状 0.90－ 1.40
大八角柱状 1.50－ 1.80
研磨性大的岩石 方柱状 1.20－ 1.40中八角柱状 1.20－ 1.70
? 转速的选择
V=（ h0-?n） mn V=h0mn
岩 石 性 质 线 速 度 取 值 范 围 （m/s)
软的，弱研磨性岩石
中硬的，具有研磨性的岩石
中硬－硬的研磨性岩石
裂隙性岩石
－1.6
－1.2
－0.8
－0.6
表 5－ 2 硬质合金线速度的推荐表
P,n,Q参数间的合理配合
软岩石研磨性小，易切入，应重视及时排粉，延长钻头寿
命，故应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；
对研磨性较强的中硬及部分硬岩石，为保持较高的钻速并
防止切削具早其磨钝，应取大钻压、较低的转速、中等泵量的
参数组合。
确定最优回次钻程时间的方法
第三节 金刚石钻进工艺
Diamond drilling techniques
? 合理选择金刚石钻头（ To choose diamond bit
properly）
? 金刚石钻进规程参数（ Diamond drilling regime）
? 金刚石钻进的临界规程（ Critical condition of
drilling）
? 合理选择金刚石钻头
选用不当存在的问题：
选用的一般原则：
孕镶钻头：坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较
低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金
刚石浓度高、胎体硬度大）；
表镶钻头：硬度较低、完整岩层；
PCD或 PDC钻头：中硬及中硬以下岩石；
从钻头唇面形状：
岩石坚硬、致密、研磨性小者，应选择接触面积小的
同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面；钻裂隙的、软硬互
层、研磨性的岩层，应用内外径补强、耐磨性好的半圆唇
面；当钻进倾角大、易斜的岩层，应选用阶梯形或锥形唇
面，以便钻头起导正作用。
? 金刚石钻进规程参数
评定金刚石钻进规程的主要依据：钻速、钻头总进尺和单
位进尺的金刚石耗量三个指标。（钻压）
不同钻压下转速与钻速的关系
表镶金刚石钻头的钻压 P
P=Gp （ kg or dN）
式中 G—钻头上的金刚石粒数；
p—单位金刚石上允许的压力,Kg/粒。
对细粒金刚石,p约 1-1.5 Kg/粒 ;对中粒, p约 1-1.5 Kg/粒 ;
对粗粒金刚石, p约 2-3 Kg/粒 ; 特优级金刚石, p约 5 Kg/粒 ;
孕镶金刚石钻头的钻压
P=Sp（ kg or dN）
式中, S---钻头实际的工作唇面面积,cm2;
p—单位底唇面积允许的压力,Kg/ cm2 。
对中硬岩石,推荐, p约 40-50 Kg/ cm2 ;对坚硬岩石或金刚石质
量高者 p约 60-70 Kg/ cm2 。
直径
类型
36
(36)
46
(46)
59
(56) (66)
75
(76) 91
表
镶
钻
头
初始压力 50-100 50-100 100-200 100-200 100-200 250
常压 200-400 300-600 400-750 500-880 600-1000800-1100
孕镶钻头 250-450 400-700 450-850 500-1000600-1100800-1500
不同金刚石钻头的比压
具体确定钻压时，应分别对待,
1、岩石性质：
2、钻头类型：
3、金刚石：
4、克取岩石的面积：
5、施加钻压的阶段性（磨合和正常钻进）
6、有关孔内压力的传递问题（钻孔深度、冲洗
液、转速对钻压的影响）
? 转速
转速；影响金刚石钻进的另一个重要因素。在一
定条件下，转速越快，钻速越高。转速与金刚石的磨
损关系比较复杂。若其它条件正常，二者之间存在一
个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量为最小。
转速过大或过小，金刚石的磨损量都较小。
通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕镶金刚石钻
头的周速应达到 1.5-3m/s。表镶钻头所用的金刚石粒
度较大，在钻进中允许有较大的切入量。所以，要求
的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大，在回转中
容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般为 1-2m/s。
选择合理的转速还应考虑以下：
1、岩层 的性质,在中硬完整的岩层中钻进，
可采用高转速；如果岩层破碎、裂隙发育、软硬
不均、孔壁不稳、不均，宜采用低转速。
2、钻孔的结构和深度,钻孔结构简单、环空
间隙小，孔深不大，宜采用高转速；反之，应降
低转速。
3、机械设备、钻杆柱及钻具的能力。
? 冲洗液量
? 冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数。一般
根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量 Q：
Q=6sv（ L/min),(6是由单位换算所产生的系数 )
式中,v不小于 0.3-0.5m/s; s-钻孔的环空面积,cm2.
由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小，
冲洗液的流动阴力很大，所以金刚石钻进基本是以不大的
泵量和较高的泵压来工作的。另外，泵压是反映孔底工况
的敏感参数之一。
防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。试验
表明：当转速为 800r/min，钻头唇面压力为 10Mpa时，钻
头每转一圈，胎体温度升高 1.73℃ 。所以钻进中若冲洗液
停止循环 1-2min，便可能造成烧钻的恶性事故。
金刚石钻进存在正常规程和临界规程。
在正常规程中，钻头胎体温度正常，功率消耗
平稳，同时钻头磨损轻微；
而在临界规程下，钻头胎体温升急剧上升，功
率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。
1、胎体温度与钻压和转速的关系
2、功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系
3、胎体温度与冲洗液的关系
4、钻头磨损与钻进规程的关系
?金刚石钻进的临界规程
转速
r/min
轴向压力（ kg）
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
600 60 160 190 190 560
750 100 70 100 590
950 70 80 80 620 650 670
1180 90 120 640
1500 50 70 120 550
金刚石（ 200-400微米）钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系
钻进功率消耗 (kw)与轴向压力和转速的关系
转速
r/min
轴向压力（ kg）
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
600 1.71 1.86 1.92 2.32 5.34
750 1.80 1.86 2.04 5.67
950 1.95 2.31 2.79 5.37 6.56 6.91
1180 2.16 2.64 5.52
1500 0.48 1.44 2.16 5.56
用该 钻头钻进花岗岩时,其最高钻速不得超过临界值
37mm/min,否则将出现胎体温度剧增的严重后果。
指标
冲洗液泵量（ L/min）
15 20 30
胎体温度 ℃ 725 640 550
钻进功率消耗 kw 5.67 5.22 5.13
冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响
钻头磨损与钻进规程的关系
第三节 钢粒钻进工艺
Chilled-steel shot drilling techniques
? 钢粒钻进规程包括：投砂方法及投砂量、钻压（轴向压力）、转速和
冲洗液量（泵量）等方面。
? 一、投砂方法及投砂量
1、一次投砂法：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。孔壁完整时，则从孔口直接投入；孔壁破裂时，
则当钻杆下到接近孔底时，从钻杆中投入。从投砂方法来说，一次投
砂法比较简便，所以使用较广。一次投入的砂量对回次钻程时间的长
短、钻进效率、钻孔质量及管材消耗方面都有影响。
2,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，待钻进一定时间后再分别补投 1-2次。这捉方法在
一定程度上改善了一次投砂法扩大孔径和磨细岩芯的缺点。但中途停
钻补砂、费时麻烦，其至可能引起岩芯堵塞或岩芯脱出。结合投砂法
比较适用于硬、完整、深孔中使用。先投入砂量的 50-60%，然后再分
1-2次补投其余部分。
3、连续投砂法，无理想连续投砂器，很少采用。
kg/ cm kg/ cm kg/ cm
岩石级别
钻 头 直 径，mm
图 1.5－ 11 一次投砂量对各钻进参数的影响（单位,kg） 表 1.5－ 5
? 二、钻压
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。
P=pS
式中,P轴向钻压 kg； p钻头单位唇面面积所需的
压力 kg/cm2,S钻头唇面的实际面积 cm2 。
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：单位压力的最优值取决于钻
粒强度、岩石级别以及钻头转速等因素。
图 1.5－ 12 不同钻粒对最优对最优单位压力
的影响（钻粒直径 3mm）
1－铁砂（ σ =380kg） 2－合金铁砂（ σ=580kg)
3－纯钢砂（ σ=575kg） 4－钢粒（ σ=1900kg）
图 1.5－ 13 不同岩石对最优单位压力的影响
1－ 12级石英岩 ； 2－ 9级斜长花岗岩； 3－ 8级花岗岩
图 1.5－ 14不同转速对最优压力的影响
单位压力,kg/cm
12级石英岩 D ＝ 91mm
机
械
转
速
cm/h
40 50 60 70 80 90 100
32
28
24
20
16
12
8
4
0 20 30
36
n=123r/min
n=284r/min
n=381r/min
在钢粒钻进中，虽然最段单位压力可达 75-
95kg/cm2，但实际上所选用的单位压力大都低于此
值。在生产中常用的压力见下表所列：
岩石级别 7-8 8-9 >10
单位压力
（ kg/cm2） 30-35 35-40 40-45
钢粒性能 直径 3mm，抗压强度 1200 kg/粒，硬度HRC50
? 三、转速
钻头的转速大小关系到
钢粒在孔底滚动的速度和克
取岩石的频率。
钢粒的相对抗压强度是
随岩石硬度的增加而降低的。
在硬度大的岩石中，钢粒的
抗压强度相应变小，如果转
速过大，则更易使钢粒过早
破损而失效，所以以采用较
低的转速为宜。在硬度较低
的岩石中，钢粒的相对抗压
强度较大，所以可采用较高
的转达速。
图 1.5－ 15 不同岩石在转速变化时对机械转速的影响
1－ 12级石英岩 ； 2－ 9级斜长花岗岩； 3－ 8级花岗岩
实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最
优转速要低得多。
岩石级别 7-9 >10
孔深 (m) 0-200 200-400 >400 0-300 >300
转速
r/min 180-250 180 140-180 180 150-180
110mm钢粒钻头的转速选择参考表
? 冲洗液量
在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩
粉和冷却钻具的作用,更重要的还起着分选 \更新钢粒和促使
钻头唇面下合理布砂的作用。合理的冲洗液量应该 是既能保
证有效地将钻粉冲走、保持孔内清洁，能使多余的钢粒在外
环间隙中呈悬浮状态；又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的
工作过程。常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量：
Q=kD
式中,Q—钢粒钻进的冲洗液量 L/min, D—钻头直径
cm,k—送水系数,L/min× cm。清水,k =5-3；泥浆,k
=3-1.5
钻头水口的大小直接影响到该处的流速。在钻进过程
中水口是随钻头的磨耗而变小的。为了不使水口处液流速度
过大而影响正常的补砂，冲洗液量应随水口变小而减小。
一次投砂时，孔底钢粒的数量不断地磨耗而变少，钢
粒的平均尺寸也在不断地变小，所以应随砂量和砂粒的减
小而把冲洗液量逐渐改小。若采用连续投砂法，孔底砂量
基本不变，冲洗液量也可不因砂量而变，但应随着钻头水
口变小而改变冲洗液量。在采用一次投砂法时，在整个回
次钻程中，冲洗液量应分为数次、逐步改小，一般称为
,改水,，不改水就会影响后期的钻进效率。
冲洗液量的选取还必须依钻压和转达速的大小而改变,
转速一定时,钻压增加,最优冲洗液量也应增加 ;钻压一定时,
转速增加,最优冲洗液量有所下降。
图 1.5－ 16 最优冲洗液量与单位压力和转速的关系
第四章、冲击回转钻进与冲击、振动钻进
Percussion & rotary-table drilling and
percussion & vibrat0ry drilling
? 第一节、概述
? 第二节、液动及气动冲击器
? 第三节、冲击回转钻进用钻头
? 第四节、冲击回转钻进工艺
? 第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺
第四章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进
Percussion & rotary-table drilling and
percussion & vibratory drilling
? 第一节、概述
? 第二节、液动及气动冲击器
? 第三节、冲击回转钻进用钻头
? 第四节、冲击回转钻进工艺
? 第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺
