工程钻探取样技术：硬质合金钻头结构分析

一定数量的硬质合金切削具，按一定的形式排布在钻头体上，可形成钻进不同地层的钻头结构。这些决定钻头结构的因素称为硬质合金钻头的结构要素。

1）钻头体

钻头体也称为空白钻头，是切削具的支撑体，它把轴载和扭矩传递给切削具，承受切削具破岩的反作用力和孔底的动载效应，并长时间处于孔底的摩擦环境中。因此，钻头体要用DZ-40地质钻探用无缝钢管或45号无缝钢管制成。钻头体上端车有与岩心管连接的外螺纹，其内壁上有为卡取岩心设计的内锥度。

2）切削具出刃

切削具出刃指的是切削具在钻头体内、外侧和底唇面突出的一定高度，其出刃高度取决于岩石的硬度、均质性和在该岩石中的钻进速度。

（1）内、外出刃。内、外出刃的作用是保证钻头体与孔壁、钻头体与岩心之间留有一定的间隙，以避免钻头体承受来自孔壁和岩心的摩擦力，并为循环冲洗提供通道。硬质合金钻头出刃的参考值如表6-1所列。一般对于软岩层应取较大的出刃值。若钻进遇水膨胀或单位时间内产生大量岩粉的软地层，则一般地加大出刃也不能满足要求。这时必须在钻头体上加焊肋骨，以增大内、外环状空间。

表6-1　硬质合金切削具出刃规格　单位：mm

（2）底出刃。底出刃的作用是保证切削具能顺利地切入岩石，并为冲洗液及时冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。底出刃的概念应包括出刃大小和底刃排列方式两方面的内容。

底出刃大小包括切削具的切入深度和过水间隙（图6-1），即H=h1+h2。若H值过大，容易在硬岩和裂隙性岩层中造成切削具崩断，故应在钻头体上增加补强，有很好的防崩效果。

钻头的底出刃可以排成平底式，也可以排成阶梯式。后者可使孔底岩石破碎成台阶形（图6-2），即在孔底形成掏槽，为上面一排切削具破碎岩石创造第二自由面，使体积破碎更容易。尤其对具有一定脆性及较硬的岩层效果更佳。

图6-1　切削具底出刃和补强示意图

1—切削具；2—钻头体；3—补强

图6-2　阶梯环形状孔底示意图

3）切削具的镶焊角度

针对不同性质的岩层，可以把具有一定刃角β的切削具以不同的前角（亦称镶焊角）镶焊在钻头体上，从而获得不同的钻进效果。

切削具在钻头唇面上有3种镶焊方式：切削具以正前角斜镶的称为正斜镶[图6-3（a）]，垂直摆放的为直镶[图6-3（b）]，以负前角斜镶的称为负斜镶[图6-3（c）]。

不同刃角的切削具使用范围也不同，其推荐值如下：

（1）β=45°～50°，用于Ⅰ～Ⅳ级非裂隙性岩石。

（2）β=65°，用于Ⅴ～Ⅶ级岩石。

（3）β=90°的小切削具，用于自磨式钻头。

图6-3　切削具的镶焊方式

α—切削角；β—刃角；φ—前角；γ—切削具相对于钻头径向的扭转角；
（a）、（b）、（c）、（d）、（e）—切削具在钻头体上的不同状态

切削角α的大小应根据所钻岩石的性质来选择。一般来说，钻进软岩α应取小些，但也不宜过小。因为α过小可能使切削具后面直接与岩石表面摩擦。硬质合金钻头不同镶焊角形式所适用的地层情况见表6-2。

表6-2　不同切削角α适用的地层对照表(www.xing528.com)

究竟选择何种镶焊角形式（正斜镶、直镶、负斜镶），应考虑下述原则：

（1）对所钻岩石切入和回转阻力小。

（2）某种镶焊形式可保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力。

（3）有利于及时排除岩粉。

（4）磨损后的切削具应保持一定的切削能力，即端面的接触面积不能过快地增大。

上述条件很难同时满足，设计钻头时应根据岩性，有所侧重地考虑。

分析表明，在切入深度相同的条件下，切入岩石所需的轴向力Py和水平力Px在正斜镶情况下最大，直镶次之，负斜镶最小；当磨损体积相同时，切削刃端的磨损面积正斜镶最大，直镶次之，负斜镶最小；当三者出刃大小一致时，切削刃上的弯矩正斜镶最大，直镶次之，负斜镶最小；排粉条件是正斜镶最好，直镶次之，负斜镶最差。所以，通常正斜镶的钻头在软岩中具有高钻速，而负斜镶钻头适用于硬岩和非均质岩层，最常用的是直镶。

4）切削具在钻头体上的布置方式

硬质合金钻头切削具的排列方式很多，按切削具在钻头体唇面上的分布圈数，可分为单环排列、双环排列和多环排列（图6-4）。再加上切削具摆放的密集程度，是否扭转一定的角度等因素都可有所变化，从而构成多种类型的钻头形式。确定切削具布置方式时应考虑以下原则：

（1）能保证钻头在孔底工作平稳。

（2）双环、多环排列或分组排列时，每个切削具只破碎孔底的一部分，叠加起来完成整个环状切槽的切削，如果各环之间能相互造成自由面，则破岩效果更佳。

图6-4　切削具在钻头体上的布置

（a）—单环排列；（b）—双环排列；（c）—多环排列

（3）尽量使每个切削具负担的破岩量接近，避免局部磨损过甚。

（4）切削具之间应保持一定的距离，以利于排粉。

（5）对切削具的镶焊和修磨方便。

5）切削具在钻头体上的数目

切削具数目取决于岩性、钻头直径和切削具形状。对软岩取较少的数量，对较硬和非均质及研磨性岩石，保证一定的钻头寿命是关键因素，一般应取密集式排列。

6）钻头的水口和水槽

钻头上一定数量的水口和水槽（水槽下端应与水口顶端相通），是冲洗液流经钻头，冲洗孔底并返回钻柱外环空间的通道。它直接影响着切削具的冷却和孔底及时排粉的效果。

硬质合金钻头体上的水口形状可以有矩形、半圆形、梯形和三角形，但效果最好的是三角弧形水口。水口的数目应等于钻头体上切削具的数目或组数。水口的总面积应大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积，以减少钻头处的水马力损失。