全面钻探技术:硬质合金钻头

6.6.6.1　翼片式全面钻头

翼片式全面钻头主要包括刮刀钻头和翼片钻头，前者刀翼锻制成曲面形，且有正斜镶的切削具和较小的刃尖角，多用于钻进松软、软岩层的工程钻、水井钻及石油钻；后者翼片沿钻头母线方向焊接于钻头体上，切削具采用直镶，多用于钻进较软和部分中硬岩层的勘探孔。翼片式全面钻头以其刀翼数量命名，如三刀翼的称为三刮刀钻头或三翼钻头，两刀翼的常叫作鱼尾钻头。

1）刀翼的结构角

结构角（图6-43）包括刃尖角、切削角、刃前角和刃后角。

刃尖角β表示刀刃的尖锐程度，是刀翼尖端前后刃之间的夹角。从切入岩石和提高钻速出发，β角越小越好，但β角太小刀翼强度不能保证。一般岩石软时，β角可取为10°或8°～9°；岩石较硬时，β角应增大为12°～15°；夹层多，孔较深时，β角也应适当增大。

图6-43　刀翼的结构角

切削角α是刀翼前刃与水平面间的夹角，当其他条件一定时，α角越大，吃入深度越深，但α角过大时，刃前岩石的剪切破碎困难，钻进时蹩劲大。一般规律是：松软地层取α=70°；软地层α=70°～80°；中硬地层α=80°～85°。

2）刀翼背部几何形状

钻头工作时，刀翼的受力类似于悬臂梁，根据等强度要求，刀翼背部应成抛物线形状，即刀翼的厚度随距刃尖的距离增加而逐渐增厚。

3）刀翼底部几何形状

刀翼底部有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种形状（图6-44）。底部形状不同，破碎岩石形成的孔底形状也不同。平底刀翼形成的孔底只有一个裸露自由面，而阶梯钻头可形成较多自由面。实验表明，在轴向压力一定的条件下，阶梯刮刀钻头的钻速比平底钻头快，而所需的扭矩和功率消耗比平底钻头低。

图6-44　刀翼底部几何形状

（a）—平底；（b）—正阶梯；（c）—反阶梯；（d）—反锥形

虽然多阶梯钻头破岩效率高，但正阶梯[图6-44（b）]容易磨损成锥形，而使钻孔缩径。反阶梯刮刀钻头可在一定程度上解决缩径问题，但刀翼外侧底刃既起掏槽作用又起保径作用，蹩钻严重。大庆油田根据反阶梯钻头的特点，设计了反锥形刮刀钻头，刀翼的底刃可设计一个或两个斜面，使孔底形成一两个截锥体。

4）提高刀翼的耐磨性

为保证足够的强度，钻头的刀翼一般用高强度合金钢锻制而成。在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块以增强刀翼的耐磨性和防止泥浆对刀翼的冲刷。刀翼的侧部镶焊YG8硬质合金以保径。

5）典型翼片钻头举例

（1）常用的二翼、三翼钻头（图6-45）适用于可钻性Ⅰ～Ⅳ级的岩层。其中三翼钻头在大口径钻进中得到广泛的应用，它的钢体上装有可更换的水眼喷嘴，喷嘴中射出的高速水有助于提高机械钻速。

图6-45　二翼片钻头举例

1—标记槽；2—钻头钢体；3—螺纹；4—水眼；5—翼片；6—硬质合金薄片；7—刮刀

（2）三翼片阶梯钻头（图6-46）可用于地勘孔钻进Ⅲ～Ⅳ级页岩，部分Ⅴ级砂页岩和灰岩。阶梯翼片直焊在钻头体上，根据不同岩性取不同的翼片偏离中心距，以保证在中心处能剪切碎岩不留下小岩心。

图6-46　三翼片阶梯钻头

1—钻头钢体；2—翼片；3—硬质合金切削具

（3）针状自磨式全面钻头（图6-47）可做成三翼、四翼或六翼，耐磨性能好。随着翼片的磨损，切削具与岩石的接触面积不变，使钻速保持均匀，一次钻程可达4～8h。适宜在Ⅴ～Ⅶ级的研磨性岩层中钻进小口径深孔。(www.xing528.com)

图6-47　六翼针状自磨式全面钻头

6.6.1.2　螺旋全面钻头

干式螺旋钻在松软岩土层中成孔速度快，无冲洗液，不污染环境，在地震勘探爆破孔、工程地质、水文地质调查孔、地质普查与填图浅孔钻进和工程施工中得到了广泛应用。

1）螺旋钻具

螺旋回转钻进分为长螺旋和短螺旋两种形式。长螺旋钻进是直接把破碎的孔底岩土产物通过分布在整个钻杆长度上的螺旋面输送到孔口。这种钻进方法适用的深度一般为50m（少数可达80m），孔径60～800mm。短螺旋只是在靠近钻头部分有螺旋叶片，每次把岩屑积聚在有限的几个螺旋面上，然后与钻头一起提至地表甩掉，所以短螺旋钻对地层的适应性比长螺旋广。

长螺旋钻具由钻头和长螺旋钻杆组成。长螺旋钻柱由直径60～73mm、长1～3m的单根钻杆组成，钻杆上绕焊着厚5～6mm的螺旋钢带，其宽度与钻头的外径相匹配（螺旋带的外径比钻头直径小15mm左右），螺距为螺旋直径的7/10～9/10倍[图6-48（b）]。为了取心可以采用大通孔长螺旋钻杆，甚至其中还可容纳绳索取心机构。

2）螺旋钻头

钻头可分为两种类型，应根据岩土性质来进行优选。

（1）锐角型切削翼片。采用与孔底呈30°～60°锐角的犁形翼片切削破碎岩石，并使破碎下来的岩屑直接沿钻头翼片滑到长螺旋钻杆上被输送上来。这样的钻头在塑性黏土和类似的岩层中钻进效率高。常用的阶梯形两翼和三翼硬质合金长螺旋钻头如图6-48（a）所示。

（2）直角型切削翼片。与孔底呈直角，在轴向力的作用下切入岩石，并在回转作用下切削或松动岩石。这时岩石并不马上进入螺旋带，而是在孔底被重复破碎和松动。常用的普通平底螺旋钻头和耙式螺旋钻头如图6-49所示。其中，平底螺旋钻头由心管、螺旋带（双头螺旋）、平刀与中心刃刀等组成，钻头的平刀长度比螺旋叶片的外径大10～20mm，适用于一般的土层。耙式螺旋钻头由心管、螺旋带（双头螺旋）、中心刃刀、切削刀齿等组成。该钻头在切削刀齿上镶焊硬质合金，适用于含有大量砖头、瓦块的杂填土层及松软岩层的钻进。

图6-48　长螺旋钻进的钻头与钻具

图6-49　平底螺旋钻头（上）和耙式螺旋钻头（下）

6.6.1.3　笼式全面钻头

近年来，在大口径钻孔灌注桩的施工中大量使用笼式全面钻头，又称双腰带笼式钻头。它适用于黏土、粉砂、细砂、中粗砂和含少量砾石的土层。

1）笼式全面钻头的结构

该钻头由中心管、翼板、上下导正圈（俗称“腰带”）、立柱、横支杆、斜支杆和超前小钻头等组成（图6-50）。上下导正圈的距离不小于钻头直径，在上下导正圈的外圆柱面上加焊带硬质合金的肋骨，以扩大孔径，修圆钻孔。翼板按一定的角度焊在下导正圈的内壁上，在翼板上直接镶焊硬质合金切削具，或者用螺栓将焊有切削具的刀头紧固在翼板上，成为可拆换式切削具。翼板的数量视钻头直径而定：φ800mm钻头用4片；φ1000mm钻头用4～6片；φ1200mm以上钻头用6片。

图6-50　双腰带笼式钻头结构

1—心管；2—斜支撑；3—上导正圈；4—肋骨；
5—支柱；6—横支杆；7—下导正圈；8—肋骨；
9—翼板；10—刀体；11—接头；12—小钻头

2）笼式钻头的特点

（1）由双腰带和立柱、支柱组成的具有一定高度的圆笼，对钻头具有良好的导正作用，超前的四翼锥形小钻头主要起定向作用（并保护出浆口不被阻塞），使钻头工作平稳，扩孔率也小，钻孔的垂直精度较高。

（2）钻头底部呈锥形阶梯状，端部有小钻头超前钻进，故孔底破岩自由面大，钻效高。

（3）小钻头可对砂砾层起松动作用，少量不易破碎的卵砾石可挤进圆笼内，不妨碍继续钻进。并可在钻程结束后随钻头一起提升至地表，从而减少孔底可能发生的重复破碎。