岩石与钻头
金刚石钻石破岩原理
金刚石钻石破岩原理
金刚石钻石的破岩原理是依靠其极高的硬度和耐磨性。
钻石是世
界上最硬的物质之一，硬度为10，几乎无法被其他物质划痕。
当钻石
钻头与岩石接触时，由于岩石的硬度较低，钻头能够切割进去，同时
由于钻头的尖端非常尖锐，因此对岩石产生了非常强烈的压力，使得
岩石在钻头的作用下碎裂和溅射。
此外，钻石的耐磨性也是其破岩能力的重要原因。
钻头在钻孔时
会经历极高的摩擦和磨损，但由于钻石极具耐磨性，所以能够持续地
保持锐利，使得钻头能够持续地破岩，直到达到预定深度。
综上所述，金刚石钻石主要通过其超强的硬度和耐磨性来实现岩石的破碎与溅射。
潜孔钻头工作原理
潜孔钻头工作原理
潜孔钻头是一种常用的钻井工具，广泛应用于各种钻井作业中。
它的工作原理如下：
1. 主轴转动：潜孔钻头通过钻井设备的主轴驱动，使钻头产生旋转运动。
2. 钻头切削岩石：钻头的刀具边缘有一系列的切削齿，当钻头旋转时，这些切削齿与岩石接触，产生切削力。
3. 钻屑排除：切削力使得岩石被切削下来形成钻屑，钻屑通过钻头内部的通道被带到井口，然后通过钻井液将钻屑从井口排除出井。
4. 冷却润滑：钻井液不仅可以带走钻屑，还可以对钻头进行冷却润滑，减少钻头与岩石接触时的摩擦和磨损。
5. 钻头进给：钻头一般通过主轴的进给装置进行上下进给，使得钻头能够逐渐穿过地层，实现钻井的深入。
总结来说，潜孔钻头通过主轴的转动和切削齿的作用，与钻井液的辅助带动、冷却润滑，实现了对地层的穿越和岩石钻取的目的。
PDC钻头切削齿和岩石作用模型要点
PDC钻头切削齿和岩石作用模型要点SPE-98988PDC钻头–源于牙轮和岩石间的相互作用L.Gerbaud, S.Menand, SPE, H. Sellami, SPE, 来自巴黎的Ecole des Mines 摘要在过去的几十年里，由于在PDC磨损、抗冲击性和对井斜进一步理解上的创新，在硬岩中PDC钻头性能已获得大幅度改善。
钻头设计通常要考虑钻头平衡、沿钻头剖面的平均磨损分布、达到最佳可钻性和导向性。
为了达到所需的钻井性能，钻头设计者调整剖面形状、保径和主要的切削齿特征(形状、类型和方向)等性能。
切削齿和岩石作用模型已经成为设计过程中一个非常重要的因素了。
但是以前用的模型只是基于切削齿和岩石相互接触面考虑了作用在切削齿上的3个力:正压力，切向力和侧向力。
但是随着带倒角或其他特殊形状的切削齿的发展，这种模型已经不适用了。
本文介绍一种新的切削齿和岩石作用模型，较之以前做了些改进。
它是基于文献中经常提到的在切削面上挤压岩屑的增斜边的存在。
同时，倒角也严重影响钻速，因此也被考虑了进去(形状和大小)。
由于岩石变形和被压碎的岩屑的排出对切削齿后部的力也被考虑了。
最终，得到的很多单齿试验结果(在常压和规定的压力下)并且和新的切削齿和岩石作用模型的预测相比较。
同时本文还分析了PDC钻头各种特征的影响作用(形状，大小，倒角，后倾角和侧倾角)。
这个模型被用来优化切削效率和钻头的导向能力，同时给出了一些设计的原则，使比能最小，使侵入岩石速率最高。
最终，全尺寸钻进实验和油田数据表明，应用精确地岩石和钻头相互作用模型能帮助钻头设计者针对特定区块找到最合适的钻头。
标准的实验室全尺寸钻进过程已经发展起来。
实验表明通过对切削齿的特征，切削齿的部齿，切边齿的特征和保径类型的调整，钻头的钻进能力，稳定性，导向能力和磨损可以改善和控制。
介绍从19世纪七十年代开始，PDC钻头性能不断改进，从改善PDC的工艺水平，切削齿结构，动力学稳定性，水力因素和导向性到平滑快速钻进。
金刚石钻头的原理和结构
金刚石钻头的原理和结构金刚石钻头是一种广泛用于岩石钻探、矿物开采以及石油、天然气勘探等领域的工具。
它具有较高的硬度、很强的抗磨性能和较强的耐腐蚀能力，能够在高温、高压和复杂环境下工作。
金刚石钻头是以人工合成的金刚石作为切削工具的一种机械钻头。
金刚石钻头的主要原理是利用钻具在岩石中切削和击碎岩石产生孔眼。
金刚石钻头的结构由刀具和钻具两个主要部分组成。
首先，我们来看一看金刚石钻头的刀具部分。
金刚石钻头的刀具部分通常由金刚石刀具和钢制材料组成。
金刚石刀具通常由人工合成的金刚石微粉和金属粉末混合而成，经过高温高压处理形成固态金刚石。
金刚石是一种非常硬的材料，其硬度仅次于金属元素钨，能够有效地切削硬岩。
在钻具部分，金刚石钻头通常采用钢制的钻杆和连接器。
钻杆通常由镍铬合金钢制成，能够承受极高的压力和扭矩。
而连接器则用于连接钻杆和刀具部分，确保刀具可以旋转。
金刚石钻头的结构非常复杂，通常由多个组件组成。
其中，较为重要的组件包括钻杆、导向装置、喷嘴和刀具。
钻杆是连接刀具和钻机的零件，用于传递旋转力和推进力。
导向装置主要用来控制钻头在钻削过程中的方向。
喷嘴常常与金刚石刀具相连接，用来喷射冷却液，降低切削区域的温度。
刀具是金刚石钻头最重要的部分，通常由多个金刚石片组成。
这些金刚石片贴合在刀具上，形成切削边缘，用于切削和击碎岩石。
金刚石钻头的工作原理可以分为两个主要过程：切削和击碎。
在切削过程中，金刚石钻头通过刀具上的金刚石片切削岩石。
金刚石的硬度能够有效地切削硬岩。
在切削过程中，金刚石钻头需要施加足够的推进力和旋转力，使刀具旋转并向前推进。
同时，喷嘴喷射的冷却液可以冷却刀具和减少切削过程中的摩擦和热量。
而在击碎过程中，金刚石钻头利用撞击力将岩石击碎。
当金刚石钻头切削岩石时，金刚石片的表面可能会形成尖锐的碎屑。
当这些碎屑与钻孔壁摩擦时，会产生巨大的撞击力，将岩石击碎。
总而言之，金刚石钻头通过切削和击碎的方式向岩石中钻孔。
岩金矿主要岩石分类表及钻头选用
硬度
软
中硬
硬
坚硬
可钻性
1～3
4～6
7～9
10～12
研磨性
弱
弱～中中～强弱～强来自⑴可钻性1～4级的软质围岩、冲积岩及风化岩采用硬质合金。
⑵可钻性4～6级（部分7级）的岩层可采用硬质合金或针状合金。软硬互层采用金刚石、人造聚晶金刚石或金刚石复合片，分层钻进。
⑶可钻性5～12级的岩层或软硬互层，采用金刚石或金刚石绳索取芯钻探。
⑷坚硬、致密、打滑岩层，采用金刚石液动冲击回转或金刚石绳索取芯液动冲击回转钻探。另加一个冲击器，在回转基础上增加一个冲击载荷。
岩金矿主要岩石分类表及钻头选用
主
要
岩
石
名
称
泥灰岩
断层泥
粘土岩
页岩
绿泥石片岩
绢云母片岩
千枚糜棱岩
石灰岩
砂岩
大理岩
斜长岩
千枚岩
白云岩
糜棱岩
含硅质粉砂岩
硅化绢云母片岩
蚀变破碎岩
断层角砾岩
硅化白云岩
片麻岩
混合岩
角砾岩
伟晶岩
玄武岩
安山岩
硅板岩
玢岩
花岗闪长岩
硅化糜棱岩
石英砂岩
石英片岩
石英岩
石英脉
硅质岩
细碧岩
变粒岩
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头破岩原理牙轮钻头是一种常用于石油钻探和岩石工程中的钻井工具，它的破岩原理是通过旋转和冲击来实现的。
在钻井过程中，牙轮钻头可以有效地破碎和清除岩石，从而实现钻井的顺利进行。
下面我们将详细介绍牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的破岩原理主要依靠旋转作用。
当钻机启动时，牙轮钻头会开始旋转，通过其锋利的牙齿和高速旋转的力量，可以将岩石表面破碎并切割。
这种旋转作用可以有效地提高钻头的钻进速度，从而加快钻井的进度。
其次，牙轮钻头的破岩原理还依赖于冲击作用。
在钻井过程中，钻头不仅需要旋转，还需要不断地向下施加冲击力，以便将岩石打碎。
这种冲击作用可以有效地增加钻头对岩石的穿透力，从而更快地完成钻井作业。
此外，牙轮钻头的设计也对其破岩原理起着重要作用。
优秀的牙轮钻头设计可以使其牙齿更加锋利，旋转更加稳定，冲击更加均匀，从而提高其破岩效率。
同时，合理的牙轮钻头结构也能够减少钻井过程中的磨损和损坏，延长其使用寿命。
总的来说，牙轮钻头的破岩原理是通过旋转和冲击相结合来实现的。
旋转可以破碎和切割岩石表面，而冲击则增加了钻头的穿透力，使钻井作业更加高效。
合理的设计和结构也对牙轮钻头的破岩效果起着至关重要的作用。
在实际应用中，牙轮钻头的破岩原理需要根据具体的钻井工况和岩石性质进行调整和优化。
只有充分理解和掌握了牙轮钻头的破岩原理，才能更好地利用这一钻井工具，提高钻井效率，确保钻井作业的顺利进行。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是通过旋转和冲击相结合来实现的，合理的设计和结构对其破岩效果起着重要作用。
了解并掌握牙轮钻头的破岩原理对于钻井工程具有重要意义，可以帮助工程师更好地选择和使用钻井工具，提高钻井效率，保障工程顺利进行。
钻井地质基础知识概述
• 4、荧光录井 l 概念：石油中的油质、沥青等在紫外
光的照射下，能发出一种特殊光亮，就 是荧光。根据荧光显示的亮度及颜色的 差别，测定出石油的含量和组成成分， 对油气层进行定性和定量解释，就是荧 光录井。 l 荧光录井的方法 • ⑴ 岩屑干照法。 • ⑵ 点滴分析法。
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是负压钻井）、缩径（对塑性地层，如 较纯的粘土、盐岩层等）及携屑能力下 降等。
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• 二）、钻井液粘度、切力与钻井的关系 • 1、粘度、切力过大有以下害处。 • ⑴流动阻力大，能量消耗多，功率低，
钻速慢； • ⑵净化不良（固控设备不易充分发挥效
力），易引起井下复杂情况； • ⑶易泥包钻头，压力波动大，易引起卡
照一定的取样间距和迟到时间，将岩屑 连续收集起来，进行观察、分析，并综 合运用各种录井资料进行岩屑归位，以 恢复地下原始剖面的过程。
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3、岩心录井 概念：利用取心工具，将井下一定深度 地层的岩石以柱状形式取上来，并对其 进行分析、研究而取得各项资料的过程 。
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⑴粘土岩层。泥岩和页岩一般较软，钻速快，但 容易产生钻头泥包。这种地层极易吸收钻井液 中的自由水而膨胀，导致井径缩小。随着浸泡 时间的延长，井壁会产生垮塌现象，井径扩大 。
⑵砂岩层。砂岩一般来说是较好的渗透层，在井 壁上易形成较厚的滤饼，易引起泥饼粘附卡钻 。另外滤饼对测井也有影响，所以必须使用优 质钻井液。
钻井地质基础知识概述
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2020年4月4日星期六
• 第一章、钻井地质基础知识 一、岩石的机械性质 1、岩石的机械性质 ⑴岩石的强度：岩石的强度是指抵抗外力破坏的
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头是一种常用的岩石钻探工具，它通过旋转和冲击来破
碎岩石，实现岩石的钻孔作业。
牙轮钻头的破岩原理是基于其特殊
的结构和工作方式，下面我们来详细介绍一下牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的结构包括钻头体、切削结构和牙轮。
钻头体
是整个钻头的主体部分，通常由合金钢制成，具有足够的硬度和耐
磨性。
切削结构是钻头上的切削刃，通常呈锥形或圆锥形，用于切
削岩石。
牙轮是钻头上的齿状结构，可以增加钻头与岩石之间的摩
擦力，提高钻进效率。
其次，牙轮钻头的工作方式是通过旋转和冲击来破碎岩石。
当
钻头旋转时，切削结构不断切削岩石，同时牙轮产生的冲击力也在
不断作用于岩石表面。
这种旋转和冲击的组合作用，可以有效地破
碎岩石，使得钻头能够顺利地钻进岩层。
最后，牙轮钻头的破岩原理可以总结为旋转切削和冲击破碎的
综合作用。
旋转切削主要是通过切削结构对岩石进行切削，而冲击
破碎则是通过牙轮产生的冲击力对岩石进行破碎。
这两种作用相互
配合，使得牙轮钻头能够高效地完成岩石钻探作业。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是基于旋转切削和冲击破碎的综合作用，通过钻头结构和工作方式的设计，实现对岩石的高效钻探。
牙轮钻头在矿山、隧道、地下工程等领域有着广泛的应用，对于岩石钻探作业具有重要的意义。
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岩土钻掘 σ1
（a）压缩试验
矿业大学
σ3
2
σ =
1
σ P=
（b）拉伸试验
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岩土钻掘
矿业大学
2. 三轴应力下岩石的强度和变形的特点
τ B
O
? ? ? ? ?
?
1 2
?1? ?3
?
1 2
? 1? ? 3
cos
2?
? ? ?
?
1 2
?1 ? ? 3
岩土钻掘
五、岩石的抗压入破碎强度
矿业大学
岩石的硬度（即抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力。
平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴 对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强 度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。
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岩土钻掘
a2
?
z2
? ?
z
P-岩石平均压强 a-压头底面的半径 z-距岩石表面的深度ν-岩石泊松比
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岩土钻掘
矿业大学
压入实验确定岩石的硬度和塑性系数
W
D
E O吃入深度ε/m
(a)脆性岩石
WD B W0A
O
EC
吃入深度ε/m
(b)塑脆性岩石
W0 O 吃入深度ε/m
岩土钻掘 一、应力应变曲线
矿业大学
二、强度(简单应力)
主要内容
三、强度(复杂应力)
四、弹性
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岩土钻掘
一、应力应变曲线
矿业大学
BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状
态，这是破坏的先行阶段。这一段应力最高-应点变C曲的线应的力斜称C率为D随强段着度：应极曲力限线的下σ增降C(加，如逐是为渐由单减轴小
验 要
*制备一定形状的岩样；
求 *确保加载方向严格平行于岩样轴线。
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岩土钻掘
巴西劈裂实验
矿业大学
破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。
岩石的抗张强度可按下式计算：
?t
?
?
W
? ro?
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sin
2?
ψC
2θ
o
σ
A σ3
σ1
库仑剪切强度曲线
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岩土钻掘
库仑-莫尔强度理论
矿业大学
岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面) 的垂直(法向)压应力的增加而增大的。
? ? f? ? C
f ? tan ?
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岩土钻掘
矿业大学
岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重 要意义：
脆性破坏
本质差别
不同的破碎工具 不同的破碎方式
塑性破坏
不同的破碎参数
因此，确定岩石的脆——塑性转变的“临界压力”将为设 计和合理选择使用钻头提供科学依据。
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到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可试逆验变便化称。为塑单性轴变于抗形裂压阶缝强段发度。生)了．不稳定传播， 新的裂隙分叉发展，使岩 石开始解体。 CD 段以脆 性形态为其特征。
点B：发生弹性到塑性行为过渡
点 应A弹， 力B性段称 。变：为形斜屈阶率服段为点，常，数其σ或斜S接称率近为定常屈义数服，为 岩石的弹性模量E．
圆柱压模压入岩石的应力状态及分布
a
a
σz σr = σθ
p τ
σz σθ σr
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p σ
σr = σθ σz
? ? ? z ?
? p ?1 ?
??
z3
? ?
a2 ?
z2
3 2
??
?r
? ??
?
p
?
??1 ?
2?
??
2?
?
z0 ? r
2?1 ? ? ?
7 ? 2?
z3
?
2 ?1
?
?
?z
? ?
? ? a 2 ? z 2 3
岩土钻掘
四、三轴应力作用下岩石机械性质的变化
矿业大学
两
一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。
方
（１）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；
面 显
（２）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。
著
变
二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，
化
岩石破碎前所呈现的塑性也越大。
(c)塑性岩石
硬度
py
?
W A
屈服极限
?
0
?
W0 A
塑性系数
k ? AF ? 面积 OABC AE 面积 ODE
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岩土钻掘
岩石与钻头
2.1 岩石的力学性质 2.2岩石的研磨性与可钻性 2.3刮刀钻头及其破岩原理 2.4牙轮钻头及其破岩原理 2.5金刚石钻头及其破岩原理
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岩土钻掘
2.1 岩石的力学性质
OA段：曲线稍向上凹，内部裂隙逐渐被压密、压实过 程．
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岩土钻掘
二、简单应力条件下岩石的强度
矿业大学
岩 抗压强度
石
抗拉强度
的
强
抗压强度
度 抗弯曲强度
通常情况下： 抗压>抗剪>抗弯>抗拉强度
强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验
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岩土钻掘
岩石抗压缩强度
指岩石抵抗外力压缩的能 力．其大小等于在岩样上施加 轴向压缩载荷直至破坏时单位 面积上的载荷，可通过单轴抗 压缩强度试验来获得。
矿业大学
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பைடு நூலகம்
岩土钻掘
岩石抗拉伸强度
直接抗拉伸强度试验
测量方法
间接抗拉伸强度试验
实 *设计恰当的夹紧机构；
矿业大学
变规岩形律石特(包的征括力:岩指学石岩性的石质弹在性各变种变形载形、荷特塑作征性用变下形的、变粘形 性流动和破坏规律 )。 强度特征
强度特征 : 指岩石在载荷作用下开始破坏时 的最大应力 (强度极限 )以及应力与破坏之 间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力 和破坏规律。
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岩土钻掘
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三、复杂应力条件下的岩石强度
1.
σ1
σ1
σ2 = σ3
σ3 σ2
(a)液压作用下的压（拉）试 验（常规三轴试验）
σ1
(b)三个液缸的柱塞进行三面 压缩试验（真三轴试验）
σ1
σ3 σ2
(c)液压作用下的压扭试验
(d)液压作用下的两面柱塞 压缩试验
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