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钻探用硬质合金

2010-03-13 16:38:32 阅读5 评论0 字号:

  当今世界上所有的岩土钻进(井)方法可分为机械方式和物理方式两大类。物理方式中只有热力钻进法在俄罗斯有少量工业应用,其余的如等离子体法、水力法、电脉冲法还停留在实验室研究阶段。实际生产中绝大多数采用的是机械方式,主要有:① 伴有循环冲洗介质的硬质合金、金刚石、钢粒、牙轮钻头回转钻进和长螺旋干式回转钻进;② 采用液动、气动孔底冲击器的冲击回转钻进;③ 钢丝绳冲击钻进;④ 振动钻进。上述方法中使用最广泛的是回转钻进。冲击回转钻进也是在回转的基础上增加孔底冲击载荷,以提高脆性岩石的破碎效果。而钢丝绳冲击钻进主要用于水井施工,振动钻进主要用于在土壤和软岩中打浅孔。

  选择回转钻进用钻头的一般原则是:在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头;在中硬及部分中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头;在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头;在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。钻孔的直径取决于钻进目的、钻孔结构和钻进方法。金刚石钻头主要用于59mm,76mm的小口径;钢粒钻头主要用于91mm以上的口径;硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径,又可钻进大口径水井、工程施工孔和浅井。

  钻探工作量中有50%以上是用硬质合金钻头完成的。 几乎可钻性Ⅰ~Ⅵ级的所有岩石都可用硬质合金钻进, 不含石英的Ⅷ~Ⅸ级火成岩也可用硬质合金回转钻进(尤其是小口径钻头)。

1. 硬质合金的特性

  通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料,它的高硬度保证了硬质合金的耐磨性;钴粉为粘结剂,保证了硬质合金的韧性。表4-1中列出了YG类硬质合金的性能对比资料。由表中数据可知,随着含钴量的增大,硬质合金的耐磨性有所减弱,而抗弯强度、冲击韧性有所提高。在成分相同的钨钴类硬质合金中,WC的颗粒越细,则硬质合金的硬度越大,耐磨性越强。反之抗弯强度提高,韧性增强。实践证明,采用含钴量不高的粗颗粒硬质合金切削具有助于提高钻进效率,并保证一定的钻头寿命。

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 1 050 耐磨性{zh0},冲击韧性最差,用于金属切削
YG4c 96 4 14.9~15.2 90 1 400 适用于均质和软硬互层地层中回转钻进
YA6 91~93 6 14.4~15.0 92 1 400 加有少量TaC成分,提高了硬度
YG6 94 6 14.6~15.0 89.5 1 400 适用于回转钻进,使用效果仅次于YG4c
YG6x 94 6 14.6~15.0 91 1 350 细粒合金,强度接近YG6,耐磨性较YG6高
YG8 92 8 14.0~14.8 89 1 500 地质勘探和石油回转钻进用主要品种
YG8c 92 8 14.0~14.8 88 1 750 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 2 000 耐磨性最差,冲击韧性{zg},适于冲击回转凿岩
YG15 85 15 13.9~14.1 87 2 000

* 硬质合金中的附加字母"x"表示细粒合金,"c"表示粗粒合金。

2. 选用硬质合金切削具的基本原则

  按照我国的行业标准,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。在确定硬质合金的牌号后,选择切削具形状与规格的一般原则是:片状硬质合金刃薄易于压入和切削岩石,但抗弯能力差,适用于Ⅰ~Ⅴ级软岩,它在钻头体上的出刃应大些。柱状硬质合金抗弯能力较强,压入阻力也较小,主要适用于Ⅳ~Ⅶ级中硬岩石,其中八角柱状切削具抗崩能力强,利于排粉和破岩,并易于焊牢,故在较硬岩层和裂隙发育的地层中得到广泛的应用。针状和薄片状硬质合金,主要用于镶焊自磨式钻头,在硬地层或研磨性岩石中使用。

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