重。

4、存在问题及适用性 （1）存在问题A. 软岩中钻进速度快，使及时排粉成为问题;B. 硬岩中存在小岩柱问题。(2)适用性 仅适用于中、软(6级以下)岩层的钻进。

第五章 金刚石钻进

第一节 概述 金刚石(diamond)是现已发现的硬度最大的矿物。

金刚石的主要特性：金刚石的晶体结构为正四面体，元素为C，硬度最大、抗压强度最大、抗磨能力最强。脆性大，热稳定性差。

一、分类(Classification) 金刚石按成因可分为天然(Natural diamond)和人造(Synthetic diamond)的两大类。 天然金刚石按品种、用途不同分为9个等级。地质钻探(diamond for drilling) 、建筑工具所用金刚石列为第9级。 人造金刚石分单晶(Monocrystalline diamond)、聚晶(Polycrystalline diamond)和复合片Polycry-stalline diamond compact)三种。(也有分两种的) 二、与钻探有关的物理性质

1、硬度(Hardness) 金刚石的莫氏硬度是10级，金刚石的压痕硬度大约是碳化钨的3.7倍、刚玉的4.4倍、石英的8.5倍、碳化硼的3.1倍、立方氮化硼的1.56倍。

2、强度(Strength) 金刚石具有极大的静抗压强度。天然金刚石的抗压强度为8.8GPa，但抗冲击强度、抗弯强度小、脆性

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大，受冲击易产生裂纹甚至破碎－所以在钻进时要避免冲击、碰撞。

3、耐磨性(Wear resistance)

金刚石的硬度高、弹性模量大、摩擦系数小，故具有极高的耐磨性和研磨能力。

4、热性能(Thermal properties) 热稳定性：指在高温下性能的稳定程度。

金刚石在低温时的热膨胀系数仅为(9~14.5)*10-7；热稳

定性差；具有良好的导热性，容易吸热和散热；温度对其影响较大：温度升高，强度降低。

5、化学性质 常温下金刚石不与酸反应，与碱起缓慢反应，具有十分好的化学稳定性；在沸腾温度下，硝酸、氢氟酸、王水对金刚石的质量有影响；金刚石能溶于硝酸钠、硝酸钾及碳酸钠的熔融体中；在高温下，某些金属如铁、镍等能溶解金刚石。 三、钻探用金刚石的粒度与品级 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。

四、金刚石钻头和扩孔器的制造方法

1、金刚石钻头的分类 据镶嵌型式分为表镶；孕镶。据制造工艺分为冷压浸渍；热压烧结；无压浸渍；低温电镀；电火花烧结。

2、制造：为保证钻进时孔径不致因钻头磨损而缩小，应在金刚

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石钻头的上部安置一个金刚石扩孔器。扩孔器制造方法与钻头制造方法相同

五、金刚石钻进的特点 是目前效率较高的一种钻进方法，是加快地质勘探速度，提高钻孔质量的一个有效途径。具有很多的优越性：①钻进效率高，在岩石愈硬的地层，钻进效率 提高的幅度愈大；②钻孔质量好，岩心采取率比较高，岩心完 整、光滑；③孔内事故少，应用范围广 第二节 金刚石钻头破碎岩石机理

金刚石钻头破岩过程中存在研磨、切削、压碎、压裂等破岩形式，对不同岩石类型应采用不同的钻头类型和规程参数，各种破岩形式所占的地位也不同。

一、表镶金刚石钻头－单粒出刃较大似球体。 破碎坚硬脆性岩石时，破碎方式以压裂、压碎加体积剪切为主，切削破碎方式是次要的；破碎塑性大的硬及中硬岩石时，主要以切削方式破碎岩石为主、压裂压碎为辅。

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，且在靠金刚石一侧的厚度最大。金刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体如上图。 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。其裂纹状况与大、小剪切相互

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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，又表示选用工具和工艺的优劣程度。 图中：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。

二、孕镶钻头 所用的金刚石的粒度小，而且藏于胎体之中，其实际破岩机理和砂轮磨削类似。刃具面多而小的硬质点—金刚石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压裂压碎。因此孕镶钻头要取得应有的效率需要高转速工作，为了有效地磨削岩石，需要使胎体适当地被磨蚀。 孕镶钻头工作实质：

1、依靠小而多的硬质点(金刚石)刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得应用效率；

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，即钻头每转的切入量应是一定的。

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

第三节 金刚石钻头和扩孔器 金刚石钻头与扩孔器是直接破岩的工具，质量与岩层适应程度直接影响钻进效率、

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