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工程钻探
主讲人:杜振川
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第三章回转钻进钻头与工艺
第三节金刚石钻头钻进
金刚石钻进是当前钻探工艺中一种比较先进的钻进方法。由于这种方法的钻进效率比较高,钻孔质量比较好,施工劳动强度比较轻,钻探成本比较低,因此得到越来越广泛的应用。
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第三章回转钻进钻头与工艺
第三节金刚石钻头钻进
一、金刚石钻头钻进的特点
①钻进效率高,特别是在岩石硬度大的地层,钻进效率提高的幅度较大。
②钻孔质量好,岩心采取率比较高,而且岩心完整、光滑。
③金刚石钻进的钻孔弯曲较小。
④孔内事故少,应用范围广。
⑤装备轻,劳动强度低,钻探成本小。
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第三节金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
而四面体的每一顶角为相邻4个四面体所共有。每个四面体中心与四顶角的碳原子以共价键紧密相连。碳原子间联系十分牢固。所以金刚石具备高硬度、高熔点、不导电(少数为半导体)和化学性质稳定等一系列特殊性能。
1、金刚石的结构
金刚石是碳的结晶变体之一,属等轴晶系矿物。
在金刚石晶体格架中,碳原子呈对称性排列。每个碳原子周围皆有4个碳原子排列在正四面体的锥角顶端,
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第三节金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
1、金刚石的结构
由于金刚石在生长过程中的物理化学环境不同,其晶体形态是多种多样的。最常见的是八面体,其次是菱形十二面体,立方体较少。
1一八面体;2一十二面体;
3一立方体;4一复合晶体;
5一凸八面体;6一凸十二面体;
7一凸立方体;8一凸复合晶体
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第三节金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
天然金刚石纯净晶体的颜色一般为无色透明的。由于其中微量元素和包裹体的影响,往往带有不同的颜色。
如:深棕色金刚石,硬而脆,冲击韧性差。
绿豆色金刚石强度低,质量差。
黄色金刚石含黄色素超过15%以上时硬度较低。
①颜色
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二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
金刚石具有极大的静抗压强度(简称强度)。强度取决于金刚石的晶体形态、晶体的完好程度、杂质的成分和含量、晶体的组织结构等。
一般地说,浑圆状的、结晶完好的金刚石强度大;有微裂隙、内部有缺陷的、含气泡的和包裹体的金刚石强度小。从结晶形态来看,十二面体、八面体的比无定形的好,不同晶形的金刚石强度可相差2-4倍。天然金刚石的抗压强度约为8600MPa,约为刚玉的3. 5倍,硬质合金的1. 5倍,钢的9倍。目前,用于钻探的人造金刚石强度,一般要求2500MPa以上。
③抗压强度
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二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
金刚石具有极高的耐磨性,是刚玉的90倍,硬质合金的40—200倍,钢的2000—5000倍。这就决定了它用作钻头时不易磨损。
④耐磨性
⑤热膨胀系数
金刚石在低温时的热膨胀系数极小(比硬质合金、碳化硅、刚玉低得多),这有利于对金刚石的镶嵌。但随温度升高,其膨胀系数急剧增加。
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二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
金刚石的导热率高,有良好的导热性,即易吸收和散发热量。这对降低地质钻头切削区的温度是很重要的。
⑥导热性
⑦热稳定性
金刚石的热稳定性较差。因此,在使用金刚石钻头时要充分冷却。如果钻头冷却不良,胎体部分的温度会不断升高。当达到720~8000C时,金刚石即会石墨化,此时,金刚石钻头表现为严重磨损乃至烧钻。
温度对金刚石强度影响较大,特别是对粒度较细的人造金刚石,随着温度升高、强度下降。
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第三节金刚石钻头钻进
二、钻探用金刚石
2、金刚石的物理力学性质
金刚石的电阻率很大,是不良导体;但也有少数金刚石是良好的半导体材料。
金刚石一般没有磁性,当含有磁性包裹体时,金刚石就具有磁性。合成人造金刚石时,由于带入铁、钻、镍等触媒杂质,使金刚石具有磁性。
⑧电磁性
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