金剛石鉆頭基本知識(shí)

第一章金剛石鉆頭根本學(xué)問(wèn)金剛石鉆頭是不同于牙輪鉆頭的另一類(lèi)鉆井破巖工具，其使用可以追溯到19世紀(jì)60年月。最初人們以自然金剛石為切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后來(lái)消滅了用于石油鉆井的鋼體魚(yú)尾式自然金剛石全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆頭。早期的金剛石鉆頭是將自然金剛石冷鑲在低碳鋼上的。由于自然金剛石來(lái)源有限，價(jià)格昂貴，加之本身尺寸、性能方面的緣由以及當(dāng)時(shí)落后的制造工藝，大大限制了金剛石鉆頭在石油鉆井工業(yè)中的應(yīng)用。隨著粉末冶金技術(shù)的進(jìn)展，消滅了承受燒結(jié)碳化鎢作為鉆頭體的胎體式金剛石鉆頭。這種技術(shù)的消滅使金剛石鉆頭的制造水平大大提高。胎體式金剛石鉆頭具有耐沖蝕、耐磨損的其制造工藝也不簡(jiǎn)單，因此一經(jīng)消滅就快速推廣開(kāi)來(lái)。人造聚晶金剛石的研制成功，對(duì)金剛石鉆頭技術(shù)的進(jìn)展起了巨大的推動(dòng)作用。人造聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭〔PDC鉆頭〕的消滅一度被稱為20世紀(jì)80年月鉆井工業(yè)技術(shù)的一大突破，這種技術(shù)對(duì)石油鉆井業(yè)的進(jìn)展產(chǎn)生了巨大的影響?，F(xiàn)場(chǎng)使用證明，軟到中等硬度地層鉆井用PDC鉆頭具有機(jī)械鉆速高、進(jìn)尺多、壽命長(zhǎng)、工作平穩(wěn)、井下事故少、井身質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，并能與井下動(dòng)力鉆具協(xié)作用于高速鉆井。合理使用金剛石金剛石鉆頭的進(jìn)展前景經(jīng)過(guò)近二十多年的進(jìn)展，金剛石鉆頭已經(jīng)成為繼牙輪鉆頭之后的又一重要破巖工具。時(shí)至今日，PDC鉆頭在石油鉆頭市場(chǎng)所占的份額越來(lái)越大，幾乎每年以頭市場(chǎng)。隨著的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法和材料等技術(shù)的進(jìn)展，擴(kuò)展，以前被認(rèn)為不適用于PDC鉆頭的地層現(xiàn)在也廣泛使用，

PDC鉆頭的適用范圍也在不斷比方我國(guó)中原油田的文留區(qū)塊的沙二至沙三地層由于地質(zhì)狀況簡(jiǎn)單、 夾層多，可鉆性差，以前始終被認(rèn)為是PDC鉆頭的禁區(qū)，在這里鉆的井除了取心之外用的都是牙輪鉆頭?？墒菑?2023年開(kāi)頭，PDC鉆頭在這個(gè)區(qū)塊的使用量漸漸增多，效果也很好，而 2023年底我公司的一只81/2BK542-4型PDC占頭更在該區(qū)塊的文－133井創(chuàng)下了1600米〔東營(yíng)組〕入井，打到3390米〔沙三上〕完井，純鉆時(shí)間小時(shí)，進(jìn)尺1790米，平均機(jī)械鉆速米的好指標(biāo)?，F(xiàn)在，在該區(qū)塊只要條件允許，幾乎用的都是PDC鉆頭。其次節(jié)金剛石鉆頭的構(gòu)造簡(jiǎn)介金剛石鉆頭的裂開(kāi)機(jī)理金剛石鉆頭的破巖方式主要有四種，即：剪切、預(yù)裂開(kāi)〔開(kāi)槽效應(yīng)〕、犁削及磨削。剪切巖石裂開(kāi)力學(xué)的爭(zhēng)論說(shuō)明，巖石的抗剪強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度要低得多，右。明顯，承受剪切方式裂開(kāi)巖石比用壓碎方式裂開(kāi)巖石要簡(jiǎn)潔而且有效得多。

兩者的比值在?左PDC鉆頭的復(fù)合片正是利用了巖石的這一力學(xué)特性，承受高效的剪切方式來(lái)裂開(kāi)巖石，從而到達(dá)快速鉆井的目的。當(dāng)PDC鉆頭工作時(shí)，復(fù)合片在鉆壓和扭矩的作用下抑制地層應(yīng)力切入地層并向前滑動(dòng)，巖石在切削齒的作用下沿其剪切方向裂開(kāi)并產(chǎn)生塑性流淌，片狀。這一切削過(guò)程與刀具切削金屬材料格外相像。預(yù)裂開(kāi)〔開(kāi)槽效應(yīng)〕

切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊預(yù)裂開(kāi)〔開(kāi)槽效應(yīng)〕是承受特別的“尖/圓”齒交替布置切削構(gòu)造所具有的巖石裂開(kāi)方式，主要用在以純剪切方式不簡(jiǎn)潔鉆進(jìn)的地層，如具有肯定塑性的地層。預(yù)裂開(kāi)過(guò)程是通過(guò)開(kāi)槽切削來(lái)完成的，具有這種切削構(gòu)造的鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，尖形齒因與地層接觸面積小受力集中而先行切入地層，巖石在槽”，使地層應(yīng)力預(yù)先釋放，而緊隨其后的圓形切削齒則以剪切方式切削其強(qiáng)度已大大減弱的大塊巖石，到達(dá)快速鉆進(jìn)的目的。這樣大大提高了切削效率，降低了切削齒的磨損速度。犁削自然金剛石鉆頭和TSP鉆頭在鉆進(jìn)塑性地層時(shí)，常常以犁削方式來(lái)裂開(kāi)巖石。巖石在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，由于受到切削齒的作用，在其內(nèi)部發(fā)生裂開(kāi)并向外表傳遞。積存在切削齒前面的裂開(kāi)巖屑由于切削齒的地過(guò)程。磨削自然金剛石鉆頭和TSP鉆頭在鉆進(jìn)極硬的粗晶粒地層時(shí)，切削齒抑制巖石的高抗壓強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)巖石的局部裂開(kāi)。即其切削構(gòu)造常常以磨削方式裂開(kāi)巖石。由于硬地層巖石的高強(qiáng)度，使裂開(kāi)的巖屑比較小，呈細(xì)粒狀，因而鉆頭的機(jī)械鉆速相應(yīng)較低。金剛石鉆頭構(gòu)造介紹心、胎體、切削齒、噴嘴及密封件組成。見(jiàn)圖 1鉆頭上體是經(jīng)過(guò)熱處理的鋼制件， 其上端車(chē)有API標(biāo)準(zhǔn)連接螺紋，用以和其它井下鉆具相連。上體下端與鉆頭體上的鋼心通過(guò)焊接而構(gòu)成一個(gè)整體。 上體上部?jī)蓚€(gè)對(duì)稱槽為鉆頭卸扣槽，用于和卸扣板相協(xié)作來(lái)裝卸鉆頭。鋼心是位于鉆頭中心的空心鋼體， 是鉆頭體的骨架，它的一端與碳化鎢胎體燒結(jié)在一起， 另一端則與上體焊接相連。 胎體是碳化鎢粉末經(jīng)過(guò)燒結(jié)而形成的具有不同輪廓外形的鉆頭基體。胎體粘附在鋼心上，構(gòu)成堅(jiān)韌的、抗沖擊、耐磨損的鉆頭體〔冠部〕。切削齒可以承受自然金剛石、過(guò)燒結(jié)直接固結(jié)到鉆頭胎體上，

TSP齒及PDC齒。自然金剛石和TSP齒通PDC占頭的切削齒則通過(guò)低溫釬焊固定到鉆頭胎體上。鉆頭所承受的噴嘴為可換式硬質(zhì)合金整體噴嘴, 主要有標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和內(nèi)六方孔小噴嘴兩種。 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的水孔出口截面為圓形，內(nèi)六方小噴嘴水孔截面則為六邊形，這種構(gòu)造的水孔，既可作為泥漿流道，又可用于噴嘴安裝。噴嘴中心水孔有各種不同的尺寸以滿足不同的鉆井需要。噴嘴與噴嘴座之間承受“O”形橡膠密封圈密封，以保證其使用安全牢靠。從設(shè)計(jì)和使用的角度，鉆頭又可分為上體和鉆頭體兩大局部。鉆頭體包括鉆頭冠部輪廓、切削構(gòu)造、水力構(gòu)造、保徑構(gòu)造等。鉆頭輪廓指胎體外表外形，不同的鉆頭輪廓外形適應(yīng)于不同的地層鉆井。切削構(gòu)造即由不同類(lèi)型的金剛石齒以肯定的布齒密度和布齒方式布置在鉆頭外表用以切削地層的工作局部。鉆頭水力構(gòu)造是用以掌握和安排鉆井液，為鉆頭供給充分的冷卻、清洗及排屑的局部。它包括水孔、主流道、副流道、排屑槽和集屑槽等。自然金剛石鉆頭和TSP鉆頭的水孔構(gòu)造一般為鴉爪式中心水孔， PDC鉆頭的水孔則一般承受可換式噴嘴。鉆頭保徑構(gòu)造為鉆頭供給良好的扶正和保徑作用，壽命。金剛石鉆頭分類(lèi)

以保證鉆頭的正常鉆進(jìn)和較長(zhǎng)的工作關(guān)于金剛石鉆頭的分類(lèi)，按用途分，可分為全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆頭；按鉆頭體材料及制造方式分，可分為鋼體鉆頭和胎體鉆頭；按切削齒材料分，可分為自然金剛石鉆頭。

PDC鉆頭、TSP鉆頭、胎體金剛石鉆頭具有固齒牢靠、鉆頭體抗沖蝕力量強(qiáng)、耐磨性好、鉆頭壽命長(zhǎng)、鉆頭構(gòu)造設(shè)計(jì)敏捷、產(chǎn)品制造周期短、非標(biāo)尺寸鉆頭制造簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，在金剛石鉆頭市場(chǎng)上占絕大多數(shù)，為目前各生產(chǎn)廠家廣泛應(yīng)用。自然金剛石〔ND鉆頭以優(yōu)質(zhì)自然金剛石作為切削刃，以表鑲方式將其直接燒結(jié)在抗沖蝕、耐磨性好的碳化鎢胎體上。切削構(gòu)造選用不同粒度金剛石，承受不同的布齒密度和布齒方式，以滿足在中至堅(jiān)硬地層鉆井的需要。TSP鉆頭切削元件承受了各種不同外形并具有自銳作用的熱穩(wěn)定聚晶金剛石〔 齒。與自然金剛石相比，這種TSP持具有良好的耐熱性，可耐1200攝氏度的高溫，抗裂開(kāi)性及耐磨性俱佳。TSP鉆頭與自然金剛石鉆頭一樣，其切削齒直接燒結(jié)在碳化鎢胎體上。頭更適合于在帶有研磨性的中等至硬地層快速鉆井。

TSP鉆PDC鉆頭承受聚晶金剛石復(fù)合片〔PDC片〕作為切削刃，以釬焊方式將其固定到碳化鎢胎體上的預(yù)留齒穴中。鉆頭所承受的PDC切削齒具有高強(qiáng)度、高耐磨性和抗沖擊力量，且切削刃口和刃面都具有良好的自銳性，在鉆進(jìn)過(guò)程中切削刃能始終保持銳利。硬度地層中以剪切方式裂開(kāi)巖石，承受較小鉆壓即可獲得較高的機(jī)械鉆速，鉆頭。金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)理論在常規(guī)的PDC鉆頭切削構(gòu)造設(shè)計(jì)中，遵循的根本原理有如下幾條：

是一種高效鉆井①、每個(gè)切削齒的切削體積相等，即等體積原則；②、每個(gè)切削齒的磨損速度相等，即等磨損原則；③、每個(gè)切削齒的切削功率相等，即等功率原則；④、每個(gè)切削齒的切削面積相等，即等面積原則。最常用的設(shè)計(jì)理論有：力平衡理論和抗盤(pán)旋理論。、力平衡PDC鉆頭1〕鉆頭的受力分析PDC鉆頭在正常鉆進(jìn)時(shí)，同時(shí)受到鉆壓和旋轉(zhuǎn)設(shè)備施加的扭矩的作用。在這兩個(gè)力的作用下，每個(gè)切削齒都受到一個(gè)法向力 Fn和一個(gè)切向力〔周向力〕Fc的作用。其中法向力Fn由鉆壓產(chǎn)生，它是使切削齒穿透巖石所需的力；切向力 Fc是在法向力將切削齒壓入巖石后沿切口向前推動(dòng)切削齒所需的力，馬上巖屑從巖石上剝離下來(lái)所需的力。法向力 能分解成一個(gè)垂直分力Fv和一個(gè)徑向分力Fr。切向力Fc能分解為一個(gè)徑向分力和一個(gè)圍著鉆頭中心的力矩。作用在鉆頭上且位于垂直鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線的平面內(nèi)的法向力和切向力能分解為一個(gè)作用于鉆頭中心上的力和一個(gè)力由于側(cè)向不平衡力的大小、方向都不受掌握，所以很難保證鉆頭的力學(xué)性能良好。由于力學(xué)性能差，將會(huì)直接導(dǎo)致鉆頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能變差。由于其所受側(cè)向不平衡力較大，當(dāng)鉆頭在井底鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭被推向井壁。這時(shí)，鉆頭上的保徑齒以及部格外排齒在側(cè)向不平衡力的推動(dòng)下會(huì)吃入井壁，與井壁的巖層產(chǎn)生“嚙合效應(yīng)”。此時(shí)鉆頭不再平滑鉆進(jìn)，而開(kāi)頭產(chǎn)生側(cè)向振動(dòng)，PDC鉆頭上的切削齒會(huì)橫向向后移動(dòng)，并且比正常旋轉(zhuǎn)的鉆頭上的切削齒運(yùn)動(dòng)快得多，伴隨這種運(yùn)動(dòng)的沖擊載荷會(huì)引起 PDC切削齒的裂開(kāi)，而這種裂開(kāi)反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致加速磨損，并且切削齒裂開(kāi)后產(chǎn)生的碎片會(huì)對(duì)其它完好的 PDC切削齒產(chǎn)生沖擊碰撞，從而導(dǎo)致大面積的切削齒損壞。對(duì)于力平衡鉆頭來(lái)說(shuō)，由于側(cè)向不平衡力被掌握在一個(gè)微小的范圍之內(nèi)， 它對(duì)PDC鉆頭的影響就比一般PDC鉆頭要小得多。在經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，鉆頭上的各個(gè)力的大小及方向都發(fā)生了很大的變化。側(cè)向不平衡力 Fimb由原來(lái)的％筆至了％〔這一百分比是側(cè)向不平衡力與鉆壓的比值〕。徑向力Fr與切向力Fc大小根本相等。整個(gè)鉆頭的受力狀況處于一個(gè)良好的狀態(tài)?？贡P(pán)旋PDC鉆頭通過(guò)對(duì)鉆頭的切削齒進(jìn)展受力分析，運(yùn)用調(diào)整齒位的方法，使得鉆頭的側(cè)向合力指向較大面積的低摩阻保徑墊，在鉆頭工作時(shí)該保徑墊始終與井壁接觸，最終使鉆頭的盤(pán)旋程度降到最低，保證鉆頭工作平穩(wěn)，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。需要指出的是，力平衡技術(shù)、抗盤(pán)旋技術(shù)只是PDC占頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)的一個(gè)方面，要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的PDC鉆頭，光靠這一點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在進(jìn)展這項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，還需要合理的水力分布、先進(jìn)的PDC切削齒、優(yōu)選鉆頭輪廓等很多方面技術(shù)的運(yùn)用。金剛石鉆頭冠部輪廓設(shè)計(jì)與選擇依據(jù)爭(zhēng)論及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)說(shuō)明，鉆頭冠部外形對(duì)其使用性能具有較大影響。選擇鉆頭冠部外形時(shí)應(yīng)考慮所鉆地層的巖性、鉆頭的穩(wěn)定性、鉆井的適應(yīng)性、布齒空間以及鉆頭清洗和冷卻等，因此只有在綜合考慮多種因素的根底上才能確定抱負(fù)的鉆頭冠部輪廓外形。鉆頭冠部輪廓一般包括四個(gè)根本要素：內(nèi)錐、鼻部、外側(cè)、保徑鉆頭內(nèi)錐是鉆頭中心局部?jī)?nèi)陷的區(qū)域，起導(dǎo)向和穩(wěn)定作用。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依據(jù)不同的需要選擇內(nèi)錐角，假設(shè)需要具有較高機(jī)械鉆速、 較好的液流掌握力量等，應(yīng)設(shè)計(jì)成110。?160°的淺內(nèi)錐；假設(shè)要求突出鉆頭的穩(wěn)定性，提高井斜掌握力量，則應(yīng)設(shè)計(jì)成內(nèi)錐。對(duì)于造斜用的鉆頭〔如側(cè)鉆鉆頭〕，其內(nèi)錐角應(yīng)更大。

60°?100°的深鼻部是鉆頭在井下的最低點(diǎn)，鉆進(jìn)中最先切入地層，由于地層變化或操作失誤而意外受損的可能性較大。假設(shè)鉆進(jìn)的地層較硬，或存在硬夾層，鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇較大半徑的圓弧鼻部構(gòu)造，為了提高鉆頭切入地層的力量，則應(yīng)選擇較小半徑的鼻部。外側(cè)局部的輪廓線有直線和弧線兩種， 在設(shè)計(jì)中到硬地層的鉆頭時(shí)，一般選擇直線輪廓的外側(cè)面，其鉆頭輪廓鼻部和保徑相結(jié)合的部位較尖，切入性好，切削效率高；弧線構(gòu)成的外側(cè)面輪廓，則常用于要求高轉(zhuǎn)速或高耐磨性的地方。保徑段依據(jù)不同的需要可以選擇不同的保徑方式和保徑長(zhǎng)度， 對(duì)于要求保徑力量強(qiáng)的鉆頭，可以選擇加長(zhǎng)保徑或雙列保徑。大保徑墊面積。金剛石鉆頭的構(gòu)造設(shè)計(jì)及切削元件的選擇

為了提高鉆頭井斜掌握力量可以適當(dāng)加長(zhǎng)保徑長(zhǎng)度、 增金剛石鉆頭的一般設(shè)計(jì)步驟如下〔以拋物線形輪廓為例〕 依據(jù)用戶要求、油田地質(zhì)狀況等資料來(lái)確定鉆頭尺寸、型號(hào)。依據(jù)鉆頭型號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)鉆頭石墨模具。模具內(nèi)錐角C鼻部半徑R2、臺(tái)肩半徑R1、R1與模具水平面的夾角B2需依據(jù)地層以及鉆頭使用的實(shí)際狀況確定，其它參數(shù)可參照 PDC占頭設(shè)計(jì)手冊(cè)確定。設(shè)定鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)。鉆頭主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：露齒高。依據(jù)切削齒大小和實(shí)際使用狀況確定。主切削齒直徑及數(shù)量。主切削齒可選〃、〃、確定。

T的PDC復(fù)合片。數(shù)量依據(jù)布齒密度來(lái)次切削齒以及第三切削齒的直徑和數(shù)量。一般選用”’的保徑齒的數(shù)量?？傹X數(shù)。排屑槽深度。噴嘴數(shù)量及大小。各切削齒的后傾角、側(cè)傾角。設(shè)計(jì)輪廓布齒圖

PDC復(fù)合片。將有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)確定完成之后， 可使用PDC鉆頭設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成輪廓圖。 之后，需依據(jù)加工工藝要求及設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)展調(diào)整。然后依據(jù)設(shè)計(jì)閱歷確定切削齒的面布置位置。對(duì)于力平衡PDC鉆頭一般承受刮刀式布齒，在各刮刀上的具體布置方式有螺旋式及跳動(dòng)式等。受力分析

刮刀形式有直刮刀和曲刮刀等。 切削齒在布齒完成之后，需使用金剛石鉆頭受力分析軟件評(píng)價(jià)切削布置的合理性。依據(jù)實(shí)際狀況設(shè)定鉆頭使用參數(shù)〔轉(zhuǎn)速、機(jī)械鉆速等〕和巖石參數(shù)〔抗壓強(qiáng)度等〕

具體方法是，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)之后即可使用該軟件進(jìn)展計(jì)算分析。要求不平衡力的值掌握在某一范圍以內(nèi)。假設(shè)達(dá)不到上述標(biāo)準(zhǔn)，則需依據(jù)整個(gè)鉆頭的受力狀況對(duì)切削齒的布置位置進(jìn)展調(diào)整，理的結(jié)果為止。受力分析完成之后，還需對(duì)鉆頭各切削齒的做功曲線及受力曲線進(jìn)展評(píng)估。條曲線在肯定范圍內(nèi)平滑變化。依據(jù)布齒位置完成面圖設(shè)計(jì)

直到得到合即要求這兩在受力分析完成之后，依據(jù)的布齒位置重布置切削齒，然后確定噴嘴位置。此時(shí)要留意使整個(gè)鉆頭面都能得到有效清洗，同時(shí)還要留意噴嘴之間不能相互干預(yù)〔〕假設(shè)覺(jué)察無(wú)法合理布置噴嘴位置，則以前的布齒方案將不得不推倒重來(lái)，再重復(fù)第四和第五步的工作。在切總裝圖設(shè)計(jì)PDC鉆頭設(shè)計(jì)軟件可自動(dòng)生成一個(gè)總裝圖的底稿圖，我們可在這幅底稿圖上進(jìn)展修改，以完成總裝圖的設(shè)計(jì)?？傃b圖的設(shè)計(jì)可參照休斯的全面鉆進(jìn)鉆頭或克里斯坦森的取芯鉆頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展。鋼芯設(shè)計(jì)鋼芯是胎體式PDC鉆頭中的一個(gè)重要部件，它的設(shè)計(jì)合理與否直接影響到整個(gè)鉆頭的質(zhì)量和使用壽命。對(duì)于深刮刀鉆頭，鋼芯實(shí)際上包括兩局部，即鋼芯和刀片。鋼芯置于鉆頭胎體內(nèi)，主要起連接鉆頭上體的作用，刀片搭焊在鋼芯上，深入鉆頭刮刀內(nèi)部，起加強(qiáng)鉆頭刮刀的作用。凸模設(shè)計(jì)凸模是用來(lái)制作砂板用的工具，其設(shè)計(jì)可參考總裝圖完成。鉆頭保徑段設(shè)計(jì)PDC鉆頭的保徑局部主要使用自然金剛石、 TSP齒、TCI鑲塊等材斘。布置方式主要有TCI金剛石鉆頭的保徑構(gòu)造設(shè)計(jì)保徑段依據(jù)不同的需要可選擇不同的保徑方式和保徑長(zhǎng)度。 一般來(lái)說(shuō)，保徑構(gòu)造有拉槽保徑、平鑲保徑、自然金剛石保徑、TSP齒保徑、PDC齒保徑、ND+TSPND+PDC勺組合保徑、低摩阻保徑〔TCI+NDTCI+TSP、TCI+PDC保徑構(gòu)造〕、帶反劃眼齒的保徑構(gòu)造、短保徑、加長(zhǎng)保徑構(gòu)造等。由于剪切切削方式和較大的井壁接觸面積，造成了金剛石鉆頭的扭矩較大的缺點(diǎn)。過(guò)大的扭矩極易損害鉆井設(shè)備，尤其不利于井下動(dòng)力鉆具的使用，這些都要求金剛石鉆頭的扭矩必需掌握在一個(gè)小范圍內(nèi)。因此近年來(lái)，消滅了低Smith20236253863——“Sidecuttinggagepadimprovingstabilizationandboreholeintegrity------------------------------------------”，貝克?休斯公司2023年的專(zhuān)6349780Drillbitwithselectively-aggressivegagepads ”，這些的構(gòu)造除了保持常規(guī)保徑的保徑力量外，大大降低了鉆頭的扭矩，同時(shí)還適應(yīng)了定向鉆井應(yīng)用，從而進(jìn)一步擴(kuò)展了金剛石鉆頭的使用范圍。金剛石鉆頭的水力構(gòu)造設(shè)計(jì)水力構(gòu)造的設(shè)計(jì)包括噴嘴的選擇與設(shè)計(jì)、排屑槽的構(gòu)造與設(shè)計(jì)等。大局部的金剛石鉆頭噴嘴為現(xiàn)場(chǎng)可換式螺紋緊固噴嘴，設(shè)計(jì)時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)件直接使用。但在設(shè)計(jì)小尺寸鉆頭和對(duì)水力有特別需要的鉆頭時(shí)也可以承受固定噴嘴。鉆頭輪廓外形、切削構(gòu)造等綜合考慮。為了保證鉆頭有足夠的清洗冷卻力量，金剛石鉆頭的噴嘴一般都在三個(gè)以上。鉆頭尺寸越大，噴嘴數(shù)量則相應(yīng)就越多。噴嘴出口距離井底的距離應(yīng)小于噴嘴等速核的長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)地層的直接水力沖擊進(jìn)一步提高鉆頭對(duì)巖石裂開(kāi)效率。設(shè)置噴嘴傾斜角的目的是為了增加泥漿的井底漫流，提高泥漿的清洗井底和攜屑力量。一般來(lái)講，噴嘴傾斜角越大，漫流越大清洗和攜屑效果就越好。但假設(shè)傾斜角太大，則會(huì)對(duì)井壁造成不良沖蝕。噴嘴偏移角的作用在于掌握射流方向，使其有效的對(duì)鉆頭切削齒進(jìn)展清洗和冷卻，對(duì)提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命有重大目前在金剛石鉆頭上廣泛使用的排屑槽是橫截面外形為扇形的“全放式”排屑槽，這種構(gòu)造排屑面積大、不易產(chǎn)生泥包。在一些特別布齒的鉆頭上還設(shè)置有集屑槽，它實(shí)際上是一些半圓形的小排屑槽，通常延長(zhǎng)到鉆頭外表，形金剛石鉆頭制造工藝流程簡(jiǎn)介金剛石鉆頭承受碳化鎢粉末燒結(jié)工藝制造，其工藝過(guò)程大致可分為石墨下料、模具車(chē)削、模具組裝、裝粉燒結(jié)、鋼心加工、釬焊、組焊、車(chē)焊皮、磨削、整形、噴漆裝箱等過(guò)程〔見(jiàn)圖10〕。石墨卜料石墨卜料---?模具車(chē)削 ---模具銑削?-?模具組裝?燒結(jié)----------*釬焊鋼心加工鋼心加工上體加工 *組裝上體入庫(kù)入庫(kù)4------噴漆裝箱?---整形磨削4---------車(chē)焊皮4----------組焊10模具機(jī)械加工石墨下料、模具車(chē)削、模具銃削屬于模具的機(jī)加工工藝過(guò)程。頭的尺寸和型號(hào)，選擇適當(dāng)?shù)氖袅希娩彺蹭彸伤璐笮〉哪＞呙?。?jì)圖紙要求，使用車(chē)床將石墨模具毛坯的內(nèi)外表加工成鉆頭輪廓外形的凹模。

石墨下料是依據(jù)所制造鉆模具車(chē)削是按設(shè)加工成型的凹模進(jìn)展再加工， 包括銃齒穴、銃噴嘴孔。銃削加工既可以用一般三軸銃床也可以用數(shù)控加工中心完成。

由于金剛石鉆頭的石墨模具是一次性的，

而且加工簡(jiǎn)單，工作量大,因而承受自動(dòng)化程度高的數(shù)控設(shè)備加工就具有重要意義。 使用數(shù)控加工可以大大加快制造速度，縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)本錢(qián)，而且數(shù)控加工精度高，可以保證鉆頭制造質(zhì)量及使用性能的優(yōu)良和穩(wěn)定。模具組裝模具組裝工藝過(guò)程是將銃削完成后的模具進(jìn)展組裝和修整。修整。對(duì)于PDC鉆頭，要在齒穴中安裝砂件和石墨替片，對(duì)于

包括切削構(gòu)造組件的安裝和NDTSP鉆頭則在齒穴中分別裝上ND齒和TSP齒。鉆頭水力構(gòu)造的安裝包括噴嘴替棒、排屑槽砂板等組裝，在鉆頭模具的保徑處還要裝上NDTSP齒、硬質(zhì)合金保徑齒等。裝粉與燒結(jié)模具組裝完成后，進(jìn)展裝粉和燒結(jié)。首先將鋼心放置在底模內(nèi)并找正， 然后裝上碳化鎢粉末，再裝入銅合金粘結(jié)劑和助熔劑等。裝粉完畢后放到預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱，預(yù)熱完成后再放入程控?zé)Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)展燒結(jié)。當(dāng)爐溫上升到規(guī)定溫度時(shí)，粘結(jié)金屬開(kāi)頭熔化并逐步滲透到碳化鎢粉末中，將粉末粘結(jié)在一起而形成鉆頭體。燒結(jié)后的模具經(jīng)過(guò)釬焊對(duì)于ND鉆頭和TSP鉆頭，切削齒是直接燒結(jié)在鉆頭胎體之上的， 因此無(wú)需釬焊。而PDC鉆頭則需要在燒結(jié)好的鉆頭體上釬焊鉆頭體預(yù)留的齒穴中。終加工過(guò)程

PDC齒。其方法是用低熔點(diǎn)銀合金焊料將切削齒釬焊到將焊接好切削齒的鉆頭體與已加工好的帶有連接螺紋的上體焊接在一起， 然后在外圓磨床上對(duì)鉆頭保徑進(jìn)展磨削，保證鉆頭外徑符合尺寸公差及形位公差標(biāo)準(zhǔn)。最終對(duì)鉆頭進(jìn)展修磨，去掉毛刺、雜質(zhì)，在鉆頭體上打上規(guī)定的標(biāo)記，噴漆并配上噴嘴后裝箱入庫(kù)。切削齒材料金剛石鉆頭切削齒材料可分為人造金剛石和自然金剛石兩大類(lèi)，早并始終沿用至今。人造金剛石使用最為廣泛的聚晶金剛石復(fù)合片〔剛石〔TSP兩種?！睵DC〕

其中自然金剛石使用最PDC和熱穩(wěn)定聚晶金聚晶金剛石復(fù)合片是在高溫、高壓裝置中合成的。將金剛石微粉和觸媒劑〔鈷或硅〕以及碳化鎢基片放入壓機(jī)的壓缸中，在 下加熱至1500C左右，經(jīng)過(guò)5?10分鐘，金剛石微粉在觸媒劑的作用下粘結(jié)在一起而形成聚晶金剛石薄層， 其厚度依據(jù)需要可以在?2mm之間，作為切削巖石的工作層。與之結(jié)實(shí)相連的碳化鎢基體則對(duì)聚晶薄層起支撐作用，兩者之間的有機(jī)結(jié)合使得PDC齒既具有金剛石的硬度和耐磨性， 又具有碳化鎢的構(gòu)造強(qiáng)度和抗沖擊力量。由于聚晶層內(nèi)晶間取向不規(guī)章，不存在單晶金剛石所固有的解理面，因此PDC齒的抗磨性及強(qiáng)度較自然金剛石要高，且不易裂開(kāi)。PDC齒還具有良好的自銳特性。一方面， PDC齒的聚晶層內(nèi)的金剛石微粒在切削過(guò)程中不斷脫落〔這是一個(gè)格外緩慢的過(guò)程〕，顆粒不斷露出，形成刃面的顆粒更自銳。另一方面，由于碳化鎢基體硬度低于金剛石層而最先磨損形成銳利的刃口， 導(dǎo)致壓力向金剛石層刃口偏移。金剛石層在壓力集中作用下切入地層，同時(shí)不斷出刃。這一過(guò)程就是壓力偏移刃口自銳過(guò)程。PDC齒的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，在溫度超過(guò) 700C時(shí)，金剛石層內(nèi)的粘結(jié)金屬將失效而導(dǎo)致切削齒損壞。因此PDC齒不能直接燒結(jié)到胎體上而只能承受低溫釬焊方式將其固定到鉆頭體上。隨著對(duì)PDC齒