金剛石鉆頭與鉆頭

金剛石鉆頭與鉆頭第1頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)鋼體

鋼體上部車有螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)在一起。剛體有一體式的，也有由兩部分構(gòu)成的，即上部為合金鋼車有螺紋，下部為低碳鋼連接胎體。鋼體上下兩部分以螺紋連接在一起然后焊死。(2)胎體胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當(dāng)?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿?，壓制燒結(jié)而成。胎體形狀即工作剖面，主要是指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，是根據(jù)適用不同巖性而設(shè)計的。

雙錐階梯形剖面軟到中硬地層雙錐形剖面較硬地層“B”型剖面硬地層帶波紋的“B”型剖面堅硬地層第2頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)切削刃金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式三種。金剛石在鉆頭工作面上的排布方式交錯排列法圓周排列法脊圈排列法軟到中硬硬地層堅硬地層表鑲式孕鑲式表孕鑲式把金剛石顆粒只鑲在胎體表面上層。顆粒大?。?.5~1.5粒/克拉，出刃高度：1/3~1/4，棱角不宜尖銳，以免鉆進中崩裂。把金剛石顆粒均勻分布在鉆頭工作面胎體金屬層的一定厚度層內(nèi)，隨胎體磨損，金剛石顆粒不斷露出而不斷磨削巖石，并不斷自銳，不斷磨損，直到金剛石磨完為止。顆粒粒度：20~200粒/克拉，棱角越大越好，孕鑲層厚度：2~12mm。是在表鑲式鉆頭工作面上薄弱部分的胎體內(nèi)，孕鑲一層金剛石。破碎效果好，壽命長。第3頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)水眼與水槽金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動力的通道。

水眼和水槽的布置原則：

是使金剛石鉆頭在鉆進過程中，保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量，既能清除巖屑，又能很好地冷卻和潤滑鉆頭上的金剛石。用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石顆粒粗而稀，鉆進時鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。而對于硬和堅硬地層，由于鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽則應(yīng)多、密、窄。

表鑲式金剛石鉆頭通常采用的水槽結(jié)構(gòu)大體上可分為：逼壓式水槽、輻射形水槽、輻射形逼壓式水槽和螺旋形水槽四種。第4頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月2.金剛石鉆頭破巖原理

當(dāng)鉆某些硬地層時，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石使下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)塑性，同時在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積。接觸面積吃入深度出露高度金剛石鉆頭基體對于脆性較大的巖石，在鉆壓和扭力的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿剪切面產(chǎn)生裂縫,此時,巖石破碎體積遠(yuǎn)大于金剛石吃入后位移體積。脆性較大的巖石其破碎深度可達(dá)金剛石壓入深度的2~5倍。金剛石破碎巖石的效果，除與巖石的性能有關(guān)外，還與井筒和地層孔隙流體的壓差有大小、鉆壓大小及金剛石幾何形狀、粒度和出露有關(guān)。第5頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PDC鉆頭

聚晶金剛石復(fù)合片(PolycrystallineDiamondCompact)鉆頭，簡稱PDC鉆頭。它是用人造聚晶金剛石復(fù)合片做成小型切削塊鑲嵌或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。使用于軟到中硬地層。（1）鉆頭基體

PDC鉆頭可分為鋼體PDC鉆頭和碳化鎢胎體PDC鉆頭。鋼體式PDC鉆頭的表面不耐沖蝕，規(guī)徑易于磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、較高鉆井液含砂量，易于進行優(yōu)化水力設(shè)計，具有較大的設(shè)計靈活性，魚尾形鉆頭壽命較長。PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動零部件，結(jié)構(gòu)比較簡單，大致由鉆頭基體、鉆頭切削齒、噴嘴及排屑槽等幾部分組成。1.PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

PDC鉆頭基體有四種基本冠部外形：淺錐形短拋物線形拋物線形刮刀片形第6頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月，淺錐形短拋物線形拋物線形刮刀片形翼片很長，增加了復(fù)合片出刃高度，增加了鉆頭冠部與地層之間的間隙，使巖屑易于排向環(huán)形空間不致于粘附于鉆頭體，有利于射流的清洗。特點：能減少泥包和與泥包相關(guān)的鉆井問題。適用范圍：轉(zhuǎn)盤鉆井的直井和定向鉆井，鉆進粘性極高的泥頁巖層。冠部面積最小，水力能量集中，易于清洗。其外形有較長的保徑齒，能適當(dāng)扶正。復(fù)合片密度不宜過大。特點：快速鉆進中，能保持方位和井斜。適用范圍：只適用于鉆盤鉆井，鉆進夾層。有一個帶錐度的冠部，冠頂相當(dāng)圓頓?？梢允广@頭外側(cè)布置更多數(shù)量的切削齒。特點：鉆頭的磨損更為平衡。適用范圍：轉(zhuǎn)盤鉆井、井下動力鉆井及定向鉆井都比較穩(wěn)定，最適合于鉆可能遇到硬夾層的地區(qū)。冠部載荷分布均勻，無明顯載荷過渡區(qū)，載荷不致過分集中。這種冠部外形可使鉆頭及規(guī)徑部位布更多的切削齒。特點：具有良好的壽命；要求較高的流量和水力能量來實現(xiàn)清洗和冷卻，鉆頭的鼻部在鉆夾層時易受損壞。適用范圍：高速井下動力鉆進。第7頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）

鉆頭切削齒

聚晶金剛石復(fù)合片是經(jīng)過特殊工藝將金剛石微粒粘結(jié)在一起形成的復(fù)合材料。復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層，其厚度為0.500~0.635mm，是切削齒鋒利的刃口，硬度及耐磨性極高，當(dāng)抗沖擊性較差。復(fù)合片下部為碳化鎢基片，聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機結(jié)合，使得PDC齒既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強度的抗沖擊能力。

PDC齒具有良好的自銳性，聚晶金剛石晶粒在切削巖石的過程中不斷脫落，使刃面的晶粒更新自銳。此外，碳化鎢基片先磨損，形成鋒利的刃口，同時具有良好的抗沖擊性能,為金剛石提供良好的彈性依托。標(biāo)準(zhǔn)切削齒牙嵌式切削齒環(huán)嵌式切削齒鑿形切削齒倒角切削齒凸圓形切削齒齒狀碳化鎢基柱按形狀第8頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)切削齒圓柱狀和栓銷狀切削齒是兩種基本類型，圓柱狀是標(biāo)準(zhǔn)切削齒，使用最普遍。其它幾類切削齒都是以標(biāo)準(zhǔn)切削齒為基礎(chǔ)上改型的。標(biāo)準(zhǔn)切削齒很容易受沖擊載荷而損壞，使金剛石薄片與碳化鎢基片分離，或者產(chǎn)生大塊金剛石薄層破裂，在鉆硬地層時效果不理想。牙嵌式切削齒在增加了金剛石薄層厚度的同時，增加了金剛石層與碳化鎢基片的接觸面積，提高了切削齒的研磨性和強度。環(huán)嵌式切削齒是牙嵌式切削齒的特殊形式，在嵌牙的外緣增加了一周聚晶金剛石環(huán)。不僅提高了切削齒的耐磨強度，還提高了耐沖擊強度。第9頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月鑿形切削齒通過改變切削齒的幾何形狀來實現(xiàn)提高切削齒吃入深度目的的齒形，可在堅硬的研磨性地層提高鉆速。倒角切削齒通過分散作用在切削刃上的力，及增加金剛石與地層的接觸面積，改善PDC層的破碎強度和研磨強度。凸圓形切削齒可以使剛產(chǎn)生的巖屑失去平衡，有效防止泥包鉆頭現(xiàn)象。齒狀碳化鎢基柱是在碳化鎢基柱圓周加工出齒狀，增加基柱與鉆頭體之間的緊配合強度，以防止基柱轉(zhuǎn)動而脫落。第10頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）切削齒的排列方向PDC鉆頭設(shè)計中用負(fù)前角、側(cè)偏角和切削齒出露高度來規(guī)定切削齒的排列方向。負(fù)前角又稱后傾角，它是指復(fù)合片層面與巖石工作面垂線之間的夾角。采用適當(dāng)?shù)呢?fù)前角，可以大大改善切削齒的抗沖擊性。一般負(fù)前角取值范圍為0°

~25°。軟地層：取0或較小負(fù)前角值；硬地層，負(fù)前角應(yīng)較大，以保證有效切削，并防止沖擊載荷引起切削齒的損壞。

側(cè)偏角是指切削齒面與鉆頭徑向平面之間的夾角，有側(cè)偏角的鉆頭比無側(cè)偏角的鉆頭鉆進性能好，鉆速快，并可以改善鉆頭的清洗和巖屑的及時排除；減少巖屑粘附切削齒的機會。實驗表明，側(cè)偏角為-15°時粘附機會最小。

切削齒的出露高度與所鉆巖性有關(guān)，可分為全出露和部分出露兩種。全部出露：適于鉆軟地層；部分出露：使于鉆硬地層，可以提高切削齒剛度，有利于延長PDC鉆頭的壽命。第11頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）噴嘴水道及排屑槽噴嘴出口形狀、射流噴嘴方向、流道的設(shè)計，以及排屑槽的形狀和布置都是PDC鉆頭設(shè)計中重要組成部分。噴嘴的配置和取向基本原則：每個噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復(fù)合片。按噴嘴的形狀可將噴嘴分為：標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、扇射式噴嘴、矩形噴嘴和六角形噴嘴。排屑槽的形狀主要有楔形、扇形、半圓形。

2.PDC鉆頭破巖原理

PDC鉆頭是以切削齒對地層進行切削來破碎巖石，整個切削過程，與金屬切削過程很相似。巖石的切削過程實質(zhì)：是一種擠壓過程，在擠壓過程中，巖石主要以滑移變形方式成為切屑。第12頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)巖石開始接觸切削齒的刀刃最初瞬時，接觸點的壓力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變；當(dāng)切削刃逼近巖石時，巖石內(nèi)部彈性應(yīng)力逐漸增大，在巖石內(nèi)某一位置，剪應(yīng)力達(dá)到巖石的屈服強度，因而，巖石開始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移（OA面，該面左邊代表彈性變形區(qū)，右邊代表塑性變形區(qū)）。巖石經(jīng)過OA面在當(dāng)切削刃移動時，滑移變形越來越大，當(dāng)巖石移到OE面時，將不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齒前傾面流出，所以稱OA為初始滑移線，而稱OE為終止滑移線。當(dāng)巖石沿前傾面流出時