金刚石复合片钻头

金刚石复合片钻头

金刚石复合片(PDC)是继人造金刚石单晶之后发展起来的新型超硬材料。它由在高温高压下形成的金刚石薄层和碳化钨基片组成。金刚石薄层中包含有许多细小的金刚石晶体，它们随机定向，所以强度和耐磨性极高。碳化钨基片加强了金刚石薄层，使它耐冲击，钻进时金刚石复合片在磨损过程中能保持锐利的棱边，这种自锐作用使钻头钻速高、使用寿命长。由于复合片的优异性能，自20世纪70年代末80年代初以来，国外在油井钻探、煤田钻探和部分岩心钻探中逐步开始使用金刚石复合片钻头，从而大大提高了机械钻速和钻头寿命，降低了钻进的综合成本和成孔周期，取得了明显的经济效益。我国从20世纪80年代末开始生产复合片钻头，现已在油田钻进中广泛使用。随着复合片生产技术的提高和复合片钻头设计制造技术的进步，复合片钻头在地质钻探、煤田钻探、金属矿山开采、工程施工、水电施工、公路桥梁、边坡防护和灌浆工程中的使用越来越广泛，适应的地层也越来越广。

2复合片钻头的结构

其钻头通常都是由复合片和钻头基体两部分组成。从钻头结构设计考虑，主要有复合片的定向、保径的方法、排粉和冲洗等。

2．1钻头基体

钻头的基体是钻头的主要部分，是复合片的载体。其质量的高低，结构是否合理，对钻头的使用效果有很大的影根据所采用材料的不同，钻头基体分为胎体式和钢体式。

钢体式钻头的基体

直接采用钢材加工而成，目前，国内的地勘复合片钻头大多数采用的是钢体式。钢体式钻头的特点是制造简单、材料费用低，但存在保径效果较差、基体易被冲刷磨损、复合片支撑体易损坏等缺点，最终造成钻头的使用寿命短。随着复合片质量的提高，钢体超前损坏已成为复合片钻头损坏的主要形式之一。

胎体式钻头的基体

采用粉末冶金的方法制造，制造费用较高，但其它性能明显优于钢体式。刚刚研究开发出的一种新型胎体式钻头的底唇结构形式见图1，其基体由刚体、胎体和孕镶于胎体中的金刚石等几部分组成。

2．2复合片的形状

复合片如图2所示，它是由常规的复合片按照钻头底唇厚度采用线切割而成，而不是通常复合片钻头常用的圆片装。

其优点在于：

(1)复合片的大小根据钻头的需要切割，能够保证孔底的全

覆盖。

(2)有利于保径。

(3)由于地勘钻头的环状尺寸较小，如果采用圆片状的复合片，其弧度太小，在钻进的初期速度较高，但磨损也快，机械钻度很快下降并使钻头报废。采用切割片，可选用较大尺寸的复合片，使钻头底唇在钻进过程中保持比较好的圆弧底唇，使复合片得到充分的利用，从而使钻头获得较长的寿命。

2．3复合片的空间定位

复合片的空间定位是指复合片在钻头底唇上安放的空间位置。复合片的空间定位是复合片钻

头设计的重点，对钻头钻进的性能有很大的影响。

(1)复合片的负前角。复合片钻头的复合片

前角采用负前角，见图3。负前角通常在0。一25。之间，以适应不同地层的需要。对于软地层，负前角取O。或较小值；对于较硬的地层，负前角应较大，以有效地切削地层并防止冲击对复合片的损坏。

由于地质钻探、工程施工领域使用复合片钻头钻进的地层通常较硬，另外，在一定程度上考虑钻头的通用性，地勘复合片钻头的负前角通常为15。。

(2)复合片的旁侧角。钻头上复合片的旁侧角有利于钻头的清洗和岩粉的转移，岩屑被剪切下来后可被推向复合片前方，也可被推向复合片旁侧。具有旁侧角的复合片排列使得岩屑能主动向环型空间转移，从而达到及时清除岩屑的目的。地勘使用的复合片钻头的旁侧角比油井钻头的要小一些，通常在5。一10。之间，见图4。

(3)复合片的出露高度。

复合片的出露高度主要从两方面进行考虑，一个是冷却和排粉；另一个是复合片的抗冲击能力。在小口径的岩心钻探中，冲洗的能力一般都能够满足冷却和排粉的需要，复合片可以尽量采用大的出露。但是，大的出露，必然使复合片承受大的冲击力。以前，由于焊接技术不过关、复合片本身的抗冲击能力有限，一般采用部分出露的形式以增加复合片的抗冲击能力。

(4)复合片的密度。复合片的密度是指在单位环状面积上复合片的数量。它是钻头设计的重点，因为它直接影响钻头的使用寿命和效率。一般来说，复合片的密度越大，钻头的磨损速度就越慢，钻头寿命就长，但是，其机械钻速较低。反之，复合片的密度越低，钻头的磨损速度就越快，钻头寿命就短，机械钻速就较高。复合片钻头设计的原则是：根据地层情况，以保证钻进效率为前提，适当兼顾钻头寿命。

(5)复合片钻头的内外保径。

复合片钻头要求有长寿与高效的效果，除了选用高品质的复合片、优良的钻头结构设计外，钻头的内外保径效果也很重要。．钻头采用复合片和聚晶金刚石双重保径，使钻头的保径达到了很好的效果，见图1。孕镶于胎体中的金刚石是保径的主体，保径主要依靠聚晶完成，同时切割的复合片也参与了保径，从而增强了复合片本身的保径能力。以前普遍使用的圆片状复合片，其内外出刃上的复合片所能达到的钻头内外径理论上只是复合片直径上的一个点，只有一个点进行保径。