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1、第五节 金刚石钻头及其破岩原理,金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。,按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头；按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类；按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。,分类：,一、金刚石钻头1、金刚石钻头的结构,钢体胎体切削刃水眼与水槽,(1)钢体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。(2)胎
2、体 胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结而成。胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不同岩性而设计的。,(3)切削刃 金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式和表孕镶式三种。,(4)水眼与水槽 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。水眼和水槽的布置原则：是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。而对于
3、硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。表镶式金刚石钻头通常采用的水槽结构大体上可分为：逼压式水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽和螺旋形水槽四种。,2.金刚石钻头破岩原理,当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。,对于脆性较大的岩石，在钻压和扭力的作用下所产生的应力可使岩石沿剪切面产生裂缝,此时,岩石破碎体积远大于金刚石吃入后位移体积。脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的25倍。金刚石破碎岩石的效
4、果，除与岩石的性能有关外，还与井筒和地层孔隙流体的压差有大小、钻压大小及金刚石几何形状、粒度和出露有关。,二、PDC钻头,聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用人造聚晶金刚石复合片做成小型切削块镶嵌或烧结到钻头体上而形成的。使用于软到中硬地层。,（1）钻头基体 PDC钻头可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。,PDC钻头为一整
5、体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。,1.PDC钻头结构,，,（2）钻头切削齿,聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚石微粒粘结在一起形成的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄层，其厚度为0.5000.635mm，是切削齿锋利的刃口，硬度及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部为碳化钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合，使得PDC齿既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度的抗冲击能力。,PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱落，使刃面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口
6、，同时具有良好的抗冲击性能,为金刚石提供良好的弹性依托。,标准切削齿,圆柱状和栓销状切削齿是两种基本类型，圆柱状是标准切削齿，使用最普遍。其它几类切削齿都是以标准切削齿为基础上改型的。标准切削齿很容易受冲击载荷而损坏，使金刚石薄片与碳化钨基片分离，或者产生大块金刚石薄层破裂，在钻硬地层时效果不理想。,牙嵌式切削齿,在增加了金刚石薄层厚度的同时，增加了金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高了切削齿的研磨性和强度。,环嵌式切削齿,是牙嵌式切削齿的特殊形式，在嵌牙的外缘增加了一周聚晶金刚石环。不仅提高了切削齿的耐磨强度，还提高了耐冲击强度。,（3）切削齿的排列方向 PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切
7、削齿出露高度来规定切削齿的排列方向。负前角又称后倾角，它是指复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范围为0 25。软地层：取0或较小负前角值；硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损坏。,侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进性能好，钻速快，并可以改善钻头的清洗和岩屑的及时排除；减少岩屑粘附切削齿的机会。实验表明，侧偏角为-15时粘附机会最小。切削齿的出露高度与所钻岩性有关，可分为全出露和部分出露两种。全部出露：适于钻软地层；部分出露：使于钻硬地层，可以提高切削齿刚度
8、，有利于延长PDC钻头的寿命。,（4）喷嘴水道及排屑槽 喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片。按喷嘴的形状可将喷嘴分为：标准喷嘴、扇射式喷嘴、矩形喷嘴和六角形喷嘴。排屑槽的形状主要有楔形、扇形、半圆形。,2.PDC钻头破岩原理,PDC钻头是以切削 齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。,当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的压力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切
9、削刃逼近岩石时，岩石内部弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪应力达到岩石的屈服强度，因而，岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移（OA面，该面左边代表弹性变形区，右边代表塑性变形区）。,岩石经过OA面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，当岩石移到OE面时，将不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移线，而称OE为终止滑移线。当岩石沿前倾面流出时，由于受到切削齿前倾面的压力和摩擦，切削的底层（靠近前倾面的一层）产生较大的挤压和剪切变形，结果，下层膨胀，切削向前倾相反方向流出，离开前倾面而成为切屑。PDC钻头的破岩机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。PDC钻头不存在由于压差作用引起的岩屑清楚障碍；因此，破岩效率高。,
