聚晶金刚石复合片钻头的应用研究

梁子衡

[摘    要]随着科学技术的不断进步，在地质钻探期间使用的金剛石钻头在工艺水平上获得了明显的提升，但我国在聚晶金刚石复合片钻头上，较欧美一些发达国家相比还存在一定的差异，聚晶金刚石复合片钻头的研制和应用工作受到很大程度的限制。基于此，本文首先阐述了聚晶金刚石复合片钻头结构和性能特点，再提出了其结构的设计，最后就聚晶金刚石复合片钻头的应用展开了相关分析。

[关键词]聚晶金刚石;钻头;应用

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）01–00–02

Research on the Application of Polycrystalline Diamond Composite Chip Bit

Liang Zi-heng

[Abstract]With the continuous progress of science and technology， the diamond bit used during geological drilling has been obviously improved in the technological level. However， compared with some developed countries in Europe and America， there are still some differences in the development and application of polycrystalline diamond composite bit. Based on this， this paper first describes the structure and performance characteristics of polycrystalline diamond composite bit， then puts forward the design of its structure. Finally， the application of polycrystalline diamond composite bit is analyzed.

[Keywords]polycrystalline diamond; drill bit; application

聚晶金刚石复合片（PDC）随着勘探工业的发展在技术水平上也取得了较快的发展，由于钻井数量处于逐年递增的局面，在难度系数上也不断增加，尤其是在深部地层的钻进过程中成本过高、周期较长等问题日益凸显，因此世界各国对于PDC钻头技术的研发十分重视，各类新产品也相继推出。聚晶金刚石作为一种新型复合材料，由聚晶金刚石层和硬质合金层在1300 ～1500 ℃下压制而成的，厚度一般在0.3mm以上，基层是钨钴类硬质合金材料。聚晶金刚石复合片钻头的制造工艺较为复杂，包含复合片的选择、复合片焊接、机械加工、检验等多个环节，需要视具体的工况而定。由于针对硬质合金层聚晶金刚石复合片钻头具有优异的性能，因此近几年在煤田钻探、油田开采领域有着长足的发展。

1 聚晶金刚石复合片钻头结构和性能特点分析

1.1 聚晶金刚石复合片

金刚石复合片呈圆形状，厚度在4～5mm，直径在φ8～13mm，金刚石聚晶层厚1mm左右。聚晶金刚石在使用过程中为了能够更为便捷，也可以切割为各种形状，其中聚晶层为主要工作层，是120～130目人造金刚石添加少量粘结剂在高温的条件下聚合而成。除此之外，聚晶层不会因为切削元件传递的“诱导振动”而导致单个晶粒出现碎裂的情况，主要是由于层内每个晶粒解理面取向相对邻近晶粒而言是无规则的。硬质合金层还具有良好的抗冲击性能，但在高温的环境下耐磨性能会出现明显的降低，因此在相应的钻头制造上存在一定困难。

1.2 复合片钻头结构简述

如图1所示为复合片钻头实物图，图2是一种新型加强型PDC钻头。

由于使用复合片作为切削刃底出刃量很大，在复合片钻头的外径和内径上设有棱槽并以聚晶保径。相比较普通金刚石钻头，复合片钻头因为在内外水槽设计上会更大，因此在过水面积上也会更大，这种结构设计的优势在于能够更快的冷却以及更好的排粉。为了能够保证复合片钻头在工作过程中具备更好的稳定性，复合片的镶焊数量一般维持在5～7片。从上述介绍可以看出，复合片钻头与表镶钻头和硬质合金钻头都有着一定的相似之处。

1.3 聚晶金刚石钻头性能特点

聚晶金刚石钻头的性能特点主要体现在4个方面。①钻头寿命长。聚晶金刚石钻头的切削刃用的是聚晶金刚石，由于耐磨性能良好，因此在使用过程中只要进行良好的维护在磨耗比上可达5万以上，在工作的过程中即使遇到较硬的地层，也不需要提钻换钻头。②防斜功能。聚晶金刚石砖头切削刃非常锋利，当需要获取更高的钻头速度时较为轻松，钻压小，因此具备一定的防斜功能。③钻进效率高。钻头在破碎岩石的过程中是以剪切的形式进行，因此在最开始工作的阶段也不需要很快的速度，以更均匀的钻进速度能够保证效率。④取心率高。聚晶金刚石钻头的钻速和钻压较小，由此岩石遭到破坏的程度较低，取心率高。

2 聚晶金刚石复合片钻头结构的设计

2.1 复合片钻头分类

按照不同的方式复合片钻头可以进行不同的分类。以镶嵌结构来分有全出刃和半出刃2种，以钻进用途来分有不取心和取心2种。不同类型的复合片钻头在不同的场景适用，例如全出刃型钻头适用于地层较为松软的情况，在工作的过程中速度相对会更快，半出刃钻头在硬质地层中更为适用，此类型钻头掉片情况发生的概率非常小，但钻速不快。

2.2 复合片钻头结构的研制

从目前的研制工艺上来看，无缝钢管是复合片钻头的主要制作材料，具体的技术要求需要根据实际场景来制定，在尺寸、同心度、垂直度等参数上需要符合具体的要求，才能够更好的保证钻进效果。在聚晶金刚石复合片钻头的排布上，一般采用单环排列法或多环排列法，前者在钻头体的壁厚比复合片直径大时优势性较大，后者在金刚石钻头的宽度超过了单一复合片的直径时优势性较大。

2.3 复合片钻头镶焊的角度

聚晶金刚石复合片钻头在破碎岩石的过程中的以剪切的形式进行，因此在实际操作过程中还需要选择合适的角度，一般情况下需要将切削角控制在-90°以内，而后再根据被切削岩石的硬度选择具体大小的切削角。钻头的径向平面与复合片表面所形成的夹角称之为径向角，在对复合片钻头径向镶焊的过程中，需要科学的利用径向角，避免岩粉对钻头运作的过程中出现钻头被糊的状况。

2.4 复合片钻头的排水和保径

聚晶金刚石复合片钻头的排水和保径上也需要科学的设计。聚晶金刚石复合片钻头外径表面需镶嵌一定的金刚石聚晶，因此选择合适的技术和生产工艺十分关键，且在这个过程中也需要有效利用径向角的作用，以使得在保径效果上达到工作所需的要求。对于钻头而言还需要达到冲洗冷却复合片和冲洗岩石碎屑的效果，对于聚晶金刚石复合片钻头本身就具备这种功效，主要是由于复合片钻头的结构所致，有设计合理的水口和水槽。

2.5 不取心全面复合片钻头设计

由于聚晶金刚石复合片钻头的特点所致，因此在煤矿、煤田勘探领域得到了较为广泛的运用，其中全面不取心复合片钻头一般都是凹心钻头，在钻头体的加工上最终效果会达到三翼。再对钻头体的结构进行细节观察可以发现，三翼的钻头体中两翼为水口并呈现出锥形状，水口直接与钻头的尾部相连由此能够更好的增加水流空间，在聚晶金刚石复合片钻头工作的过程中能够大大提升冲击岩粉的效果。

3 聚晶金刚石复合片钻头的应用

聚晶金刚石复合片钻头由于结构、性能上的优势得到了广泛的应用，就聚晶金刚石复合片钻头的生产加工工艺和用于矿山开采的聚晶金刚石复合片钻头应用展开相关分析。

3.1 聚晶金刚石复合片钻头的生产加工工艺

这里提到的聚晶金刚石复合片钻头生产加工工艺主要针对矿山开采，第一步需要对钻头钢体进行加工，并在其焊接表面上预留出允许加工的余量以此使得相应的尺寸和精度达到工作要求。第二步为了能够保证复合片工作层受到一定的保护，需要采用一定的工艺措施，主要是运用电镀法，让聚晶金刚石表面镀上一层钼，在实际工作的过程中再对温度进行相应的控制，一般在750 ℃以内，不能过高避免钻头出现碳化的现象，也不能过低导致钻头的焊接强度不足;为了能够进一步保证焊接强度，还需要在焊接前期工作中对钻头表面进行清理以保证其表面的干净程度。

3.2 用于矿山开采的聚晶金刚石复合片钻头应用

由于聚晶金刚石复合片钻头结构和性能上的特点，因此在运用的过程中主要针对六级以下的岩层，且更适合于小型钻孔，当在一些硬度较高、研磨较强的岩层环境中则不适用。复合片钻头在实际应用中有几个点需要注意，①施工过程中需要有效参照钻进规程表进行;②在下钻至钻孔底部的情况下操作流程应是先轻按再进行缓慢的旋转，前面按照此流程进行至钻进距离达到20 ～30 cm之间则可以按照正常的速度进行钻进施工。

4 结语

综上所述，在钻探过程中聚晶金刚石复合片钻头是一项高效率的工具，本文对聚晶金刚石复合片钻头结构和性能特点展开分析后，阐述了其结构上的设计及应用注意事项，完善聚晶金刚石复合片钻头在现代钻探工作中的科学方法。目前我国在聚晶金刚石复合片钻头研制上也攻克的不少技术难点，与国外一些发达国家在此方面的水平和工艺已然十分接近，在实际生产过程中也取得了非常良好的效果。

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