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　　第一章 金刚石钻头基本知识 概述 1.1金刚石钻头的发展历史 金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。 随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。 人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。 1.2金刚石钻头的发展前景 经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻头更在该区块的文－133井创下了1600米（东营组）入井，打到3390米（沙三上）完井，纯钻时间227.31小时，进尺1790米，平均机械钻速7.9米的好指标。现在，在该区块只要条件允许，几乎用的都是PDC钻头。 第二节 金刚石钻头的结构简介 2.1金刚石钻头的破碎机理 金刚石钻头的破岩方式主要有四种，即：剪切、预破碎（开槽效应）、犁削及磨削。 2.1.1 剪切 岩石破碎力学的研究表明，岩石的抗剪强度比其抗压强度要低得多，两者的比值在0.09～0.15左右。显然，采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式破碎岩石要容易而且有效得多。PDC钻头的复合片正是利用了岩石的这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到快速钻井的目的。当PDC钻头工作时，复合片在钻压和扭矩的作用下克服地层应力切入地层并向前滑动，岩石在切削齿的作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩屑呈大块片状。这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。 2.1.2 预破碎（开槽效应） 预破碎（开槽效应）是采用特殊的“尖/圆”齿交替布置切削结构所具有的岩石破碎方式，主要用在以纯剪切方式不容易钻进的地层，如具有一定塑性的地层。预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进过程中，尖形齿因与地层接触面积小受力集中而先行切入地层，岩石在接触应力的作用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中切出一条条较小的环状“卸荷槽”，使地层应力预先释放，而紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削其强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速度。 2.1.3犁削 天然金刚石钻头和TSP钻头在钻进塑性地层时，常常以犁削方式来破碎岩石。岩石在钻头钻进过程中，由于受到切削齿的作用，在其内部发生破碎并向表面传递。堆积在切削齿前面的破碎岩屑由于切削齿的移动被推向两边，最后由泥浆带出井底，这一切削过程相似于犁地过程。 2.1.4磨削 天然金刚石钻头和TSP钻头在钻进极硬的粗晶粒地层时，切削齿克服岩石的高抗压强度实现岩石的局部破碎。即其切削结构常常以磨削方式破碎岩石。由于硬地层岩石的高强度，使破碎的岩屑比较小，呈细粒状，因而钻头的机械钻速相应较低。 2.2金刚石钻头结构介绍 图1 金刚石钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单。主要由上体、钢心、胎体、切削齿、喷嘴及密封件组成。见图1 钻头上体是经过热处理的钢制件，其上端车有API标准连接螺纹，用以和其它井下钻具相连。上体下端与钻头体上的钢心通过焊接而构成一个整体。上体上部两个对称槽为钻头卸扣槽，用于和卸扣板相配合来装卸钻头。钢心是位于钻头中心的空心钢体，是钻头体的骨架，它的一端与碳化钨胎体烧结在一起，另一端则与上体焊接相连。胎体是碳化钨粉末经过烧结而形成的具有不同轮廓形状的钻头基体。胎体粘附在钢心上，构成坚韧的、抗冲击、耐磨损的钻头体（冠部）。切削齿可以采用天然金刚石、TSP齿及PDC齿。天然金刚石和TSP齿通过烧结直接固结到钻头胎体上，PDC钻头的切削齿则通过低温钎焊固定到钻头胎体上。钻头所采用的喷嘴为可换式硬质合金整体喷嘴，主要有标准喷嘴和内六方孔小喷嘴两种。标准喷嘴的水孔出口截面为圆形，内六方小喷嘴水孔截面则为六边形，这种结构的水孔，既可作为泥浆流道，又可用于喷嘴安装。喷嘴中心水孔有各种不同的尺寸以满足不同的钻井需要。喷嘴与喷嘴座之间采用“O”形橡胶密封圈密封，以保证其使用安全可靠。 从设计和使用的角度，钻头又可分为上体和钻头体两大部分。钻头体包括钻头冠部轮廓、切削结构、水力结构、保径结构等。钻头轮廓指胎体表面形状，不同的钻头轮廓形状适应于不同的地层钻井。切削结构即由不同类型的金刚石齿以一定的布齿密度和布齿方式布置在钻头表面用以切削地层的工作部分。钻头水力结构是用以控制和分配钻井液，为钻头提供充分的冷却、清洗及排屑的部分。它包括水孔、主流道、副流道、排屑槽和集屑槽等。天然金刚石钻头和TSP钻头的水孔结构一般为鸦爪式中心水孔，PDC钻头的水孔则一般采用可换式喷嘴。钻头保径结构为钻头提供良好的扶正和保径作用，以保证钻头的正常钻进和较长的工作寿命。 2.3金刚石钻头分类 关于金刚石钻头的分类，按用途分，可分为全面钻进钻头和取心钻头；按钻头体材料及制造方式分，可分为钢体钻头和胎体钻头；按切削齿材料分，可分为PDC钻头、TSP钻头、天然金刚石钻头。 胎体金刚石钻头具有固齿牢靠、钻头体抗冲蚀能力强、耐磨性好、钻头寿命长、钻头结构设计灵活、产品制造周期短、非标尺寸钻头制造容易等优点，在金刚石钻头市场上占绝大多数，为目前各生产厂家广泛应用。 天然金刚石（ND）钻头以优质天然金刚石作为切削刃，以表镶方式将其直接烧结在抗冲蚀、耐磨性好的碳化钨胎体上。切削结构选用不同粒度金刚石，采用不同的布齿密度和布齿方式，以满足在中至坚硬地层钻井的需要。 TSP钻头切削元件采用了各种不同形状并具有自锐作用的热稳定聚晶金刚石（TSP）齿。与天然金刚石相比，这种TSP持具有良好的耐热性，可耐1200摄氏度的高温，抗破碎性及耐磨性俱佳。TSP钻头与天然金刚石钻头一样，其切削齿直接烧结在碳化钨胎体上。TSP钻头更适合于在带有研磨性的中等至硬地层快速钻井。 PDC钻头采用聚晶金刚石复合片（PDC片）作为切削刃，以钎焊方式将其固定到碳化钨胎体上的预留齿穴中。钻头所采用的PDC切削齿具有高强度、高耐磨性和抗冲击能力，且切削刃口和刃面都具有良好的自锐性，在钻进过程中切削刃能始终保持锋利。钻头在软到中等硬度地层中以剪切方式破碎岩石，采用较小钻压即可获得较高的机械钻速，是一种高效钻井钻头。 第三节 金刚石钻头的设计与制造 3.1金刚石钻头的设计理论 在常规的PDC钻头切削结构设计中，遵循的基本原理有如下几条：①、每个切削齿的切削体积相等，即等体积原则；②、每个切削齿的磨损速度相等，即等磨损原则；③、每个切削齿的切削功率相等，即等功率原则；④、每个切削齿的切削面积相等，即等面积原则。 最常用的设计理论有：力平衡理论和抗回旋理论。 3.1.1、力平衡PDC钻头1）钻头的受力分析 PDC钻头在正常钻进时，同时受到钻压和旋转设备施加的扭矩的作用。在这两个力的作用下，每个切削齿都受到一个法向力Fn和一个切向力（周向力）Fc的作用。其中法向力Fn由钻压产生，它是使切削齿穿透岩石所需的力；切向力Fc是在法向力将切削齿压入岩石后沿切口向前推进切削齿所需的力，即将岩屑从岩石上剥离下来所需的力。法向力Fn能分解成一个垂直分力Fv和一个径向分力Fr。切向力Fc能分解为一个径向分力和一个绕着钻头中心的力矩。作用在钻头上且位于垂直钻头旋转轴线的平面内的法向力和切向力能分解为一个作用于钻头中心上的力和一个力矩，它们均位于法向平面内。该力矩是旋转钻头所需的力矩，而该力则是侧向不平衡力。这个侧向不平衡力指向与钻头面相关的一个方向，在钻头旋转时，它趋向于把钻头推向井壁。 由于侧向不平衡力的大小、方向都不受控制，所以很难保证钻头的力学性能良好。由于力学性能差，将会直接导致钻头的运动学性能变差。由于其所受侧向不平衡力较大，当钻头在井底钻进时，钻头被推向井壁。这时，钻头上的保径齿以及部分外排齿在侧向不平衡力的推动下会吃入井壁，与井壁的岩层产生“啮合效应”。此时钻头不再平滑钻进，而开始产生侧向振动，PDC钻头上的切削齿会横向向后移动，并且比正常旋转的钻头上的切削齿运动快得多，伴随这种运动的冲击载荷会引起PDC切削齿的破碎，而这种破碎反过来会导致加速磨损，并且切削齿破碎后产生的碎片会对其它完好的PDC切削齿产生冲击碰撞，从而导致大面积的切削齿损坏。 对于力平衡钻头来说，由于侧向不平衡力被控制在一个极小的范围之内，它对PDC钻头的影响就比普通PDC钻头要小得多。在经过调整之后，钻头上的各个力的大小及方向都发生了很大的变化。侧向不平衡力Fimb由原来的9.2%降至了1.4%（这一百分比是侧向不平衡力与钻压的比值）。径向力Fr与切向力Fc大小基本相等。整个钻头的受力情况处于一个良好的状态。 3.1.2抗回旋PDC钻头 通过对钻头的切削齿进行受力分析，运用调整齿位的办法，使得钻头的侧向合力指向较大面积的低摩阻保径垫，在钻头工作时该保径垫始终与井壁接触，最终使钻头的回旋程度降到最低，保证钻头工作平稳，延长钻头的使用寿命。 需要指出的是，力平衡技术、抗回旋技术只是PDC钻头设计制造技术的一个方面，要设计出性能优良的PDC钻头，光靠这一点是远远不够的。在发展这项技术的同时，还需要合理的水力分布、先进的PDC切削齿、优选钻头轮廓等许多方面技术的运用。 3.2金刚石钻头冠部轮廓设计与选择依据 研究及现场试验表明，钻头冠部形状对其使用性能具有较大影响。选择钻头冠部形状时应考虑所钻地层的岩性、钻头的稳定性、钻井的适应性、布齿空间以及钻头清洗和冷却等，因此只有在综合考虑多种因素的基础上才能确定理想的钻头冠部轮廓形状。 钻头冠部轮廓一般包括四个基本要素：内锥、鼻部、外侧、保径 钻头内锥是钻头中心部分内陷的区域，起导向和稳定作用。设计时，应根据不同的需要选择内锥角，如果需要具有较高机械钻速、较好的液流控制能力等，应设计成110°～160°的浅内锥；如果要求突出钻头的稳定性，提高井斜控制能力，则应设计成60°～100°的深内锥。对于造斜用的钻头（如侧钻钻头），其内锥角应更大。 鼻部是钻头在井下的最低点，钻进中最先切入地层，由于地层变化或操作失误而意外受损的可能性较大。如果钻进的地层较硬，或存在硬夹层，钻头设计时一般选择较大半径的圆弧鼻部结构，为了提高钻头切入地层的能力，则应选择较小半径的鼻部。 外侧部分的轮廓线有直线和弧线两种，在设计中到硬地层的钻头时，一般选择直线轮廓的外侧面，其钻头轮廓鼻部和保径相结合的部位较尖，切入性好，切削效率高；弧线构成的外侧面轮廓，则常用于要求高转速或高耐磨性的地方。 保径段根据不同的需要可以选择不同的保径方式和保径长度，对于要求保径能力强的钻头，可以选择加长保径或双列保径。为了提高钻头井斜控制能力可以适当加长保径长度、增大保径垫面积。 3.3金刚石钻头的结构设计及切削元件的选择 金刚石钻头的一般设计步骤如下（以抛物线根据用户要求、油田地质情况等资料来确定钻头尺寸、型号。 3.3.2 根据钻头型号来设计钻头石墨模具。 模具内锥角C、鼻部半径R2、台肩半径R1、R1与模具水平面的夹角B2需根据地层以及钻头使用的实际情况确定，其它参数可参照PDC钻头设计手册确定。 3.3.3设定钻头设计参数。 钻头主要设计参数包括： 露齿高。根据切削齿大小和实际使用情况确定。 主切削齿直径及数量。主切削齿可选0.5″、0.75″、1″的PDC复合片。数量根据布齿密度来确定。 次切削齿以及第三切削齿的直径和数量。一般选用0.5″的PDC复合片。 保径齿的数量。 总齿数。 排屑槽数。 排屑槽深度。 喷嘴数量及大小。 各切削齿的后倾角、侧倾角。 3.3.4设计轮廓布齿图 将有关设计参数确定完成之后，可使用PDC钻头设计软件自动生成轮廓图。轮廓图做出之后，需根据加工工艺要求及设计方法对其进行调整。然后根据设计经验确定切削齿的面布置位置。对于力平衡PDC钻头一般采用刮刀式布齿，刮刀形式有直刮刀和曲刮刀等。切削齿在各刮刀上的具体布置方式有螺旋式及跳跃式等。 3.3.5受力分析 在布齿完成之后，需使用金刚石钻头受力分析软件评价切削布置的合理性。具体方法是根据实际情况设定钻头使用参数（转速、机械钻速等）和岩石参数（抗压强度等），设定好相关参数之后即可使用该软件进行计算分析。要求不平衡力的值控制在某一范围以内。如果达不到上述标准，则需根据整个钻头的受力情况对切削齿的布置位置进行调整，直到得到合理的结果为止。 受力分析完成之后，还需对钻头各切削齿的做功曲线及受力曲线进行评估。即要求这两条曲线在一定范围内平滑变化。 3.3.6根据布齿位置完成面图设计 在受力分析完成之后，根据新的布齿位置重新布置切削齿，然后确定喷嘴位置。此时要注意使整个钻头面都能得到有效清洗，同时还要注意喷嘴之间不能互相干涉（可参考相同尺寸其它钻头的喷嘴布置）。如果发现无法合理布置喷嘴位置，则以前的布齿方案将不得不推倒重来，再重复第四和第五步的工作。在切削齿和喷嘴布置好后，即可生成加工所需的数据文件。 3.3.7总装图设计 PDC钻头设计软件可自动生成一个总装图的底稿图，我们可在这幅底稿图上进行修改，以完成总装图的设计。总装图的设计可参照休斯的全面钻进钻头或克里斯坦森的取芯钻头设计规范进行。 3.3.8钢芯设计 钢芯是胎体式PDC钻头中的一个重要部件，它的设计合理与否直接影响到整个钻头的质量和使用寿命。对于深刮刀钻头，钢芯实际上包括两部分，即钢芯和刀片。钢芯置于钻头胎体内，主要起连接钻头上体的作用，刀片搭焊在钢芯上，深入钻头刮刀内部，起加强钻头刮刀的作用。 3.3.9凸模设计 凸模是用来制作砂板用的工具，其设计可参考总装图完成。 3.3.10钻头保径段设计 PDC钻头的保径部分主要使用天然金刚石、TSP齿、TCI镶块等材斘。布置方式主要有拉槽式、平镶式等方式。力平衡钻头的保径通常为使用TCI镶块的平镶式保径结构。设计时可参照设计手册进行。 3.4金刚石钻头的保径结构设计 保径段根据不同的需要可选择不同的保径方式和保径长度。一般来说，保径结构有拉槽保径、平镶保径、天然金刚石保径、TSP齿保径、PDC齿保径、ND+TSP、ND+PDC的组合保径、低摩阻保径（TCI+ND、TCI+TSP、TCI+PDC保径结构）、带反划眼齿的保径结构、短保径、加长保径结构等。 由于剪切切削方式和较大的井壁接触面积，造成了金刚石钻头的扭矩较大的缺点。过大的扭矩极易损害钻井设备，尤其不利于井下动力钻具的使用，这些都要求金刚石钻头的扭矩必须控制在一个小范围内。因此近年来，出现了低扭矩保径结构，如Smith公司的2001年的专利6253863——“Side cutting gage pad improving stabilization and borehole integrity”，贝克·休斯公司2002年的专利6349780——“Drill bit with selectively-aggressive gage pads”，这些新的结构除了保持常规保径的保径能力外，大大降低了钻头的扭矩，同时还适应了定向钻井应用，从而进一步扩展了金刚石钻头的使用范围。 3.5金刚石钻头的水力结构设计 水力结构的设计包括喷嘴的选择与设计、排屑槽的结构与设计等。大部分的金刚石钻头喷嘴为现场可换式螺纹紧固喷嘴，设计时作为标准件直接使用。但在设计小尺寸钻头和对水力有特殊需要的钻头时也可以采用固定喷嘴。 喷嘴的设计包括：喷嘴数量的确定、倾斜角、偏移角、方位角的确定。这些参数的设计，要根据钻头尺寸、钻头轮廓形状、切削结构等综合考虑。为了保证钻头有足够的清洗冷却能力，金刚石钻头的喷嘴一般都在三个以上。钻头尺寸越大，喷嘴数量则相应就越多。喷嘴出口距离井底的距离应小于喷嘴等速核的长度，通过对地层的直接水力冲击进一步提高钻头对岩石破碎效率。设置喷嘴倾斜角的目的是为了增加泥浆的井底漫流，提高泥浆的清洗井底和携屑能力。一般来讲，喷嘴倾斜角越大，漫流越大清洗和携屑效果就越好。但如果倾斜角太大，则会对井壁造成不良冲蚀。喷嘴偏移角的作用在于控制射流方向，使其有效的对钻头切削齿进行清洗和冷却，对提高机械钻速和钻头寿命有重大意义。喷嘴方位角也就是喷嘴在钻头冠部的圆周位置，其是否合理，决定了钻头的液流分布是否合理。 目前在金刚石钻头上广泛使用的排屑槽是横截面形状为扇形的“全放式”排屑槽，这种结构排屑面积大、不易产生泥包。在一些特殊布齿的钻头上还设置有集屑槽，它实际上是一些半圆形的小排屑槽，通常延伸到钻头表面，形成低压区，通过真空效应吸引泥浆和岩屑，改善钻头的清洗和冷却条件。 3.6金刚石钻头制造工艺流程简介 金刚石钻头采用碳化钨粉末烧结工艺制造，其工艺过程大致可分为石墨下料、模具车削、模具组装、装粉烧结、钢心加工、钎焊、组焊、车焊皮、磨削、整形、喷漆装箱等过程（见图10）。 图10 3.6.1模具机械加工 石墨下料、模具车削、模具铣削属于模具的机加工工艺过程。石墨下料是根据所制造钻头的尺寸和型号，选择适当的石墨棒料，用锯床锯成所需大小的模具毛坯。模具车削是按设计图纸要求，使用车床将石墨模具毛坯的内表面加工成钻头轮廓形状的凹模。模具铣削是对加工成型的凹模进行再加工，包括铣齿穴、铣喷嘴孔。铣削加工既可以用普通三轴铣床也可以用数控加工中心完成。由于金刚石钻头的石墨模具是一次性的，而且加工复杂，工作量大，因而采用自动化程度高的数控设备加工就具有重要意义。使用数控加工可以大大加快制造速度，缩短制造周期，提高生产效率，降低生产成本，而且数控加工精度高，可以保证钻头制造质量及使用性能的优良和稳定。 3.6.2模具组装 模具组装工艺过程是将铣削完成后的模具进行组装和修整。包括切削结构组件的安装和修整。对于PDC钻头，要在齿穴中安装砂件和石墨替片，对于ND钻头和TSP钻头则在齿穴中分别装上ND齿和TSP齿。钻头水力结构的安装包括喷嘴替棒、排屑槽砂板等组装，在钻头模具的保径处还要装上ND、TSP齿、硬质合金保径齿等。 3.6.3装粉与烧结 模具组装完成后，进行装粉和烧结。首先将钢心放置在底模内

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