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?金刚石复合片钻头基本结构

钻具基本结构

钻具(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，钻具哪家便宜，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，钻进时钻具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钻具，从而大大提高了机械钻速和钻具寿命，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年代末开始生产钻具，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钻具设计制造技术的进步，钻具在地质钻探、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。

复合片形状示意图

金刚石复合片钻头的基本结构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。

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。

钻具的基体

直接采用钢材加工而成，目前，国内的钻具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，***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。

钻具的基体

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，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，复合片的形状

复合片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。

3，复合片的空间***

复合片的空间***是指复合片在钻头底唇上安放的空间位置。复合片的空间***是复合片钻头设计的***，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。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。

复合片的负前角

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。

复合片的旁侧角

(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***，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，钻具销售，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***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。

钻具钻具钻具

?金刚石钻头钻探操作注意事项20条

钻具钻探操作注意事项20条

地质钻机利用金刚石钻头进行钻探操作，设计的机械系统、钻探配件和操作技术相当多，为了使金刚石钻头的钻探操作更加规范，保证钻探工作者的人身安全和降低钻探机械设备的非正常损坏，金钻钻头厂总结了20条钻具钻探操作注意事项。

钻具钻探操作注意事项20条

1.根据需要钻进的孔深，提前安排好要用的金刚石钻头和扩孔器的口径，并且使按照从大到小的顺序使用。

2.新的钻具需要进行初磨，使用低档位中低钻压初磨1min左右后逐渐提高转速并且降低钻压至正常钻进水平。

3.钻进比较坚硬的岩层时，如果使用扩孔器钻头，确保扩孔器的新旧程度和金刚石钻头相当，外径差值控制在0.3毫米左右，如果差值太大会降低钻进效率。

4.对于新机长喜欢使用卡簧卡心，在下钻前要确保卡簧的自由内径比钻头胎体的内径小，但差值也应该在0.3毫米，太大或者是太小都很难实现轻松卡住岩心。

5.在钻进新的钻孔使，安装的钻具要确保主动钻杆、钻杆、变径接头、岩心管等钻探配件的同心度，钻具的偏心会导致偏孔和钻具的拧断。

6.钻具的组装前应该对钻探配件逐一检查，确保管材没有裂痕，接头丝扣没有变形。

7.钻具在提钻后，取出岩心需要将其再次投放如钻孔内继续钻进，不允许让钻具自由落体的方式直接到达孔底。

8.在水路系统出现循环不畅的情况是要及时降低转速，并且提钻找出具体原因，严禁切断循环液继续钻进。

9.钻具在使用寿命结束后，如果钻孔还没有完成，不应该使用新的金钻钻头下钻扫孔，应该更换旧的或者是小一级口径的金钻钻头。

10.在设计孔深较大时，如果是钻进的是容易发生偏孔的地质岩层时，应该在钻具中装备扩孔器、扶正器等稳定导向接头。

11.安装和拆卸金刚石钻头时，不推荐使用管钳，而应该使用链钳或者是其他类型的具有多点位触控的钳子。

12.单个钻进回次结束后取出岩心管内的岩心时，不推荐将钻头拧卸下来。可以使用非铁质锤轻轻敲击岩心管管壁，切勿猛烈敲击或者是敲击金刚石钻头的胎体部分。

13.进入钻探工地后，每台钻机应该***少配备两套以上的同口径的钻具，防止钻具发生损坏后影响工程进度。

14.钻具一旦拧卸分开后，必须在丝扣出涂抹防锈和润滑油。

15.遇到容易打滑的极坚硬岩层时，应该选用金钻的6-8度金刚石钻头，并且按照厂家的指导使用。

16.如果钻进卵石、钢筋混凝土、填石层和破碎等复杂岩层，应该使用金钻25-28度（研50）金刚石钻头，可以完全取代金刚石复合片钻头，并且拥有更高的钻进效率。

17.钻具的选购应该权衡质量和价格两个方面，市场上极***格的钻头应该慎重考虑。

18.如果钻探机长钻探配件的年消耗量大，特别是钻头用量大，应该考虑从金钻钻头厂家直接批发以节约钻探成本。

19.在单个回次结束后，钻具采购，机长在卡心过程中不应该切断循环液，防止钻头在卡钻过程中发生烧钻。

20.对取出的岩心应该做好拍照并且记录此类岩层所选用金钻钻头的胎体硬度，下次遇到相似岩层时可以免去钻头选配的复杂过程。

钻具钻探操作还有很多需要的地方，上述只是总结出钻探机长经常容易出现的违规操作，提醒广大的从事钻探行业的机长们，晋中钻具，钻机钻探属于大型机械类工种，要始终把安全操作规程放在首位，再去考虑钻探成本和时效的问题。

提高热压烧结钻具品质的生产方法

热压烧结钻具问世要早于电镀金刚石钻头，早期在电镀技术还不成熟的期间，由于其能够***的切削岩层完成钻探任务呗广泛应用。在上世纪90年代之后电镀钻头的出现彻底改变了钻探从业者对于钻头产品的认识，并且随着电镀技术的不断改进完善，现在的钻具不仅在进尺效率方面要远远高于热压烧结型钻头，并且耐磨性能与之媲美，但是在价格方面钻具优势明显，因此钻具已经在逐步取代热压烧结钻头。

钻具

但是在某些特殊钻探作业中，热压钻头还是有存在价值的。比如钻进钢筋混凝土类的地层，热压烧结钻头有一定的优势。为了能够使得热压钻头的耐磨性能以及稳定性更加完善，应该采取改变生产工艺和生产设备的方法来提高热压烧结金刚石钻头的品质。

1，钻具生产工艺的改善

目前国内主要采取以下两种工艺生产热压钻头：

工艺流程一：各种金属粉末（不还原）→混料→冷压成型→还原炉还原→呼吸式（充氮/真空）热压烧结机烧结

工艺流程二：各种金属粉末（不还原）→混料→造粒→还原炉还原→装模→呼吸式（充氮/真空）热压烧结机烧结

以上工艺的优点只是把粉末的前还原改为了后还原，但是性质发生了变化。在还原炉中，我们建议还原温度在600 ℃到650 ℃，属于高温还原。冷压成型的胚体，或者造粒的粉末在还原炉中，经历了300~400 ℃脱胶，400~500 ℃还原，此时鸡蛋壳已经没了，蛋壳已经变成了纳米级的单质金属颗粒，此时我们继续提高温度到650 ℃，赋予这些单质金属更高的活性，在原子层面上，金属元素的电子开始逃逸，与其他单质金属开始形成合金，从而得到一个稳定致密的合金保护层。

经过上述还原炉处理的胚体强度已经有所增加，***化能力大大提高，在生产流转中虽有时间先后的差异，但二次氧化对这些胚体是微乎其微的，可以忽略不计。

2，钻具生产设备的改善

在热压烧结机中对刀头进行烧结的时候，由于冷压胚体密度较松，通常含有50%左右的空气， 在模具升温过程中，特别在300~500 ℃时，空气中的氧和胚体中的金属粉末发生着剧烈的氧化反应，非常容易对***终制品造成伤害，且难以避免。

为了减少这部分空气数量，我们通常使用真空热压机。传统的真空热压机真空度不高，仅为10 000 Pa左右（常压为100 000 Pa），此时真空热压机内的氧含量为2000/100 000，在高温下微量的氧（1 /100 000）就会对制品造成氧化伤害。显然传统的真空热压机不能解决这个高温氧化的问题。但是进一步提高真空度，也是不可取的。在过高的真空下，低熔点的金属会挥发，造成制品组份的偏析。为了解决真空度既不能太高，氧含量又要很低这么一个环境要求，可以采用真空热压烧结机。

真空热压烧结机

在该机的真空箱内，采用了反复的抽真空充氮气（99.995%的氮气）的方式，通过多次稀释和排出，使得制品粉末中间的空气全部被高纯度的氮气所置换。此时可以使得氧含量达到1/100 000以下，以确保制品在烧结过程中几乎不被氧化。烧结出来的制品色泽光亮，金属化程度高，韧性接近纯金属。实际制备120 mm×60 mm×3 mm一个，为了检验其烧结品质，我们将其放在台虎钳上，用锤子打击折弯到90°，用放大镜检验，弯曲处没有任何裂纹；进一步再折弯，锤击使之达到180°（对折），再用放大镜检验对折处，仍旧没有发现疑似裂纹，直观地证明了该烧结制品已经接近纯金属。

在改进生产工艺和生产设备后，钻具在钻进复杂地层时不会出现掉齿和刚体***的情况，并且在钻进钢筋时切削速度惊人。由于热压钻头的生产效率比较低，人工和材料成本比较高，因此售价比较高，我们研究生产的2528度/研50金刚石钻头能够完全取代该类钻头，需要的朋友可以咨询我们。

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