第二节金刚石钻进

1、主讲人：杜振川 第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 金刚石钻进是当前钻探工艺中一种比较先进的钻进方法。由于这种方法的钻进效率比较高，钻孔质量比较好，施工劳动强度比较轻，钻探成本比较低，因此得到越来越广泛的应用。 第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 一、金刚石钻头钻进的特点一、金刚石钻头钻进的特点钻进效率高，特别是在岩石硬度大的地层，钻进效率提高的幅度较大。钻孔质量好，岩心采取率比较高，而且岩心完整、光滑。金刚石钻进的钻孔弯曲较小。孔内事故少，应用范围广。装备轻，劳动强度低，钻探成本小。第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石而四面体的每一顶角

2、为相邻4个四面体所共有。每个四面体中心与四顶角的碳原子以共价键紧密相连。碳原子间联系十分牢固。所以金刚石具备高硬度、高熔点、不导电（少数为半导体）和化学性质稳定等一系列特殊性能。1、金刚石的结构、金刚石的结构金刚石是碳的结晶变体之一，属等轴晶系矿物。在金刚石晶体格架中，碳原子呈对称性排列。每个碳原子周围皆有4个碳原子排列在正四面体的锥角顶端，第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石1、金刚石的结构、金刚石的结构由于金刚石在生长过程中的物理化学环境不同，其晶体形态是多种多样的。最常见的是八面体，其次是菱形十二面体，立方体较少。1一八面体；2一十二面体；3一立方

3、体；4一复合晶体；5一凸八面体；6一凸十二面体；7一凸立方体；8一凸复合晶体 第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质天然金刚石纯净晶体的颜色一般为无色透明的。由于其中微量元素和包裹体的影响，往往带有不同的颜色。如：深棕色金刚石，硬而脆，冲击韧性差。绿豆色金刚石强度低，质量差。黄色金刚石含黄色素超过15以上时硬度较低。 颜色第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质 相对密度 金刚石的相对密度在3.47356之间(计算值取352)。它取决于晶体所含杂

4、质裂隙等情况，人造金刚石相对密度高的质量较好。第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质 解理 晶体受力后最易沿解理面分裂。金刚石在强度方面的各向异性也表现在解理上，即在某一个平面上比在其他平面上容易碎裂的性能。金刚石的最好解理面是与八面体一致的，其次较常见到的解理面是与菱形十二面体一致。沿解理方向容易形成细小的裂隙，解理裂隙越多，质量越差，也就容易破碎，破碎时形成参差状、阶梯状与贝壳状断口。第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质 金刚石的内应力

5、内应力的大小是鉴定金刚石好坏的重要标志之一。在正交偏光显微镜下，质量好的金刚石的异常干涉色为黑色；异常干涉色为红紫色的金刚石内应力大、强度低。几乎所有金刚石都具有内应力，其大小在很大范围内摆动。内应力高的金刚石在钻进过程中容易折断损坏，故使用时需剔除或采用预处理方法减少其内应力。高内应力的金刚石不能镶嵌在钻头的重要位置上。第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质 热膨胀系数 金刚石在低温时的热膨胀系数极小（比硬质合金、碳化硅、刚玉低得多），这有利于对金刚石的镶嵌。但随温度升高，其膨胀系数急剧增加。 二、钻探用金刚石二、钻

6、探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质金刚石的导热率高，有良好的导热性，即易吸收和散发热量。这对降低地质钻头切削区的温度是很重要的。 导热性二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质 热稳定性 金刚石的热稳定性较差。因此，在使用金刚石钻头时要充分冷却。如果钻头冷却不良，胎体部分的温度会不断升高。当达到7208000C时，金刚石即会石墨化，此时，金刚石钻头表现为严重磨损乃至烧钻。 温度对金刚石强度影响较大，特别是对粒度较细的人造金刚石，随着温度升高、强度下降。第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金

7、刚石的物理性质金刚石的电阻率很大，是不良导体；但也有少数金刚石是良好的半导体材料。金刚石一般没有磁性，当含有磁性包裹体时，金刚石就具有磁性。合成人造金刚石时，由于带入铁、钻、镍等触媒杂质，使金刚石具有磁性。 电磁性第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石2、金刚石的物理性质、金刚石的物理性质金刚石在阴极射线、紫外线、X射线的照射下常发出蓝、黄、绿等鲜艳的荧光。据有关资料介绍，紫外线照射时不发光的金刚石比发光的耐磨性好；但在动载作用下，不发光的强度最小；发蓝色、绿色、黄色、玫瑰色的光，其动载强度依次升高。 荧光二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石3、金刚石的力学性

8、质、金刚石的力学性质硬度是金刚石最重要的性能之一。由于金刚石品格是正四面体，且碳原子相互由共价键连接，吸引力大，这就决定了金刚石的硬度极高，是目前己知矿物中硬度值最大的一种。金刚石的莫氏硬度为10级，其研磨硬度为刚玉的150倍，为石英的1000倍。 硬度 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石3、金刚石的力学性质、金刚石的力学性质 金刚石具有极大的静抗压强度（简称强度）。强度取决于金刚石的晶体形态、晶体的完好程度、杂质的成分和含量、晶体的组织结构等。 一般地说，浑圆状的、结晶完好的金刚石强度大；有微裂隙、内部有缺陷的、含气泡的和包裹体的金刚石强度小。从结晶形态来看，十二面体、八面体的比无定形的好，不

9、同晶形的金刚石强度可相差2-4倍。天然金刚石的抗压强度约为8600MPa，约为刚玉的3. 5倍，硬质合金的1. 5倍，钢的9倍。目前，用于钻探的人造金刚石强度，一般要求2500MPa以上。 抗压强度第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 二、钻探用金刚石二、钻探用金刚石3、金刚石的力学性质、金刚石的力学性质金刚石具有极高的耐磨性，是刚玉的90倍，硬质合金的40200倍，钢的20005000倍。这就决定了它用作钻头时不易磨损。 耐磨性三、金刚石的分类三、金刚石的分类金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。 (1)“包尔兹”(Bortz) ，颜色变化很大，一

10、般呈无色、黄色、灰色或黑色，从透明到不透明。凡结构异于“黑色金刚石”和“巴拉斯”，又不够宝石级金刚石的皆属于此类。它多呈不规则或放射状的亚显微晶体结构，外形常为浑圆粒状，具有高的硬度，价格较便宜。目前绝大多数表镶钻头均采用此类金刚石。某些等级只适合于破碎成不同尺寸的粉末（粉碎包尔兹），作孕镶钻头或其他磨料使用。1、天然金刚石第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类 (2)“刚果”(Congo)亦称“刚果包尔兹”，产于扎伊尔。刚果金刚石从无光泽到半透明，颜色有白、灰、黄、绿等。细晶结构，硬度略低于“包尔兹”，是一种较低品级的金刚石。大多呈碎粒状，可作孕镶钻头用

11、。精选“刚果”亦可制作表镶钻头，用于软至中硬岩层的钻进。1、天然金刚石第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类人造单晶金刚石在晶形生长发育良好的情况下呈八面体、十二面体及它们的聚形，而且晶面完整、晶棱清晰。质量较次的则往往晶形不完整，常出现连晶以及晶面有蚀坑等。人造单晶是人造金刚石的最基本品种。由于合成时使用触媒不同，因而具有不同颜色，而以不同深浅的黄绿色晶体以及含硼黑色晶体为主。这是我国目前金刚石钻探使用的最主要品种。2、人造单晶金刚石第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类金刚石钻进由于人造单晶金刚石本身的特性（如硬度

12、非常大等）在硬地层和坚硬地层中得到了广泛的应用。但是由于金刚石单晶颗粒小（人造单晶粒径不超过lmm），限制了这种钻进方法在钻探上的应用，在软一中硬地层中不能发挥其钻进的优越性。为了改变这种状况，在人造单晶金刚石问世之后，相继研究出了人造聚晶金刚石，亦称金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片。3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类由90左右微细的或各种粒度组成的微粉金刚石加人适量（10左右）的粘结剂（如Ni镍、Si、B硼、Ti钛、Zr镐、 Re铼等元素）在高温和超高压下烧结而成。3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 金刚石聚晶烧结体第

13、二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类它的特点是：(1）耐热性好，有的达12000C时热稳定性性能基本不变，可与天然金刚石媲美，甚至超过天然金刚石；(2）抗压强度高达3000MPa(3）可以直接合成所需的片、块、圆柱等形状和一定大小的单体；(4）致密、晶体交互生成，无裂隙；耐磨性能好。 (5）用于钻进中硬及部分硬地层。但由于硬度较低，不能用于大部分硬和坚硬地层。3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 金刚石聚晶烧结体三、金刚石的分类三、金刚石的分类金刚石复合片是将聚晶金刚石层（约为0. 5lmm厚）附着粘结在硬质合金衬底上的复合材料。由于它兼有金刚石聚晶层极高的

14、耐磨性和硬质合金高的抗冲击韧性，并且金刚石层能始终保持锐利的切削刃，因而在地质钻探的软至中硬地层钻探中使用效果非常好。3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 金刚石复合片1-金刚石层；2-过度层；3-硬合金层 三、金刚石的分类三、金刚石的分类复合片的特点：(1)复合片金刚石层中的金刚石含量高达99%，粘结金属含量仅占1左右，故金刚石层硬度高、耐磨性极好；(2)复合片金刚石层很薄，一般控制在0. 51mm左右。因此，刃口锋利而且始终保持自锐；3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 金刚石复合片第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 三、金刚石的分类三、金刚石的分类复合片的特点：(3)复合片衬底硬质合

15、金含钴量高，强度高，大大提高了整个复合片在孔底的抗冲击能力；(4）由于聚晶金刚石层本身耐热性差，同时与硬质合金片的热膨胀系数相差悬殊，故复合片耐热性能较差，一般在750 0C以内；(5）由于复合片刃口锋利，耐磨性好，故复合片钻头钻速高、寿命长、取心率高、所需钻压小、孔斜小、钻孔质量好。3、金刚石聚晶烧结体和金刚石复合片 金刚石复合片四、金刚石钻头的种类四、金刚石钻头的种类金刚石钻头由三部分组成，即金刚石、胎体和钻头体。金刚石钻头形式多样，基本结构如图所示。用各种天然或人造金刚石制作的钻头统称为金刚石钻头。四、金刚石钻头的种类四、金刚石钻头的种类金刚石钻头按胎体中的包镶形式分为两类：表镶钻头：金

16、刚石镶嵌在胎体的表层；孕镶钻头：金刚石是镶嵌在胎体之中。(a)表镶钻头：表镶钻头： 1底刃金刚石；底刃金刚石；2边刃金刚石；边刃金刚石； 3侧刃金刚石；侧刃金刚石； 4胎体；胎体； 5钻头体钻头体(b)-孕镶钻头：孕镶钻头： 1金刚石；金刚石； 2工作部分胎体；工作部分胎体； 3非工作部分胎体；非工作部分胎体； 4钻头体钻头体; h-孕镶层高度孕镶层高度四、金刚石钻头的种类四、金刚石钻头的种类四、金刚石钻头的种类四、金刚石钻头的种类五、金刚石钻头破碎岩石机理五、金刚石钻头破碎岩石机理金刚石钻头破岩过程存在着研磨、切削、压裂、压碎等破岩形式。 五、金刚石钻头破碎岩石机理五、金刚石钻头破碎岩石机理

17、表镶钻头：分析其破碎岩石过程时，取单颗金刚石为研究对象，并将其视为球体，如上图所示。理论和试验表明：表镶金刚石钻头破碎坚硬脆性岩石时，其主要破碎方式为压裂、压碎加体积剪切，而切削破碎方式是次要的。在破碎塑性大的硬及中硬岩右时，则主要以切削方式破碎岩石，而以压裂压碎为辅。 第二节第二节 金刚石钻头钻进金刚石钻头钻进 五、金刚石钻头破碎岩石机理五、金刚石钻头破碎岩石机理孕镶钻头： 所用的金刚石的粒度小，且埋藏于胎体之中，其实际碎岩机理和砂轮磨削类似，如图所示。以刃具面多而小金刚石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压裂压碎。六、金刚石钻头六、金刚石钻头 根据钻进过程和碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶

18、金金刚石钻头和聚晶烧结体（包括复合片）金刚石钻头。 目前在地质勘探钻进中主要使用表镶和孕镶金刚石钻头。国外多用天然表镶金刚石钻头；国内多用人造孕镶金刚石钻头。 1）金刚石钻头的种类和代号六、金刚石钻头六、金刚石钻头 根我国采用6个字母和数字表示钻头品种的特征，如PRYP33表示人造金刚石孕镶普通双管平底型钻头，金刚石浓度为75，属中等耐磨性胎体（相当HRC35-40热压胎体）。(1）第一个字母表示不同钻进方法的钻头。P普通双管钻头；D单管钻头；S绳索取心钻头；W全面钻头；K空气钻进钻头；Z造斜钻头；C冲击回转（液动锤）钻头；F反循环钻头；G底喷式钻头；B不提钻换钻头。1）金刚石钻头的种类和代号

19、六、金刚石钻头六、金刚石钻头 根我国采用6个字母和数字表示钻头品种的特征，如PRYP33表示人造金刚石孕镶普通双管平底型钻头，金刚石浓度为75，属中等耐磨性胎体（相当HRC35-40热压胎体）。(2）第二个字母表示金刚石类型。R人造金刚石单晶；T天然金刚石；F复合片；Z柱状聚晶；S三角形聚晶；d多角形聚晶；Y圆片聚晶。1）金刚石钻头的种类和代号六、金刚石钻头六、金刚石钻头 根我国采用6个字母和数字表示钻头品种的特征，如PRYP33表示人造金刚石孕镶普通双管平底型钻头，金刚石浓度为75，属中等耐磨性胎体（相当HRC35-40热压胎体）。(3）第三个字母表示金刚石镶嵌形式。B表镶；Y孕镶；X镶嵌；

20、D电镀。(4）第四个字母表示钻头的唇面结构。代表唇面结构形式。(5）第五个是数字，代表胎体的耐磨性或硬度等级。(6)第六个数字，代表孕镶钻头金刚石浓度或表镶钻头金刚石分布的密度等级。1）金刚石钻头的种类和代号六、金刚石钻头六、金刚石钻头金刚石钻头的规格尺寸是很严格的，各国都有其自己的标准。钻头规格都以钻头外径来标称。我国的金刚石钻头规格标准已经修改定为国家标准（GB3432-82 “金刚石岩心钻探无缝钢管”），其中金刚石钻头规格系列为：36.5, 46.5, 59.5, 75, 91mm等。2）金刚石钻头的规格和标准六、金刚石钻头六、金刚石钻头金刚石是钻头的刃部，对于表镶钻头，金刚石镶嵌在胎体

21、的表层，按照镶嵌位置的不同，分为底刃金刚石、边刃金刚石和侧刃金刚石。底刃金刚石是克取岩石的主力；边刃金刚石其作用除克取岩石外，还要保持钻头内外径；侧刃金刚石其作用仅是保持钻头内外径。3）金刚石部分六、金刚石钻头六、金刚石钻头钻头体是指钻头的钢体部分，用中碳钢制成。单管钻头的钢体长为71mm，上端车有外丝扣，丝扣长度为30mm。双管钻头的钢体长为115mm，上端车有内丝扣，丝扣长为33mm。4）钻头体六、金刚石钻头六、金刚石钻头金刚石钻头胎体用于包镶金刚石并与钢件牢固连接。不同类型钻头对胎体性能有不同的要求，主要取决于钻头的工作特性及所钻岩层的物理力学性质。5）金刚石钻头胎体六、金刚石钻头六、金

22、刚石钻头对钻头胎体性能的要求为：(1)胎体要牢固地包镶金刚石；（2）应有足够的强度，具有一定的抗冲击性能，胎体与刚体之间的连接要牢固；（3）胎体的硬度、抗冲蚀性能、耐磨性要与所钻岩石的压如入硬度、抗压强度、岩粉的冲蚀性、岩石的研磨性相适应。5）金刚石钻头胎体六、金刚石钻头六、金刚石钻头表镶金刚石钻头胎体表面单位面积内金刚石含量的多少称为金刚石在胎体表面分布的密度（以下简称密度），以粒cm2表示。对于不同粒度的金刚石有不同的密度。6）金刚石在胎体中的浓度（密度）六、金刚石钻头六、金刚石钻头孕镶钻头胎体中单位体积内金刚石含量的多少称为胎体中金刚石的体积浓度，其单位为（克拉/cm3）。目前生产厂家用

23、的浓度制，主要是采用“金刚石制品国际浓度标准”来表示，即100的浓度表示每lcm3中含金刚石4. 39克拉。如75的浓度相应为含金刚石3.3克拉/cm3。6）金刚石在胎体中的浓度（密度）六、金刚石钻头六、金刚石钻头浓度偏高，钻头胎体端面的金刚石与岩石的接触面积增大，单粒金刚石上所承受的压力较小，相应压入岩石的深度减小。当金刚石上的压强小于岩石抗压强度时，金刚石就不能压入岩石，表现为钻头不进尺，在孔底打滑。相反，浓度偏低，在钻头胎体端面上出露的金刚石太少，一是不能布满孔底岩石的环状面积，出现大片的无金刚石空白区；二是造成单粒金刚石上的压强太大，在新的金刚石未出露之前，已出露的金刚石就过早地磨钝或

24、崩刃、脱粒，钻进状况恶化，甚至被迫停止钻进。所以，从理论上来说每一类岩层都有一个相对应的最佳浓度值。4）金刚石在胎体中的浓度（密度）六、金刚石钻头六、金刚石钻头在保证金刚石质量的前提条件下，孕镶钻头在硬和坚硬的岩层中宜采用较小的粒度，以利于失去工作能力的金刚石在钻进过程中不断脱落，新的金刚石不断投人工作，实现金刚石钻头的自锐。而在软至中硬岩层中则相反，应采用较粗粒的金刚石，以保证钻头端面有较大的出刃及切入深度，维持钻头有较高的钻速。7）金刚石的粒度六、金刚石钻头六、金刚石钻头金刚石在胎体端面的出刃值必须遵守下列几条原则：8）金刚石的出刃（1）保证在正常的泵压条件下岩粉能从钻头端面顺利通过；（2

25、）金刚石出露刃在钻进时不易被折断；（3）金刚石在胎体中包镶牢固。六、金刚石钻头六、金刚石钻头其出露的数值取决于金刚石粒度的大小和所钻岩石的物理力学性质。在软的、粘性的及脆弱胶结的粗粒岩石中，设计较大的出刃值；在厚层的硬岩中以及在破碎的裂隙岩层中设计较小的出刃值。8）金刚石的出刃六、金刚石钻头六、金刚石钻头对于复合片、三角形聚晶的出刃数值，则远远超出表镶和孕镶的出刃值。一般设计为两种类型：半出刃型和全出刃型。8）金刚石的出刃半出刃型复合片半出刃型三角形聚晶六、金刚石钻头六、金刚石钻头对于复合片、三角形聚晶的出刃数值，则远远超出表镶和孕镶的出刃值。一般设计为两种类型：半出刃型和全出刃型。8）金刚石

26、的出刃全出刃型复合片全出刃型三角形聚晶六、金刚石钻头六、金刚石钻头对于复合片、三角形聚晶的出刃数值，则远远超出表镶和孕镶的出刃值。一般设计为两种类型：半出刃型和全出刃型。8）金刚石的出刃半出刃型适用于钻进中硬的灰岩、泥质胶结的砂岩、页岩等；全出刃型适用于钻进软的松散的砂岩及易糊钻的泥质岩层。六、金刚石钻头六、金刚石钻头表镶钻头金刚石在胎体上排列的原则： 1）金刚石要均匀地布满钻头的胎体表面，不能有空隙，以便有效克取岩石；2）便于冲洗液排除岩粉；3）充分冷却金刚石。9）金刚石在胎体上的排列六、金刚石钻头六、金刚石钻头表镶钻头目前常用的几种排列形式如图所示。9）金刚石在胎体上的排列放射状圆弧状 螺

27、旋状 六、金刚石钻头六、金刚石钻头表镶钻头在软岩中为排粉畅通，采用螺旋形水口时，最好排列为螺旋状；在中硬和硬岩层多采用直槽和斜形水口时，可采用放射状排列和圆弧形排列。9）金刚石在胎体上的排列六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 1）复合片在钻头上镶嵌数量。钻头上镶嵌复合片的数量与地层密切相关，较硬地层密度大，以减少钻头的磨损速度，反之则少。 六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 2)复合片摆放的位置a交错排列。当复合片直径小于钻头胎体壁厚时，可以布置成一片具有外出刃；另一片具有内出刃，两

28、片交错排列六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 2)复合片摆放的位置b同径排列。当复合片直径与标准钻头胎体壁厚相同时，每个复合片都具有相同的内外出刃，即外出刃在同一外径上，内出刃在同一内径上。六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 2)复合片摆放的位置c底出刃一致排列。用于直径相同的复合片，保持底出刃一致。d高低出刃排列。用于直径不同的复合片，在钻头底唇面上出刃高低不一，在孔底相应钻出凸凹不平的自由面，有利于破碎岩石，提高钻速，小直径的复合片也起到辅助增强的作用。六、金刚石钻头六、金刚石钻

29、头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 3)复合片镶嵌的角度()切削角a 其数值减小时，切削作用加强，即在同样的钻压下切削角小的切削具切削深度大，可以钻出较大的岩屑，从而在其他相同的条件下可获得较高的钻速。但是较小的切削角在钻硬地层时因跳动冲击而易损坏。一般依据实验和经验切削角设计为100150，既能具有较高的钻速又能保持一定的寿命。 六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列排列设计的内容为： 3)复合片的径向角 径向角 该角是切削具表面和钻头径向平面之间的夹角。具有径向角的复合片可将岩屑引导到外环空间，不易被岩粉粘附，而且径向角的角度

30、越大岩屑粘附切削具的可能性越小。从有利于切削岩石和排除岩粉两方面考虑，一般径向角设计为50200 六、金刚石钻头六、金刚石钻头复合片钻头的排列设计9）金刚石在胎体上的排列六、金刚石钻头六、金刚石钻头不同的岩层采用不同的保径方式，在中硬和硬地层中采用圆柱状人造聚晶，每个扇形块的内外径可排列23排，每排12粒，其规格为直径1. 82mm，长度为3. 54mm。在硬一坚硬岩层中可采用天然金刚石保径，每个扇活块的内外径处排列23排，每排为23粒天然金刚石，其粒度为1520粒克拉。在软岩层中可采用低钻针状硬质合金，排列方式同圆柱状人造聚晶。在一般中硬岩层中采用单晶保径。硬、脆、碎地层中可用天然金刚石及人

31、造聚晶保径，在关键部位水口的前后用硬合金条补强，或用硬合金补强。10）金刚石在钻头保径层上的排列七、金刚石钻头的水路系统七、金刚石钻头的水路系统为使钻头水路具更好的排粉和冷却性能，须随地层而异设计不同型式的水口。金刚石钻头的水路系统包括水口、漫流区过水间隙和内外金刚石钻头的水路系统包括水口、漫流区过水间隙和内外环间隙。环间隙。1、水口七、金刚石钻头的水路系统七、金刚石钻头的水路系统直槽型（图 a），用于软一硬的地层，结构简单，容易制造，采用最为普遍。斜槽型（图 b），适用于厚壁钻头，其特点是可以促使岩粉沿斜水口迅速排至外环状空间。全面冲洗型（图 c），又称梅花形水口，用于表镶钻头钻进硬一坚硬地

32、层。此型水口的特点是迫使冲洗液沿着金刚石的出刃，在胎体和孔底岩石之间的间隙形成液流，能充分冷却金刚石。1、水口七、金刚石钻头的水路系统七、金刚石钻头的水路系统螺旋型（图d），用于钻进软地层。螺旋形水路在旋转过程中使岩粉能及时地被冲洗液沿水口携带到外环状间隙中。倾斜槽型（图e )，其特点是扇形块的端部呈倾斜的楔形，内外水槽间隔分布错开排列，并超过扇形块的顶点。其优点是冲洗液可充分冷却钻头。此型水口主要用于制造孕镶钻头。主副水路型（图 f），用于钻进软地层，其副水路可以辅助主水路排粉和冷却厚壁钻头胎体的中心部分。底喷型（图 g），适用于硬、碎岩层及粉状岩层。由于无内水槽，冲洗液主要由胎体中的水眼流

33、至底唇，能防止冲洗液对岩心的冲蚀，保证岩心采取率。1、水口七、金刚石钻头的水路系统七、金刚石钻头的水路系统表镶钻头与孔底接触后，除水口以外的过水面积称漫流区。冲洗液总量中的一部分将从过水间隙处通过，实现冷却金刚石和清洗各金刚石之间的岩粉。如果此处间隙值太小，则易引起糊钻，所以在软岩中出刃要大；反之，在硬岩中出刃可小。孕镶钻头主要依靠胎体金属的不断冲蚀和研磨，从而使金刚石保持一定的出露量。该出露量值比较小，所以，孕镶钻头主要依靠减少水口宽度，增加水口数量使胎体每个扇形块都有良好的冷却条件。2、漫流区过水间隙七、金刚石钻头的水路系统七、金刚石钻头的水路系统钻头钢体外表面与孔壁之间的外环状间隙，及钢

34、体内表面与岩心之间的内环状间隙。此水路系统必须考虑地层特性、冲洗液类型等因素。例如：钻探水敏性地层、易缩径地层并采用泥浆护壁时，需相应增大内外环状空间，以减小水力损失，否则会增大钻头压强，造成泵压增高，甚至蹩泵。3、内外环状间隙八、金刚石钻头的选择八、金刚石钻头的选择选择金刚石钻头的原则：(1）软至中硬和完整均质岩层，一般宜用天然表镶钻头、复合片钻头、聚晶钻头，部分可用烧结体钻头。(2)硬至坚硬致密的岩层（712级），一般宜用孕镶钻头，或细粒表镶金刚石钻头。(3）在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，如煤系地层，宜用耐磨性好的、补强的电镀孕镶钻头。八、金刚石钻头的选择八、金刚石钻头的选择选

35、择金刚石钻头的原则：(4）强研磨性岩层，用高耐磨性胎体；中等研磨性岩层，用中等耐磨性胎体；弱研磨性岩层，选用低耐磨性胎体。(5)复杂岩层，研磨性越强、越硬，选用金刚石品级好、粒度相对细的钻头。(6）强研磨性、较破碎的岩层，在保证金刚石包镶良好的条件下，选用金刚石浓度较高的钻头。反之，均质致密、弱研磨性的岩层，选用金刚石浓度较低的钻头。(7）岩层软，排粉多，选用复合片钻头或聚晶钻头。九、金刚石钻头钻进规程九、金刚石钻头钻进规程钻头选定后，金刚石钻进的效率有赖于钻进规程的选择。钻进规程包括：钻压、转速和冲洗液量3个参量。影响钻进规程参数的因素很多，主要有：岩层的性质和特点、钻头的类型、所用设备和钻具的性能、钻孔的直径和深度，其他工艺技术条件等。九、金刚石钻头钻进规程九、金刚石钻头钻进规程金刚石钻进也分为3个不同的区域：(I)为表面研磨破碎，虽也呈线性正比关系，但钻速极低；()为疲劳破碎区，这是一个过渡带，依靠多次重复，裂纹扩展而碎岩；（）为钻刃切入岩石的体积破碎区。该区内钻速随钻压增长很快。但与此同时，单位进尺金刚石的耗量也随钻压的增长而增大，并且还会导致钻速下降。对二者权衡，决定钻压最佳区