第三讲：钻井方法与破岩工具

第三讲钻井方法与破岩工具3.1钻井方法（DrillingMethod）3.2牙轮钻头（Roller/ConeBit）3.3PDC钻头（PDCBit）3.4金刚石钻头（DiamondBit）3.5钻头类型优选1石油钻井方法顿钻钻井法（冲击钻）（PercussionDrilling）旋转钻井法转盘钻（RotaryDrilling）井下动力钻（Downholepowerdrilling）（Downholemotordrivedrilling）复合钻（Dual-driveDrilling）冲击-旋转钻井法（Percussion-rotary

Drilling）3.1钻井方法2一、

顿钻（冲击）钻井法3.1钻井方法3一、

顿钻（冲击）钻井法1859年，美国E.H.Drake在宾夕法尼亚用钢绳冲击钻钻出第一口石油井（21.64m)。3.1钻井方法4一、

顿钻（冲击）钻井法1.工作原理冲击钻头给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩基本条件可用工具动能Tk和岩石变形位能U的平衡方程式来表达：Tk＝U式中：m—钻头和冲击钻杆的质量；

v0—钻头同岩石碰撞时的速度；

hmax——钻头侵入岩石的最大深度；

Pz(h)——岩石抵抗钻头侵入的阻力。3.1钻井方法5一、

顿钻（冲击）钻井法1.工作原理假定作用力与表面的位移成正比（弹性变形）：（a为与岩石弹性有关的比例系数）最大作用力发生在表面位移最大（hmax）的时刻，即钻头下落速度降到零的时刻。此时的变形位能为：由条件U=Tk不难确定hmax：最大作用力：3.1钻井方法6一、

顿钻（冲击）钻井法2.破岩工具——钎头十字型一字型柱齿型3.1钻井方法7一、

旋转钻井法3.1钻井方法8二、

旋转钻井法1900年,德国发明了旋转钻机。turntable1.转盘钻3.1钻井方法9井下动力钻具涡轮钻具（turbodrill）螺杆钻具（helicoidhydraulicdrill）电动钻具（electricdrill）二、

旋转钻井法2.井下动力钻3.1钻井方法10二、

旋转钻井法二、

旋转钻井法3.旋转钻井破岩工具3.1钻井方法11三、

冲击-旋转钻井法3.1钻井方法12三、

冲击-旋转钻井法1.工作原理钻压（静载）冲击载荷井下冲击锤

冲击—旋转钻井是在旋转钻进的基础上加入一个井下冲击器。在钻进中，地面以动力带动整个钻具旋转，并通过钻具给钻头一定的轴向压力；同时井下冲击器以一定的频率进行冲击，给钻头齿施加一个附加冲击载荷。钻头在加压旋转和冲击共同作用下破碎岩石。井下冲击锤是旋转冲击钻井的核心工具。按照驱动方式的不同，分为气动冲击锤和液动冲击锤两种。3.1钻井方法13三、

冲击-旋转钻井法2.井下冲击锤（DownholepercussionHammer）（1）气动冲击锤（空气锤）主要由缸套（外壳）、活塞冲击锤、配气机构和接头等部分组成。空气经空压机和增压机加压后,进入空气锤的配气机构，在活塞上下两腔形成压力差来推动活塞上下往复运动,实现对钻头的冲击做功,达到提高破岩效率的目的。冲击频率：1000~1500次/min；

风压：3MPa

风量：6”—48~52m3/min;8-1/2”/9-1/2”—75~90m3/min；

12-1/4”/17-1/2”—100~120m3/min

钻压：1~2t

转速：20~50rpm3.1钻井方法14三、

冲击-旋转钻井法2.井下冲击锤（DownholepercussionHammer）（2）液动冲击锤喷嘴上腔冲锤活塞活塞套外壳下腔砧子射吸式冲击器由喷嘴、活塞冲锤、活塞套、外壳、砧子等部分组成。利用高压射流的卷吸作用使活塞冲锤上、下腔产生交变压力差推动活塞往复运动的无阀液动冲击器。上接头射流元件缸体活塞冲锤外壳砧子花键套下接头射流式冲击器

射流式冲击器由射流元件、缸体、活塞、冲锤、外壳、砧子等部分组成。采用双稳射流元件作为控制机构，在活塞冲锤上、下腔产生交变压力差推动活塞往复运动。3.1钻井方法15三、

冲击-旋转钻井法3.破岩工具（1）硬质合金柱齿钻头（专用）半球形或锥球形硬质合金柱齿以过盈配合冷压方式镶嵌在钻头钢体上。①平底钻头（FlatBottom）

用于相对较软的地层。②凹底钻头（Concave）

应用最广泛，有利于防斜。③锥底钻头（Convex）

用于极硬、研磨性极高的地层。④复合型钻头

结合锥底和凹底钻头的特点设计。平底钻头凹底钻头锥底钻头复合型钻头3.1钻井方法16三、

冲击-旋转钻井法3.破岩工具（2）改进的牙轮钻头

八十年代中期,国外研制了空气钻井牙轮钻头。它采用非移轴设计,使用较硬的硬质合金齿和敞式轴承。IADC编码为619、639和539。机械钻速较高,但寿命较短。传统的牙轮钻头不能承受冲击载荷，主要表现在钻头巴掌脱落和钻头牙齿容易遭到损坏。将传统的牙轮钻头加以改进，主要是增强巴掌焊缝和牙齿，提高其承受冲击载荷的能力，可用于冲旋钻井。

2002年,美国能源部资助的世界第一例使用泥浆驱动的液动冲击器与不同钻头配合,在不同钻井参数和岩层构造下作了深井凿岩比较,结果发现在相同条件下使用牙轮钻头不如使用冲击类专用钻头的钻速快,即使牙轮钻头没有损坏,其对冲击能量的传递效率也远不如平底钻头等冲击类专用钻头。3.1钻井方法17三、

冲击-旋转钻井法3.破岩工具（3）金刚石加强齿钻头3.1钻井方法18三、

冲击-旋转钻井法4.冲击—旋转钻井的破岩特点①

冲击载荷比静载荷能更有效地破碎脆性硬岩石

冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，局部应力集中，在岩石内容易产生微裂纹。并且冲击速度越大，岩石脆性越大，越有利于裂隙发育。裂纹的发育，降低了岩石表面的机械强度。当冲击载荷足够大时，应力很快接近或超过强度极限，产生脆性破坏，表现为岩石大体积崩离。②岩石处于预压应力状态，受冲击作用更容易破碎

旋转冲击钻进时，井底岩石始终受到轴向压力的作用，使钻头齿下面尚未破碎的岩石处于紧张的预压应力状态，当受到高频冲击作用时，产生应力叠加，岩石更容易破碎。③冲击形成的裂隙给旋转剪切创造了良好的条件

冲击作用在井底岩石表面上形成的裂纹，有助于被进一步压碎产生剪切体，也有利于旋转剪切破碎岩石。两冲击破碎坑之间的岩脊也很容易被剪切掉。3.1钻井方法19三、

冲击-旋转钻井法3.1钻井方法冲击破岩的主要特点是在瞬间可对岩石产生很大的冲击力。岩石越硬，冲击载荷作用时间越短，冲击力越大。因此，冲击破岩方法适用于硬的、脆性岩石和硬的、研磨性地层。井底压差对冲击破岩效果影响显著。因此，在欠平衡，尤其是空气钻井的钻井条件下，冲击破岩钻井破岩效率高。空气锤钻井适合地层不出水的干燥地层。与空气锤相比，液动冲击锤的冲击力较小，破岩效率相对较低。4.冲击—旋转钻井的应用20第三讲钻井方法与破岩工具3.1钻井方法（DrillingMethod）3.2牙轮钻头（Roller/ConeBit）3.3PDC钻头（PDCBit）3.4金刚石钻头（DiamondBit）3.5钻头类型优选213.2牙轮钻头铣齿（钢齿）镶齿（硬质合金齿）223.2牙轮钻头一、

牙轮钻头的发展历程●1909.8HowardR.Hughes取得第一个牙轮钻头的专利，由两个单锥形绞刀状牙轮装在滑动轴颈上构成。实现了把钻柱的旋转运动变为牙齿对井底的冲击压碎作用。但钻软地层很容易被泥包。●1925年，出现了牙齿相互交错啮合的两牙轮钻头，有效防止了泥包。但轴颈间滑动摩擦副的寿命很低。●1932年，装有滚动轴承的两牙轮钻头问，大大提高了轴承寿命。231933年，滚动轴承三牙轮钻头问世。三牙轮钻头与两牙轮钻头相比的突出优点：（1）在不减少井底覆盖率的前提下，各牙轮上各齿圈之间的距离增大，有利于冲洗牙轮，防止泥包；（2）更充分利用了宝贵的空间，提高了钻头总的承载能力；（3）钻头上有三圈外排齿切削井壁，提高了保径能力；（4）钻头稳定好，钻出的井眼质量好。3.2牙轮钻头一、

牙轮钻头的发展历程20世纪30年代后期取得两项重大进步：复锥牙轮和移轴式牙轮。这两种结构使牙齿在压入井底的同时有一定的水平滑动，将冲击压碎作用和刮削作用结合起来，增大了每个破碎坑的体积，机械钻速提高了30%以上。1949年，采用喷嘴代替普通水眼，喷射式钻头迅速推广应用，机械钻速大幅度（50%以上）提高。243.2牙轮钻头一、

牙轮钻头的发展历程1951年，第一只硬质合金镶齿钻头问世，在坚硬研磨性地层中，钻头进尺由1米提高到30米。但在软地层中因钻速不如钢齿，在加上轴承寿命短（25~40小时），故未推广。1968年，发明了具有储油补偿和密封系统的滑动轴承牙轮钻，钻头寿命提高了1倍，达到了80~120小时。此后，具有硬质合金镶齿、储油补偿和密封系统、滑动轴承和高压射流喷嘴四种特征的牙轮钻头成为主导产品，称之为“四合一”钻头。70年代,发明了金属密封轴承，采用金属密封环作为轴承轴向动密封，与常规橡胶圈密封钻头相比，钻头寿命提高了35%。

80年代末，Smith推出覆盖金刚石的镶齿用于背锥齿和外排齿，大大增强了钻头的保径能力。1995年Hughes正式推出GT(GaugeTrimmer)系列,加强了保径钻头保径，提高了机械钻速。25

1998年,BakerHughes公司推出了第1代单金属浮动密封(SEMS)的高速牙轮钻头;2003年对其进行改进,推出了第2代产品(SEMS2),2005年中期在市场上推出了使用第2代技术的MXL系列牙轮钻头转速提高到200~400rpm。3.2牙轮钻头一、

牙轮钻头的发展历程牙轮钻头发展方向：①研制高转速牙轮钻头,避免牙轮钻头轴承在高速下的早期失效,使其在性能上与井下动力钻具相匹配，满足定向井和超深井钻井时提高机械钻速和降低钻井成本的需要。②牙轮+PDC混合型钻头③冲击钻井牙轮钻头263.2牙轮钻头二、

牙轮钻头结构设计

1.牙齿与牙轮

2.轴承及密封系统

3.巴掌(牙爪）与钻头体

4.压力补偿储油润滑系统

5.喷嘴273.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计1.牙齿与牙轮（1）牙齿（tooth)①铣齿（钢齿，steeltooth）

齿形为楔形，表面硬化处理以提高耐磨性。一般用于软的、弱研磨性地层。主要设计参数：齿高—钻头越大，齿越大，露出越高；地层越软，露出越高；齿尖角—软地层40~43°，硬地层44~48°齿顶平宽—0.75~2mm283.2牙轮钻头②镶齿（硬质合金齿，inserttooth）一、

牙轮钻头结构设计1.牙齿与牙轮（1）牙齿（tooth)勺形齿：极软至中软地层楔形齿：软至中硬地层锥形齿：中硬地层尖卵形齿：硬地层球齿：硬至坚硬地层主切削齿规径齿保径齿29一、

牙轮钻头结构设计1.牙齿与牙轮（2）牙轮（cone)303.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计1.牙齿与牙轮（2）牙轮（cone)设计原则在有限空间内尽力加大牙轮体积，以加大轴承尺寸和布齿空间。设计参数主锥角(2φ)、副锥角(2θ)、背锥角(2γ)、总高(H)、背锥高度(h)、最大外径(d)。类型单锥牙轮—硬地层复锥牙轮—软地层31一、

牙轮钻头结构设计1.牙齿与牙轮（3）布齿设计各轮圈齿宽总和牙轮与井底接触母线长度①钻头旋转一周，牙齿应破碎全部井底；②各牙轮母线齿宽之和尽量接近相等；⑤牙轮重复滚动时，牙齿不落入别的齿已破碎的旧坑内。钻头每转一周时，每个齿圈在井底滚动的周长Lk与齿距tz之比不为整数，即：③齿距应小于破碎坑的宽度；最小齿间距满足基体强度要求；设计原则：④各牙轮上的齿数接近相等；井底击碎图3.2牙轮钻头32一、

牙轮钻头结构设计3.2牙轮钻头1.牙齿与牙轮（4）保径设计Activegaugetoothnewold

牙轮钻头靠外排齿的外缘切削井壁,背锥齿把井壁磨光些。一旦外排齿的外缘磨损,切出的井径减小,背锥齿的任务就加重,再磨损,就会磨擦牙轮本体和爪尖。

在牙轮副锥和背锥交界处加一排短的修边齿，其切削能力比背锥齿强得多，提高了钻头规径的耐磨性和钻进速度。。33一、

牙轮钻头结构设计2.轴承及密封系统3.2牙轮钻头（1）滚动轴承（rollerbearing）滚柱+滚珠+滚柱+止推滚柱+滚珠+滑动+止推密封滚动轴承非密封滚动轴承34一、

牙轮钻头结构设计2.轴承及密封系统3.2牙轮钻头（2）滑动轴承（journalbearing）滑动+滚珠动+滑动+止推滑动+卡簧+滑动+止推非密封(open)密封(sealed)卡簧锁紧牙轮35一、

牙轮钻头结构设计2.轴承及密封系统3.2牙轮钻头（3）轴承密封（journalbearing）

“O”圈密封（丁晴橡胶）金属密封BackupRingEnergizerSEMS轴承36一、

牙轮钻头结构设计3.巴掌与钻头体3.2牙轮钻头37一、

牙轮钻头结构设计4.压力补偿储油润滑系统3.2牙轮钻头橡胶储油杯传压孔油道38一、

牙轮钻头结构设计5.喷嘴3.2牙轮钻头喷嘴类型流量系数扩散角/度等速核长椭圆形圆弧形双圆弧形锥形流线形等变速型0.9850.9780.96~0.980.9630.9720.9867.54445.4d04.8d05.8d04.8d05.9d05.9d0水力特性参数椭圆形圆弧形双圆弧形锥形流线形等变速型（1）标准型（距井底110~140mm）39一、

牙轮钻头结构设计5.喷嘴3.2牙轮钻头（2）其它类型●中长喷嘴：比常规喷嘴长约38mm●

长喷嘴：距井底约25mm●反喷嘴●空化射流喷嘴●脉冲射流喷嘴403.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计6.牙轮的布置（1）自洗移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶移轴适用地层：软413.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计6.牙轮的布置（2）自洗不移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶不移轴适用地层：中423.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计6.牙轮的布置（3）非自洗无滑动布置特点：齿圈不嵌合不超顶不移轴适用地层：硬433.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构设计6.牙轮的布置（4）结构参数①钻头直径D②轴倾角β③主锥井底角α④主锥超顶值M⑤牙爪基准值C⑥装配间隙e⑦移轴值S44国产三牙轮钻头结构设计参数参考值钻头类型1234567轴倾角β57/5954/5754/5754/5751/5551/5551/55主锥井底角α12~1510~1510~148~121~91~51~4移轴值S(0.025~0.04)D(0.015~0.03)D(0.010~0.025)D(0.010~0.021)D(0.0~0.012)D00主锥角2φ9492~9490~9490~9480~8780~8780~87副锥角2θ0~300~30-5~25-5~25-5~20-5~10-5~10背锥角2γ由直径投影图上决定2γ=2β牙轮高度H/mm≈0.5D+2≈0.5D自洁式≈0.5D非自洁式=C(1-sinβ)/sinβ-(2~4)牙轮直径d≈0.645D<Dcosβ一、

牙轮钻头结构设计3.2牙轮钻头453.2牙轮钻头一、

牙轮钻头结构与类型一、

牙轮钻头结构与类型2.牙轮钻头的类型（4）IADC分类国际钻井承包商协会用三位数字编码表示牙轮钻头类型：第一位数字为1~8，表示牙齿类别及适应地层1——钢齿，软地层；2——钢齿，中到中硬地层；3——钢齿，硬地层；4——镶齿，软地层；5——镶齿，软到中地层；6——镶齿，中硬地层；7——镶齿，硬地层；8——镶齿，极硬地层。第二位数字为1~4，表示所钻地层由软到硬再分为1,2,3,4四个等级463.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理牙轮钻头工作时，每个牙轮既绕牙轮轴自转，又绕钻头轴线公转；牙轮中心既随钻头的推进而下降，又因交替发生单齿着地和双齿着地而上下往复振动；牙轮上的牙齿既在岩石上滚动，有可能同时存在径向和切向滑动；钻头齿作用在岩石上的力不仅有静压力和扭矩，还有动载荷；钻头受到的岩石反力在理论上也等于钻头施加给岩石的作用力之和。此外，从喷嘴喷出的钻井液也会给钻头一个相应的反作用力。轴承摩擦副以及钻头背锥和保径部与井壁之间均有摩擦力。473.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动是一种包括以下四种运动形式的复合运动：（1）牙齿随牙轮绕钻头轴线公转；（2）牙齿随牙轮绕牙轮轴自转；（3）牙齿滚动时单、双齿交替着地引起牙轮及钻头产生纵向振动；（4）牙齿相对于井底的水平滑动。483.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理（1）牙齿随牙轮绕钻头轴线公转的线速度（顺时针）（2）牙齿随牙轮绕牙轮轴自转转的线速度（逆时针）牙齿在井底为纯滚动时，绝对速度为零，即：式中：Dbx—牙轮与井底接触母线上任意点x旋转半径；

Dcx—牙轮与井底接触母线上任意点x的半径；

nb—钻头转速；

nc—牙轮转速。1.牙轮钻头在井底的运动493.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理（3）纵向振动纵振频率、周期与振幅最大振动速度式中：Z—牙轮外排齿圈齿数；

β—牙轮轴线与钻头轴线的夹角；

ωc—牙轮角速度。1.牙轮钻头在井底的运动单、双齿交替着地引起纵向振动503.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理（4）水平滑动①三个牙轮的轴线相较于钻头中心线上同一点，不超顶，不移轴布置的牙轮钻头，其牙齿在井底只作纯滚动。此时：1.牙轮钻头在井底的运动513.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理（4）水平滑动②三个牙轮的轴线均不通过钻头中心，并向钻头旋转方向平移一定距离S(移轴布置)的牙轮钻头，其牙齿在滚动的同时还产生沿着牙轮与井底接触母线上的向心滑动，即牙轮的径向滑移，其值随移轴距的增大而增大。S径向滑移速度：OaaOaO1.牙轮钻头在井底的运动523.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理（4）水平滑动③三个牙轮的轴线均通过钻头中心，但其顶点均超出钻头中心一定距离C（超顶布置)的牙轮钻头，其牙齿在井底滚动的同时将产生切向滑动，切向滑动速度随超顶距的增大而增大.复锥牙轮一般都超顶。超顶距公转时自转时平衡时合速度切向滑移速度：当C=0时：1.牙轮钻头在井底的运动（运动学）533.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理2.牙轮钻头对井底岩石的作用力（动力学）

牙轮钻头工作时，在静钻压和驱动力矩的作用下，牙齿交替地以单齿和双齿接触凹凸不平的井底，使牙轮和钻头产生纵向振动。在每次振动中，钻头上行，压缩下部钻柱，储存变形位能；钻头下行，被压缩的下部钻柱又恢复原长，位能则转化为钻头冲击岩石的动载荷。此外从喷嘴喷出的泥浆反冲力也给钻头一个较小的上台力。因此，钻头沿轴向施加于岩石表面的作用力包括静钻压、冲击载荷和泥浆上台力。钻头牙轮接受的岩石反力原则上也等于这些动、静载荷之和。543.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理2.牙轮钻头对井底岩石的作用力（动力学）牙轮钻头动力学井下实测数据（美ESSO开发研究公司）井号DCE井深（m）133016111440钻压（kN）平均常变化范围(%)±28±50±26最大变化范围(%)350338250纵向振幅（mm）±4.8±12.7±3.2扭矩（N·m）平均值474250143387正常变化范围(%)±14±13.5±32最大变化范围(%)±130±140±200553.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理3.牙轮钻头的破岩作用（1）冲击、压碎作用

牙轮钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双齿交替接触井底，使钻头产生纵向振动。钻头纵向振动产生的冲击载荷和钻压通过牙齿作用在岩石上，对井底岩石产生冲击压碎作用，形成体积破碎坑穴。

（2）滑动剪切作用

牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，剪切齿间岩石。563.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理3.牙轮钻头的破岩作用软地层，塑性大，研磨性小.主要依靠牙齿吃入较大深度后的滑动来剪切、刮削岩石。因此。适用于软地层的牙轮钻头普遍采用楔形钢齿或镶齿和兼有最大移轴和超顶值的复锥牙轮。硬地层，弹脆性大，研磨性往往也很大小.主要依靠牙齿在动/静载荷作用下的冲击、压入作用破碎岩石。它不允许牙齿出露过高，以免折断；也不希望存在及无助与剪切和刮削有必然加剧牙齿磨损的滑移。因此，适用于硬地层的牙轮钻头普遍球形镶齿和不超顶、不移轴的单锥牙轮。中软到中硬地层.最好依靠牙齿的冲击、压入和剪切、刮削的综合作用破碎岩石。因此。适用于这类地层的牙轮钻头可采用相对较长的钢齿或镶齿和兼有适当移轴和超顶值的复锥牙轮。573.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理4.牙轮钻头的磨损及分级（2）牙齿磨损分级

牙齿磨损共分为8级，代号“T”

铣齿磨损分级以齿的磨损高度与原齿高之比来评定。镶齿的磨损分级以崩碎和掉落的齿数与总齿数之比来评定。如：铣齿磨损高度在1/8以内，或者镶齿崩随和掉落齿数位总齿数的1/8以内，为1级，用T1表示。铣齿磨损高度在2/8以内，或者镶齿崩碎和掉落齿数位总齿数的2/8以内，为2级，用T2表示，以此类推。（1）钻头直径磨损

钻头保持原来直径，用I代表；直径磨小，用O代表，后面用数字说明直径磨小值（英寸）。583.2牙轮钻头二、

牙轮钻头工作原理4.牙轮钻头的磨损及分级（3）轴承磨损分级

以钻头使用时间与轴承寿命（同类型钻头统计结果）之比来划分轴承磨损等级，用B代表轴承磨损，共分为8级。

B1使用时间达到轴承寿命的1/8 B2使用时间达到轴承寿命的2/8（轻微磨损）

B3使用时间达到轴承寿命的3/8B4使用时间达到轴承寿命的4/8（中等磨损）

B5使用时间达到轴承寿命的5/8B6使用时间达到轴承寿命的6/8（轴承晃动）

B7使用时间达到轴承寿命的7/8B8使用时间达到轴承寿命的8/8（卡死或弹子有掉落）593.2牙轮钻头三、

牙轮钻头的合理使用由于牙轮钻头破岩既有冲击作用,又有压入、剪削作用，所以不论是较软岩石还是较硬岩石，牙轮钻头都可以用，属于一种广谱型钻头。牙轮钻头的冲击载荷较小，故在硬岩石中的破岩效率较低；由于牙轮钻头切削作用较弱，且不能连续破碎岩石，故在软岩石中的破岩效率比切削破岩的低。井底压差和射流冲击力对牙轮钻头破岩效果影响显著，因此，空气等欠平衡钻井，可大幅度提高钻井速度。高压喷射钻井，可显著提高牙轮钻头的机械钻速。60第三讲钻井方法与破岩工具3.1钻井方法（DrillingMethod）3.2牙轮钻头（Roller/ConeBit）3.3PDC钻头（PDCBit）3.4金刚石钻头（DiamondBit）3.5钻头类型优选613.3PDC钻头PDC切削齿喷嘴WC胎体钢体接头62一、PDC切削齿（PDCCutter）1.PDC切削齿结构及类型聚晶金刚石薄层（0.5~2.5mm）+碳化钨基体3.3PDC钻头PolycrystallineDiamondLayerDiamondtoTungstenCarbideInterfaceTungstenCarbideBacking633.3PDC钻头一、PDC切削齿（PDCCutter）1.PDC切削齿结构及类型型号直径（mm）长度（mm）金刚石厚（mm）刃部倒角适用地层08088820.25×45硬地层130813.44820.25×45均值中硬地层，131313.4413.220.25×45非均值中硬地层160816.0820.25×45均值中等地层161316.013.220.25×45非均值中等地层190819.05820.25×45均值软地层191319.0513.220.25×45非均值软地层191619.051620.25×45非均值、含砾软地层常用PDC切削齿尺寸直径越小，适用地层越硬；金刚石体积越大，其耐磨性和抗冲击性越好。643.3PDC钻头材料性能单位天然金刚石PDC硬质合金合金钢(4340)密度g/cm33.523.0-3.2514.957.8硬度Kg/mm26000-90005000-80001475558杨氏模量106psi105-1521329229抗拉强度103psi--160238横向破裂强度103psi-125-225275-抗压强度103psi1260890780238破裂韧性Ksi√in3.16.310.845.8热膨胀系数10-6/℃1.341.5-3.84.311.2热导率(25℃)W/cm℃5.205.431.00.48机械及热性能的对比一、PDC切削齿（PDCCutter）2.PDC切削齿的物理力学性质653.3PDC钻头一、PDC切削齿（PDCCutter）2.PDC切削齿的物理力学性质①极高的硬度（钢的9~14倍，硬质合金的3~5倍）。②较高的抗压强度（钢的3~4倍）。③良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）。④具有硬质合金的可焊性。⑤抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差。聚晶层经受冲击载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石，锋锐边刃很容易碎裂。⑥对温度较敏感。350℃左右，磨损速度显著加快；700℃左右，强度失效。66二、PDC钻头分类3.3PDC钻头1.按用途分

取心钻头、全面钻进钻头2.按钻头体材料分（1）胎体钻头

粉末冶金材料烧结成型。优点是耐冲蚀性好，可修复性好。缺点是制造工艺复杂，成本高。（2）钢体钻头金属材料加工成型。优点是工艺简单，加工精度高，成本低。缺点是耐冲蚀性和可修复性较差。钻头体67二、PDC钻头分类3.3PDC钻头3.按切削结构分（1）普通型（2）加强型68二、PDC钻头分类3.3PDC钻头3.按结构设计特点分第一位字码第二位字码第三位字码第四位字码钻头体材料切削齿密度切削齿尺寸剖面形状S—钢体M—胎体1—<30（1/2in）2—30~40（1/2in）3—40~50（1/2in）4—>50

1—24mm2—19mm3—13.3mm4—8mm1—平底2—短锥（<58mm)3—中锥（58~114.3）4—长锥（>114.3）PDC钻头IADC分类693.3PDC钻头三、PDC钻头与岩石的相互作用机理

PDC钻头以切削作用破碎岩石。切削齿在轴向力和旋转水平力的共同作用下，连续侵入并剪切破碎井底岩石，相应地产生给进运动和旋转运动。切削齿在井底岩石上的切削轨迹为一螺旋曲面。螺旋面形状取决于切削刃的大小、形状和侵入深度。设钻头平均每转进尺为δ，钻头转速为n，则机械钻速为：1.

PDC钻头的切削破岩作用PT703.3PDC钻头PTR

塑性岩石的破碎以连续平稳的为主。切削齿在轴向力和切向力的联合作用下，切入岩石一定深度，并挤压刃前岩石，使之发生塑性变形破碎，不断地向自由面剪切滑移出去。切削过程基本上是平稳的，切削阻力变化不大。1.

PDC钻头的切削破岩作用三、PDC钻头与岩石的相互作用机理713.3PDC钻头T

脆性岩石破碎的显著特点是以跃进式破碎为主。岩石的破碎过程是由三个阶段组成的循环过程：压碎、形成密实核和剪切崩离。切削过程极不平稳，切削力是跳跃式变化的。1.

PDC钻头的切削破岩作用三、PDC钻头与岩石的相互作用机理723.3PDC钻头2.

PDC钻头的力学模型

Warren&Sinor

模型（SPE15618）：三、PDC钻头与岩石的相互作用机理733.3PDC钻头2.

PDC钻头的力学模型

Zajia

模型（SPE14217）：三、PDC钻头与岩石的相互作用机理743.3PDC钻头2.

PDC钻头的力学模型

Glowka

模型（SPE15619）三、PDC钻头与岩石的相互作用机理753.3PDC钻头2.

PDC钻头的力学模型

本人模型三、PDC钻头与岩石的相互作用机理763.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（1）研磨性磨损

这种形式的磨损是由切削刃与岩石的摩擦作用引起的，表现为切削刃逐渐被磨钝，磨损面逐渐增大，机械钻速逐渐降低。

在切削岩石的过程中，钴首先磨损，然后是碳化钨颗粒，磨损最慢的是金刚石聚晶层，于是在切削面上形成聚晶金刚石凸缘，使切削齿保持锋锐。随着钨-钴合金基体的磨损，作用在聚晶金刚石刃面上力增大，造成应力集中，聚晶层内的金刚石晶粒或解理断裂，或剥落。新的锋锐解理小刃面不断出露，使聚晶体具有良好的自锐切削性能。

磨损速度取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、地层的研磨性及切削齿的耐磨性。研磨性磨损是一种相对稳定的磨损形式，它贯穿整个钻头的工作过程。三、PDC钻头与岩石的相互作用机理773.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（2）热磨损

PDC钻进时，在切削齿与岩石的相互作用面上将产生大量的摩擦热。在聚晶金刚石层中，粘结剂钴热膨胀系数为1.22×10-4mm/T，比金刚石的热膨胀系数3.3×10-5mm/T大得多，因此钴受热膨胀的速度比金刚石快。不同膨胀速率将在聚晶金刚石层产生内应力，引起晶间裂缝，导致结构强度降低，使磨损速度加快。Glowka研究了温度对PDC切削齿磨损速度的影响后指出，当摩擦面温度超过350℃时，磨损速度将提高1~2个数量级；当温度高于730℃后，可造成聚晶金刚石层的宏观碎裂。三、PDC钻头与岩石的相互作用机理783.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（3）冲击碎裂冲击载荷引起的切削齿崩碎是导致PDC钻头过早失效的主要原因。产生冲击载荷的原因：①井底凹凸不平引起的纵向振动；②切削阻力不均匀引起的切向振动；③钻头涡动金刚石层切削方向切向力轴向力金刚石层切削方向切向力轴向力三、PDC钻头与岩石的相互作用机理

钻进软硬交错地层和砾石层时，PDC钻头冲击损坏极为严重。793.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（4）固定齿钻头IADC分级标准

CUTTERSTRUCTUREBGREMARKSINNERROWSOUTERROWSDULLCHARLOCA-TIONBRINGSEALSGAUGE1/16”OTHERCHARREASONPULLEDX磨损等级相对磨损高度磨损等级相对磨损高度113%563%225%675%336%783%450%8100%切削齿磨损等级三、PDC钻头与岩石的相互作用机理803.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（4）固定齿钻头IADC分级标准

CUTTERSTRUCTUREBGREMARKSINNERROWSOUTERROWSDULLCHARLOCA-TIONBRINGSEALSGAUGE1/16”OTHERCHARREASONPULLED

XCODEBFBTCTERHCJDLTROWTCHARBondFailureBrokenCuttersChippedCuttersErosionHeatCheck-ingJunkDamageLostCuttersRingOutWornCutters三、PDC钻头与岩石的相互作用机理813.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（4）固定齿钻头IADC分级标准

CUTTERSTRUCTUREBGREMARKSINNERROWSOUTERROWSDULLCHARLOCA-TIONBRINGSEALSGAUGE1/16”OTHERCHARREASONPULLED

XCODECNTSGALOCA-TIONConeNoseTaperShoulderGaugeAllArea三、PDC钻头与岩石的相互作用机理82

CUTTERSTRUCTUREBGREMARKSINNERROWSOUTERROWSDULLCHARLOCA-TIONBRINGSEALSGAUGE1/16”OTHERCHARREASONPULLED

XI1234原直径直径缩小1/16in直径缩小1/8in直径缩小3/16in直径缩小1/4in3.3PDC钻头3.

PDC钻头的磨损及分级（4）固定齿钻头IADC分级标准三、PDC钻头与岩石的相互作用机理833.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计Step1:地层抗钻特性分析Step2:钻头切削结构设计Step3:钻头水力结构设计Step4:三维实体造型Step5:钻井计算机仿真Step6:钻头使用情况分析，改进完善

根据地层抗钻特性（可钻性、研磨性、非均质性）优化设计PDC钻头结构。843.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计②剖面形状设计③井底覆盖设计④布齿设计⑤水力结构设计①切削齿选择⑥保径设计设计内容：853.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计1.切削齿选择选齿依据：地层可钻性、研磨性、非均值性①

软地层，选用大尺寸切削齿；硬地层选用小尺寸切削齿。Kd<5，Φ19；Kd=5~6，Φ16；Kd>6，Φ13.4②

地层研磨性强，选用磨耗比较高的切削齿。③

软硬交错和含砾石地层，选用抗冲击性较好的切削齿。④

遵循尺寸最大化原则。863.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计2.剖面形状设计（1）剖面构成内锥（Cone）：内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防止钻头横移，维持钻头稳定旋转。内锥角取值范围：120~150°冠顶（Nose）：冠顶形状为圆弧形。一般地，软地层，冠顶半径小一些，以提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软硬交错地层，冠顶半径大一些，以使切削齿受力较均匀，避免单齿受力过大而先期损坏。873.3PDC钻头外锥或侧翼（TaperorFlank）:

分直线和曲线两种形状。对钻头旋转起稳定作用，其长度影响布齿密度（数量）。较硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；较软地层，外锥可短一些。肩部和保径（Shoulder&Gauge）:

肩部是从侧翼向保径过渡的部位，该部位摩擦路程最长，承受冲击载荷大，是钻头最薄弱环节，需要加强布齿。保径长度一般为60~70mm，镶嵌金刚石或PDC，增强耐磨性。四、PDC钻头个性化设计2.剖面形状设计（1）剖面构成883.3PDC钻头（2）剖面形状参数化设计rhBRNRCRCACH剖面设计模型GHWR剖面设计参数①钻头半径（BR）②内锥角（CA）③冠顶半径（NR）④冠顶圆半径（CR）⑤肩部高度（CH）常用设计模式①直线-圆弧型②直线-双圆弧型③直线-圆弧-直线型④直线-圆弧-抛物线型四、PDC钻头个性化设计2.剖面形状设计893.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计3.井底覆盖设计设计井底覆盖图，确定切削齿的径向坐标、高度坐标和数量。（1）设计原则①在预期钻速水平下，井底覆盖良好；②软的、弱研磨性地层，布齿密度低一些，以提高破岩效率；对硬的、研磨性地层，布齿密度高一些，以提高钻头寿命。③由内向外，布齿密度增大，以实现均匀磨损。（2）设计模式等体积布齿公式：等功率布齿公式：等磨损布齿公式：903.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计4.布齿设计包括布齿线设计、切削齿分布（周向坐标）设计和工作角设计。（1）布齿线设计设计模式：（阿基米德螺线）（剖面线方程）布齿线设计913.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计4.布齿设计（2）切削齿分布设计①设定齿间最小间隙和布齿顺序；②以“同一刀翼上相邻切削齿互不干涉”为原则，按螺旋线方式布置各切削齿；③综合考虑水力清洗和钻头力平衡，优化布齿方案；④计算各切削齿的周向坐标：923.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计4.布齿设计（3）切削齿工作角①后倾角（切削角）：α=10~25°②侧转角（旁锋刀面角）：β=0~15°933.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计5.水力结构设计（1）最优排量实践表明，泵压和排量对PDC钻头和牙轮钻头钻速的影响规律不同。在泵功率一定的条件下，对PDC钻头来说，排量对钻速的影响更重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更重要。因此，PDC钻头趋向于使用大排量，而牙轮钻头则趋向于使用高泵压。牙轮钻头PDC钻头目前国内的普遍做法是采用最大允许排量作为PDC钻头的最优排量：包括排量、喷嘴直径、数量、位置及安装角度和水槽设计等。943.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计5.水力结构设计（2）喷嘴直径与数量在满足排量要求的前提下，尽可能提高泵压，以提高钻头压力降。

喷嘴数量的确定

①普通水力结构：OneNozzlePerBlade②强化水力结构：TwoNozzleforEachLongerBlade

喷嘴直径设计

953.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计5.水力结构设计（3）喷嘴安装位置、倾角等的设计①设计原则：●井底水力能量分布均衡，避免出现“死区”；●避免直接冲蚀钻头体和切削齿。②设计方法：井底流场数值模拟分析（CFD)。963.3PDC钻头四、PDC钻头个性化设计6.保径设计973.3PDC钻头五、PDC钻头的合理使用①在软—中硬的、相对均质的脆、塑性地层中，破岩效率高，钻头寿命长（机械钻速是牙轮钻头的2倍以上；钻头进尺为牙轮钻头的3

~4倍。）②PDC切削齿抗冲击性较差，在软硬交错地层和砾石层中，切削齿损坏严重，钻头寿命较短。③在软—中硬均质地层转速越高，钻速越快。PDC钻头+螺杆钻具复合钻进，可显著提高钻井速度。但在软硬交错和富含砾石等非均质地层，宜采用大钻压、低转速配合，以减小冲击载荷。④泵压越高，排量越大，水力作用越强，钻速越快。

⑤钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底，完成井底造型。

98第三讲钻井方法与破岩工具3.1钻井方法（DrillingMethod）3.2牙轮钻头（Roller/ConeBit）3.3PDC钻头（PDCBit）3.4金刚石钻头（DiamondBit）3.5钻头类型优选993.4金刚石钻头100

岩浆作用的产物，产于超基性岩的金伯利岩（角砾云母橄榄岩）、橄榄岩、钾镁煌斑岩及高级变质岩榴辉岩中。亦见于砂矿床中。世界著名产地有南非、扎伊尔、俄罗斯亚库梯、澳大利亚、巴西、美国，以及我国的山东、辽宁、贵州、江苏、湖南等地。通常成浑圆粒状。纯者无色透明，常带深浅不同的黄色色调，也见呈乳白色、浅绿色、天蓝色、褐色或黑色等；金刚光泽。解理｛111｝中等；硬度10；性脆。相对密度3.5。良导热性和半导体性能。一、金刚石的物理力学性质3.4金刚石钻头1013.4金刚石钻头一、金刚石的物理力学性质1.晶体结构和晶形

金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，呈正四面体晶格结构。在单位晶胞中，碳原子位于四面体顶角及中心，以共价键紧密相连。四面体每个顶角为邻近的四个四面体所共有。因共价键结合力强，结构非常稳定，故金刚石是世界上最硬、抗压强度最大，抗磨能力最强的材料。

最常见的晶体形态为八面体，其次是菱形十二面体，立方体较少。1023.4金刚石钻头一、金刚石的物理力学性质2.物理力学性质①密度：3.515g/cm3②硬度：莫氏硬度10级，维氏显微硬度100GPa，硬质合金5~10倍。③强度：抗压强度约8600MPa，约为硬质合金的1.5倍，钢的9倍。④杨氏模量：E=1050GPa，约为碳化钨的2~3倍。⑤耐磨性：硬质合金的40~200倍，钢的2000~5000倍。⑥热膨胀系数：20℃，0.86×10-6/K；100℃，（1.5~4.8）×10-6/K⑦解理与脆性：脆性大，用以发生八面体解理，受冲击载荷易碎裂。⑧热稳定性：空气中，650~850℃；真空中，1400~1700℃；但在

碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低50~90%。1033.4金刚石钻头二、钻探用金刚石1.天然金刚石◆卡邦（Cabon）

又名黑金刚石，产于巴西和非洲，属于无定形晶丛，无解理面，强度高，硬度大，高耐磨，品级最高，稀少珍贵。◆包尔兹（Bortz）主要产于非洲，浑圆粒状，硬度高，但解理性强，有裂纹存在，怕冲击。优质包尔兹也能钻坚硬地层，钻探用主要品种。◆刚果（Congo）

碎粒状，硬度次于包尔兹，低品级，价格便宜，精选可用。◆巴拉斯（Ballas）产于非洲，多晶体，常呈球形，无解理面，性能及价格仅次于卡邦。1043.4金刚石钻头二、钻探用金刚石2.人造金刚石单晶

人造金刚石制造方法石墨+触媒（Ni、Mn、Co、Fe、Cr等及其合金）压力：5~7GPa温度：1300~1700℃金刚石晶体（0.5μm~1mm）品级代号单晶强度（MPa）单晶强度（N/粒）应用地层特级RT>2200>50坚硬优质级RY1800~220040~50硬标准级RB1500~180034~40中硬~硬

人造金刚石品级1053.4金刚石钻头二、钻探用金刚石2.人造金刚石单晶人造金刚石与其它超硬材料性能对比名称莫氏硬度显微硬度（kg/mm2）热稳定性天然金刚石1010000~10060700~900人造金刚石108600~10100立方氮化硼9.8~107300~100001200碳化硼9.34000~4500500~700碳化硅9.22850~36501200~1300刚玉9~9.11800~27801500~1700硬质合金91000~20001063.4金刚石钻头二、钻探用金刚石3.热稳定人造金刚石聚晶（TSP）单晶（0.1~100μm）+粘结剂（Co、Ni、B、Si、Ti等及其合金）压力：7000MPa左右温度：1600℃左右金刚石聚晶（PCD）美国G.E.公司产品：Ballaset英国DeBeers公司产品：Syndax31073.4金刚石钻头二、钻探用金刚石3.热稳定人造金刚石聚晶（TSP）Syndax3与其它超硬材料性能对比项目硬质合金Syndax3金刚石密度（g/cm3）14.73.433.52抗压强度（MPa）450047108680努普硬度（GPa）13507~104杨氏模量（GPa）6209251141断裂韧性（MPa·m0.5）10.86.893.40泊松比0.220.0860.070热膨胀系数（10-6/K）5.43.81.5~4.8热稳定性（℃）1200650~8501083.4金刚石钻头三、金刚石钻头结构与类型

金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石等部分组成。金刚石水眼水槽冠部保径钢体排屑槽胎体1.金刚石钻头结构接头钢体保径胎体金刚石1093.4金刚石钻头三、金刚石钻头结构与类型2.金刚石钻头类型按金刚石包镶方式分：表镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头按金刚石材料分：天然金刚石钻头人造金刚石钻头按功用分：全面钻进钻头取心钻头1103.4金刚石钻头四、金刚石钻头工作原理1.

表镶金刚石钻头表镶钻头破碎岩石过程是单粒金刚石的压碎和切削作用的综合。对脆性的坚硬岩石，主要破岩方式是“压碎”；对软的塑性岩石，主要破岩方式是切削。表镶钻头钻进时，加在金刚石颗粒上的轴向压力必须大于所钻岩石的抗压入强度。在轴向压力达到和超过岩石抗压入强度的情况下，体积破碎占主导地位，破岩效率高。当轴向压力难以超过岩石的压入硬度时，则以疲劳破碎和表面破碎为主，破岩效率低。表镶钻头破岩所需钻压的估算：式中：σy—岩石的压入硬度，MPa；G—钻头工作面上的金刚石总数，一般按钻头上金刚石总数的2/3~3/4计算；A—单粒金刚石与岩石的接触面积，mm21113.4金刚石钻头四、金刚石钻头工作原理孕镶金刚石钻头以细粒金刚石均匀分布在钻头胎体（孕镶层）内，随随着胎体的磨损，金刚石不断出露，形成一个个小刀刃。钻头上的每一微粒金刚石可比作砂轮上的一个磨粒，在钻压和扭矩的作用下，磨削岩石。2.

孕镶金刚石钻头1123.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计金刚石钻头设计包括剖面形状设计、金刚石参数设计、胎体配方设计和水力设计等内容。1.剖面形状

a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形软到中硬地层内锥角80~120°

外锥角50~100°中到中硬地层内锥角60~70°

外锥角40~60°硬地层内锥角>90°

硬~坚硬地层内锥角>90°

1133.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)（1）金刚石品级表镶钻头用金刚石:天然金刚石;人造金刚石聚晶体(PCD、TSP)地质钻探用天然金刚石品级分类级别代号特征用途特级（AAA）TT具有天然晶体或浑圆状，光亮质纯，无斑点及包裹体，无裂纹，十二面体含量35~90%，八面体含量65~10%。特硬地层优质级（AA）TY晶体规则完整，较浑圆，十二面体达15~20%，八面体含量80~85%，无裂纹，无包裹体。硬—坚硬地层标准级（A）TB晶体较规则完整，八面体完整晶粒达90~95%，每个晶粒应不少于4个良好尖刃，可略有斑点及包裹体中硬—硬地层低级（C）TD八面体完整晶粒达30~40%，允许有部分斑点、包裹体，颜色由淡黄至暗灰或经过浑圆化处理。中硬地层等外级TX细小完整晶粒或呈团状的颗粒择优后用于孕镶钻头TS碎片，无晶形，连晶砸碎使用表镶钻头

1143.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)（2）金刚石粒度及出刃量根据地层选用不同粒度的金刚石。岩石从软到硬而粒度从大到小。较软地层：1~2粒/克拉，粒径约4mm左右中硬地层：3~4粒/克拉，粒径约3.6mm左右硬地层：5~

8粒/克拉，粒径约2.5~

2.9mm坚硬地层：10~

15粒/克拉，粒径约2.0mm左右出刃量：软到中硬岩，(1/3~1/5)d硬岩，(1/5~1/6)d坚硬岩钻头，(1/6~1/10)d

表镶钻头

1153.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)（3）金刚石用量Na—金刚石数量，粒；C—金刚石分布密度，40~60%S—钻头冠部面积（水槽除外），mm2；Sa—单粒金刚石横截面积，近似金刚石粒径的平方，mm2表镶钻头

1163.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)（3）金刚石用量钻头型号MD-34MD-33MD-41MD-24适用岩层软中—中硬硬MD-241~24812152.4120~143220~265248~298190~220193.6180~221340~409380~460294~354215.9220~270410~500462~582356~434244.5330~340516~630580~708448~544311.1436~535800~991908~1114698~880粒度粒/克拉重量/克拉钻头直径/mm美国克里斯坦森公司表镶钻头金刚石粒度及用量表镶钻头

1173.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)（4）金刚石排列表镶钻头布齿设计原则：1）保证岩粉畅通排出，避免岩粉重复破碎和磨损金刚石。2）金刚石运行轨迹必须全面覆盖井底，且重叠宽不小于金刚石直径的1/4~1/3。3）应使每颗金刚石的克取岩石体积相等，使其磨损均匀。4）一般，优质品作边刃，普通品作底刃，次品作保径。表镶钻头

1183.4金刚石钻头五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)表镶钻头

（4）金刚石排列取心钻头常用排列方式：①放射状排列：内外粒数相等，外侧磨损严重，适用于Ⅴ~Ⅶ级中硬岩层。②螺旋状排列:金刚石等距分布在螺旋线上，外密内疏，磨损均匀，适用于Ⅷ~Ⅸ级中硬岩层。③同心圆等间距排列各同心圆上的金刚石间距相等，适用于较硬地层。119五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)孕镶钻头

3.4金刚石钻头（1）金刚石品级孕镶钻头用金刚石：天然金刚石、人造金刚石单晶人造金刚石单晶的品质根据晶形和抗压强度进行判别：1）晶形：

具有良好的八面体、十二面体、六面体及其聚形的金刚石，品级高；具有等体积（晶体长轴与短轴之比不超过1.5:1）晶形，品级中等；连晶、外晶及不规则晶形，有缺陷晶形，贫瘠均较低。2）抗压强度：抗压强度越高越好。120五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)孕镶钻头

3.4金刚石钻头（2）金刚石粒度粒度（目）人造>46(0.35mm)46~60(0.35~0.27)60~80(0.27~0.2mm)80~100(0.2~0.15mm)天然20~30(0.88~0.57)30~40(0.57~0.41)40~60(0.41~0.27)60~80(0.27~0.2)岩性中硬—硬硬—坚硬孕镶钻头常用金刚石粒度表121五、金刚石钻头设计2.金刚石参数设计（品级、粒度、用量等)孕镶钻头

3.4金刚石钻头（3）金刚石用量孕镶钻头采用400%浓度标准（国际通用）：取金刚石体积为工作层体积四分之一为100%。100%浓度金刚石量为4.4克拉/cm3。地质钻探人造金刚石孕镶钻头的金刚石浓度推荐值400%标准浓度44%50%75%100%125%100%标准浓度11%12.5%18.8%25%31.5%金刚石含量,克拉/cm31.932.203.304.395.49适用地层硬—坚硬弱研磨性中硬—硬中研磨性硬—坚硬强研磨性122五、金刚石钻头设计3.胎体配方设计3.4金刚石钻头用来包镶金刚石和连接钻头钢体体的钻头冠部合金称为胎体。

胎体由骨架材料和粘结材料两部分组成。骨架材料在胎体中起硬质点的作用，调整胎体的耐磨性和抗冲蚀性。钻头对胎体骨架成分的要求主要有以下几点：①具有足够的硬度，以防止金刚石在工作中移位；②具有较好的冲击韧性，以能承受复杂多变的载荷；③导热性好，线膨胀系数尽量和金刚石接近；④成形性好，以满足胎体能形成各种形状。WC、W2C的导热率高，热膨胀系数与金刚石接近，并且有高的弹性模量和较高的硬度，同时成形性好,是理想的骨架材料。123五、金刚石钻头设计3.胎体配方设计3.4金刚石钻头

粘结材料①能很好地润湿碳化物和金刚石，并且散布在碳化物颗粒表面；②两相界面能形成一种牢固结合；③具有优良的机械性能，以保证粘结金属连续的薄膜能承受碳化物颗粒传给的应力。粘结材料的作用是把骨架成分与金刚石粘结起来。对粘结成分的要求：

常用作粘结材料的金属元素：Co、Cu、Fe、Ni、Mn、Zn、Sn、Al