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1、第五節(jié) 金剛石鉆頭及其破巖原理,金剛石鉆頭是以鋒利、耐磨和能夠自銳的天然金剛石或人造金剛石為切削齒，在低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭。,按金剛石來(lái)源可分為天然金剛石鉆頭和人造金剛石鉆頭 按功用可分為取心鉆頭和全面鉆進(jìn)鉆頭； 按鑲嵌方式可分為表鑲和孕鑲兩類(lèi)； 按鉆井方式則可分為轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井和渦輪鉆井用兩類(lèi)。,分類(lèi)：,一、金剛石鉆頭 1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),鋼體 胎體 切削刃 水眼與水槽,,,(1) 鋼體 鋼體上部車(chē)有螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)在一起。剛體有一體式的，也有由兩部分構(gòu)成的，即上部為合金鋼車(chē)有螺紋，下部為低碳鋼連接胎體。鋼體上下兩部分以螺紋連接在
2、一起然后焊死。 (2) 胎體 胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當(dāng)?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿?，壓制燒結(jié)而成。 胎體形狀即工作剖面，主要是指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，是根據(jù)適用不同巖性而設(shè)計(jì)的。,(3) 切削刃 金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式三種。, (4) 水眼與水槽 金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道。 水眼和水槽的布置原則： 是使金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量，既能清除巖屑，又能很好地冷卻和潤(rùn)滑鉆頭上的金剛石。 用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石顆粒粗而稀，
3、鉆進(jìn)時(shí)鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。 而對(duì)于硬和堅(jiān)硬地層，由于鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽則應(yīng)多、密、窄。 表鑲式金剛石鉆頭通常采用的水槽結(jié)構(gòu)大體上可分為：逼壓式水槽、輻射形水槽、輻射形逼壓式水槽和螺旋形水槽四種。,2.金剛石鉆頭破巖原理,當(dāng)鉆某些硬地層時(shí)，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石使下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)塑性，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積。,對(duì)于脆性較大的巖石，在鉆壓和扭力的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿剪切面產(chǎn)生裂縫,此時(shí),巖石破碎體積遠(yuǎn)大于金剛石吃入后位移體積。脆性較大的
4、巖石其破碎深度可達(dá)金剛石壓入深度的25倍。 金剛石破碎巖石的效果，除與巖石的性能有關(guān)外，還與井筒和地層孔隙流體的壓差有大小、鉆壓大小及金剛石幾何形狀、粒度和出露有關(guān)。,二、 PDC鉆頭,聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact)鉆頭，簡(jiǎn)稱PDC鉆頭。它是用人造聚晶金剛石復(fù)合片做成小型切削塊鑲嵌或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。使用于軟到中硬地層。,（1）鉆頭基體 PDC鉆頭可分為鋼體PDC鉆頭和碳化鎢胎體PDC鉆頭。 鋼體式PDC鉆頭的表面不耐沖蝕，規(guī)徑易于磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、較高鉆井液含砂量，易于進(jìn)行優(yōu)化
5、水力設(shè)計(jì)，具有較大的設(shè)計(jì)靈活性，魚(yú)尾形鉆頭壽命較長(zhǎng)。,PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個(gè)鉆頭沒(méi)有活動(dòng)零部件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大致由鉆頭基體、鉆頭切削齒、噴嘴及排屑槽等幾部分組成。,1. PDC鉆頭結(jié)構(gòu),，,（2） 鉆頭切削齒,,聚晶金剛石復(fù)合片是經(jīng)過(guò)特殊工藝將金剛石微粒粘結(jié)在一起形成的復(fù)合材料。復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層，其厚度為0.5000.635mm，是切削齒鋒利的刃口，硬度及耐磨性極高，當(dāng)抗沖擊性較差。復(fù)合片下部為碳化鎢基片，聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機(jī)結(jié)合，使得PDC齒既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的抗沖擊能力。,PDC齒具有良好的自銳性，聚晶金剛石晶粒在切削巖石的
6、過(guò)程中不斷脫落，使刃面的晶粒更新自銳。此外，碳化鎢基片先磨損，形成鋒利的刃口，同時(shí)具有良好的抗沖擊性能,為金剛石提供良好的彈性依托。,標(biāo)準(zhǔn)切削齒,,圓柱狀和栓銷(xiāo)狀切削齒是兩種基本類(lèi)型，圓柱狀是標(biāo)準(zhǔn)切削齒，使用最普遍。其它幾類(lèi)切削齒都是以標(biāo)準(zhǔn)切削齒為基礎(chǔ)上改型的。 標(biāo)準(zhǔn)切削齒很容易受沖擊載荷而損壞，使金剛石薄片與碳化鎢基片分離，或者產(chǎn)生大塊金剛石薄層破裂，在鉆硬地層時(shí)效果不理想。,牙嵌式切削齒,在增加了金剛石薄層厚度的同時(shí)，增加了金剛石層與碳化鎢基片的接觸面積，提高了切削齒的研磨性和強(qiáng)度。,環(huán)嵌式切削齒,是牙嵌式切削齒的特殊形式，在嵌牙的外緣增加了一周聚晶金剛石環(huán)。不僅提高了切削齒的耐磨強(qiáng)度，還
7、提高了耐沖擊強(qiáng)度。,,,,（3）切削齒的排列方向 PDC鉆頭設(shè)計(jì)中用負(fù)前角、側(cè)偏角和切削齒出露高度來(lái)規(guī)定切削齒的排列方向。 負(fù)前角又稱后傾角，它是指復(fù)合片層面與巖石工作面垂線之間的夾角。 采用適當(dāng)?shù)呢?fù)前角，可以大大改善切削齒的抗沖擊性。一般負(fù)前角取值范圍為0 25 。 軟地層：取0或較小負(fù)前角值； 硬地層，負(fù)前角應(yīng)較大，以保證有效切削，并防止沖擊載荷引起切削齒的損壞。,側(cè)偏角是指切削齒面與鉆頭徑向平面之間的夾角，有側(cè)偏角的鉆頭比無(wú)側(cè)偏角的鉆頭鉆進(jìn)性能好，鉆速快，并可以改善鉆頭的清洗和巖屑的及時(shí)排除；減少巖屑粘附切削齒的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)表明，側(cè)偏角為-15時(shí)粘附機(jī)會(huì)最小。 切削齒的出露高度與所鉆巖
8、性有關(guān)，可分為全出露和部分出露兩種。 全部出露：適于鉆軟地層； 部分出露：使于鉆硬地層，可以提高切削齒剛度，有利于延長(zhǎng)PDC鉆頭的壽命。,（4） 噴嘴水道及排屑槽 噴嘴出口形狀、射流噴嘴方向、流道的設(shè)計(jì)，以及排屑槽的形狀和布置都是PDC鉆頭設(shè)計(jì)中重要組成部分。 噴嘴的配置和取向基本原則：每個(gè)噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復(fù)合片。 按噴嘴的形狀可將噴嘴分為：標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、扇射式噴嘴、矩形噴嘴和六角形噴嘴。 排屑槽的形狀主要有楔形、扇形、半圓形。,2. PDC鉆頭破巖原理,PDC鉆頭是以切削 齒對(duì)地層進(jìn)行切削來(lái)破碎巖石，整個(gè)切削過(guò)程，與金屬切削過(guò)程很相似。 巖石的切削過(guò)程實(shí)質(zhì)：是一種擠壓過(guò)程，在擠
9、壓過(guò)程中，巖石主要以滑移變形方式成為切屑。,當(dāng)巖石開(kāi)始接觸切削齒的刀刃最初瞬時(shí)，接觸點(diǎn)的壓力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變；當(dāng)切削刃逼近巖石時(shí)，巖石內(nèi)部彈性應(yīng)力逐漸增大，在巖石內(nèi)某一位置，剪應(yīng)力達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度，因而，巖石開(kāi)始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移（OA面，該面左邊代表彈性變形區(qū)，右邊代表塑性變形區(qū)） 。,巖石經(jīng)過(guò)OA面在當(dāng)切削刃移動(dòng)時(shí)，滑移變形越來(lái)越大，當(dāng)巖石移到OE面時(shí)，將不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齒前傾面流出，所以稱OA為初始滑移線，而稱OE為終止滑移線。 當(dāng)巖石沿前傾面流出時(shí)，由于受到切削齒前傾面的壓力和摩擦，切削的底層（靠近前傾面的一層）產(chǎn)生較大的擠壓和剪切變形，結(jié)果，下層膨脹，切削向前傾相反方向流出，離開(kāi)前傾面而成為切屑。 PDC鉆頭的破巖機(jī)理可概括為：PDC鉆頭切削齒在鉆壓作用下能自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動(dòng)剪切巖石。 PDC鉆頭不存在由于壓差作用引起的巖屑清楚障礙；因此，破巖效率高。,
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