聚晶金剛石復合片鉆頭的應用研究

梁子衡

[摘? ? 要]隨著科學技術的不斷進步，在地質鉆探期間使用的金剛石鉆頭在工藝水平上獲得了明顯的提升，但我國在聚晶金剛石復合片鉆頭上，較歐美一些發達國家相比還存在一定的差異，聚晶金剛石復合片鉆頭的研制和應用工作受到很大程度的限制。基于此，本文首先闡述了聚晶金剛石復合片鉆頭結構和性能特點，再提出了其結構的設計，最后就聚晶金剛石復合片鉆頭的應用展開了相關分析。

[關鍵詞]聚晶金剛石;鉆頭;應用

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–02

Research on the Application of Polycrystalline Diamond Composite Chip Bit

Liang Zi-heng

[Abstract]With the continuous progress of science and technology， the diamond bit used during geological drilling has been obviously improved in the technological level. However， compared with some developed countries in Europe and America， there are still some differences in the development and application of polycrystalline diamond composite bit. Based on this， this paper first describes the structure and performance characteristics of polycrystalline diamond composite bit， then puts forward the design of its structure. Finally， the application of polycrystalline diamond composite bit is analyzed.

[Keywords]polycrystalline diamond; drill bit; application

聚晶金剛石復合片（PDC）隨著勘探工業的發展在技術水平上也取得了較快的發展，由于鉆井數量處于逐年遞增的局面，在難度系數上也不斷增加，尤其是在深部地層的鉆進過程中成本過高、周期較長等問題日益凸顯，因此世界各國對于PDC鉆頭技術的研發十分重視，各類新產品也相繼推出。聚晶金剛石作為一種新型復合材料，由聚晶金剛石層和硬質合金層在1300 ～1500 ℃下壓制而成的，厚度一般在0.3mm以上，基層是鎢鈷類硬質合金材料。聚晶金剛石復合片鉆頭的制造工藝較為復雜，包含復合片的選擇、復合片焊接、機械加工、檢驗等多個環節，需要視具體的工況而定。由于針對硬質合金層聚晶金剛石復合片鉆頭具有優異的性能，因此近幾年在煤田鉆探、油田開采領域有著長足的發展。

1 聚晶金剛石復合片鉆頭結構和性能特點分析

1.1 聚晶金剛石復合片

金剛石復合片呈圓形狀，厚度在4～5mm，直徑在φ8～13mm，金剛石聚晶層厚1mm左右。聚晶金剛石在使用過程中為了能夠更為便捷，也可以切割為各種形狀，其中聚晶層為主要工作層，是120～130目人造金剛石添加少量粘結劑在高溫的條件下聚合而成。除此之外，聚晶層不會因為切削元件傳遞的“誘導振動”而導致單個晶粒出現碎裂的情況，主要是由于層內每個晶粒解理面取向相對鄰近晶粒而言是無規則的。硬質合金層還具有良好的抗沖擊性能，但在高溫的環境下耐磨性能會出現明顯的降低，因此在相應的鉆頭制造上存在一定困難。

1.2 復合片鉆頭結構簡述

如圖1所示為復合片鉆頭實物圖，圖2是一種新型加強型PDC鉆頭。

由于使用復合片作為切削刃底出刃量很大，在復合片鉆頭的外徑和內徑上設有棱槽并以聚晶保徑。相比較普通金剛石鉆頭，復合片鉆頭因為在內外水槽設計上會更大，因此在過水面積上也會更大，這種結構設計的優勢在于能夠更快的冷卻以及更好的排粉。為了能夠保證復合片鉆頭在工作過程中具備更好的穩定性，復合片的鑲焊數量一般維持在5～7片。從上述介紹可以看出，復合片鉆頭與表鑲鉆頭和硬質合金鉆頭都有著一定的相似之處。

1.3 聚晶金剛石鉆頭性能特點

聚晶金剛石鉆頭的性能特點主要體現在4個方面。①鉆頭壽命長。聚晶金剛石鉆頭的切削刃用的是聚晶金剛石，由于耐磨性能良好，因此在使用過程中只要進行良好的維護在磨耗比上可達5萬以上，在工作的過程中即使遇到較硬的地層，也不需要提鉆換鉆頭。②防斜功能。聚晶金剛石磚頭切削刃非常鋒利，當需要獲取更高的鉆頭速度時較為輕松，鉆壓小，因此具備一定的防斜功能。③鉆進效率高。鉆頭在破碎巖石的過程中是以剪切的形式進行，因此在最開始工作的階段也不需要很快的速度，以更均勻的鉆進速度能夠保證效率。④取心率高。聚晶金剛石鉆頭的鉆速和鉆壓較小，由此巖石遭到破壞的程度較低，取心率高。

2 聚晶金剛石復合片鉆頭結構的設計

2.1 復合片鉆頭分類

按照不同的方式復合片鉆頭可以進行不同的分類。以鑲嵌結構來分有全出刃和半出刃2種，以鉆進用途來分有不取心和取心2種。不同類型的復合片鉆頭在不同的場景適用，例如全出刃型鉆頭適用于地層較為松軟的情況，在工作的過程中速度相對會更快，半出刃鉆頭在硬質地層中更為適用，此類型鉆頭掉片情況發生的概率非常小，但鉆速不快。

2.2 復合片鉆頭結構的研制

從目前的研制工藝上來看，無縫鋼管是復合片鉆頭的主要制作材料，具體的技術要求需要根據實際場景來制定，在尺寸、同心度、垂直度等參數上需要符合具體的要求，才能夠更好的保證鉆進效果。在聚晶金剛石復合片鉆頭的排布上，一般采用單環排列法或多環排列法，前者在鉆頭體的壁厚比復合片直徑大時優勢性較大，后者在金剛石鉆頭的寬度超過了單一復合片的直徑時優勢性較大。

2.3 復合片鉆頭鑲焊的角度

聚晶金剛石復合片鉆頭在破碎巖石的過程中的以剪切的形式進行，因此在實際操作過程中還需要選擇合適的角度，一般情況下需要將切削角控制在-90°以內，而后再根據被切削巖石的硬度選擇具體大小的切削角。鉆頭的徑向平面與復合片表面所形成的夾角稱之為徑向角，在對復合片鉆頭徑向鑲焊的過程中，需要科學的利用徑向角，避免巖粉對鉆頭運作的過程中出現鉆頭被糊的狀況。

2.4 復合片鉆頭的排水和保徑

聚晶金剛石復合片鉆頭的排水和保徑上也需要科學的設計。聚晶金剛石復合片鉆頭外徑表面需鑲嵌一定的金剛石聚晶，因此選擇合適的技術和生產工藝十分關鍵，且在這個過程中也需要有效利用徑向角的作用，以使得在保徑效果上達到工作所需的要求。對于鉆頭而言還需要達到沖洗冷卻復合片和沖洗巖石碎屑的效果，對于聚晶金剛石復合片鉆頭本身就具備這種功效，主要是由于復合片鉆頭的結構所致，有設計合理的水口和水槽。

2.5 不取心全面復合片鉆頭設計

由于聚晶金剛石復合片鉆頭的特點所致，因此在煤礦、煤田勘探領域得到了較為廣泛的運用，其中全面不取心復合片鉆頭一般都是凹心鉆頭，在鉆頭體的加工上最終效果會達到三翼。再對鉆頭體的結構進行細節觀察可以發現，三翼的鉆頭體中兩翼為水口并呈現出錐形狀，水口直接與鉆頭的尾部相連由此能夠更好的增加水流空間，在聚晶金剛石復合片鉆頭工作的過程中能夠大大提升沖擊巖粉的效果。

3 聚晶金剛石復合片鉆頭的應用

聚晶金剛石復合片鉆頭由于結構、性能上的優勢得到了廣泛的應用，就聚晶金剛石復合片鉆頭的生產加工工藝和用于礦山開采的聚晶金剛石復合片鉆頭應用展開相關分析。

3.1 聚晶金剛石復合片鉆頭的生產加工工藝

這里提到的聚晶金剛石復合片鉆頭生產加工工藝主要針對礦山開采，第一步需要對鉆頭鋼體進行加工，并在其焊接表面上預留出允許加工的余量以此使得相應的尺寸和精度達到工作要求。第二步為了能夠保證復合片工作層受到一定的保護，需要采用一定的工藝措施，主要是運用電鍍法，讓聚晶金剛石表面鍍上一層鉬，在實際工作的過程中再對溫度進行相應的控制，一般在750 ℃以內，不能過高避免鉆頭出現碳化的現象，也不能過低導致鉆頭的焊接強度不足;為了能夠進一步保證焊接強度，還需要在焊接前期工作中對鉆頭表面進行清理以保證其表面的干凈程度。

3.2 用于礦山開采的聚晶金剛石復合片鉆頭應用

由于聚晶金剛石復合片鉆頭結構和性能上的特點，因此在運用的過程中主要針對六級以下的巖層，且更適合于小型鉆孔，當在一些硬度較高、研磨較強的巖層環境中則不適用。復合片鉆頭在實際應用中有幾個點需要注意，①施工過程中需要有效參照鉆進規程表進行;②在下鉆至鉆孔底部的情況下操作流程應是先輕按再進行緩慢的旋轉，前面按照此流程進行至鉆進距離達到20 ～30 cm之間則可以按照正常的速度進行鉆進施工。

4 結語

綜上所述，在鉆探過程中聚晶金剛石復合片鉆頭是一項高效率的工具，本文對聚晶金剛石復合片鉆頭結構和性能特點展開分析后，闡述了其結構上的設計及應用注意事項，完善聚晶金剛石復合片鉆頭在現代鉆探工作中的科學方法。目前我國在聚晶金剛石復合片鉆頭研制上也攻克的不少技術難點，與國外一些發達國家在此方面的水平和工藝已然十分接近，在實際生產過程中也取得了非常良好的效果。

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