工程钻探技术中的孕镶金刚石钻头

我国钻探生产中主要采用孕镶金刚石钻头，与表镶钻头相比孕镶钻头的优越性在于：

（1）对金刚石品级的要求低于表镶钻头。

（2）孕镶钻头抗冲击载荷的能力较好，如果钻头唇面的金刚石发生剪崩，对钻进效果的影响小于表镶钻头，对违反操作规程的敏感程度也小于表镶钻头。

（3）因为不必按规定用手工布置摆放金刚石颗粒，孕镶钻头的工业制造过程更简单。

1）孕镶钻头用金刚石

孕镶钻头使用的天然和人造金刚石粒度取决于所钻岩性（表6-7）。

表6-7　孕镶钻头用的金刚石粒度推荐表

2）金刚石在胎体中的含量

钻头胎体用于包镶金刚石并与钢体牢固连接。孕镶钻头用浓度来表示金刚石在胎体中的含量，它是影响孕镶钻头性能的重要结构参数。浓度的算法沿用砂轮制造业的“400%浓度制”，当金刚石的体积占胎体工作层体积的1/4时，其浓度为100%，全部都是金刚石时，浓度为400%。选择金刚石浓度的依据是所钻岩性、金刚石的品级和粒度，同时必须兼顾胎体的包镶能力和钻压值的大小。即岩石越坚硬致密，金刚石质量越好，粒度越细，浓度宜较低。唇面比压较大时可选较高的浓度，这样对提高胎体耐磨性也有好处。合适的浓度为70%～120%，过高将影响胎体的包镶能力和钻速。

3）钻头的胎体性能

金刚石钻头对胎体性能有一系列要求：胎体不仅要能牢固包镶金刚石，满足钻进条件下的强度、抗冲击性能要求，而且对其在钻进过程中的磨损速度也有严格要求。对孕镶钻头而言，根据所钻岩石的性质正确选择胎体硬度（耐磨性）显得更为重要。为了保证孕镶金刚石能及时出刃，在钻进过程中孕镶钻头胎体的磨损应稍超前于金刚石。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃，并且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑（图6-27）。随着工作金刚石的磨钝，胎体应在岩粉的磨蚀下超前磨耗，帮助新的金刚石出刃。

图6-27　孕镶金刚石的出刃情况(www.xing528.com)

（a）—出刃适当；（b）—出刃过快；（c）—出刃过慢

当岩石更硬时，金刚石磨损得更快，但这时产生的岩屑更薄，数量更少，因此岩屑对胎体的磨蚀作用弱于稍软的岩石。所以在坚硬的岩石中钻进时，必须选择低耐磨性（硬度较小）的胎体。

由于测定硬度的方法简单，虽然胎体的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍习惯于用胎体的硬度来表示其耐磨性。我国孕镶金刚石钻头制造业采用的胎体硬度（耐磨性）指标如表6-8所列。

表6-8　孕镶金刚石钻头的胎体硬度和耐磨性

另外，胎体的强度（多用抗弯强度）和抗冲击韧性也是胎体性能的重要指标，不过常规的胎体配方是可以满足要求的。

4）钻头的唇部形状

钻头的唇部形状选择取决于钻头的用途和使用条件。表6-9列举了国内外常用的金刚石钻头胎体唇部形状，并简述了其特性及使用领域。孕镶金刚石钻头的胎体唇面多选用平底形，在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。如果坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，可把钻头唇部做成同心环槽、锯齿状或阶梯形，以使比压集中并在孔底形成破岩自由面。孕镶金刚石钻头常用聚晶保径，可取得满意的钻进效果。

表6-9　国内外常用的金刚石钻头胎体唇部形状

续表6-9

5）钻头的水口与水路

因为孕镶钻头的金刚石出刃非常小，故它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙，而是水口。在唇面扇形块的下面只存在漫流（或湿润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。