PDC钻头在《工程钻探与取样技术》中的应用

6.5.3.1　PDC钻头的结构

1）胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头

按钻头体材料及切削具的结构，可把钻头分成胎体式PDC和钢体式PDC两大类。胎体式用粉末冶金方法烧结钻头体，烧结时将复合片直接焊接在钻头唇面上预留的窝槽中。钢体式钻头的钻头体用合金钢制成，先把复合片焊接在齿柱上制成切削齿，再将切削齿镶焊在钻头体上，并用金刚石聚晶或其他超硬耐磨材料镶嵌体实现保径（图6-41）。

图6-41　钢体式PDC钻头的结构示例

1—钻头体；2—复合片

2）PDC钻头的结构要素

（1）研究和生产实践表明，非整形PDC比整形PDC的岩石破碎效果更好。在工艺成本允许的条件下应优先选用经二次切割的非整形PDC片。表6-16列出了常用非整形复合片的形状和尺寸。一般用电火花和金刚石砂轮切割两种方法沿径向把复合片分割成2～4个部分，再借助专用支架，用焊料把复合片焊牢在钻头钢体或胎体上。

表6-16　非整形PDC复合片的形状与尺寸

（2）在保证相邻PDC之间具有合理距离（即发挥组合切削具预破碎区的作用）并保证钻头端面载荷均匀分布的基础上，钻头上布置的切削具数量应尽量少（图6-42），以保证单个PDC片上具有较大的破岩载荷。国内PDC钻头的切削具数量推荐值见表6-17。

表6-17　单管和双管PDC钻头的复合片数量

（3）为了有效地清除岩粉，减轻因孔底积聚岩屑对钻头端面的影响并防止烧钻，应在保证复合片切削具强度的条件下尽量设计大的出刃量。(www.xing528.com)

（4）关于PDC的工作角设计（图6-42）。试验研究和生产实践都表明，PDC片以负斜镶方式切削破碎岩石最有效。这种情况下PDC以较小的作用力（轴向力和切向力）即可获得给定的压入深度。而且可对切削齿起到保护作用，延长钻头寿命。理论上负前角γ的取值范围是0°～20°，但常用5°～20°，软地层负前角γ取小值，硬地层可大一些。

图6-42　钻头上PDC片的布置、负前角和扭转角示意图

关于PDC钻头的扭转角φ，主要考虑的因素是钻头旋转时PDC片能对岩屑施加侧向推力，有利于及时排出孔底岩屑。同时，一定的扭转角φ可减少复合片在钻头切向与岩石的接触面积，有利于切削破岩。因此，当冲洗液为正循环时，扭转角φ应设为正角，即PDC前端面法向指向孔外侧；当冲洗液为反循环时，则φ应为负角，前端面法向指向孔内侧。一般认为，最优的PDC扭转角为10°～15°。

6.5.3.2　PDC钻头的制造

PDC钻头破碎岩石过程中主要的损坏形式如下。

（1）复合片焊接不牢或胎体冲蚀磨损严重而“脱片”。

（2）焊接温度过高使复合片耐磨性、切削能力下降，工作寿命短。

（3）孔底震动条件下复合片出现崩刃、断裂、分层。

其中，前两条都与焊料及工艺有关，第（3）条主要取决于复合片质量。因此，复合片的焊接工艺是决定PDC钻头效率和寿命的关键技术。

因钻头钢体与PDC基底硬质合金的性能差异较大，加之金刚石层中有触媒金属，PDC热稳定性不好，可能导致复合片在加热至1000℃以上时性能下降，在金刚石层中出现径向裂纹，甚至与硬质合金衬底分层，所以必须用低温方法把其焊在钻头刚体或胎体上，以保护其切削与耐磨能力。一般低熔点焊接的强度低，而PDC钻头的孔底过程要求焊接强度高，以防产生脱片现象。目前国内外主要采用银基焊料焊接复合片。我国要求焊接温度不大于750～800℃，但对复合片在钻头钢体上的焊接强度和抗冲击力没有具体要求。在超硬材料领域处于高水平的乌克兰，其低温焊接国家标准是：焊料的熔化温度为590～610℃，应保证复合片在钻头钢体上强度达360～420MPa，抗冲击力不小于20kN。