金刚石全面钻头的应用及技术说明

金刚石全面钻头与PDC全面钻头用于无岩心钻探，也可作为辅助工具用于定向钻进和多孔底钻进。

6.6.2.1　小口径金刚石全面钻头

常用的小口径表镶和孕镶金刚石全面钻头都呈端面内凹的形状。示于图6-51的内凹形小口径全面钻头的水路系统为中心水眼加由中心向外辐射的水槽。标准钻头的胎体硬度一般取HRC20～25，用于钻进可钻性Ⅶ～Ⅸ级的岩石。

图6-51　小口径金刚石全面钻头结构

1—钻头钢体；2—唇面金刚石和聚晶保径；
3—水路

表镶全面钻头采用粒度20～30粒/克拉的金刚石作为唇面主体破岩金刚石和侧刃保径金刚石，要求其唇面金刚石的出刃量达粒径的20%。

孕镶金刚石全面钻头采用粒度120～150粒/克拉的金刚石。

6.6.2.2　大口径金刚石全面钻头

1）工作剖面的几何形状

根据所钻岩性及设备工艺条件，合理选择钻头的工作剖面是提高钻进效率的最重要因素之一。金刚石全面钻头的常用工作剖面形式有以下几种。

（1）双锥阶梯形剖面[图6-52（a）]。它除了两个锥面外还有阶梯或螺旋阶梯，增加了岩石破碎的自由面，有利于提高钻进效率，但钻头顶部金刚石受力很大。适用于软—中硬的地层，如硬石膏、泥岩、砂岩、灰岩等。

图6-52　金刚石全面钻头的不同工作剖面

（a）—双锥阶梯形；（b）—双锥形；（c）—B形；（d）—带波纹的B形

（2）双锥形剖面[图6-52（b）]。在较硬和致密岩石中钻进时，前一种剖面的顶部和阶梯处金刚石易碰碎而出现较多的薄弱环节。采用双锥形剖面较合适。该钻头的工作面由内锥、外锥和顶部圆弧3部分组成。内锥角一般为60°～70°左右，外锥角在40°～60°左右。(www.xing528.com)

（3）B形剖面[图6-52（c）]。为使在硬地层中钻进时钻头各部分金刚石受力尽可能均匀，防止局部金刚石早期损坏，B形剖面由内锥与圆弧面组成，内锥角不小于90°。其结构特点是顶部较宽也较平缓，适用于硬地层，如硬砂岩、致密的白云岩等。

（4）带波纹的B形剖面[图6-52（d）]。其外形与B形剖面相同，不同的是内锥和圆弧面上带有螺旋形波纹槽。金刚石就镶在波纹的波峰上，适用于石英岩、燧石、火山岩和坚硬砂岩等坚硬地层。

2）水力结构

钻头工作时，金刚石承受钻压并在孔底高速运动，产生大量热能使金刚石温度升高，如果冲洗液不能及时冷却则会产生“烧钻”事故。因此，钻头必须采用水孔-水槽的水力结构，为每粒金刚石的冷却、润滑和清洗提供保证。常用的水力结构有下述4种。

（1）逼压式水槽[图6-53（a）]。分布在金刚石钻头唇面上的水槽分为高压水槽和低压水槽，高压水槽入口截面积大于低压水槽，但随着水槽向外延伸，高压水槽的截面面积逐渐减小，而低压水槽的面积却逐渐扩大。因此，在高、低压水槽间形成一定的压差。在压差作用下，部分冲洗液从高压水槽漫过金刚石表面进入低压水槽，能有效地清洗、冷却和润滑每一粒金刚石。这种水槽用于软地层。

（2）辐射形水槽[图6-53（b）]。辐射形水槽在钻头唇面分布均匀，金刚石工作面很窄，所以冲洗液从水眼流到水槽后能很好地冲洗岩屑，冷却金刚石，适用于软—中硬地层。

图6-53　天然金刚石钻头水力结构的水槽类型

（a）—逼压式水槽；（b）—辐射形水槽；（c）—辐射形逼压式水槽；（d）—螺旋形水槽
1—高压水槽；2—低压水槽；3—排屑槽；4—金刚石；5—水眼

（3）辐射形逼压式水槽[图6-53（c）]。它是上述两种水槽结构的组合，适用于中硬—硬地层钻头和涡轮钻金刚石钻头。

（4）螺旋形水槽[图6-53（d）]。水槽为反螺旋流道，在高转速条件下强迫冲洗液流过金刚石工作表面。适用于高转速金刚石钻头。

3）金刚石粒度和排列

钻头用金刚石的粒度据地层而定，较软地层，粒度较大；较硬地层，粒度较小。钻头唇面金刚石颗粒的排列方式与取心式钻头类似，必须注意钻头唇面的金刚石充满度、覆盖系数和等强度磨损等问题。