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简述大钻具结构之钻头基体

简述大钻具结构之钻头基体

 大钻具，简称PDC钻头。它是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。PDC钻头适于钻软到中硬地层，单位进尺成本低，它自70年代出现以来，已逐渐取代了金刚石钻头而广泛应用于石油钻井。

   钻头基体的PDC钻头结构中的其中一部分，钻头基体按钻头体材料及制造方法，PDC钻头可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。

   钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，钻头寿命较长。

   PDC钻头基体有四种基本冠部外形：鱼尾形、浅锥形、短抛物线形和抛物线形。

   a.鱼尾形PDC钻头的翼片很长，增加了复合片的出刃高度，同时也增加了钻头冠部与地层之间的间隙，使岩屑易于排向环形空间不致于粘附于钻头体，有利于射流的洁洗。这种钻头的大特点是能减少泥包和与泥包相关的钻井问题。鱼尾形PDC钻头适用于转盘钻井的直井和定向井钻进，大钻具，适于钻进粘性极高的泥页岩层。

   b.浅锥形PDC钻头在四种冠部形状中，冠部面积小，水力能量集中，易于清洗。由于其外形依靠较长的保径和适当的扶正，因而在快速钻进中，也能保持方位和井斜的稳定。这种钻头复合片密度不易过大，而且只能用于转盘钻井，适用于钻进夹层。

   c.短抛物线形钻头有一个带锥度的冠部，其冠顶相当圆顿。这种设计可使钻头外侧布置更多数量的切削齿，使钻头的磨损更为平衡。短抛物线形PDc钻头用于转盘钻井、井下动力钻井及定向钻井都比较稳定，适合于钻可能遇到硬夹层的地区。

   d.抛物线形钻头的整个冠部载荷分布均匀，无明显载荷过渡区，载荷不致过分集中。这种冠部外形可使钻头肩部及规径部位布更多的切削齿，故适合于高速井下动力钻进。抛物线形钻头具有良好的磨损寿命，但该型钻头具有较大的冠部表面，要求较高的流量和水力能量来实现清洗和冷却，钻头的鼻部在钻夹层时局受损坏。

浅谈大钻具分类

浅谈大钻具分类

       大钻具、硬质合金钻头、一字钻头、十字钻头、取芯钻头、PDC钻头、十字柱形钻头，风钻头，螺旋钻头，平底无心钻头，煤钻头等相关矿山凿岩产品。           一、煤电钻：ZM12干式煤电钻，ZM12湿式煤电钻，ZM15干式煤电钻，ZM15湿式煤电钻。          二、凿岩机：7655凿岩机、YT23凿岩机、YT23D凿岩机、YT24凿岩机、YT27凿岩机、YT28气腿式凿岩机、YN27内燃凿岩机、YN27C内燃凿岩机、YSP45型向上式高频凿岩机以及相关配件。        三、锚杆钻机：MQS-35手持式帮锚杆钻机，MQS-50手持式帮锚杆钻机，MQS-60手持式帮锚杆钻机，MQT-85气动锚杆钻机，MQT-110气动锚杆钻机，MQT-120气动锚杆钻机，MQT-130气动锚杆钻机，MQTB气动支腿式锚杆钻机，MJ60﹑MJ80型系列锚杆安装机。        四、捣固机：D3气动捣固机、D4气动捣固机、D6气动捣固机、D9气动捣固机、D10气动捣固机。        五、破碎机：B47破碎机、B67破碎机、B87C破碎机、TPB-60破碎机、TPB-90破碎机及其相关配件。        六、风镐：G10风镐、G20风镐、G35风镐、G50风镐、G90风镐及其相关风镐钎具。        七、风铲：CZ2风铲、C4风铲﹑C5风铲、C6风铲、C7风铲。        八、钻杆：B19钻杆，B22钻杆，煤钻杆，六棱式钻杆，仿英钻杆，麻花钻杆，自进式钻杆，自钻式钻杆，风钻杆等。    九、钻头：金刚石钻头﹑硬质合金钻头﹑十字钻头、一字钻头、PDC钻头、风钻头、螺旋钻头、六棱中空钻头及连接套、煤钻头及配件、平底无心钻头。上一篇:浅谈大钻具的优势

大钻具常见问题的原因分析

　　1、分层

　　主要表现为金刚石层与硬质合金衬底在其结合面上出现裂缝。用50MHz超声波探伤仪可以检测出其结合面上的烧结情况，金刚石与硬质合金粘结牢固的PDC在探伤中不发生界面反射波；而界面上有裂缝的PDC可以对超声波产生多次的反射和折射，使其在探伤图像上出现非正常的杂波，不同的裂缝产生的杂波图像也有所不同。下面是两种不同的烧结情况在超声波探伤仪中产生的波形图。

　　产生分层的主要原因大致有以下几方面：

　　①高温时间过长

　　众所周知，金刚石在烧结过程中会部分石墨化，液相钴渗入金刚石微粉层时，溶解石墨并向金刚石输送碳，使金刚石颗粒长大并搭接起来，形成金刚石-金刚石的键结合。钴液渗入金刚石粉末的过程伴随着石墨→金刚石的转变，最后金刚石粉末中的石墨转变成金刚石，形成具有金刚石-金刚石结合的牢固烧结体。如果烧结过程处于温度相对较高且持续时间较长时，液相钴会迅速完成溶解石墨并向金刚石输送碳的过程，金刚石颗粒也会长大并搭接起来，但由于高温持续时间较长，已烧结的金刚石会被碳化，从而使金刚石层中残留过多的石墨，严重影响金刚石层与硬质合金衬底的界面结合强度，导致界面分离。

　　②残余应力

　　残余应力的产生主要是由于热膨胀(冷收缩) 的存在。硬质合金的热膨胀系数是金刚石的两倍。PDC的烧结属于液相烧结，当烧结结束各相开始冷却时，由于各相热膨胀不同所以收缩不一致，彼此约束，从而产生应力，这种应力过大时，大钻具厂，便导致金刚石层从衬底上分离。而热膨胀是材料本身的固有特性，要完全消除其影响是很难的，只有从工艺上入手，大钻具质量哪家好，比如对衬底形状的设计，或通过退火处理，以尽量减小残余应力的影响。

　　③硬质合金本身的质量较差。

　　2、欠烧

　　分为全部欠烧和局部欠烧。从外观上看，主要是金刚石微粉尚未完全烧结，呈现松散的结构，在色泽上表现为灰色或带黄色斑点，磨耗比很差，基本无使用价值。造成欠烧的主要原因有：

　　①原材料受到污染

　　在市购的金刚石微粉中，总会包含着叶蜡石、石墨、铁磁性物质和灰份等杂质。如果未处理干净或在存放过程中受污染，那么在烧结过程中，这些污染物将对金刚石产生热侵蚀，促使金刚石氧化和加速金刚石的石墨化，从而阻碍钴扫越的进行，轻则局部阻碍金刚石的自身烧结，重则只有界面处的金刚石被烧结，留下黄色斑点。因此，对原材料的保存和处理要相当仔细，严格按照规程进行。

　　②温度过低或高温时间保持不够。

　　由于PDC烧结属于液相烧结，它就要求必须有液相生成。温度过低时，大钻具生产厂，不能产生足够的液相，使烧结过程无法持续，只能在界面处产生烧结，而其他部分仍保持原有形态，呈现松散的结构。合成腔体达到预定温度是需要一定的时间的，由于受工艺条件所限，这个时间不能过长，否则就会相应缩短后期保持高温的时间，这样，虽然也产生足够的液相，但在相对较短的时间里，扫越式再结晶进行的不很完全，而造成PDC的局部不烧结。要避免这些情况的产生，除了要防止设备故障(如压机的绝缘垫损坏或压机的加热电源漏电等)外，还要不断加强对操作人员的培训，提高操作人员的技术水平。

　　③衬底结合剂含量不足

　　PDC的烧结是需要在衬底中的结合剂参与下有条件进行的，当衬底中结合剂的含量不足时，就会影响PDC的烧结质量，轻则一般会在超硬层表面留下较深的虚点，虚点处基本上没有磨耗比；重则就只能是废品。

　　3、针眼、黑点

　　所谓针眼就是指在PDC的金刚石表面存在象针扎过一样的小孔洞。它们有多有少或聚或散，是影响成品率的一大缺陷。我们认为这些小孔洞实际就是气孔。吸附气体或蒸汽是固体与气体界面上最重要的特征性质之一，金刚石亦不例外。由于合成PDC所使用的是金刚石微粉，通常只有几十微米或几微米，因而比表面积极大，所吸附气体的量就更为惊人。在烧结过程中，由于液相的产生，气体分子逐渐聚集，形成或大或小的气泡，随着温度的升高，颗粒的粒界开始移动，粒子长大并搭接，气泡逐渐迁移到粒界上消失，烧结体密度增高，并可能最终排除气泡，得到充分致密的烧结体。但困难的是我们不知道气泡什么时候能被完全排除，因而总会有个别的气泡随着烧结结束形成气孔留在金刚石层中。

　　黑点实际上是一种颜色不均匀，它总是出现在PDC表面的中心部位，而且随着PDC尺寸的大小而变化，PDC的尺寸越小，它就越不明显。它形成的原因就是由于存在着压力温度梯度。在超高压、高温状态下，压力、温度在各处并不均等，且总是边缘的温度和压力高，越往中心就越低，这种不均匀性就会在烧结体上体现出来，要想消除这种缺陷，就应当从组装和配料等工艺上进行改进，才能解决。

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