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?金刚石复合片钻头基本结构

钻具基本结构

钻具(PDC)是继人造金刚石单晶之后发展起来的新型超硬材料。它由在高温高压下形成的金刚石薄层和碳化钨基片组成。金刚石薄层中包含有许多细小的金刚石晶体，它们随机定向，所以强度和耐磨性极高。碳化钨基片加强了金刚石薄层，使它耐冲击，钻进时钻具在磨损过程中能保持锐利的棱边，这种自锐作用使钻头钻速高、使用寿命长。由于复合片的优异性能，自20世纪70年代末80年代初以来，国外在油井钻探、煤田钻探和部分岩心钻探中逐步开始使用钻具，从而大大提高了机械钻速和钻具寿命，降低了钻进的综合成本和成孔周期，取得了明显的经济效益。我国从20世纪80年代末开始生产钻具，现已在油田钻进中广泛使用。随着复合片生产技术的提高和钻具设计制造技术的进步，钻具在地质钻探、煤田钻探、金属矿山开采、工程施工、水电施工、公路桥梁、边坡防护和灌浆工程中的使用越来越广泛，大同钻具，适应的地层也越来越广。

复合片形状示意图

金刚石复合片钻头的基本结构通常都是由复合片和钻头基体两部分组成。从钻头结构设计考虑，主要有复合片的定向、保径的方法、排粉和冲洗等。

1，钻头基体

钻头的基体是钻头的主要部分，是复合片的载体。其质量的高低，结构是否合理，对钻头的使用效果有很大的影根据所采用材料的不同，钻头基体分为胎体式和钢体式。

钻具的基体

直接采用钢材加工而成，目前，国内的钻具大多数采用的是钢体式。钢体式钻头的特点是制造简单、材料费用低，但存在保径效果较差、基体易被冲刷磨损、复合片支撑体易损坏等缺点，***终造成钻头的使用寿命短。随着复合片质量的提高，钢体超前损坏已成为复合片钻头损坏的主要形式之一。

钻具的基体

采用粉末冶金的方法制造，制造费用较高，但其它性能明显优于钢体式。刚刚研究开发出的一种新型胎体式钻头的底唇结构形式，其基体由刚体、胎体和孕镶于胎体中的金刚石等几部分组成。

2，复合片的形状

复合片它是由常规的复合片按照钻头底唇厚度采用线切割而成，而不是通常复合片钻头常用的圆片装。

其优点在于：

(1)复合片的大小根据钻头的需要切割，能够保证孔底的全覆盖。

(2)有利于保径。

(3)由于地勘钻头的环状尺寸较小，如果采用圆片状的复合片，其弧度太小，在钻进的初期速度较高，但磨损也快，机械钻度很快下降并使钻头报废。采用切割片，可选用较大尺寸的复合片，使钻头底唇在钻进过程中保持比较好的圆弧底唇，使复合片得到充分的利用，从而使钻头获得较长的寿命。

3，复合片的空间***

复合片的空间***是指复合片在钻头底唇上安放的空间位置。复合片的空间***是复合片钻头设计的***，对钻头钻进的性能有很大的影响。

(1)复合片的负前角。

复合片钻头的复合片前角采用负前角，见图。负前角通常在0。一25。之间，以适应不同地层的需要。对于软地层，负前角取O。或较小值；对于较硬的地层，负前角应较大，以有效地切削地层并防止冲击对复合片的损坏。

复合片的负前角

由于地质钻探、工程施工领域使用复合片钻头钻进的地层通常较硬，另外，在一定程度上考虑钻头的通用性，地勘复合片钻头的负前角通常为15。。

(2)复合片的旁侧角。钻头上复合片的旁侧角有利于钻头的清洗和岩粉的转移，岩屑被剪切下来后可被推向复合片前方，也可被推向复合片旁侧。具有旁侧角的复合片排列使得岩屑能主动向环型空间转移，从而达到及时清除岩屑的目的。地勘使用的复合片钻头的旁侧角比油井钻头的要小一些，通常在5。一10。之间，钻具哪家好，见图。

复合片的旁侧角

(3)复合片的出露高度。

复合片的出露高度主要从两方面进行考虑，一个是冷却和排粉；另一个是复合片的抗冲击能力。在小口径的岩心钻探中，冲洗的能力一般都能够满足冷却和排粉的需要，复合片可以尽量采用大的出露。但是，大的出露，必然使复合片承受大的冲击力。以前，由于焊接技术不过关、复合片本身的抗冲击能力有限，一般采用部分出露的形式以增加复合片的抗冲击能力。

(4)复合片的密度。复合片的密度是指在单位环状面积上复合片的数量。它是钻头设计的***，因为它直接影响钻头的使用寿命和效率。一般来说，复合片的密度越大，钻头的磨损速度就越慢，钻头寿命就长，但是，其机械钻速较低。反之，复合片的密度越低，钻头的磨损速度就越快，钻头寿命就短，钻具厂家，机械钻速就较高。复合片钻头设计的原则是：根据地层情况，以保证钻进效率为前提，适当兼顾钻头寿命。

(5)复合片钻头的内外保径。

复合片钻头要求有长寿与***的效果，除了选用高品质的复合片、优良的钻头结构设计外，钻头的内外保径效果也很重要。 ．钻头采用复合片和聚晶金刚石双重保径，使钻头的保径达到了很好的效果，见图1。孕镶于胎体中的金刚石是保径的主体，保径主要依靠聚晶完成，同时切割的复合片也参与了保径，从而增强了复合片本身的保径能力。以前普遍使用的圆片状复合片，其内外出刃上的复合片所能达到的钻头内外径理论上只是复合片直径上的一个点，只有一个点进行保径。

钻具钻具钻具

?金刚石钻头钻进薄层砂砾岩的方法

钻具钻进薄层砂砾岩的方法

利用钻具进砂砾岩层是让每位机长都头疼的一件事，究其原因是该岩石钻进效率低，并且取芯率难以保证。特别是钻进的砂砾岩层比较厚时，那么单个钻孔的耗时将会是相当长久，为了提高钻具钻进砂砾岩的钻速，金钻钻头厂以薄层砂砾岩为例介绍该岩层的概念以及钻进该系列岩层的方法。

含土层的薄层砂砾岩

一，薄层砂砾岩的概念和分类

1，薄层砂砾岩的概念

薄层就是指厚度较薄的地层，在砂砾岩剖面尤为常见，在不同领域、不同地区、不同油田，有不同的含义。《地质词汇》定义薄层是指厚度为5~60cm的地层。从钻探的角度看，薄层是相对的，如果地层的厚度小于钻探仪的垂直分辨率就可称之为薄层，然而不同的钻探仪有不同的分辨率，因此，薄层可能在不同地区，不同油田有不同的界线，随着钻探方法的完善，钻探设备的改进，解释处理手段的发展，薄层的概念也相应地改变。在实际应用中，目前以厚度小于1m的地层为薄层，厚度小于0.5m者为超薄层，厚度小于1cm者叫做纹层。

2，薄层砂砾岩的分类

薄层有两种类型：

单一薄层：是指常发育干厚泥岩中的薄砂岩或砂岩中的致密夹层。

薄互层：是指一般砂岩中被一个或几个泥质条带分成许多个小的夹层，每一夹层合起来的有效厚度在0.5m左右，这种薄层一般岩性较差，在钻探资料上没有明显的储集层显示，造成解释上的困难，但是这些薄层有可能具有较大的油气地质储量。

二，薄层砂砾岩的金刚石钻头钻进方法

砂砾岩一般以破碎的卵石或者是卵石夹杂其它属性的岩石为主，并且表层常常有泥土层的覆盖，因此钻进泥土层和岩层应该分开进行，而且泥土层和砂砾岩层的厚度往往比较薄。

1，泥土层钻进

土探孔一般不允许使用带冲洗液的回转钻进，但可采用干钻，采用金钻合金钻头或者是复合片钻头即可，钻进时效比较高没有很高的技术要求。 利用钻具自重反复对孔底进行冲击而使土层***的一种钻进方法。冲击钻进分人力冲击和机械冲击两种方式。人力冲击钻具如洛阳铲，一般适用于浅孔和地下水位以上土层钻进。机械冲击一般采用机械提升和向下冲击，适用于各类土层钻进。在河流冲积的砂砾层中钻进时，为了取得砂砾石样品，也可以采用跟管钻进。

2，砂砾岩钻进

在砂砾石中钻进时金刚石钻头宜选用金钻25-28度/研50金刚石钻头，目的是该钻头进尺效率高、耐磨度好，能提高岩芯采取率。还可用打入法取样钻进，钻具厂，用直径150～200mm的厚壁套管制成长约0.5m的半合套管，下端连接带弹簧的管靴，上端与套管连接。钻进时将套管打入孔底0.4m左右，然后起拔套管，取出砂砾石，再将护壁管打入。这样逐次打入，逐次取样，直至终孔。 从地表向下垂直开挖的圆形或方形探井。直径常为 2～4m，以满足出渣、排水、支护等的要求。在第四纪沉积层中开挖时，井壁要加以支护。在裂隙发育、涌水量较大的岩石中开挖时，有时需先灌浆止水然后开挖。

钻具

上述介绍的是利用钻具钻进薄层砂砾岩的方法，通过对该钻进技术的不断总结和经验的累积，机长们可以将此方法应用于厚度比较大的砂砾岩层。但对于机长对钻探设备的操作以及对钻具钻进技术的要求较高。

电镀101mm钻具更适合混凝土抽芯检测

混凝土抽芯是检测其内部强度的有效方法，由于使用混凝土浇筑桩基、路基或者是桥墩必须要保证其粘结强度和刚性强度。通过表层的检测无法获取内部混凝土的结合情况，因此使用钻具将内部的岩心提取出来，再通过***的岩土检测设备进行参数的检测，如果各项实验数据未达到设计要求，必须将浇筑好的铲除后重新浇筑。

101mm钻具

1，钻具和热压的比较

传统的混凝土使用热压型钻头进行，通常钻头的口径为101mm，经过20多年的发展，热压烧结钻具的已经很难满足现在钻探技术对于实效的高要求，并且热压钻具的一些缺点开始显现出来。

钻具起步虽然较晚，但是发展相当迅速，国内大批***人士常年对其进行性能的改进实验。现在，钻具已经能够完全取代热压烧结钻头，并且有着许多热压烧结钻头不具备的优点：

（1）钻具进尺效率更快。主要是由于其生产工艺采用的是低温电镀方式，避免了高温烧结对金刚石强度损伤，使每颗金刚石都能充分发挥出切削***，进尺更快。

（2）钻具价格更加便宜。如果说单个钻头的生产成本其实两者是没有区别的，但关键是热压烧结钻头采用的中频热熔焊接，单个钻头的生产时效性极差，一个工作日的单机产量只有20个左右，并且需要投入大量的人力的电力成本，而电镀钻头单日产量大，并且使批量生产，因此综合成本低，其售价当然更加便宜。

（3）钻具耐磨程度更高。钻具经过多年的研发和改良，其耐磨程度已经能够超越热压钻头了。

2，电镀101钻具的选择

和热压烧结钻头不同，电镀钻头胎体硬度分类更加精细。热压钻头只是单纯的改变金属粉末中碳化钨的含量来调节胎体硬度，而电镀钻头的胎体硬度控制方法远比热压复杂，钻头的胎体硬度更加精细准确，因此在选择时尽量按照金钻钻头厂的推荐硬度：

（1）6-8度钻具。适合钻进标号极高或者是极坚硬的岩层和桩基、桥墩等。特点是能够快速进尺。

（2）15-18度/20-25度钻具。适合钻进常规类的混凝土，可以是含鹅卵石的高强度混凝土，并且根据对钻进时效的要求合理选择两种胎体硬度。

（3）25-28度钻具。这个胎体硬度是20-25度的加强型，具有超高的耐磨性能，以及均衡的进尺效率。适合钻进含有钢筋的混凝土以及卵石层破碎层等复杂地层，这个级别的电镀钻头耐磨程度已经远超烧结钻头了。

值得提出的是，地质101mm钻具能够通过改造接头的方式应用于手提式钻机，取代寿命极短的工程薄壁钻头。采用钻具的取芯方式有水平和垂直两种，一般都是要通过卡簧卡取样心的，如果机长***技能过硬也可通过其它卡料进行取芯操作。

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