金刚石钻头选用原则

金刚石钻头硬度选用原则
金刚石钻头的质量和金刚石材质有很大的关系，金刚石硬度，决定金刚石钻头硬度。

金刚石钻头的种类有很多种分法，如天然的、人造的；单管的、双管的；绳索取芯的、定向钻进的；取芯的、全面钻进的；矿山的、油井的。

根据钻进和碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体钻头。

不同类型的金刚石钻头使用的地方不一样，对金刚石钻头硬度的需求也不一样。

1表镶金刚石钻头
英文：surface set diamond bit
释文：金刚石钻头的一种。

钢质的圆筒状钻头体,上部车有丝扣,下部烧结有钻头胎体,金刚石的颗粒是包镶在钻头胎体的表面上。

胎体的外径略大于钢体直径、内径略小于钢体内径,内外侧和底部都有可以过水的沟槽,在钻进时流过冲洗液带走岩粉和冷却钻头。

表镶金刚石钻头都是包镶的天然金刚石,故价格昂贵,因而只用在一些特殊难钻进的硬地层。

石油钻井用表镶金刚石钻头较多。

2孕镶金刚石钻头
英文：impregnated diamond bit
释文：金刚石钻头的一种。

钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒的钻头。

钻进时胎体磨损,金刚石不断出露克取岩石,可以一直将胎体全部磨完,都有新出露的金刚石进行工作,类似于砂轮磨削金属材料。

胎体有一定高度,外径略大于钻头体外径、内径也略小于钻头体内径,胎体的外侧面、内侧面和底面均有水槽,以便通过冲洗液排除岩粉和冷却钻头。

大多数的孕镶金刚石钻头是使用的人造金刚石,称为人造孕镶金刚石钻头。

人造金刚石比天然金刚石价格便宜很多,也能较广泛地用在硬地层中钻进。

3电镀金刚石钻头
英文：electro～plated diamond bit
释文：又称铸造金刚石钻头。

中国独有的利用电镀原理而制成的金刚石钻头。

金刚石的胎体是在电镀槽里被一层一层镀覆在钻头体上,电镀覆盖电解金属的同
时,撒布金刚石颗,金刚石就被包裹在电镀金属层里。

长时间的反复补砂和镀覆就形成了钻头的工作层。

电镀时钻头钢体也采用塑料模具定型,使镀层沿钻头轴线方向增长,并保证胎体的内外径尺寸和小槽等。

电镀金刚石钻头所用的金刚石也多是人造金刚石,钻头胎体的成分主要是镍,与普通孕镶金刚石钻头有相同的适用条件。

4钻头胎体
英文：matrix
释文：包镶金刚石和连接空白钻头体的钻头冠部合金或金属称胎体。

它一般用难熔金属碳化钨粉末或铸造碳化钨为骨架材料；以易熔金属如Cu、cu～Ni、zn、Sn、Mn等为粘结剂,在模具内以高温条件下压结，温度一般为1000～1200℃。

钻头的工作能力在很大程度上取决于胎体的性质,要有相当的强度、抗冲击韧性,特别是硬度与耐磨性要与所钻岩层性质相适应。

孕镶金刚石钻头随钻进胎体要相应磨损,使金刚石不断裸露出来以破碎岩石,因此胎体硬度与耐磨性是孕镶钻头的一个重要指标。

调节胎体骨架金属的成分、粒度,以及粘结金属的成分、比例和烧结工艺可改变胎体硬度和耐磨性,保证在各类岩层中都能取得最好的钻进效果。

按胎体的硬度进行了分类分级,共分软、中硬、硬3类,6级,见表。

坚硬致密的弱研磨性地层应选用软胎体,即洛氏硬度(HRC)在35以下；在强研磨性地层、裂隙地层则应选用硬胎体,即HRC硬度在35～45之间。

5金刚石复合片钻头：
用金刚石复合片做切削刃的钻头。

金刚石复合片钻头金刚石复合片（PDC）是在高温条件下，由人造金刚石与硬质合金一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金刚石硬度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金抗冲击性强、出刃大等特点，用它做钻头的刀翼可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层和坚硬岩层的理想钻头。

系列金刚石PDC钻头，托体采用优质钢材煅压成型，经过真空全自动热处理设备进行增加机械性能处理。

金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业。

两翼PDC锚杆钻头（半片标准型）适应岩层八级以下，在同等岩层条件下钻进寿命是普通合金钻头的10～30倍，效率至少提高60%以上，不需修磨，大大降低工人的劳动强度，节约工时。

高强型金刚石钻头刀翼采用最新研制的球型金刚石刀片，特点是钻进速度快，抗
冲击能力强。

当钻头钻进时，唇边用于正常均匀地层岩石的刮削，突出部分可以抑制钻头钻进过程中遇到缝隙时瞬间大幅度进尺，大大降低了钻头的意外损坏，提高了应对复杂岩层的钻进水平。

金刚石钻头选用原则：
1、6～7级完整均质的岩石选用人造聚晶表镶金刚石钻头和粗粒表镶金刚石钻头，粒度为10～20粒/克拉，金刚石钻头胎体硬度应在HRC45左右。

2、7～8级中等研磨性，较完整的岩层选用粒度为20～40粒/克拉的中粒表镶钻头和60目以粗的孕镶钻头，金刚石钻头胎体硬度为HRC40左右。

3、9级以上中等研磨性，较完整的岩层选用80目以细的孕镶钻头或者品级好的粒度为40～60粒/克拉的细粒表镶钻头，金刚石钻头胎体硬度应在HRC35～40左右。

4、研磨性强的岩层（如石英砂岩）应选用胎体硬度较大的、浓度较高的、粒度较细的孕镶钻头或者品级好、粒度细的表镶金刚石钻头（60～100粒/克拉）。

5、钻进节理发育、构造复杂的裂隙破碎岩层，应选用胎体硬度大的孕镶金刚石钻头或细粒表镶金刚石钻头，而且必须采用双管钻头。

选用金刚石钻头时应根据具体岩层考虑金刚石孕镶钻头的金刚石粒度、金刚石浓度、和胎体硬度。

坚硬的岩层选择金刚石硬度高的钻头。

选择正确的金刚石钻头能够让钻探工作更加顺利。

一般原则：
1、软的、中硬和完整均质的硬岩层一般宜用表镶钻头；硬的、坚硬的和破碎的、软硬不均的、裂隙性和高研磨性岩层宜选用孕镶钻头。

2、胎体硬度应根据岩层的研磨性、破碎程度、硬度、颗粒度等因素选择，其中主要因素为岩层研磨性和破碎程度。

岩层研磨性强、破碎程度厉害、较软、颗粒度粗的选用硬胎体。

反之，研磨性弱、均质完整、硬度大、颗粒度细的岩层（如“打滑”岩层）选用的胎体应偏软。

如研磨性与硬度发生矛盾时，则服从于研磨性，例如遇研磨性强和硬度大的岩层时，应选用特硬胎体。

否则胎体很快被岩层磨损，使钻头失去工作能力。

3、岩层复杂、研磨性越强、越硬，选用的金刚石品级应越好，金刚石的粒度应越细。

4、岩层强研磨性、较破碎、颗粒粗，选用浓度较高的胎体。

5、岩层偏软、破碎、研磨性强，胎体偏硬，使用的是孕镶钻头，则钻头水口部位通水截面应大，宜采用多水口钻头。

反之，采用少水口钻头。

金刚石钻头唇面形状的选择：决定于岩石性质和钻头的用途等因素。

矩形唇面又称平底形，常用于孕镶钻头。

它加工方便：有最小的工作面积，因而要求的钻压较小，从而在同样钻进参数条件下获得较高的钻速。

但它下至孔底时有一磨合过程，即开始进尺较慢，待磨成微弧形后，才以正常速度进尺。

其次其稳定性较差，易造成钻孔弯曲。

此唇面常用于钻进中硬和中等研磨性岩层。

圆弧形唇面可缩短初磨时间，常用于中硬和中等研磨性岩层。

半圆形唇面即钻头底唇半径等于二分之一壁厚。

唇部内外刃得到加强，适用于硬和研磨性岩层。

阶梯形唇面有一、二、三阶梯多种，通常用于绳索取心钻头及单管厚壁钻头。

这种钻头在钻进时有较好的稳定性；碎岩时自由面较多而效果好，适用于钻进中硬岩层。

目前在坚硬弱研磨性岩层中使用，也获得较好的效果。

锥形唇面这种钻头在孔底有良好的稳定性和导向性，有利于防斜。

绳索取芯钻头中常用。

锥形唇面还可分内锥、外锥、双锥数种。

底喷形唇面对孔底冲洗干净;在破碎岩层中钻进,还能提高采心率:但加工复杂。

同心圆锯齿形唇面又称尖环槽形，金刚石主要分布在齿形部分。

内外侧用的粒度较大，以保证钻头直径。

齿形唇面能造成多自由面的孔底，使钻头对岩石作磨削与剪切相结合的破碎作用，获得较粗颗粒的岩粉，有助于金刚石的出刃，提高机械钻速。

由于钻头所需轴压较小，还有较好的防斜作用。

齿形唇面钻头适用于钻进硬而致密弱研磨性岩层。

钻具折断事故的原因
钻具工作时受力非常复杂，一旦某一断面上的合成应力超过了它的强度极限，就会折断。

钻具折断的主要原因有: 1、钻具本身不直,磨损严重或有裂纹等缺陷,使用时检查不严; 2、钻进规程参数不合适如压力过大,钻速过快; 3、孔内部清洁;钻孔中有严重超径的孔段或者钻进时有吊块,突然卡钻,夹钻,烧钻等。

钻具振动的原因
(一)工艺技术方面的原因
1、所用设备的技术状态不好,如:钻机稳定性差,回转器轴承有间隙等;动力机功率不足,超载荷时工作不稳定;往复式水泵送水量和压力不均,冲洗液产生脉动.
2、钻机地基的强度不够以及钻机在基础上安装固定不牢;
3、钻孔结构设计不合理,钻杆,岩心管的直径与孔径配合不合理.
4、粗径钻具没带稳定接头;使用弯曲的钻杆和岩心管;使用钝的或为正常磨损的钻头(金刚石碎裂,唇部偏磨,钻头椭圆形磨损等);
5、钻进规程参数的选择与所钻岩石的性质不适应;盲目的加压和加大钻速;
6、钻杆锁接头不同心;钻杆由于制造方面的原因或使用过程中不均匀磨损(特别是在弯曲的钻孔中使用),造成壁厚不均和椭圆度,引起钻杆不同心,回转不平衡;
7、主动钻杆弯曲,超长,在立轴中偏心;
8、钻孔发生弯曲;
9、使用过重的提引水接头和送水管;
10、孔底有残留岩心或其它金属物品.
(二)地质方面的原因
1、岩层破碎,裂隙发育.
2、岩层软硬变化频繁.
3、岩层层理,片理发育并于钻孔轴线形成锐角;
4、溶洞,空学发育.
5、岩层的颗粒度不均匀,具有非均质结构;
6、岩石的硬度和强度不均.
岩石的物理性质
1、密度与孔隙度岩石的质量与其体积之比称为岩石的密度。

而岩石的孔隙度则是岩石中的孔隙的体积与岩石的体积之比。

2、岩石的含水性与透水性
岩石的含水性一般用含水度表示，它是孔隙中水的体积与岩石的体积之比。

岩石的含水性与岩石的孔隙度成正比关系。

岩石的透水性，以单位时间内通过岩石的水量来表示。

一般岩石的空隙度越大，透水性越高，岩石的强度和稳定性便越低。

3、松散性和流散性松散性是指岩石结构的致密程度，松散性强的岩石即岩石的颗粒之间的连接力弱，容易破碎坍塌。

岩石的自由面，有极力趋向水平的性能，称为流散性。

岩石的松散性和流散性都给钻探施工带来困难。

4、稳定性在岩体内有自由面（如钻孔）时，岩石能保持不坍塌、不崩落的性能称作稳定性。

岩石的力学性质
岩石在外力作用下所表现便性与破坏的性质，称作岩石的力学性质。

与回转钻进有关的主要是岩石的强度、硬度、弹性、脆性和塑性，以及岩石的研磨性。

一、岩石的强度
岩石的强度是指岩石对各种不同形式的外力（拉力、压力、剪切力、扭力等）的抗破碎能力的总称。

影响岩石强度的因素分为自然因素和工艺技术因素。

自然因素：1、岩石的矿物成分 2、岩石的颗粒尺寸 3、岩石的容重和孔隙度 4、岩石的层理 5、岩石结构构造的缺陷
工艺技术因素：1、岩石的形变方式 2、岩石的应力状态 3、外载作用的速度 4、介质的影响 5、岩样的线性尺寸
二、岩石的硬度
三、岩石的弹性、塑性、和脆性
四、岩石的研磨性
五、岩石的A、B值
岩石的A值是指钻头钻进岩石时，岩石对钻头中金刚石的磨损性；岩石B 值是指钻头钻进岩石时，岩石对钻头胎体的磨损性。

钻头转速与金刚石粒度的确定
钻头钻速的大小与金刚石粒度大小有很大关系，若要实现高速钻进，则孔底产生的岩粉较多，要求钻头的排粉效果要好，这样钻头就必须选用粗克力的金刚石，有利于达到高转速的目的。

孕镶金刚石钻头在钻进过程中，要求金刚石不断地产生新陈代谢，才能保证金刚石的正常钻进。

这就需要在金刚石磨损的同时，胎体也要不断地磨损，而对台地的磨损是通过金刚石破碎下来的岩粉实现的。

岩粉磨损钻头胎体的快慢取决于岩粉的粒度、硬度、岩粉量。

岩粉的粒度和硬度与岩石本身有关，岩粉量的多少取决于钻进时效。

钻进时效高，产生的岩粉量就多，这样出于排粉方面的考虑，要求金刚石的粒度也应越大。

钻头胎块下面的岩粉量越大，需要的金刚石粒度越粗，而岩粉量取决于钻进时效、胎块长度、水口宽度、钻头线速度等因素，在胎块长度、水口宽度确定后，岩粉量与钻进时效成正比，与钻头线速度成反比。

钻头的金刚石的包镶强度越低，钻头所需的金刚实粒度就越粗。

钻进极坚硬地层时，时效都很低，一般只有1到2米/小时，金刚石的粒度越小越好。

在钻进极坚硬底层时，岩粉根本磨不到胎体，金刚石无法新陈代谢，随着金刚石的迅速钝化，钻头最后根本无法进尺。

这说明为什么软胎体钻头不能解决极坚硬地层钻进问题。

因为胎体在软，岩粉磨不到它也无济于事。

岩石的B值反映的是岩石对钻头胎体的磨损性能，岩石B值越大，说明岩石磨损钻头胎体的能力越强。

这样在设计钻进岩石B值较大的地层钻头时，需要设法增强钻头胎体的耐磨能力。

即降低金刚石的换层速度，或在不增加钻头工作层高度的条件下，设法提高钻头的金刚石层数。

增加钻头胎体磨损能力的途径之一是设计钻头的金刚石参数中选用颗粒度较细的金刚石，这样有利于增强钻头胎体的耐磨能力，达到延长钻头寿命的目的。

钻头实现正常钻进并不使金刚石出现破碎现象的作用于胎块表面单颗金刚石所受的最大压力为金刚石抗压强度的三分之一。

在设计钻头时，若所用的金刚石颗粒越粗，则钻头选用的金刚石浓度因较高；若钻头所承受的压力越大，则钻头选用的金刚石浓度应较高；若钻头的回转速度越高，则钻头选用的金刚石浓度应较高；若要求钻头的钻进速度越快，则钻头选用的金刚石浓度应较低。

单管金刚石钻头使用条件
1、钻进各种硬度和研磨性的完整岩层。

2、在裂隙发育而采用双管亦出现岩心堵塞严重的地层。

3、在上述情况下岩心不易被冲洗液冲蚀的岩层。

4、在坑道钻探水平孔和垂直孔。

5、用于取样钻机钻探。

6、小直径工程浅表钻孔。

单管钻头与双关钻头比较，其寿命要短，取心率较低，所以在可能条件下力求采用双管。

人造金刚石孕镶单管钻头：
1、钻头特点
（1)钻头唇面为平底形或圆弧形。

保径方式与孕镶双管钻头相同，但对裂隙发育和强研磨地层可以用硬质合金加强保径，刚体外表可用碳化钨补强。

（2）钻头长度、螺纹、刚体与内壁结构都与表镶钻头相同。

（3）钻头水口数量及大小、胎体性能、金刚石品级、粒度和浓度等与人造金刚石孕镶双管钻头相同。

2、适用条件适用于中硬、硬和坚硬的弱至强研磨性岩层；取样钻探、坑道钻探及浅表工程钻孔。

普通双管金刚石钻头
金刚石孕镶双管钻头的优点：
（1）能成功地钻进各种不同的中硬、硬、极硬和弱至强研磨性岩层；钻进破碎、层状、交互层而不象表镶钻头那样容易受损伤。

钻头的寿命长，特别在钻硬岩时，其技术指标和经济效果更为优越。

（2）它属于自锐式钻头，特别是人造金刚石结晶体好，在设计合理、钻头选型与岩层相适应的情况下，能够在使用过程中保持“恒转速”。

（3）钻速调节幅度宽，高转速在多数岩层可以获得较快的钻速；在钻进硬岩时转速较低，而适当提高钻压仍能取得较满意的钻进效果。

（4）孕镶金刚石受到胎体的良好保护作用，对少数有缺陷的金刚石，其影响不象对表镶钻头那样明显。

（5）容易操作，即使是经验较少的钻探工人发生某些操作不当，比表镶钻头带来的影响要小得多。

因此钻探专家把金刚石孕镶钻头称为“广谱钻头”或“恒转速”钻头。

人造金刚石孕镶钻头采用人造金刚石聚晶保径，在强研磨和破碎地层采用硬质合金加强保径。

具有低钻压特性。