金刚石复合片钻头的研究

一、前言近几年来，世界上许多国家都在研制金刚石复合片和复合片钻头。国内近二、三年也获得较大进展，产品质量有了一定的提高。我们自1984年起，和有关工厂协作，共同进行了金刚石复合片新型钻头研究。截止1985年10月在湖南468队煤田、陕西八队煤田、湖南405队汞矿区和浙江三队多金属矿区分别试验了φ76普通双管、φ75绳索取心、φ56绳索取心和φ56普通双管四种复合片取心钻头，完成了两千多米的试验任务。在5—7级软—中硬地层中钻进，取得了平均钻头寿命116.3米，平均时效2.62％米/时的好效果，其中半数以上钻头寿命超过了百米，标志着国产人造金刚石复合片钻头的研究工作取得了可喜成果，并为今后开发应用展示了良好前景（图1）     

高效耐冲击复合片取心钻头的研制与应用

针对油气及非常规油气、科学钻探中,砂质泥岩和砂泥岩互层钻进效率低、钻头寿命短的难题,通过齿形金刚石复合片与圆形复合片的交错布置,研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头在新疆吉木萨尔油田36-4井页岩油芦草沟组进行了试验研究。结果表明：研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头机械钻速较其他钻头提高了2.4~3.1倍,取得了良好的社会经济效益。     

用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用

无压浸渍工艺生产的PDC石油钻头钻遇砾石夹层不适应。根据砾石夹层砾石坚硬、软硬互层、非均质、研磨性强的特点，研究了新型PDC钻头，在钻头结构上主要采取外抛内锥带辅助切削齿的结构形式，在复合片上主要采用非平面结合方式，即采用双向多条直槽非平面结合。按此方案设计与生产了3只钻头，分别在3口井试用，直辖钻穿砾石夹层馆陶组地层井段，钻井效率提高26％，突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区。     

硬致密泥岩钻进的新型复合片钻头的研究与应用

介绍了一种新型齿形的复合片钻头，在硬致密泥岩中钻进，与常规复合片钻头相比，具有很高的钻进效率和高的钻头寿命，解决了泥岩钻进效率低的难题。     

直槽式金刚石复合片锚杆钻头的设计与应用

目前煤矿井下巷道锚固支护用金刚石复合片锚杆钻头多为中心水眼式两翼型式,论文从复合片锚杆钻头结构出发,设计出一种新型直槽式复合片锚杆钻头。该种钻头主要有以下几个优点:增大了复合片与钻头钢体的接触面积,进而提高了焊接强度;规避了中心水眼堵死的情况;钻头整体性更好,结构简单、便于加工。该直槽式锚杆钻头在淮北矿业集团芦岭矿进行了现场试验,钻头寿命提高23%。     

新型三翼可开闭式PDC钻头的设计与应用

为解决普通四翼可开闭式PDC钻头存在中心翼片开闭不灵活、钻进穿层孔效率低、钻头体易变形的问题,介绍了新型三翼可开闭式PDC钻头的设计。设计方案为:将中心翼片的定位方式由全开放式改为半开放式;将定位珠位置由中心翼片改为镶嵌于钻头体内;将钻头结构由四翼改为三翼,优化布齿。开发的新型三翼可开闭式PDC钻头,在淮南矿业集团朱集东煤矿进行试验,3只钻头平均寿命为590.7m,提高68.8%;钻进砂岩段效率为16m/h,提高33%;中心翼片开闭灵活,下管成功率达到100%。     

电镀复合片钻头研制

复合片是继人造金刚石单晶之后发展起来的新型聚晶切削具,用低温电镀的工艺镶焊复合片钻头在我国还是首次。因为复合片热稳定性差,一般不超过700℃,所以低温工艺簿焊复合片钻头一直是世界各国钻头研制者寻求的方法。该工艺不仅最大限度地保护了复合片不受热损伤,而且焊接强度高,复合片镶焊牢固。本文还介绍了为提高复合片钻头经济指标的诸钻头参数设计的理论根据,如负前角、旁通角、出露高度、复合片布置等等。通过试验取得了满意效果。     

日本金刚石复合片钻头研究现状

金刚石复合片最初呈圆片形，用作金属材料切削工具，由人造金刚石烧结体和WC—Co硬质合金基座构成（图1）。以往的钻头用金刚石复合片通常采用低温钎焊（不超过650℃）或压入法镶嵌到钻头上（前角为-10°—-25°）。此种钻头以剪切作用钻进，钻进效率比牙轮钻头高。金刚石复合片材料来源广，成本     

双排硬质合金钻头

这种钻头在4—6级岩石中钻进,效果显著,效率大大提高,比普通合金钻头提高50—100％,比钻粒提高20—30％。     

低温电镀PDC复合片石油全面钻头研制

采用低温电镀工艺，使ＰＤＣ复合片石油全面钻头的整个生产过程完全不受高温影响，这种新工艺为世界先例，属我国首创。为提高ＰＤＣ复合片石油全面钻头的经济指标，介绍了冲蚀原因、防冲蚀措施；钻头回旋及其防止方法与复合片的布齿、安装、焊接、固定、喷嘴安装等以及钻头的生产试验。     

低温电镀复合片石油全面钻头的研制

采用低温电镀工艺（室温）生产复合片石油全面钻头,或者说复合片镶嵌在钻头钢体上而形成完整的复合片石油全面钻头的整个生产过程中完全不受高温影响。因而最大限度地保护了复合片和金刚石,提高了钻头使用品质。现已获得较理想的经济指标,受到生产用户好评。     

奇偶齿鱼脊式聚晶钻头的设计及在油页岩地层的钻进效果

在壳牌石油公司油页岩资源项目钻探施工中，针对复合片钻头产生滑槽式的研磨回转而出现憋泵、糊钻、烧钻、进尺慢等问题，研制了奇偶齿鱼脊式聚晶钻头，并设计了合理的水路系统，与复合片钻头相比钻进效率成倍提高。     

复合片钻头试验初见成效

我所、北京队与人工晶体研究所协作研制的复合片钻头,经过半年多的努力,设计出将近十种类型,制作出数十个钻头,在室内试验台的钻进试验和去广东、辽宁等地野外队进行的生产试验,已获得初步成效。如在辽宁地质公司102队二号机台,在荣官石膏矿区的下寒武纪紫色条带状粉砂质页岩中,当孔深375.67m时,下入1403~#复合片钻头进行试验,获得钻头总进尺73.07m及平均实测时效1.27m/时的记录,比该机台采用的人造聚晶钻头进尺及时效都有较大的提高。1403~#复合片钻头尚可再使用。从复合片钻头在中硬以下岩层试验钻进中反映出来的优越性,可以为当前公司推广绳索取心钻进提供合适的钻头,弥补中硬以下地层金刚石钻头的空白。     

绳索取心钻进的技术经济效果

我队于1980年9月开始，在汞矿区推广绳索取心钻进工艺，当年共完工两个钻孔，皆为优质孔。总进尺906.44米，其中绳索取心钻进进尺877.76米。平均台月效率为1156米，比普通双管钻进的台效提高了133％；钻头平均进尺260米，比普通双管钻头平均进尺提高了171.10米。81年5月初又增开一台绳索取心     

深部钻进用新型复合片钻头的试验研究

在地质钻探和石油天然气钻井中,尤其是在深部钻进中复合片钻头得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,常常发生复合片非正常磨损甚至损坏的情况,影响了其推广使用。俄罗斯钻探工作者在对其进行深入研究的基础上,提出了使用新一代楔形复合片和圆锥弧形复合片组合,设计出新型结构减振复合片钻头,取得了一定的进展,技术经济效果良好。     

两级磨料新型孕镶金刚石钻头

研制出一种两级磨料新型孕镶金刚石钻头，该种钻头解决了时效与寿命不能同步提高这一长期困扰钻头研制者的难题。现场应用证实了这种新型钻头的优越性，钻头综合指标较一般钻头提高１７９％。     

金刚石复合片全断面钻头在小浪底帷幕补强灌浆工程中的应用

在黄河小浪底水利枢纽左岸山体帷幕防渗补强灌浆工程中，选用了金刚石复合片钻头，经与金刚石钻头对比，具有较大的优越性。结合实际工程，介绍了复合片钻头的优点、使用中的注意事项等。     

关于复合片钻头磨损的试验研究

阐述了复合片钻头在金刚石钻进试验台上钻进大理岩和花岗岩的试验研究结果。用试验设计方法研究了复合片钻头绝对磨损和相对磨损同钻进规程参数的关系，建立了相应的数学模型，利用这些数学模型可以求出钻头相对磨损最小值以及与其相应的最优钻头压力、钻头转速和冲洗液量。     

难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势

近年来,针对坚硬致密地层、坚硬强研磨性地层以及坚硬致密泥岩地层这3类地质勘探的难钻进地层,开展了金刚石钻头相关的研究与攻关,取得了重大进步。针对坚硬致密地层,通过在胎体中添加稀土和自锐材料、低压钻头结构设计,在可钻性小于11级的坚硬致密"打滑"地层中,钻进速度可达1.5~2.0 m/h,钻头寿命达30~300m;针对坚硬研磨性地层,通过超高金刚石工作层和优化的水力结构设计,超细预合金化粉末以及超耐磨胎体性能,使机械钻速同比提高20%~70%,钻头寿命同比提高1.4~10倍;针对坚硬致密泥岩地层,对尖齿复合片和巴拉斯钻头进行了深入的研究,钻进效率提高了50%左右。在油气田深井硬岩钻探领域,NR826系列金刚石孕镶钻头配合螺杆钻具同比牙轮钻头,机械钻速提高18%~85%,钻头寿命提高5~8倍。此外,我国在海洋深水钻探复合片钻头方面的研究也取得了长足的进步。     

聚晶金刚石复合片钻头的类效形式及工艺分析

通过对聚晶金刚石复合片钻头的失效形式及相关工艺过程的分析，指出了在PDC钻头的加工使用过程中应该注意的问题，对提高PDC钻头的加工水平和延长使用寿命，有一定的借鉴意义。