取心钻头

用金刚石及其制品作为碎岩材料制成的钻头。金刚石钻头适用范围很广，可钻进岩石可钻性为1～12级的各类地层，且钻进效率高、钻孔质量好，但钻头制造工艺复杂、成本较高、操作技术要求高。金刚石钻头由金刚石、胎体和钻头体三部分组成。金刚石是钻头的刃部，天然金刚石由于价格昂贵很少采用，一般多采用人造金刚石。胎体是钻头底部包镶金刚石的一圈合金，其主要功用是牢固地包镶金刚石颗粒并与钻头钢体焊接在一起。胎体一般用碳化钨粉末作为骨架材料，用铜镍等金属作为粘结材料，以粉末冶金方式制造，改变胎体的成分可以改变胎体的性能，以适应钻进各种岩层的需要。胎体部分开有水口和水槽，供冲洗液流通。钻头体是指钻头钢体部分，采用中碳钢管材制造，上部车有螺纹与扩孔器下端相应螺纹连接，下端加工成楔形、阶梯形、螺纹形或方形，以加强与胎体的粘结强度，便于胎体压实，传递更大扭矩。钻头体分单管钻头钢体和双管钻头钢体两种。

金刚石钻头的结构要素包括金刚石品级、金刚石浓度、金刚石粒度、金刚石出刃、金刚石的分布和排列、胎体性能和成分、水路数目和形状、底唇形式等。钻头的设计工作就是确定合理的结构要素，使钻头获得良好的经济技术效果。天然或人造金刚石钻头可用冷压浸渍法、热压法、无压浸渍法和电镀法等方法加工。金刚石钻头按金刚石包镶形式，分为表镶、孕镶和复合片钻头；按钻头用途，分为取心、不取心、绳索取心和专用钻头等。

常用的有四牙轮和六牙轮取心钻头两种。四牙轮取心钻头的牙轮有圆锥状与圆柱状两种型式； 六牙轮取心钻头的牙轮都是柱状。为了使钻头旋转平稳，取心钻头的内孔与钻头外圆应力求同心，防止偏心，内孔切出的岩心应是一个正圆，不得呈椭圆。牙轮的排列要对称，且各牙轮底必须在与钻头轴线相垂直的同一平面上。牙轮上齿的大小、多少及排列应随所钻岩性不同而异。

专用于钻取岩心的钻头。根据其结构及制造材料的不同，一般可分为牙轮取心钻头、金刚石取心钻头和硬质合金取心钻头三类。由于地层的软硬和可钻性及研磨性的不同，取心钻头的种类也很多，在结构上的差别也很大，设计的正确与否直接影响钻进速度和岩心收获率。为了提高岩心收获率，要求钻头工作平稳，因此钻头的切削刃应该对称分布，底刃面应与钻头中心线相垂直，切削刃的耐磨性应该一致，避免由于钻头的歪斜和偏磨而破坏或折断岩心。此外，取心钻头水眼的位置应尽可能避免使钻井液直接冲击到岩心上。

镶嵌有硬质合金切削具的钻头。又称硬合金钻头。它适用于中硬以下和部分研磨性较弱的硬地层钻进。钻探用硬质合金切削具是碳化钨和金属钴的粉末经压结、烧结而成，中国常用的硬质合金牌号有YG3、YG4、YG4c、YG6、YG8、YG8c、YG11、YG15等，切削具的形状主要有菱形薄片、斜角薄片、直角薄片、四方柱、八角柱和针状等。一般薄片形的适用于较软地层，八角柱状适用于中硬和硬的研磨性较强的、裂隙的地层，小方柱状和针状的适用于镶嵌较小口径和自锐式钻头钻进中硬及部分硬地层。硬质合金钻头的空白钻头常用中国牌号DZ40无缝钢管制造，上部外表面加工有连接岩心管的螺纹，内壁有便于卡取岩心的锥度，下端有镶嵌硬质合金切削具的槽或坑。

硬质合金钻头包括钻头体、水口和水槽，切削具的型号、数目、排列方式、镶焊角度和出刃等。硬质合金切削具用黄铜焊镶在钻头体上。硬质合金钻头按切削具镶嵌角度的不同分为直镶、正斜镶和负斜镶式，按切削具磨锐方式分磨锐式和自锐式。

当取心方式、工具确定之后，通常根据取心钻头型号与技术规范及所对应的地层类别确定取心钻头类型，然后参考地层可钻性级值与钻头类型的对应关系，进一步确定具体的取心钻头型号。

1．从岩心成形出发选择钻头

从岩心成形来看，在软而松散的非胶结地层取心，不宜选用多次成形的取心钻头。多次成形的取心钻头，当钻头接触井底平面，开始钻进的时候，会在井底先形成直径较大（大于钻头体内径）的岩心。它不能立即进入钻头体或内岩心筒，只是在钻压的继续作用下，连续切削较大直径的岩心，最终形成所需直径的岩心柱并进入钻头体或内岩心筒。如果选用这类钻头，在多次成形的过程中，岩心必然受到钻压、钻具摆动等外力的多次作用，极易发生岩心破碎，阻碍岩心入筒或造成岩心入口堵塞卡死。但是，在充分扶正钻头和取心工具以后，由于这类钻头的切削部分可以产生锥形井底，有助于保持井眼垂直；同时，在需要更大钻压的较硬地层中钻进，钻头工作面逐渐过渡成圆形（或者有一个较大的顶部半径），能保证有足够的切削刃分担负荷，以防止不正常的磨损和过热。

近似于一次成形的取心钻头，由于其顶部圆半径较大，可以将钻进硬透镜体夹层的影响减弱到最低限度。一次成形就是当取心钻头接触井底平面，开始钻进的时候，岩心立即形成与钻头体内径相等或略小的岩心柱而进人内岩心筒并受到保护的成形过程。

2．根据岩石性质选择钻头

松软地层，由于岩石可钻性好，机械钻速高，一般可选用切削型取心钻头，包括切削刃较长、较稀的PDC取心钻头。中硬地层，由于岩心成柱性好，钻速中等，是进行中长筒取心的有利地层，一般选用微切削型取心钻头，包括布齿较密的PDC取心钻头，圆柱形、三角形及片状等热稳定聚晶人造金刚石取心钻头以及各种天然金刚石取心钻头。这类钻头多为胎体结构，工作面呈单锥曲面、双锥曲面，还有平顶、圆弧形、浅抛物面等形状。硬地层取心，由于地层岩石硬度高，研磨性强，可选用胎体结构、工作面多为半圆曲面、低出刃或孕镶的研磨型取心钻头。根据地层硬度，布齿方式有格状布齿、同心圆布齿及背镶布齿三种方式，高低压水道、辐射状水道以及内规径处的水道均有利于钻头的清洗和冷却。

钻头介绍

硬质合金取心钻头包括刮刀取心钻头和研磨式取心钻头

复合片（PDC）石油取心钻头是一种适用于软至中硬岩层的微刮刀式钻头，具有钻速好的特点。该成果采用低温电铸工艺在常温常压状态下研制的带硬质合合片（DFP－91），在室内进行了抗剪强度、冲击韧性、相对耐磨性的究钻头碎岩机理入手，对复合片的布置、出露高度、钻头内外保径、防形状参数进行了一系列研究，在此基础上制作了8 1/2″石油取心钻头