石油钻井设备与工具--聚晶金刚石钻头.ppt

第四节 聚晶金刚石钻头 以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。 按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类： 1、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头 2、热稳定聚晶金刚石钻头（TSP） 3、表镶金刚石钻头 4、孕镶金刚石钻头 一、金刚石类材料简介 1、切削齿对材料性能的要求 1）良好的机械力学性能。破岩需要良好的硬度、强度、韧性。 2）耐磨性。抵御岩石的磨损。 满足以上要求的材料有金属陶瓷、金刚石，统称为超硬材料。比如:硬质合金、单晶和聚晶金刚石等。 金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料，因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。 3、金刚石材料简介 1）性能 2）金刚石的结构 3、合成金刚石机理与工艺 人造金刚石的是用石墨在某些金属触媒的作用下，在5～10MPa压力及1000°C～2000°C高温条件下制成单晶金刚石。目前已能合成直径3mm或更大的大颗粒单晶金刚石，但成本较高 。 目前我国人造单晶金刚石的产量已居世界第一位。 合成金刚石的方法很多，主要有 高压法: 静压法 动压法 低压法: CVD法 4、金刚石材料的特点 优点：硬、耐磨 缺点： ①脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。 ②热稳定性较差，在高温下金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在空气中，约在455～860℃之间，金刚石就要出现氧化燃烧；在惰性或还原性气体中不会氧化燃烧，但约在1430°C时，金刚石晶体出现同素异形转换变成石墨。对于聚晶金刚石复合片由于内部含有部分金属，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。 因而，金刚石钻头的设计、制造和使用中必须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却 。 5、金刚石切削齿 1）单晶金刚石 种类：天然、人造 特点：颗粒小。 2）聚晶金刚石 聚晶金刚石是将直径约1～100um之间的人造金刚石单晶微粉，加入一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压下聚合而成的大颗粒的多晶金刚石材料。有PDC和TSP两类。 C、热稳定性差 聚晶金刚石复合片内部含有部分金属触媒，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。 同时由于金刚石层与硬质合金的热胀系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。 其耐热温度﹤700°。 D、脆性大，抗冲击韧性差 金刚石本身脆性大； 硬质合金层与金刚石的弹性模量不同，冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收，容易造成金刚石层发生崩裂，因次适应地层受到限制。 3、种类 常用的PDC直径为13.4mm、 16mm 、19mm和8mm。目前PDC正朝着大直径方向发展，最大的直径可达50.8 mm，而且金刚石层也有加厚的趋势，已有厚度达2.5mm的PDC齿。 ②热稳定性聚晶金刚石 （Thermally Stable Polycrystalline(TSP) Diamond ） 与PDC的主要区别：将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高。耐热温度达到1150°。 特点：颗粒较大，有一定的耐温性。 二、 PDC钻头 PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit，即聚晶金刚石复合片钻头）是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一类新型钻井工具。它是美国石油钻井工业20世纪80年代的一项重大技术成就。 PDC钻头在石油钻井中的应用使于70年代中期。以锋利、耐磨、能够自锐的聚晶金刚石复合片切削齿剪切破碎岩石。由于这种钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，大大降低了钻井成本，所以PDC钻头广泛应用于软到中硬地层的油井的钻进。 目前，PDC钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升，迄今已达到45%左右。 一)钻头结构 2、PDC钻头分类 按钻头体材料分类：钢体、胎体； 按刀翼数量分类：3-12刮刀。 切削结构基本参数 二）切削结构及参数 1、冠部形状 钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线。由内锥、外锥和鼻部组成（见图）。 钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状，使得切削齿接触井底的先后次序发生变化。 由于最前端的切削齿（鼻部齿）在半无限体状态下破碎岩石，所受的单位面积的切削力最