钻头结构设计

钻头的结构设计包括钻头底唇面和工作层内部结构两部分。以几种常见的深孔绳索取心热压金刚石钻头为例，对钻头结构进行了分析。

(1)同心尖齿钻头

同心尖齿钻头[图6-13(a)]可用于坚硬致密弱研磨性岩层，减少初磨时间。通过开启辅助喷嘴[图6-13(b)]，可以进一步减小底唇面积，降低轴向压力，减少内外径的不均匀磨损，改善唇中心的排粉冷却；同时对岩石的雕刻面有剪切作用，提高了钻速。而同心尖齿基本上钻几次就磨好了，优势不复存在。

图6-13同心尖齿钻

(a)普通同心尖齿钻头；(b)带有辅助出水口的同心圆尖齿钻头

(2)齿轮齿钻头

齿轮齿钻头[图6-14(a)]具有与同心圆尖齿钻头相似的特性，钻孔比压更集中，岩粉颗粒更粗，有利于胎体磨损和金刚石切削。还可以在轮齿的底唇上加一个环形槽[图6-14(b)]，使钻头有更好的排粉和冷却效果。

图6-14轮齿金刚石钻头

(a)普通齿轮齿金刚石钻头；(b)带环槽的齿轮齿金刚石钻头

(3)内外边缘交错的钻头

内外刃交错的钻头(图6-15)与孔底的接触面积仅为普通钻头的45%左右，可以在孔底形成更多的自由面，有利于岩石破碎。单双刃钻头(图6-16)与孔底的接触面积约为60%，钻进坚硬致密的岩石效果较好。这种钻头要求胎体具有良好的弯曲和冲击韧性，合理选择钻削参数，否则容易出现断齿等异常磨损。

图6-15内外刃交错金刚石钻头结构图

图6-16单双刃金刚石钻头结构示意图

(D)“滑动地层”中的热压金刚石钻头

用于“滑动地层”的金刚石钻头如图6-17和图6-18所示。将预制的圆柱形或方圆柱形PCD复合烧结体按一定规律排列在模具中，加入基体焊接层粉末，热压烧结成型。每个扇形块上有3 ~ 5个PCD复合烧结体，仅占扇形面的55%左右，有利于提高钻井比压。同时，这种钻头具有很强的抗弯能力和一定的广谱性。

图6-17 DH热压复合金刚石钻头结构

1-焊接层；2—含金刚石的烧结体

图6-18复合金刚石钻头形状

(5)层状复合钻头

层状复合钻头由含金刚石和无金刚石(或低耐磨)工作层组成[图6-19(a)]。含金刚石层是钻井过程中岩石破碎的主体；无金刚石工作层在破岩中起辅助作用，一般设计为2 ~ 3层。

图6-19自磨同心尖齿钻头结构示意图

(a)平底钻头的演变；(二)同心尖齿钻头的演变

分层结构可用于各种钻头。例如，当它与同心齿钻复合时，就成了自磨同心齿钻[图6-19(b)]；当与阶梯钻头结合时，就成为阶梯层状复合钻头(图6-20)；当与齿轮钻头结合时，它成为齿圈槽钻头。环形槽的宽度根据钻头的类型、岩石硬度和塑性脆性以及破碎孔的大小来设计，一般在65438±0.2至65438±0.8毫米之间..

图6-20阶梯分层复合钻头

钻孔后，在钻头工作层的基体上形成2 ~ 3个环形沟槽，在钻头的底唇面上会出现相应数量的凹凸沟槽(或锯齿状或波浪形)，孔底会形成相应的形状(图6-21)。锯齿的突出部分或峰部含有金刚石，用于破碎孔底岩石；而锯齿的凹部或槽部不含金刚石，它们对应的孔底部分因钻头的径向振动和碎孔作用而破碎。碎石粉末颗粒较粗。钻头的环形槽占工作层体积的15% ~ 25%，可以降低钻头的金刚石消耗或增加工作层。因此，层状复合金刚石钻头属于广谱钻头，是钻进坚硬致密岩石的理想钻头。由于孔底岩石的环形剪切破碎，自由面多，碎孔效果明显，岩粉颗粒较粗，有助于钻头胎体的自锐性，因此在相同金刚石含量的钻头中钻进效率高，使用寿命长。

图6-21同心尖齿形成的孔底形状。

(6)有序排列的金刚石钻头

有序排列孕镶金刚石钻头(图6-22)是近年来的研究方向之一。它将金刚石锯片的有序排列移植到热压钻的发展中，通过金刚石在工作层的有序排列，提高岩石破碎效率、金刚石利用率和钻头寿命，有广谱钻的美誉。

图6-22有序排列的热压金刚石钻头

类似地，还有铜焊有序热压金刚石钻头(图6-23)。这种钻头类似于层状复合钻头，在孔底产生多环破碎，环宽约1.0mm的金刚石工作层是岩石破碎的主体。

图6-23钎焊有序排列的热压金刚石钻头