新型热压孕镶金刚石钻头的设计与研究
(1)热压镶有金刚石钻头的直角梯形齿
1.钻头结构设计
这种钻头的切削单元是一个直角梯形齿。与等腰梯形相比，直角梯形齿的截面积更小，在相同的WOB下可以提高钻井比压。直角梯形齿可分为长方体和三角形两部分。长方体是破碎岩石的主要部分，而三角形支撑长方体，参与破碎岩石，提高了截齿的弯曲强度。直角梯形钻头如图6-24所示。该型号钻机已获得国家实用新型专利(专利号ZL201320108265.4)。
图6-24直角梯形齿钻头形状
(1)直角梯形齿的受力分析
假设直角梯形齿的直角边高为H，梯形顶部的宽度为L，梯形的斜角为α，受垂直WOB P和旋转力W的影响(图6-25)。为了便于计算分析，忽略了孔底直角梯形齿钻头的振动、弯曲等交变应力。
图6-25直角梯形齿受力分析示意图
如图6-26所示，直角梯形ABCD假设B的端面承受均布轴向压力，其合力P作用在对称位置。钻孔时，钻齿可视为左端有固定根部、右端自由的悬臂梁。在旋转力矩和WOB的共同作用下，悬臂梁承受轴向压缩和弯曲。根据材料力学分析，梁变形时的危险截面在固定端A截面。
图6-26平面直角梯形齿的受力分析
一般钻齿的α角较大，所以变截面梁左端截面上的弯曲变形中性轴可以近似认为在截面上是上下对称的，即y = h 1/2；横截面上的内力为:
轴向力(压力)N = P；剪力(弯曲)Q = F；
弯矩(弯曲)m = p e-f (l-x) x = 0 = p e-f l。
如果忽略剪切力Q对材料强度的影响，则该截面上各点的法向应力为:
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其中:a = b h 1 = b(h+l/tanα)；
e = h 1/2-h/2 =(h 1-h)/2 =(h+l/tanα-h)/2 = l/2 tanα；
iz = b/12；
H2 = l/tanα；
h1=h+h2=h+l/tanα.
图6-27钻齿A端的横截面
假设A端的横截面为矩形(图6-27)，A端横截面上各点的正应力为:
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横截面上的最大拉应力位于上边缘线的每一点，最大压应力位于下边缘线的每一点。两者的绝对值相等。然后:
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代入h1进行简化，我们得到:
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利用推导出的公式(6-5)，结合被钻岩石的规格、结构、基体力学性质和物理力学性质，可以设计出直角梯形齿钻头的齿形规格。
(2)直角梯形齿的结构设计与分析。
考虑到钻头胎体的抗压强度一般都很高，远远超过WOB引起的轴向应力，也就是梯形切削齿的抗压强度能够满足钻井要求，所以对梯形切削齿的轴向压力不做过多分析。设直角梯形齿的尺寸为:梯形顶宽h、梯形齿厚b、梯形底角α、直角梯形高l以规格为φ77/48mm的热压金刚石钻头为例，b = (77-48)/2 = 14.5mm..l由工作高度和水的间隙决定。如果工作高度为10毫米，水的间隙为3毫米，则L为13毫米..唯一剩下的变量是α角和梯形顶部宽度h。方程(6-3)可以写成:
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将上述数据代入方程(6-6)，得到:
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梯形顶部宽度H决定了钻头和岩石之间的初始接触面积。对于可钻性等级为ⅶ~ⅶ的岩石，H值在8 ~ 12 mm之间..以岩石可钻性等级VIII h=10mm为例，等式(6-7)可以写成:
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梯形底角α可根据岩石的力学性质和钻头的规格在55° ~ 70°之间选择。在H值一定的情况下，α越小，直角梯形齿的弯曲能力越大，但受到钻头喷嘴的限制。因此，在设计直角梯形齿钻头时，只要知道F力和α角的大小，就可以得到梯形齿的应力σ，只要梯形齿的实际抗弯强度大于σ，梯形齿就是安全的。其中，F力主要取决于岩石的抗剪强度和牙齿与孔底的摩擦力。通常，使用试错算法来确定α角。
如钻进ⅷ级花岗岩的φ77/48mm钻头，取α= 60°进行试算，已知岩石的抗剪强度约为315 MPa，梯形齿承受的应力约为553MPa，明显低于钻头基体要求的最小抗弯强度(700MPa)。因此，这种设计是安全的。
2.钻头的金刚石参数设计
1)直角梯形齿由矩形M和三角形N两部分组成(图6-28)，它们的胎体成分和性能相同，而M部分的金刚石浓度较高，N部分的金刚石浓度较低。钻进初期，只有BDFG平面与岩石接触，面积小，比压高，在坚硬致密的岩石中钻进效率高。随着钻头的磨损，接触面积会逐渐增大，机械钻速会降低。但由于N部分耐磨性较低，ROP并没有大幅度降低(在15% ~ 18%范围内)。此时N部分的作用是支撑破岩体的M部分，增加其抗弯强度和冲击韧性，对破岩起到辅助作用。因此，这种钻头的设计主要取决于根据岩石性质确定M和N的比值及其性能。
图6-28钻石分布示意图
2)对于坚硬、中到强研磨性岩石，长方体M和三角形N的基质性能可以设计成相同。对于坚硬到坚硬、弱研磨性的岩石，长方体M的胎体要坚硬，金刚石浓度要高。三角形N部分的基体较软，金刚石浓度较低。
3)通过改变长方体M与三角形N的比值和α角的大小，可以调整钻头的性能和钻进效果。长方体m越小，α角越大，钻孔速度就会越高，反之亦然。
4)这种钻头的可调结构参数有:长方体M、三角形N、α角、金刚石和胎体性能参数。一般钻头喷嘴6 ~ 8mm；α角为75 ~ 65°；男:女= 3: 2或5: 3。金刚石粒度、品级、浓度的基本规律与普通钻头相同。对于硬至硬、弱研磨性岩石，立方体M的金刚石级SMD35的浓度为60% ~ 65%，40/50目粒度为50% ~ 60%，50/60目粒度为40% ~ 50%。三角N的钻石级SMD 30 ~ SMD 35，浓度为45% ~ 50%；粒度:50/60目占45% ~ 50%，40/50目占50% ~ 55%。对于坚硬、中等至强研磨性岩石，这两部分的特性是相同的。钻石级SMD30~SMD35浓度为75% ~ 85%，粒度:30/35目占20% ~ 25%，40/50目占50% ~ 60%，50/60目占20% ~ 25%。
5)这种钻头的钻进规格参数应根据岩石的硬度和研磨性来确定。对于中等硬度和完整性较差的岩层，WOB和转速应较低，以防止切削齿切入岩石过深而阻碍钻井。然而，对于坚硬和致密的地层，可以使用较高的WOB和旋转速度来获得较高的机械钻速。
(2)热压孕镶破碎聚晶金刚石钻头
破碎的多晶体材料是多晶体合成过程中的劣质产品，但由于其高硬度和高磨损率，也很有价值。碎粒多为径高比接近1的圆柱体，可用于制造孕镶钻头。对中硬至硬及中等研磨性岩石具有良好的适应性。
1.破碎颗粒破碎岩石的原理
与普通孕镶粗颗粒金刚石钻头相似，碎颗粒在孕镶钻头胎体中无序排列。热压基体中靠近圆柱体随机分布的破碎颗粒可能有三种基本形式:垂直、水平和与孔底成一定角度(图6-29)，破碎岩石的机理和效果也各不相同。
1)垂直碎粒。垂直破碎集料颗粒破碎岩石的原理与完全集料晶体基本相同。它在WOB P的作用下切入岩石一定深度，在水平力Q的作用下剪切破碎岩石[图6-29(a)]。WOB越大，切割越深，剪切体越大，破碎效果越好。
图6-29基质和破碎岩石中破碎多晶体的不同形式。
2)以一定角度聚集的晶粒。在钻进初期，一定角度的碎骨料颗粒与岩石的接触面积最小[图6-29(b)]，且具有一定的尖锐棱角，因此容易切入岩石，钻进效率高。随着碎粒尖角变钝，机械钻速逐渐降低，但整体钻井效率仍然较高。
3)横卧状态下颗粒破碎聚集。水平放置的破碎颗粒破碎岩石的原理不同于垂直放置的破碎颗粒破碎岩石的原理。钻进初期，水平放置的破碎颗粒与岩石的接触面积比垂直放置的破碎颗粒小得多[图6-29(c)]，钻进效率高。随着钻进时间的推移，破碎颗粒与岩石的接触面积逐渐增大，机械钻速降低，但总体钻进效率仍然较高。横卧的碎粒不易坍塌，钻孔相对稳定。当碎粒磨损超过一半时，与孔底的接触面积会逐渐减小，钻进速度又会加快。
上述三种随机分布的骨料颗粒的破岩机理和破岩效果各有千秋，可以相互补充，在相对完整的岩石(如大理岩、石灰岩、玄武岩、砂岩等)中保持相对稳定和较高的钻进速度。)低于可钻性等级VIII。它比破碎的合金钻头适用于更广泛的岩层。只要胎体性能设计合理，也可用于钻硬、脆、碎的研磨性岩层。
2.破碎聚晶孕镶钻头胎体性能设计。
破碎多晶体的粒度比金刚石单晶的粒度粗，但比破碎合金颗粒的粒度细。所以胎体性能要介于普通金刚石钻头和破碎合金钻头之间，硬度中等，耐磨性中等。硬度设计为HRC 25 ~ HRC 30耐磨性可设计为(0.55 ~ 0.6) × 10-5，用MPX-2000摩擦磨损试验机测试时，耐磨性可设计为420 mg ~ 450 mg。
由于其抗压强度高，磨损率达20000 ~ 80000，理论上可以钻入任何岩石。但由于其颗粒较粗，切入岩石的阻力较大，破碎坚硬岩石的时效明显，因此钻进岩石等级受到一定限制，适用于钻进ⅷ级以下岩层，研磨性中等至强，完整至较完整。
3.破碎多晶体参数的设计
根据金刚石破碎岩石的原理，粗颗粒金刚石多用于钻软、低磨料岩石。破碎的聚晶钻头一般选择直径为φ 1.5 ~ φ 2.5 mm，高度为2 ~ 2.5 mm，即径高比接近1。这种粒度接近表面镶嵌钻头中天然金刚石的粒度。由于其硬度和磨损率远不及天然金刚石，只能制造孕镶钻头。可钻性为ⅵ级及以下的岩石体积浓度为20%，可钻性为ⅵ~ⅷ级的岩石体积浓度为25%。考虑到随机混合时难以保证粗晶破碎多晶体在钻头基体中的均匀分布，需要使用如图6-30所示的造粒机，一边旋转一边喷洒金属粉末和粘结剂，使破碎的多晶体被厚厚的金属膜包裹，以达到颗粒在基体中均匀分布的目的。
图6-30制粒机
4.破碎聚晶钻头的结构设计
在生产实践中，人们希望新钻头钻进后能有效钻进，但传统孕镶破碎聚晶钻头必须有一次磨削过程才能进入正常钻进。为了改变这种情况，破碎的聚晶钻头可以设计成表面镶块和孕镶块相结合的形式，即第一层是有序的表面镶块形式，而后面的工作层是无序的孕镶块形式。按照这个思路，石墨模具也设计成普通模具和第一层表面镶块模具两部分(如图6-31)。取心破碎聚晶金刚石钻头的结构如图6-32所示。
图6-31取心破碎聚晶钻头
使用第一层模具
图6-32岩心式破碎聚晶钻头结构图
1位钢体；2位矩阵材料；3-怀有破碎的多晶体；4-表面镶嵌破碎多晶体；5-单晶钻石；6—钻头保径材料；7位喷嘴
在热破碎聚晶钻头的结构中，除了破碎聚晶主磨料外，还镶嵌了SMD30级、粒度为30/40目、浓度为20% ~ 25%的单晶金刚石。这部分金刚石不仅参与破岩，还能保持工作层的平衡和磨损，提高钻头的使用效果。孕镶破碎聚晶钻头已获得国家实用新型专利，专利号为ZL 201320109451 . x
(3)氧化铝空心球热压金刚石钻头。
氧化铝空心球是粉末冶金材料中的造孔剂，硬度低，脆性大，基本不与其他基体材料反应。将其与胎体材料和金刚石混合均匀后放入模具中热压烧结(图6-33)可以提高胎体材料的孔隙率，削弱耐磨性。
图6-33氧化铝空心球作用机理示意图
1-钻石；2-氧化铝空心球
由于氧化铝空心球的抗压强度远低于金刚石，所以热压过程中部分被压碎的空心球会形成弱晶格。这些弱晶格会随着胎体的磨损而容易脱落，在底唇表面留下许多孔洞，使其变得粗糙，提高摩擦系数，加速胎体的磨损，使金刚石切割效果更好。此外，减少了与孔底的接触面，有利于提高在坚硬致密岩石中的钻进效率。氧化铝空心球热压金刚石钻头已获得国家实用新型专利，专利号ZL201220651088。X+0088.x。
1.氧化铝空心球的参数设计
(1)氧化铝空心球的粒径
市场上不同粒径的氧化铝空心球如图6-34和图6-35所示。空心球的粒径对弱化胎体的耐磨性和强度有明显的影响。浓度不变时，空心球粒径小，比表面积大，说明分散性好，胎体唇面形成的空洞小而多，削弱胎体耐磨性的效果会提高。但如果孔径过小，对胎体的弱化效果不明显。但粒径过大，分散性变差，也不利于弱化胎体。所以空心球的粒径应该是0.2 ~ 1.0 mm，相当于70 ~ 20目的金刚石粒径。岩石越硬越致密，空心球的粒径越粗，使磨损的底唇表面越粗糙，胎体的耐磨性下降越多，有利于工作金刚石的切削和钻井速度的提高。
图6-34粗粒氧化铝空心球
图6-35混合粒径氧化铝空心球
(2)氧化铝空心球的浓度
空心球在胎体中的浓度越高，胎体的弱化程度越高，但浓度越高会降低胎体的强度，影响金刚石钻头的正常使用。而低浓度的空心球对削弱基体的耐磨性影响不大。一般认为12% ~ 18%的体积浓度是合理的。岩石越坚硬、越致密，胎体中空心球含量越高，使得胎体耐磨性明显下降，金刚石切割效果越好。
(3)氧化铝空心球参数的实验研究。
选取粒径为0.3mm、0.6mm、0.9mm，浓度为10%、20%、30%三种规格的氧化铝空心球进行实验设计。胎体配方:FeCuNi占40%，FeCu30占40%，CUSN 10占20%。根据试验设计，将轮胎块分别烧结，并测试其耐磨性。胎体弱化的影响见表6-5。根据表中数据绘制的直方图如图6-36所示。
表6-5钻头基体耐磨性弱化试验设计表
图6-36氧化铝空心球的粒径和含量与耐磨性的关系
粒径:a-0.3mm；b—0.6毫米；c—0.9毫米
从图6-36可以看出，随着氧化铝空心球浓度的增加，基体的磨损量增加，耐磨性呈下降趋势。无论含量如何变化，只要空心球的粒径增大，基体的耐磨性都有提高的趋势。可以看出，氧化铝空心球的浓度对基体的弱化有显著的影响，空心球的粒径也是影响基体性能的重要因素。
2.钻头金刚石参数的设计
含有氧化铝空心球的热压金刚石钻头主要是为坚硬致密的“滑动”岩石设计的。必须明确的是，即使采用高转速，也不可能在坚硬致密的岩石中获得高钻速。只有以微体积的方式对岩石进行微压破碎，才能达到良好的破碎效果。
(1)金刚石的粒度设计
在坚硬致密的岩石中，粗颗粒金刚石钻头极难自锐，但钻进效率很低。所以要选择更细的钻石，但是太细的话，钻石和胎体的接触面积很小，很快就会随着胎体的磨损而下降。所以更多的选择50/60目和60/70目钻石。
(2)金刚石浓度的设计
一般认为钻坚硬致密的岩石应采用低金刚石浓度，但浓度到底有多低还需要研究。虽然在相同的WOB条件下，低浓度的每个金刚石上的压力增加，但它更容易切入岩石。但是，如果浓度太低，钻井效率和钻头寿命也会降低。因此，金刚石浓度应该有一个最佳值。在设计浓度时，还必须考虑添加材料的造孔效果。由于成孔后胎体的孔隙率增加，应适当降低金刚石的浓度，以保证其镶嵌强度不受影响。另外，钻石的浓度和粒度是相互依存的。钻石的粒度越细，其浓度越低。
(3)钻石级设计
坚硬致密的岩石抗压硬度很高，一定要用高等级的钻石。单颗钻石的抗压强度不能低于300N，钻石的TTi值可以达到85%。
总结一下，金刚石参数设计如下:粒度为50/60目至60/70目，其中50/60目占40%，60/70目占60%；浓度为60%-70%；钻石等级不低于SMD35。