石油钻井设备与工具-王镇全第四节聚晶金刚石钻头.ppt

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1、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、孕镶金刚石钻头聚晶金刚石复合片钻头表镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头一、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

2、、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。天然单晶金刚石2、金刚石的种类金刚石按其成因可分为两大类：天然金刚石：单晶金刚石;人造金刚石：单晶或聚晶金刚石、聚晶金刚石复合材料。人造单晶金刚石聚晶金刚石聚晶金刚石复合材料——复合片图1爪型复合片图2常规复合片聚晶金刚石层硬质合金3、金刚石材料简介1）性能硬度弹性模量冲击韧性热胀系数热传导系数抗压强度2）金刚石的结构石墨金刚石金刚石为石墨的同素异形体。金刚石的晶体类型：3、合成金刚石机理与工艺碳的相图人造金刚石的是用石墨在某些金属触

3、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法两面顶压机合成金刚石原理图六面顶压机结构原理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

4、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T

5、SP两类。①聚晶金刚石复合片结构：复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。特点：A、金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。图1爪型复合片图2常规复合片聚晶金刚石层硬质合金B、自锐性由于金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损量大于金刚石层，使得金刚石层始终保持一定的出露量，整个复合片齿始终保持良好的锋利性。C、热稳定性差聚晶金刚石复合片内部含有部分金

6、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。为提高硬质合金层与金刚石层之间的结合强度，增强复合片的耐冲击韧性，对硬质合金层与金刚石层的结合方式进行了不同的处理，出现了多种结构

7、的复合片。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50.8mm，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（ThermallyStablePolycrystalline(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。热稳定聚晶金刚石二、PDC钻头PDC钻头（Polycrystal

8、lineDiamondCompactBit，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