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、孕镶金刚石钻头表镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头一、金刚石类材料简介天然单晶金刚石聚晶金刚石聚晶金刚石复合材料——复合片3、金刚石材料简介2）金刚石的结构金刚石的晶体类型：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法六面顶压机结构原理4、金刚石材料的特点5、金刚石切削齿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。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（PolycrystallineDiamondCompactBit，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。切削结构基本参数水力结构基本参数：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）。短抛物线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大，而后序切削齿由于自由面形成，所受的单位面积的切削力逐次降低。因此钻头冠部形状对切削齿的受力有较大的影响。同时内锥影响钻头的稳定性，外锥影响钻头的布齿数量和布齿密度；内外锥结构对流道形状也有较大的影响。①冠部形状参数：对于通常采用的圆弧形冠部，其形状可由内锥角和外锥圆弧半径r两个参数确定（图）。②冠部形状参数确定方法冠部内锥角的大小影响钻头的稳定性，内锥角越小钻头越稳定。随着地层硬度的增加，内锥角逐渐减小、内锥高度增加，以保持钻头的稳定性。内锥深度与内锥角有关，按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深锥两种，对应关系为：内锥角﹥130°——浅锥内锥角≦130°——深锥一般根据地层软硬变化取值范围为120°—170°。钻头的外锥弧半径决定了摆放切削齿的总数量、切削齿的切削体积和流道的形状，因此外锥圆弧半径与钻头齿的磨损和携岩效果密切相关。圆弧半径的确定原则为：在保持携岩流道畅通的前提下，尽量减小圆弧半径。同时要考虑钻头转速，一般