取心鉆頭

用金剛石及其制品作為碎巖材料制成的鉆頭。金剛石鉆頭適用范圍很廣，可鉆進(jìn)巖石可鉆性為1～12級的各類地層，且鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好，但鉆頭制造工藝復(fù)雜、成本較高、操作技術(shù)要求高。金剛石鉆頭由金剛石、胎體和鉆頭體三部分組成。金剛石是鉆頭的刃部，天然金剛石由于價(jià)格昂貴很少采用，一般多采用人造金剛石。胎體是鉆頭底部包鑲金剛石的一圈合金，其主要功用是牢固地包鑲金剛石顆粒并與鉆頭鋼體焊接在一起。胎體一般用碳化鎢粉末作為骨架材料，用銅鎳等金屬作為粘結(jié)材料，以粉末冶金方式制造，改變胎體的成分可以改變胎體的性能，以適應(yīng)鉆進(jìn)各種巖層的需要。胎體部分開有水口和水槽，供沖洗液流通。鉆頭體是指鉆頭鋼體部分，采用中碳鋼管材制造，上部車有螺紋與擴(kuò)孔器下端相應(yīng)螺紋連接，下端加工成楔形、階梯形、螺紋形或方形，以加強(qiáng)與胎體的粘結(jié)強(qiáng)度，便于胎體壓實(shí)，傳遞更大扭矩。鉆頭體分單管鉆頭鋼體和雙管鉆頭鋼體兩種。

金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)要素包括金剛石品級、金剛石濃度、金剛石粒度、金剛石出刃、金剛石的分布和排列、胎體性能和成分、水路數(shù)目和形狀、底唇形式等。鉆頭的設(shè)計(jì)工作就是確定合理的結(jié)構(gòu)要素，使鉆頭獲得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。天然或人造金剛石鉆頭可用冷壓浸漬法、熱壓法、無壓浸漬法和電鍍法等方法加工。金剛石鉆頭按金剛石包鑲形式，分為表鑲、孕鑲和復(fù)合片鉆頭；按鉆頭用途，分為取心、不取心、繩索取心和專用鉆頭等。

常用的有四牙輪和六牙輪取心鉆頭兩種。四牙輪取心鉆頭的牙輪有圓錐狀與圓柱狀兩種型式； 六牙輪取心鉆頭的牙輪都是柱狀。為了使鉆頭旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，取心鉆頭的內(nèi)孔與鉆頭外圓應(yīng)力求同心，防止偏心，內(nèi)孔切出的巖心應(yīng)是一個(gè)正圓，不得呈橢圓。牙輪的排列要對稱，且各牙輪底必須在與鉆頭軸線相垂直的同一平面上。牙輪上齒的大小、多少及排列應(yīng)隨所鉆巖性不同而異。

專用于鉆取巖心的鉆頭。根據(jù)其結(jié)構(gòu)及制造材料的不同，一般可分為牙輪取心鉆頭、金剛石取心鉆頭和硬質(zhì)合金取心鉆頭三類。由于地層的軟硬和可鉆性及研磨性的不同，取心鉆頭的種類也很多，在結(jié)構(gòu)上的差別也很大，設(shè)計(jì)的正確與否直接影響鉆進(jìn)速度和巖心收獲率。為了提高巖心收獲率，要求鉆頭工作平穩(wěn)，因此鉆頭的切削刃應(yīng)該對稱分布，底刃面應(yīng)與鉆頭中心線相垂直，切削刃的耐磨性應(yīng)該一致，避免由于鉆頭的歪斜和偏磨而破壞或折斷巖心。此外，取心鉆頭水眼的位置應(yīng)盡可能避免使鉆井液直接沖擊到巖心上。

鑲嵌有硬質(zhì)合金切削具的鉆頭。又稱硬合金鉆頭。它適用于中硬以下和部分研磨性較弱的硬地層鉆進(jìn)。鉆探用硬質(zhì)合金切削具是碳化鎢和金屬鈷的粉末經(jīng)壓結(jié)、燒結(jié)而成，中國常用的硬質(zhì)合金牌號有YG3、YG4、YG4c、YG6、YG8、YG8c、YG11、YG15等，切削具的形狀主要有菱形薄片、斜角薄片、直角薄片、四方柱、八角柱和針狀等。一般薄片形的適用于較軟地層，八角柱狀適用于中硬和硬的研磨性較強(qiáng)的、裂隙的地層，小方柱狀和針狀的適用于鑲嵌較小口徑和自銳式鉆頭鉆進(jìn)中硬及部分硬地層。硬質(zhì)合金鉆頭的空白鉆頭常用中國牌號DZ40無縫鋼管制造，上部外表面加工有連接巖心管的螺紋，內(nèi)壁有便于卡取巖心的錐度，下端有鑲嵌硬質(zhì)合金切削具的槽或坑。

硬質(zhì)合金鉆頭包括鉆頭體、水口和水槽，切削具的型號、數(shù)目、排列方式、鑲焊角度和出刃等。硬質(zhì)合金切削具用黃銅焊鑲在鉆頭體上。硬質(zhì)合金鉆頭按切削具鑲嵌角度的不同分為直鑲、正斜鑲和負(fù)斜鑲式，按切削具磨銳方式分磨銳式和自銳式。

當(dāng)取心方式、工具確定之后，通常根據(jù)取心鉆頭型號與技術(shù)規(guī)范及所對應(yīng)的地層類別確定取心鉆頭類型，然后參考地層可鉆性級值與鉆頭類型的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步確定具體的取心鉆頭型號。

1．從巖心成形出發(fā)選擇鉆頭

從巖心成形來看，在軟而松散的非膠結(jié)地層取心，不宜選用多次成形的取心鉆頭。多次成形的取心鉆頭，當(dāng)鉆頭接觸井底平面，開始鉆進(jìn)的時(shí)候，會在井底先形成直徑較大（大于鉆頭體內(nèi)徑）的巖心。它不能立即進(jìn)入鉆頭體或內(nèi)巖心筒，只是在鉆壓的繼續(xù)作用下，連續(xù)切削較大直徑的巖心，最終形成所需直徑的巖心柱并進(jìn)入鉆頭體或內(nèi)巖心筒。如果選用這類鉆頭，在多次成形的過程中，巖心必然受到鉆壓、鉆具擺動(dòng)等外力的多次作用，極易發(fā)生巖心破碎，阻礙巖心入筒或造成巖心入口堵塞卡死。但是，在充分扶正鉆頭和取心工具以后，由于這類鉆頭的切削部分可以產(chǎn)生錐形井底，有助于保持井眼垂直；同時(shí)，在需要更大鉆壓的較硬地層中鉆進(jìn)，鉆頭工作面逐漸過渡成圓形（或者有一個(gè)較大的頂部半徑），能保證有足夠的切削刃分擔(dān)負(fù)荷，以防止不正常的磨損和過熱。

近似于一次成形的取心鉆頭，由于其頂部圓半徑較大，可以將鉆進(jìn)硬透鏡體夾層的影響減弱到最低限度。一次成形就是當(dāng)取心鉆頭接觸井底平面，開始鉆進(jìn)的時(shí)候，巖心立即形成與鉆頭體內(nèi)徑相等或略小的巖心柱而進(jìn)人內(nèi)巖心筒并受到保護(hù)的成形過程。

2．根據(jù)巖石性質(zhì)選擇鉆頭

松軟地層，由于巖石可鉆性好，機(jī)械鉆速高，一般可選用切削型取心鉆頭，包括切削刃較長、較稀的PDC取心鉆頭。中硬地層，由于巖心成柱性好，鉆速中等，是進(jìn)行中長筒取心的有利地層，一般選用微切削型取心鉆頭，包括布齒較密的PDC取心鉆頭，圓柱形、三角形及片狀等熱穩(wěn)定聚晶人造金剛石取心鉆頭以及各種天然金剛石取心鉆頭。這類鉆頭多為胎體結(jié)構(gòu)，工作面呈單錐曲面、雙錐曲面，還有平頂、圓弧形、淺拋物面等形狀。硬地層取心，由于地層巖石硬度高，研磨性強(qiáng)，可選用胎體結(jié)構(gòu)、工作面多為半圓曲面、低出刃或孕鑲的研磨型取心鉆頭。根據(jù)地層硬度，布齒方式有格狀布齒、同心圓布齒及背鑲布齒三種方式，高低壓水道、輻射狀水道以及內(nèi)規(guī)徑處的水道均有利于鉆頭的清洗和冷卻。

鉆頭介紹

硬質(zhì)合金取心鉆頭包括刮刀取心鉆頭和研磨式取心鉆頭

復(fù)合片（PDC）石油取心鉆頭是一種適用于軟至中硬巖層的微刮刀式鉆頭，具有鉆速好的特點(diǎn)。該成果采用低溫電鑄工藝在常溫常壓狀態(tài)下研制的帶硬質(zhì)合合片（DFP－91），在室內(nèi)進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度、沖擊韌性、相對耐磨性的究鉆頭碎巖機(jī)理入手，對復(fù)合片的布置、出露高度、鉆頭內(nèi)外保徑、防形狀參數(shù)進(jìn)行了一系列研究，在此基礎(chǔ)上制作了8 1/2″石油取心鉆頭