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三强分享:金刚石钻头的结构及材料

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点击次数:  更新时间:2016-11-10 10:05:29  【打印此页】  【关闭
1、总体结构
金刚石材料钻头属一体式钻头,整个钻头无活动部件,主要有钻头体,冠部,水力结构(包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道,排屑槽),保径、切削刃(齿)五部分。金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分,其表面(工作面)镶装有金刚石材料切削齿,并布置有水力结构,其侧面为保径部分(镶装保径齿)它和钻头体相连,由碳化钨胎体或钢质材料制成。钻头体是钢质材料体,上部是丝扣和钻柱相连接,其下部与冠部胎体连结在一起(钢质的冠部则与钻头体成为一个整体)。
金刚石材料钻头的水力结构分为两类。一类用于天然金刚石钻头和TSP钻头,这类钻头的钻井液从中心水孔流出,经钻头表面水槽分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿,最后携带岩屑从侧面水槽及排屑槽流入环形空间。另一类用于PDC钻头,这类钻头的钻井液从水眼中流出,经过各种分流元件分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿。PDC钻头的水眼位置和数量根据钻头结构而定。
金刚石材料的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用,采用在钻头侧面镶装金刚石的方法达到保径目的。
2、金刚石钻头的切削齿材料
金刚石钻头切削齿材料分为天然金刚石和人造金刚石两大类。金刚石为碳的结晶体,晶体结构为正四面体,碳原子之间以共价键相连,结构非常稳定,典型的品形有立方体、八面体和十二面体等。
金刚石是人类目前所知材料中最硬、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。
但是,金刚石作为钻头切削刃材料也存在较大的弱点。第一,它的脆性较大,遇到冲击载荷会引起破裂。第二,它的热稳定性较差,在高温下金刚石燃烧变为二氧化碳和一氧化碳(碳化),在空气中约在455~860℃之间,金刚石就要出现石墨化燃烧;在惰性或还原性气体中不会氧化,但在约1430℃时,金刚石晶体会突然爆裂而变成石墨。因此金刚石钻头的设计、制造和使用中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。
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