石油钻探机钻头的材料选择与热处理工艺

1、石油钻探机钻头的材料选择与热处理工艺摘要：PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。本次设计分析了PDC钻头的工作原理、稳定性、进尺、水力、底唇接触面泥包以及排粉。对于钻头的基本结构以及性能也做了介绍，PDC钻头是由刀头和胎体的复合而成，文章中用金刚石作为刀头材料，对于金刚石的粒度、强度、浓度和破岩做了详细的分析，胎体的材料文中选择了20CrMo、45钢、35CrMo进行比较最终根据加工、使用以及工作性能进行选择。在热处理工艺的选用上文中做了两种方案作为选择，方案一是正火作为预先热处理调质作为最终热处理，方案二是退火作为预先热处理淬

2、火加低温回火作为最终热处理，从热处理的经济性以及钻头所需要的性能等方面进行最终选择。关键词：金刚石；胎体；切削工作；水力；稳定性；地层；泥包分析。引言钻头主要是安装在钻杆前端，回转破碎煤或岩石的一种工具，在油气钻进中起着十分重要的角色。挖坑作业时，钻头随轴旋转，同时作轴向移动。土壤在钻头的扭矩和轴向力作用下被切削，在工作叶片的挤压和离心力作用下被松碎，形成土流压向坑壁，同时沿页面升运到地表。当土流运动到无坑壁阻挡处时，由于离心力作用碎土被抛到坑的周围，完成挖坑过程。毕业设计论文代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ344964

3、9974钻头领域具有两大核心技术，一是转头的设计、加工和制造。二是钻头的合理使用，这两大技术同等重要。尽管一口井中钻头成本占总成本的比例很小，但是钻井实践表明，钻头的合理使用对提高钻进速度，降低钻井成本起着重要的作用。对于深井、超深井，由于所钻地层跨越的地址年代较多，地层可钻性变化大，岩石强度变化大，进行起下钻作业时间长，所耗费用大，因而钻头的合理使用对于提高深井超深井钻井效率、降低成本起着重大的意义。海洋钻井中，由于钻机作业费用十分昂贵，钻头的合理使用对降低钻井成本，提高经效同样具有十分重要的意义。1石油钻探机钻头的工作情况与分析工程钻探中用以直接破碎孔底岩石的钻探工具。工程钻探施工领域广泛

4、，钻进目的和地层条件各异，钻孔直径和深度变化范围很大，因此使用的钻头的类型很多。一般常按钻头破碎岩石的方式、切削刃或磨料的性质、破碎孔底形状、钻头形状和钻头直径大小等进行分类。常用的钻头类型有硬质合金钻头、PDC钻头、牙轮钻头、刮刀钻头、螺旋钻头、麻花钻头、蛇形钻头、勺形钻头、冲击钻头和大口径钻头等。本次设计我的选择是PDC钻头。PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。1.1 PDC钻头的工作原理PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。PDC钻头的缺点是热稳定性差当温度超过700时金刚石层内的

5、粘结金属将失效而导致切削齿破坏因此PDC钻头的切削齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。在工作中切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热当切削齿清洗冷却条件不好局部温度较高时就有可能导致切削齿的热摩损350-700时切削齿的磨损速度很快这一现象称为切削齿的热磨损而影响钻头正常工作所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却润滑作用配合工作这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理能有效地保护切削齿这即是对钻头水力计的基本要求之一。另外PDC钻头应避免在高硬度高研磨性的地层中高转速钻进以免造成局部摩擦温度过高。毕业设计论文代做平台 580

6、毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ3449649974（1）在坚硬岩石（如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等）中，由于金刚石本身强度的限制，较大粒度金刚石上的钻压不足以使岩石内部产生塑性变形。所以一般均采用细颗粒的金刚石制成孕镶式金刚石钻头来钻进，其特点是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。这时分离出来的岩屑基本上是粒度很细的粉末，钻头的工作效率和寿命均很低。 （2）在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），金刚石吃入地层并在矿用PDC钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑，这一切削过程相

7、当于“犁地”过程，称作犁削。岩屑的体积大体等于金刚石吃入岩石的位移体积。 （3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力破坏岩石。在这种情况下，金刚石钻头的破岩速度较高，岩石破碎的体积大于金刚石吃入后位移的体积。1.2 PDC钻头的稳定性分析PDC钻头的稳定性对钻井效率来说是极其重要的因素。稳定性好的钻头可以提高因素。稳定性好的钻头可以提高钻速，延长钻头寿命，提高井眼质量，而且可以减少对井下设备的损坏。抗漩涡和降摩擦等技术的应用使PDC钻头更加稳定，影响钻头稳定性因素如下：（1）回旋振动正向回旋，由于钻头瞬时旋转中心距原井眼中心较近，多数PDC

8、切削齿的运动状态与受力状态属于正常，因而危害小。回旋主要指瞬时旋转中心为钻头保径。钻头发生回旋时，钻头设计的几何中心使钻头的旋转中心不再成立，因而钻头的几何结构、PDC切削齿的布置变得不合理。回旋运动改变了PDC钻头切削齿的工作状态，切削齿有时正向运动、有时侧向运动、有时反向运动，每个PDC钻头切削齿都承受着较大的冲击载荷。（2）钻头结构促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋倾向。钻头切削不平衡力愈大，冠高系数愈大或外锥愈长，保径部位愈粗糙，则愈易发生回旋。（3）岩石性能在软地层中钻进速度较快，没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。相反，由于某种原因，如：钻较硬地层,机械钻速

9、就较慢，钻头就有可能发生回旋。易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。松散地层通常最糟，因为它极易引起井径扩大，所以很易影响钻头稳定性。（4）操作参数 转速越高，离心力越大，钻头越易发生回旋或回旋不易停止。因为相对不平衡力增大，使得钻压越小，越易发生回旋，从而影响钻头的稳定。1.3 PDC钻头进尺分析 （1）由于井眼曲率过高或地层岩性原因使PDC钻头上下跳动加之刀冀齿由于设计防震不足；原因马达高转180220转/分，钻进至高研磨、及火成岩硬脆的地层时，由于岩性的原因造成钻具的憋跳，加之造斜工具及钻具轴线上不同心产生震动，加压钻进时不均下放载荷使钻具轴线上冲击载荷使钻头发生高频震动。毕业设计论文

10、代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ3449649974（2）井底钻头剖面不合理造成井下钻头发生回旋；对于不同的井型应对应不同的钻头型号，直井段用打直井的钻，比如说钻头保径相对长的钻头对稳斜应相对有利，对于初使造斜的PDC钻头，剖面的选择首要解决的工具面的稳定性，而浅内锥短外锥的高度的钻头能够解决这一问题。 （3）马达事故造成水眼堵塞，泥浆无法冷却PDC钻头齿在短时间损害钻头切屑齿，直接造成钻头无进尺现象的发生；马达脱胶，不规则的定子橡胶在高温高压下的脱落堵水眼，发生泵压上升要及时发现问题。防止局部的水力循环短路，造成在钻进

11、中产生高温损环钻头。（4）钻头剖面设计不合理无法定向钻进；冠剖的设计是整体设计关键，合理的内锥，及鼻部、侧面、屑部，及径将决定，初使定向造斜是否成功。（5）切削齿分布及大小于地层匹配合理，混合布齿，合理牙齿的侧斜角是控制吃入地层的有效手段。控制好牙齿的俯角根据不同的地层确定合理的角度，正常地层角度小一些，对于硬及研磨性强的地层设计大一些的俯角，控制其吃入地层的深度，防止马达失速。（6）钻具刚性不合理，造斜钻具以及尽可以减少刚度，防止稳定器及刚性结构挂井壁及托压的发生。它造成了马达前部刚性较大，相对泄流面积较小，相对速度较高，与上部环空形成一个涡流，影响前部岩屑的快速带出，造成沉积，影响钻进速度

12、，而进一步造成PDC钻头对这些岩屑的重复破碎，易造成钻头与稳定器泥包。（7）钻头流道设计不适合定向钻井，高效排流槽设计是加快钻进速的重要因素，只有在钻进过程中高速的清理井下的岩屑，才可能减少其堆积造成的所谓的托压，泥包。合理的水眼数量及位置设计，及流道水力学设计是最好解决方案。（8）钻头刀冀的数量与地层匹配；多刀冀可增加钻头的稳定性，所以此类钻头是较硬地层定向造斜首选，但是更多的刀冀由于相对泄流面积较小，泥包的风险相对大，所以对于泥包地层可钻性好机械钻速高地层，在满足定向需要前题下可减少刀冀。 1.4 PDC钻头的水力水力参数引起的井底净化程度对钻速有较大的影响。井底净化是靠射流水力功率来完成

13、的如果水力功率不够净化不充分使岩屑留在井底而造成重复切削导致实际钻速的下降。同时射流水功率在一定程度上还有水力破岩的作用。PDC钻头水力结构主要包括喷嘴和流道两个部分。PDC钻头水力结构研究主要是钻头设计者研究钻井液在井底的流动规律及其清岩和冷却机理，为使井底液流和水力能量分布达到最优的清岩和冷却效果而在钻头设计时研究所应采取的结构形式，如喷嘴形状、尺寸、安放位置、倾角以及钻头流道形状等。喷嘴和流道这两个部分归纳为如下几个方面：（1）喷嘴形状。矩形喷嘴圆形喷嘴对岩屑的翻转作用强、清洗范围大，并且矩形喷嘴安放在钻头表面比圆形喷嘴更有利于切削齿的布置。（2）喷嘴尺寸。不同孔径喷嘴的井底漫流特性相似

14、，但大孔径射流流动更为复杂，其在流场内部的能量损耗也比小孔径大。喷嘴对漫流层的厚度影响不大，但大孔径喷嘴明显能够增大漫流层速度，且其沿漫流层的流动速度较为稳定。因此，在设计喷嘴孔径的时候，可在允许的范围内适当地增大孔径。针对流场中心的多股射流干涉区，可考虑增加一个中心喷嘴。（3）喷嘴安放位置设计。PDC钻头水力性能的好坏与喷嘴的布置有关。为了保证钻头合理的清洗、冷却和排屑，在喷嘴组合时，尽可能使用等径喷嘴或相邻序号的两种喷嘴。等直径喷嘴的中心压力相等，相互影响，能保证合理的液流分布。如果采用直径相差大的喷嘴组合，则会造成清洗冷却不均匀，导致钻头先期损坏。大直径喷嘴液流较大会导致其周围的切削齿及

15、钻头体发生冲蚀破坏。较小直径的喷嘴极有可能在钻进过程中堵塞，并因液流分布不均而造成钻头热损坏及机械损坏。（4）喷嘴倾角。倾斜射流状态下，喷嘴倾斜正向一边环空内的液流上往返速度得到加强，喷嘴倾斜反向一边的环空出现回流现象，井底存在着旋转方向相反的两个涡旋结构。随喷嘴倾角的增大，井底有效平均漫流速度在喷嘴倾斜正向一边普遍增大，在喷嘴反向一边普遍减小。（5）流道形状。改变流道的形状会影响钻头井底的流动；在进口条件不变的情况下，流道形状较顺畅的钻头的井底流场的流动性能优于流道形状复杂的钻头的性能；改变流道形状要充分考虑到井底漫流速度，在改善流场的同时，要避免过低的井底漫流速度。1.5底唇接触面积在其它

16、条件一定时，实际底唇接触面积越小，则比压越大，越有利于金刚石以体积破碎的形式刻取岩石。如目前广泛使用的电镀高低齿钻头，其底唇接触面积远小于常规钻头，因而能获得较高的钻速。钻头在克取岩石的过程中，孔底缺水而引起钻头底唇胎体局部首先产生微烧，使钻头底唇胎体在某一质点上的抗压、抗磨损强度严重降低，在坚硬致密的岩石中钻进时，底唇接触面积过大还会导致打滑当然，底唇接触面积也不宜过小，否则不仅制造困难，而且钻头寿命将大为缩短，甚至会发生胎块崩断事故。PDC钻头的底唇拉槽是一种比较多见的钻头变相。特别是对某些特殊的岩层，如坚硬致密岩层和排粉困难的岩层，由于种种不同原因，钻头唇面拉槽的出现率更高。毕业设计论文

17、代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ3449649974为了消除或减少钻探过程钻头底唇拉槽现象的产生，延长钻头的使用寿命，降低钻探成本，提高钻进台效，围绕着钻头底唇的拉槽问题的观点主要有两种。一种认为，钻头底唇拉槽与钻头在热压力程中孕镶层的密度不均和金刚石在孕镶层内的分布状况有关；另一种则认为，钻头底唇拉槽变相的实质是微烧，是与地层，钻进工艺参数及操作有关的钻头变相。消除拉槽要从热压工艺或钢体与粉末接触部分的几何形状入手去解决；后者则要从改善底唇冷却条件去解决。实践证明，大部分的热压钻头中直至孕镶层耗光也未出现底唇拉槽，除因

18、内外径磨损过大和其他非正常破坏外，多数工作层消耗近4mm。所以，认为拉槽是与热压过程中的密度分布不均有关，仅此原因不能概括全部，肯定还有其他影响因素没有考虑到。为了进一步弄清拉槽的原因，我们在些试验点收集了几促不同制作方法钻头的唇面变相资料。从收集到的底唇拉槽钻头统计绳索果中得出，非烧结钻头电铸钻头仍有拉槽产生，而一种新的强力活化的热压烧结方法制作的钻头，却不出现或极少出现底唇拉槽现象。我们初步感到钻头在热压过程中的孕镶层密度不均，对钻头底唇拉槽并不是起决定性作用的因素。另外，采用多水口钻头和底喷式钻头，也很少有底唇拉槽现象产生，钻头与岩石较适应的底唇拉槽也极少。初步认为，产生钻头底唇拉槽的主

19、要原因是唇面的冷却不良。影响冷却条件的因素很多，如岩心与孔壁破碎，泵量不足，转速过低，岩粉过多，井内漏失，钻头出刃不好等等。要改善冷却条件也要从多方面入手，如增加水口，采用底喷式钻头，采作合理的钻进工艺，选用与岩石对号的钻头等。1.6 PDC钻头泥包的分析（1）地质因素：所钻地层为上部不成岩的软泥，极易粘帖于钻头表层，压实后造成钻头泥包；地层中的泥页岩虽成岩，但易于水化分散，使井眼内泥质或固相含量大增，吸附于钻头表面造成钻头泥包；或者地层中含有分散状石膏，造成泥浆污染后，泥浆中的有害固相难于清除，使钻头被泥包的机率大增；地层渗透率高，在压差作用下，吸附井筒内有害固相及未及时携带出的岩屑，形成厚

20、泥饼，起下钻时在PDC钻头下方堆积造成钻头泥包。 （2）泥浆性能因素：泥浆抑制性差，无法控制泥页岩的水化分散；固相含量和粘切过高，钻出的岩屑难于清除，易吸附在钻头表面，如果使用的是无固相钻井液，钻头是绝对不会发生泥包的；泥浆比重偏高，失水大，易形成过厚的粗糙泥饼；润滑性能差、钻头表面无法形成有效的保护膜，钻井液中的劣质固相容易吸附在钻头上。 （3）工程技术因素：钻进中排量小，不能有效清洗井底及钻头，同时往返速度不足，岩屑在井内滞留时间长，粘附于井壁形成厚泥饼，尤其是中上部钻速高时更为严重；在软泥岩地层，钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，造成钻头泥包，长裸眼下钻未进行中途循环，从井壁上

21、刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。（4）钻头选型因素：水眼设计无法满足排屑要求，流道排屑角阻碍了钻屑顺利脱离井底。（5）操作水平因素：下钻速度过快，钻头不是在顺着螺旋型轨道向下滑行，而是在井壁上不断刮削泥饼或钻屑，极易造成钻头泥包；下钻时遇阻不是接方钻杆循环划眼冲洗钻头，而是下压或下冲，从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头；下钻到底时操作方法有误，如果先启动转盘，后启动泵，同样也会造成钻头泥包；在软地层中钻进时，送钻不均匀。处理钻头泥包的第一条原则就是：不要急于打钻，由于越打包的越厉害，不管预防或处理钻头泥包，调整泥浆机能都是必定的，发现钻头有泥包迹象，应立刻停钻并配置清洁剂在第一时间打入井内对钻

22、头进行清洗，休止钻进，进步排量加强水力冲刷效果，上提钻头脱离井底，进步转速增大离心力使泥块易于甩出，并上下大幅度流动几回，然后下压至井底不开转盘轮回5-10分钟，假如在2个轮回周内无效，就应当考虑起钻了。使用密度接近于地层压力梯度的低固相泥浆时，冲洗液与地层的压力差约等于环空压力损失。1.7排粉和冷却问题在中硬及以下的岩石中钻进时，因岩石强度不高，钻速和钻头寿命在很大程度上取决于排粉和冷却条件。横断面为圆弧形多水口的钻头基本上能满足要求，因而钻速和钻头寿命都较高。在坚硬致密的岩石中钻进时，良好的排粉条件却是导致打滑的主要原因。底唇接触面积达18-20C²的热压平底拉槽、单阶拉槽钻头不

23、容易打滑，究其原因，是孔底岩粉局部富集，增强了岩粉对胎体的磨损作用，因而金刚石能够连续出露。1.8结论PDC钻头有很高的硬度和耐磨性但是热稳定性差当温度超过700时金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏。因此在工作中切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，所以要注意冷却。而且PDC钻头的稳定性对钻井效率来说是极其重要的因素。稳定性好的钻头可以提高因素。稳定性好的钻头可以提高钻速，延长钻头寿命，提高井眼质量，可以减少对井下设备的损坏。井底净化是靠射流水力功率来完成的如果水力功率不够净化不充分使岩屑留在井底而造成重复切削导致实际钻速的下降。所以水力参数引起的井底净

24、化程度对钻速有较大的影响。在其它条件一定时，实际底唇接触面积越小，则比压越大，越有利于金刚石以体积破碎的形式刻取岩石。2石油钻探机钻头的结构和性能要求2.1 PDC钻头的基本结构图1 PDC钻头PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。（见图1）PDC钻头的结构取决于很多因素，如钻速、水马力、导向性能和耐磨性等。钻头与地层作用的结构分为三部分：切削结构，主动保径和被动保径，PDC钻头的钻进能力无疑是影响钻井成本最重要的因素。PDC钻头切削件的特性、后耙角、切削件排布、切削件的数量和尺寸是影响钻头钻进能力的主要参数。通常

25、，减小切削件的后脚以提高钻速，但是切削件的抗冲击能力下降。要根据所钻地层和钻井条件选择切削件的数量和尺寸。矿用PDC钻头轴承采用高精度配合的径向滑动两道止推轴承，牙掌轴承表面堆焊硬合金层。提高了承载能力和抗咬合能力。优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的合金齿外形，矿用PDC钻头采用高强度高韧性硬质合金齿。充分发挥了镶齿钻头高耐磨性和优异的切削能力。矿用PDC钻头齿面敷焊新型耐磨材料，坚持钢齿钻头高机械钻速的同时，提高了钻头切削齿寿命。矿用PDC钻头的钢球锁紧牙轮。能够在施工中展现重要的作用和价值。采用可限制压差并防止钻井液进入润滑系统的全橡胶储油囊。矿用PDC钻头采用可耐 250°

26、;C 高温、抗磨损的新型润滑脂。矿用 PDC钻头采用高精度的金属密封。金属密封由一副精心设计加工的金属密封环作为轴承轴向动密封。优化的密封压缩量确保了两个金属环密封外表始终坚持良好接触。2.2 PDC钻头性能要求表1 PDC钻头性能性能硬度抗拉强度屈服强度伸长率断面收缩率冲击功钻头220HBS950MPa830MPa114461J3 石油钻探机钻头的材料选择（1）金刚石材料钻头是一体性钻头，它没有牙轮钻头那样的活动部件，也无结构薄弱环节，因而它可以使用高的转速，适合于和高转速的井下动力钻具一起使用，取得了高的效益；在定向钻井过程中，它可以承受较大的侧向载荷而不发生井下事故，适合于定向钻井。（2

27、）金刚石材料钻头使用正确时，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层使用。（3）在地温较高的情况下，牙轮钻头的轴承密封易失效，使用金刚石材料钻头则不会出现此问题。（4）在小于165.1mm的井眼钻井中，牙轮钻头的轴承由于空间尺寸的限制，强度受到影响，性能不能保证，而金刚石材料钻头则不会出现问题，因而小井眼钻井宜使用金刚石材料钻头。（5）金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头，因而在钻压受到限制（如预防斜钻进）的情况下应使用金刚石材料钻头。（6）金刚石材料钻头结构设计、制造比较灵活，生产设备简单，因而能满足非标准的异形尺寸井眼的钻井需要。（7）金刚石材料钻头中的PDC钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优

28、点，破碎岩石时无牙轮钻头的压持作用，切削齿切削时切削面积较大，是一种高效钻头。实践表明，这种钻头适应地层时可以取得很高的效益。（8）金刚石材料钻头由于热稳定性的限制，工作时必须保证充分的清洗与冷却。（9）金刚石材料钻头抗冲击性载荷性能较差，使用时必须保证遵照严格的规程， 金刚石材料钻头适应的地层。3.1石油钻探机钻头金刚石的选择图2 金刚石金刚石俗称“金刚钻”，也就是我们常说的钻石，它是一种由纯碳组成的矿物，也是自然界中最坚硬的物质。自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，人们就开始了对人造金刚石的研究，只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发展，人

29、造金刚石亦被广泛应用于各种工业、工艺行业。人造金刚石用静态超高压(50100kb，即510GPa)和高温(11003000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和密排体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石，有待进一步解决的问题是增大粗粒比，提高转化率和改善晶体质量。目前正在实验室中用静压熔媒法研究优质大颗粒单晶金刚石的形成。加晶种外延生长法曾得到重1克拉左右的大单晶、用一般试验技术略加改进后，曾得到24毫米左右的晶体。采用这种方法还生长和烧结

30、出大颗粒多晶金刚石，后者在工业上已获得一定的应用，其关键问题在于进一步提高这种多晶金刚石的抗压强度、抗冲击强度、耐磨性和耐热性等综合性能。在选择金刚石时，一般应首先考虑钻速问题，然后考虑钻头寿命；在硬、脆、碎地层中，则应将钻头寿命放在首位；在坚硬致密的地层中，则钻速和钻头寿命应同时考虑。图3 金刚石头部3.1.1金刚石粒度的选择金刚石粒度对金刚石钻头性能的影响主要表现在钻进速度、使用寿命和功率消耗。在参数相同的条件下，金刚石粒度越小，消耗的功率较大。这是由于有更多数量的金刚石粒与工件接触磨擦并参与切削作用,而且工作面与工件之间的间隙较小，排屑阻力也会消耗一定的功率。此外，金刚石粒度较小，则在单

31、位面积上金刚石的颗数增加，每颗金刚石所受的力降低，不能有效压入工件，往往容易导致金刚石刀刃磨耗，也会增加功率消耗。在实际工作中金刚石粒度对性能的影响要复杂得多。因为有些因素是难于控制的，如金刚石在胎体中分布的均匀性、胎体硬度的适应性等，而且每颗金刚石的强度和颗粒结构不完全相同，从而导致每颗金刚石的磨损渐进特性也不相同。在金刚石工具制造行业中，金刚石的粒度一向是以目数表示的。所谓目数即筛网每英寸长度上的网目数。因此，以目数表示的粒度不是一个绝对的统一值，而是一个量值范围。此量值范围存在允许偏差。例如网目数允许5%的颗粒大于确定的量值范围，5%的颗粒小于量值范围。实际上以目数表示的粒度中，较细颗粒

32、与较粗颗粒之比是不确定的，也就是说在某一目数的粒度中，每克拉的颗粒数是不同的，因而平均颗粒尺寸也是不同的，金刚石每克颗粒数或平均颗粒尺寸的差异可导致金刚石工具工作性能的不同。同一目数范围内，相差PPC10%时金刚石性能的差异。每一标准目数的PPC值都规定了严格的允许偏差。PPC值反映了相应目数范围内颗粒的实际大小，保证了金刚石产品粒度的一致性。所以说单纯以目数表示金刚石产品的粒度有其局限性。但对于颗粒较小的金刚石来说，要给出它相应目数的PPC值是相当困难的。因为相对于常用金刚石产品的目数而言，相应的PPC值即每克的颗粒数可高达数百至数千，不是单靠人工计数所能解决的问题。在金刚石浓度相同的条件下

33、，在单位面积上有更多的金刚石参与工作的刀头更为耐用，而且每颗金刚石上所受到的负荷降低了。当然,这是在条件不变的情况下相对而言。不过，金刚石粒度小，刀刃也就小，会影响切削率。使用金刚石钻头钻进时，只有以体积破碎的形式破碎岩石，才能获得较高的钻速。在煤矿区施工时，因中硬及以下的岩石占绝大多数，岩石对金刚石的磨损作用较弱；施加在单颗金刚石上的压力不需很大即可以体积破碎的形式破碎岩石，因而金刚石不易破裂，所以应选择较粗粒度的金刚石，以同时获得较高的钻速和钻头寿命。由于我国粗粒（0.41ram）人造单晶金刚石很少，且价高强度低，因此目前尚不宜使用过粗粒度的金刚石。在坚硬致密和硬、脆、碎地层中钻进时，金刚

34、石不仅要承受较大的轴向压力和剪切力，而且要承受较大的冲击力，因此必须选用较细粒度的金刚石。根据设计要求我选择的粒度是18Mo。3.1.2金刚石强度的选择PDC钻头切削齿的受力、应变状态和失效分析是PDC钻头目前研究的一个重要方面，PDC钻头不同部位切削齿的工作载荷是不同的，而且钻头冠部形状不同，其载荷分布规律也不同。关于PDC钻头切削齿破岩机理和受力研究侧转角、刃后角、切削速度和切削深度对切削齿受力大小与方向的影响，发现在不同的切削速度下，有相应的最优刃后角与侧转角使切削齿受力最小，并建立了切削齿受力与这些影响因素之间的关系式。在较完整的中硬及以下的岩石中使用钻头钻进时，由于岩石抗压强度较低，

35、使用较小的钻压即可获得较高的钻速，所以可选用强度较低的金刚石。在坚硬致密和硬、脆、碎地层中钻进时，为延长钻头寿命和提高钻速则必须选用较高强度的金刚石。由于钻头工作环境恶劣，所以需要强度较高。因此我选择的强度981.37mpa。3.1.3金刚石浓度的选择金刚石浓度是金刚石钻头的重要参数之一，金刚石体积浓度是指金刚石工具工作层中金刚石所占的体积百分比，当金刚石体积分数为25时，其浓度100。金刚石浓度对金刚石刀具性能影响巨大。中料层金刚石浓度过大时，钻头磨损后形成的破刃宽度很大，两沟槽的宽度和深度很小，这是因为中料层金刚石浓度过大，中料层工作面上出露的有效金刚石磨粒数越多，金刚石很难发生微破碎和破

36、刃，中料层胎体磨损比边料层慢，钻头磨损形成的中刃宽度过大，两沟槽的宽度和深度很小，刀头倾向圆弧化，因此钻头的锋利度差，寿命也不高。可见，有序排布钻头中料层与边料层是重要的。如果金刚石浓度差，则刀头在磨损后形成了沟槽深度和宽度配置形成合理的对称扇形结构，实现中料层和边料层的同步磨损，从而使得钻头具有最佳的综合使用性能。毕业设计论文代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ3449649974在较完整的中硬岩石中，钻头寿命一般较高，从而钻速显得特别重要，因此金刚石浓度不宜过高在坚硬致密和硬、脆、碎地层中，为了延长钻头寿命，除选用较细粒

37、度的金刚石外，金刚石的浓度也应高些，这点对钻头来说尤为重要。3.1.4 金刚石钻头的破岩金刚石钻头的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。要知道钻头的破岩作用，就须了解单粒金刚石的破岩作用。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下使岩石处于极高的应力状态下（约4200-5700MPa，有的资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由脆性变为塑性。单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。这一过程如同“犁地”故称为金刚石钻头的犁式切削作用。在一些脆性较大的岩石里（如砂岩、石灰岩等），钻头上的金刚石颗粒在钻压扭矩的同时作用下，破碎岩石的体积远大于金刚石颗粒的吃入

38、与旋转体积。当压力不大时,只能沿金刚石的运动方向形成小沟槽，加大压力则会使小沟槽深部与两侧的岩石破碎，超过金刚石颗粒的断面尺寸。金刚石钻头的破岩效果，除与岩性以及影响岩性的外界因素（如压力、温度、地层流体性质等）有关外，钻压大小是重要的影响因素。它和其它钻头一样，破岩时都具有表层破碎、疲劳破碎、体积破碎三种方式。只有当金刚石颗粒具有足够的比压吃入地层岩石，从而使岩石发生体积破碎，这才能取得理想的破岩效果。PDC钻头切削过程就是一种挤压的过程，在挤压过程中以滑移的方式破岩。由于PDC钻头工作能自锐的吃入地层，因此破岩效率高。由地层较硬所以我选择5000mpa。3.2石油钻探机钻头胎体材料的选择胎

39、体式金刚石复合片(PDC)钻头是将金刚石复合片通过钎焊方式焊接在钻头胎体上的一种切削型钻头。胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成，用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石。钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，钻头寿命较长。（1）当选用较粗粒度、较低浓度（实际上大多为中等）的金刚石时，胎体的硬度及耐磨性均应较高，以同时获得较高的钻速和钻头寿命。（2）当选用较细粒度、较高浓度的金刚石时，胎体的硬度和耐磨性必须适当降低。选用高温成型的钻头时，胎体的硬度和耐磨

40、性也应低些。这类钻头的共同特点是唇面上的硬质点较多，单粒金刚石承受的压力较小，切入岩石的深度较浅，所产生的细小岩粉对胎体的磨损作用较弱。抗岩粉磨损能力较单一的合金强得多。在硬、脆、碎或坚硬、强研磨的岩石中钻进时，则必须选用硬度和耐磨性较高的胎体，以延长钻头寿命。（3）在钻头底唇接触面积小，或唇面形状有利于强化岩粉磨蚀胎体时，则必须选用较高硬度及耐磨性的胎体，以延长钻头寿命。毕业设计论文代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 3139476774 QQ3449649974（4）在坚硬致密的岩石中钻进时，大多采用软、低耐磨性的胎体。用于钻进打滑层的钻头，也必

41、须选用较高硬度和耐磨性的胎体，否则钻头寿命太短，因为钻进这类岩石时，一旦钻速较高，坚硬的岩粉对胎体的磨损非常强烈。至于胎体能否与金刚石同步磨损，则必须从底唇接触面积、底唇形状及钻进参数着手，统筹解决。胎体PDC钻头从结构上分主要有两种：一种是西瓜皮型的齿柱式，一种是刀翼型的焊片式PDC钻头目前，市场上主要以刀翼型的胎体PDC钻头为主，因为刀翼型有较大的排屑空间能及时排屑，防止钻进中重复破碎，对提高钻速起到了明显作用国内外的PDC钻头生产厂家也基本是生产刀翼型钻头，由于刀翼型的PDC钻头具有结构简单、钻速快等特点，所以被广泛采用。刀翼型PDC钻头在钻进过程中施加的钻压集中在几个刀翼上，刀翼的受力

42、与金刚石胎体表镶或孕镶钻头、齿柱式西瓜皮钻头有很大的区别，主要表现在钻头结构整体受力和刀翼的局部受力分布上在钻压和扭转力的联合作用下，保证刀翼不会断裂。胎体和钢体结合牢固。除机械加强外，要求胎体具有较高的综合强度才能满足这种刀翼结构。根据参数情况与使用情况的分析，胎体PDC钻头结构不同、刀翼的长短不同，对胎体性能要求也有所不同。对胎体钻头而言，钻头没计不仅是结构设汁，还应包括胎体性能及工艺方面的没汁。因此，设汁再好的钻头结构必须由胎体材料性能来保证，二者是相辅相成的，单一的要求都是偏面的。所以，开展对钻头胎体配方、性能方面的试验研究是钻头设计的中心思想、以及保证钻头质量的关键。胎体是由骨架料和

43、浸渍合金经烧结而形成的统一体。骨架料是由不同粒度的粉末冶金组成，而浸渍合金也是由铜基焊料成份所组成。胎体的性能取决于骨架料和浸渍合金的选择。同样的骨架料，使用不同的浸渍合金会得到不同的胎体性能，反之同样的浸渍合金、不同的骨架料也会得到不同的胎体性能。胎体配方的确定原则：首先应保证钻头井下使用安全，胎体与钢体有足够的连接强度；二是保证不断刀翼，胎体的抗冲击性能好，抗弯强度高；三是胎体的耐冲蚀性、耐磨性好，否则造成复合片的先期脱落，这三项原则是对胎体性能的基本要求。对于钻头胎体而言，不仅要求胎体本身的强度，然而胎体与钢体的连接强度也是关键，它直接涉及到井下的使用安全。对此，我们在钻头钢体的选材上以

44、及钢体与胎体连接部位的结构上作了一些改进。其改进情况如下：（1）钢体结构钢，因为结构钢胎体有好的粘结性能。（2）钢体与胎体连接部位的结构由圆弧阶梯形改为马牙扣型，这增加了钢体对胎体的焊接面，提高了钻头的抗扭强度。（3）根据钻头外径大小以及刀翼长短确定，因为必须增加刀翼抗弯能力和整个钻头的抗扭能力。PDC钻头的胎体可用钢和钨两种材料来制造。钢体钻头一般用于钻软到中等研磨性地层和钻大井眼。由于钢体使用方便况且选用种类较多所以根据性能要求选择。3.2.1 20CrMo（1）特性要求及使用范围20CrMo淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗

45、碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于 250，含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件。（2）化学成分表2 20CrMo化学成分CCrNiMnMoSiPSCu0.17-0.240.80-1.100.0300.4-0.700.15-0.250.17-0.370.0350.0350.030（3）力学性能表3 20CrMo力学性能b (MPa)s (MPa) (%) (%)Akv (J)kv (J/cm2)88568512507898（4）热处理方式淬火：由于钢中加入W、Mo等元素提高了Ac1临界点。因此，20CrMo在淬火加热温度相应提高。导热性相对较差，

46、为了减小热应力，防止变形开裂应先经预热550-600度，预热的时间是加热时间的2倍。淬火加热时间为860。淬火冷却：淬火冷却是淬火的关键，20CrMo钢的淬透性。通常在淬硬的前提下尽量采用缓慢冷却的方式，以防止淬火应力，变形和防止开裂。淬火后的组织为回火S+粒状碳化物+少量残余A。低温回火：淬火后采用回火工艺去除淬火应力，并适当提高20CrMo的塑性和韧性。为了保持材料的高硬度、高强度、高耐磨性，应采取低温回火，一般在220度以下,回火后的硬度为32-33HRC。（5）市场价格 5800元每吨3.2.2 45钢（1）特性要求及使用范围45钢是优质碳素结构钢，硬度不高易切削加工，所以没有合金元素

47、。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应进行去应力退火。正火可改善硬度以及毛坯的切削性能。该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢，但该钢淬透性较低，水中临界淬透直径为1217mm，水淬时有开裂倾向。当直径大于80mm时，经调质或正火后，其力学性能相近，对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性，而大型零件，则以正火处理为宜，所以，此钢通常在调质或正火状态下使用。（2）化学成分表4 45钢化学成分CSiMnCrNi

48、Cu0.45-0.500.17-0.370.50-0.800.250.300.25（3）力学性能表5 45钢力学性能b (MPa)s (MPa) (%) (%)Akv600355164039J（4）热处理方式 45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。 45钢淬火温度在A3+(3050) ，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实际装炉量大，就需适当延长

49、保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。 45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状

50、，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。 45钢调质件淬火后的硬度应该达到5659HRC，截面大的可能性低些，但不能低于48HRC，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。低温回火：淬火后采用回火工艺去除淬火应力，并适当提高45钢的塑性和韧性。为了保持材料的高硬度、高强度、高耐磨性，应采取低温回火，一般在200度,回火后的硬度为58HRC。毕业设计论文代做平台 580毕业设计网 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 QQ 313947677

51、4 QQ3449649974（5）市场价格 3500-4000元每吨3.2.3 35CrMo（1）特性要求及使用范围35CrMo有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较高，低温至-110摄氏度，并具有高的静强度、无过热倾向，淬火变形小，冷变形时塑性尚可高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达 500；冷变形时塑性中等，镶嵌性好。 （2）化学成分表6 35CrMo化学成分牌号CSiMnGrNiMo35CrMo0.32-0.40%0.17-0.37%0.40-0.70%0.90-1.20%0.30%0.15-0.25%Si：为常用的脱氧剂，可提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合

52、力学性能，特别是弹性极限能力，还可增强钢在大气环境中的耐磨性，含量较高时，对钢的焊接性不利。Mn：与硫形成熔点较高的MnS，可防止热脆现象的产生，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金化元素之一，提高钢的淬透性，但会增加晶粒细化和回火脆性。Cr：增加钢的淬透性并有二次硬化作用，使钢具有良好的高温抗氧化能力和耐氧化性介质腐蚀的作用，并增加钢的热强性。为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。Ni：固溶强化及提高淬透性的作用中等，细化铁素体晶粒，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，为主要奥氏体形成元素并改善钢的耐蚀性能，与铬、钼等联合使用，提高

53、钢的热强性和耐蚀性，为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。Mo：抑制奥氏体到珠光体转变得能力很强，从而提高钢的淬透性，并为贝氏体高强度钢的主要元素合金化元素，能降低或抑制其他合金元素导致的回火脆性，在较高回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用，提高钢的热强性，含量2到3能增加耐蚀钢抗有机酸及还原性介质腐蚀的能力。（3）力学性能表7 35CrMo力学性能b (MPa)s (MPa)(%) (%)Akv (J)kv(J)硬度(HB)98583512456378229（4）市场价格 3780元每吨3.2.4 材料的确定由于35CrMo有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性

54、较高，低温至-110摄氏度，并具有高的静强度、无过热倾向，淬火变形小，冷变形时塑性尚可高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达 500；冷变形时塑性中等，镶嵌性好，且经济性也好因此作为本次设计所用材料。4 石油钻探机钻头胎体的热处理 4.1热处理工艺选择图4 Fe-C合金相图4.1.1 方案一正火热处理（1）正火是将金属缓慢加热到一定的温度，保持足够的时间，然后以适宜的速度冷却，目的是降低硬度，改善切削加工性，消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。正火的目的是消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性能，同时也均匀组织、细化晶粒，以利于切削加工

55、，并为下一步的热处理作组织准备。正火通常对于亚共析钢正火的加热温度通常为Ac3以上3050,而对于低碳合金钢的正火温度通常为Ac3以上50100，保温一定时间后取出喷雾冷却这种冷却方式称为高温正火，将钻头放入炉中加热到840-880，保温约2h,出炉在空气中分散冷却，目的是充分消除锻造引起的内应力，细化晶粒，适当提高齿轮的硬度，为以后的机加工做性能准备，同时为后序的热处理做准备工作。（2）正火加热保温时间，这个问题比较复杂,一般由试验确定,但也有个经验公式:t = KD t保温时间(min) 加热系数(min/mm) K工件加热是的修正系数 D工件的有效厚度(mm)工件有效厚度的计算原则是:薄

56、板工件的厚度即为其有效厚度;长的圆棒料直径为其有效厚度;正方体工件的边长为其有效厚度;长方体工件的高和宽小者为其有效厚度;带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L为工件的长度)处的直径;带有通孔的工件,其壁厚为有效厚度. 一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度每25毫米为一小时来计算，合金钢可以按工件的有效厚度每20毫米一小时来计算保温时间，加热时间应为23小时左右。工艺温度：正火：850870。工艺时间：保温2h。冷却介质：油冷。工艺装备:井式炉或箱式炉(额定温度950)。（3）正火后工艺曲线（如图5）850120min炉冷温度时间/min图5 正火工艺曲线图（4）正火后的金相组织为T+

57、P（见图6）图6 35CrMo正火金相图（5）正火后的力学性能。正火后提高胎体的硬度、强度和增加胎体的韧性,改善材料的切削性。硬度达到HBS200。（6）正火设备，本次热处理根据工艺参数温度可选用中温箱式电阻炉。RX-45-9中温箱式电阻炉： 额定电压45KW,额定电压380V，额定温度950。主要由炉壳、炉衬、炉门、传动机构、电热元件及电气控制装置组成。炉壳由钢板及型钢焊接而成，炉衬一般由轻质高铝砖、轻质黏土砖、耐火纤维、保温砖以及填料组成。电热元件多为铁铬铝、镍铬合金丝绕成的螺旋体，分别安装在炉膛侧壁搁砖和炉底上。大型箱式炉还在炉膛后壁和炉门上安装电热元件，使炉膛温度保持均匀。高中温炉底部电热元件用耐热钢炉底板覆盖，工件置于炉底板上进行加热。（如图7）图7、RX-45-9中温箱式电阻炉调质热处理（1）最终热处理是调质，目的是获得均匀细密的回火索氏体组织、细密的索氏体金相