钻头的选择与使用

钻头选型方法~

1）地层岩石的研磨性。研磨性地层会使切削具过快磨损，机械钻速降低很快，钻头进尺少，对于牙轮钻头特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小、轴承外露，加速钻头的损坏。
2）浅井段与深井段。为获得最佳经济效益，在浅井段选用机械钻速较高的钻头类型，深井段应考虑使用寿命较长的钻头，以减少起下钻等非生产时间。
3）深部黏塑性地层。根据以往资料深部钻遇石英含量较高的泥岩、页岩等岩石时，如选用硬地层钻头钻进，机械钻速很低；如选用软地层钻头钻进，又容易造成过多断齿现象。人们称这种地层为“橡皮地层”，这是由于软岩石在深部处于各向高压状态时，岩石物理机械性能就会改变，岩石硬度增大，塑性也增大。因而使用主要靠冲击破碎岩石的硬地层钻头类型时，破碎岩石效果差，机械钻速慢；而用软地层钻头加大刮削作用来破碎岩石时，易断齿，钻头使用寿命短，所以这时最好的方法是使用低固相钻井液，优选钻头类型，配合孔底动力钻具，会产生较好的效果。
4）易井斜地层。地层倾角较大是造成井斜的客观因素，而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当，会使井斜加剧。对钻头类型与井斜的关系，以往不被人们重视，通过理论分析与实验得出，移轴类型的钻头，在倾斜地层钻进时易造成井斜。所以应考虑选择不移轴或移轴量很小的钻头。同时，在保证移轴小的情况下，还应选用较软类型的钻头，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。
5）软硬交错地层。根据这种地层的特点，选择的钻头既要能在软地层中有较高的钻速外，又能在钻进硬地层时钻头磨损较小。钻软地层时可提高转速降低钻压，钻硬地层时应提高钻压降低转速，这样能达到更好的钻进效果。

硬质合金钻头的合理选用 过去，人们一直认为钻削加工必须在较低的进给量和切削速度下进行，这种观点在使用普通 钻头的加工条件下曾经是正确的。如今，随着硬质合金钻头的出现，钻削加工的概念也发生 了变化。事实上，通过正确选用合适的硬质合金钻头，可以大幅度提高钻削生产率，降低每孔加工成本。

硬质合金钻头的基本类型


可供用户选择的硬质合金钻头分为四种基本类型：整体硬质合金钻头、硬质合金可转位刀片 钻头、焊接式硬质合金钻头和可更换硬质合金齿冠钻头。每种钻头都具有适合特定加工条件的优点。


整体硬质合金钻头

整体硬质合金钻头适于在先进的加工中心上使用。这种钻头采用细颗粒硬质合金材料制造， 为延长使用寿命，还进行了TiAlN涂层处理，专门设计的几何刃型使钻头具有自定心功能， 在钻削大多数工件材料时具备良好的切屑控制及排屑性能。该钻头的自定心功能和严格控制 的制造精度可确保孔的钻削质量，钻削后不需再进行后续精加工。

硬质合金可转位刀片钻头

安装硬质合金可转位刀片的钻头可加工孔径范围很广，加工深度范围为2D～5D(D为孔径)，可应用于车床和其它旋转加工机床。

焊接式硬质合金钻头

焊接式硬质合金钻头是在钢制钻体上牢固焊接一个硬质合金齿冠制成。这种钻头采用自定心几何刃型，切削力小，对大多数工件材料均可实现良好的切屑控制，加工出的孔表面光洁度 好，尺寸精度和定位精度都很高，不必再进行后续精加工。该钻头采用内冷却方式，可用于 加工中心、CNC车床或其它高刚性、高转速机床。

可更换硬质合金齿冠钻头

可更换硬质合金齿冠钻头是近年开发的新一代钻削刀具。它由钢制钻体和可更换的整体硬质 合金齿冠组合而成，与焊接式硬质合金钻头相比，其加工精度不相上下，但由于齿冠可更换 ，因此可降低加工成本，提高钻削生产率。这种钻头可获得精确的孔径尺寸增量并具有自定 心功能，因此孔径加工精度很高。


选用硬质合金钻头的考虑因素


加工精度

选用硬质合金钻头时，首先需要考虑钻削加工的尺寸精度要求。一般来说，被加工孔径越小 ，其公差也越小。因此，钻头制造商通常根据被加工孔的名义直径尺寸对钻头进行分类。在 上述四种类型的硬质合金钻头中，整体硬质合金钻头的加工精度最高(φ10mm整体硬质合 金 钻头的公差范围为0～0.03mm)，因此它是加工高精度孔的最佳选择；焊接式硬质合金钻头 或可更换硬质合金齿冠钻头的公差范围为0～0.07mm，比较适合一般精度要求的孔加工；安 装硬质合金可转位刀片的钻头比较适合重载粗加工，虽然它的加工成本通常低于其它几种钻 头，但其加工精度也比较低，公差范围为0～0.3mm(取决于钻头的长径比)，因此它一般 用于精度要求不高的孔加工，或者通过换装镗刀片完成孔的精加工。

加工稳定性?

除了考虑钻孔精度要求外，选择钻头时还需考虑加工机床的稳定性。机床稳定性对于钻头的 安全使用寿命和钻孔精度至关重要，因此需要仔细检验机床主轴、夹具及附件的工作状态。 此外，还应考虑钻头自身的稳定性。例如，整体硬质合金钻头刚性最好，因此可达到很高的 加工精度。而硬质合金可转位刀片钻头的结构稳定性较差，容易发生偏斜。这种钻头上安装 了两片可转位刀片，其中内刀片用于加工孔的中心部分，外刀片则加工从内刀片至外径处的 外缘部分。由于在加工初始阶段只有内刀片进入切削，钻头处于不稳定状态，极易引起钻体 偏斜，且钻头越长，偏斜量越大。因此，在使用长度超过4D的硬质合金可转位刀片钻头进行 钻削加工时，在开始钻进阶段时应适当减小进给量，进入稳定切削阶段后再将进给率提高到 正常水平。焊接式硬质合金钻头和可更换硬质合金齿冠钻头是由两条对称切削刃组成可自定 心的几何刃型，这种具有高稳定性的切削刃设计使其在切入工件时不需要减小进给率，只有 当钻头倾斜安装与工件表面成一定倾角切入时例外，此时建议在钻入、钻出时将进给率减小30%～50%。由于此类钻头的钢制钻体可产生微小变形，因此非常适合用于车床加工；而 整体硬质合金钻头由于脆性较大，用于车床加工时较易折断，尤其当钻头定心状况不佳时更 是如此。

排屑与冷却液

排屑是钻削加工中不容忽视的问题。事实上，钻削加工中遇到最多的问题就是排屑不畅(加工低碳钢工件时尤其如此)，且无论使用何种钻头均无法回避这一问题。加工车间经常采用 外部注入冷却液的方式辅助排屑，但这种方法只有在被加工孔深小于孔径以及减小切削参数的情况下才有效。此外，必须选用与钻头直径相匹配、合适的冷却液种类、流量和压力。对于没有安装主轴内冷却系统的机床，则应使用冷却液导管。被加工的孔越深，排屑就越困难，需要的冷却液压力也越大，因此应保证钻头制造商推荐的最小冷却液流量，如冷却液流量不足，则需要减小加工进给量。

每孔加工成本

生产率或每孔加工成本是影响钻孔加工最重要的因素。为提高生产率，钻头制造商正致力于 研究可集成多种操作工序的加工方法，并开发可实现高进给、高转速加工的钻削刀具。
最新开发的可更换硬质合金齿冠钻头具有优异的加工经济性。钻头磨损后，用户不必更换整 个钻体，只需更换硬质合金齿冠即可，其购买费用只相当于焊接式或整体硬质合金钻头重磨 一次的费用。硬质合金齿冠更换容易且重复性精度极高，加工车间可用一支钻体配备多个齿 冠，以加工不同孔径尺寸的孔。这种模块化的钻削系统可减少直径12～20mm钻头的编目费用 ，同时还可节省对焊接式或整体硬质合金钻头进行重磨时需要的备份刀具费用。

在考虑每孔加工成本时，还应将钻头的总寿命计算在内。一般来说，一支整体硬质合金钻头 只能重磨7～10次，一支焊接式硬质合金钻头只能重磨3～4次，而可更换硬质合金齿冠钻头 在加工钢料时，其钢制钻体至少可更换齿冠20～30次。

由于焊接式或整体硬质合金钻头需要重磨，为避免刀具发生破损，车间在使用这种钻头时倾 向于采用较低的切削参数，因此也会影响钻削生产率。而可更换硬质合金齿冠钻头不需重磨 ，车间在加工时可采用最大的进给量和切削速度而不必担心齿冠破损。

在许多情况下，由于焊接式或整体硬质合金钻头重磨后的切削刃形状和刃口处理状态与新钻 头难以完全吻合，因此其切削性能也与新钻头存在一定差异。此外，如重磨过程中对切削刃 处理不当，可能使刃口容易破损、钻削扭矩和钻削力加大、切削热增加，从而导致钻头寿命 缩短。而新型可更换硬质合金齿冠钻头的工作寿命则更为稳定一致。

一、概述

采用煤矿井下随钻测量定向钻进工艺进行钻孔施工，由于遇到的地层条件比较复杂，岩性种类也较多，因而对与其配套使用钻头的功能、时效和寿命也提出了更高的要求，常规钻头已不能满足使用要求。定向钻头的结构和性能直接影响着定向钻进效果，钻头性能一般应满足以下要求:

1)在钻进时应具有较长的寿命，避免中途提钻换钻头;

2)适应岩性广，能够满足顺煤层和顶底板穿层钻进要求;

3)保径效果要好，以保证钻孔质量;

4)钻进效率高，应具有较大的排粉通道;

5)应具有侧向切削功能(即侧钻功能)，实现定向造斜钻进。

二、PDC定向钻头的结构参数

图5-15 PDC钻头图片

PDC定向钻头由钻头体、PDC切削齿、保径、水路系统(水眼、水口、水槽等)等组成，如图5-15所示。PDC钻头的结构形式繁多，对适用地层和使用条件非常敏感，需要针对具体地层特点和使用条件进行钻头结构参数的设计。PDC定向钻头主要结构参数包括钻头冠部形状、切削齿的大小、数目和出刃、布齿方式以及PDC片镶焊角和空间位置参数、钻头保径方式和水路系统等。

1.钻头冠部形状

不同的钻头冠部形状，其工作特性不相同，对地层的适应性也不相同。因此，了解并掌握各种冠部形状钻头的工作特性及其对地层的适应性，对于合理设计、制造和使用PDC定向钻头具有重要意义。

钻头冠部形状会引起各PDC片之间相对高差等具体空间位置的差异，从而影响各PDC复合片的切削体积、钻头破岩能力和PDC受力情况。合理的钻头冠部形状能提高钻头的稳定性，有利于孔底的清洗和减少切削齿的磨损，达到提高其综合性能的目的。

与常规钻头相比，定向钻进用PDC钻头主要不同点是必须具有侧向切削功能。PDC定向钻头冠部形状有平底形、凹面形、球面形，如图5-16、图5-17、图5-18所示，其中平底形钻头在生产中使用最为广泛。

图5-16 平底PDC钻头

图5-17 凹面PDC钻头

图5-18 球面PDC钻头

2.PDC的镶嵌方式

PDC复合片镶嵌方式可分为半出刃型和全出刃型两种，如图5-19所示。钻进软岩用钻头应适当增加PDC片的出刃高度，有利于排除大量岩粉和加快钻进速度，因此该类钻头PDC片多采用全出刃方式。在较硬及复杂岩层中钻进时，岩粉颗粒较细，进尺较慢，则采用较低的底出刃高度，以利于冲洗介质带走岩粉;另一方面在该类岩层中钻进，PDC片承受的载荷较大，这也要求PDC片底出刃高度应尽量减小，以增强钻头切削齿与钻头体之间的焊接强度和切削齿后靠背的支撑强度，所以该类钻头PDC切削齿的镶嵌方式多采用半出刃方式。

图5-19 PDC镶嵌示意图

3.钻头的水路

煤矿钻孔施工中，因受条件限制，一般达不到石油钻井的水力参数，因此钻头的水路设计应首先考虑冷却切削齿和及时带走岩粉。在钻进初期，钻进效率很高，被破碎岩石的颗粒也较大，孔底岩粉多，若钻头水眼和水槽截面太小或数量太少，钻进时岩粉排出不及时，滞留在孔底的岩粉在钻头唇面处被重复破碎，并附着在PDC片附近甚至形成泥包，堵塞水路，从而影响钻进效率。所以设计钻头时水眼面积和水路截面积要足够大，以便冲洗液有足够流量把大量的岩粉及时排出，保证孔底清洁和PDC片冷却。另外，冲洗液也不能直接喷射到孔壁上，以防不稳定层位的孔壁因冲刷而引起塌孔事故。

合理的水口、水槽设计有利于更好地冲洗孔底岩粉和冷却PDC切削齿。通常每组切削齿设计一个水口，水口的过水总面积大于钻头与井壁之间所形成的环状间隙的面积。常用的水口形状有矩形、半圆形、螺旋形和超深超宽形等，并在钻头体外壁设计有水槽，以增加钻头外环状间隙过水面积。水口与水槽之间应圆滑过渡，不得有棱角，这样有利于冲洗液循环畅通，能及时排出岩屑和冷却钻头。

由于定向钻头是不取心结构，这种结构的钻头不仅破碎的岩粉多，而且被破碎的岩粉所走路程比取心钻头长，很容易造成重复破碎。为防止重复破碎，钻头底唇部过水面积要大，水眼和水槽要宽而深，以利于岩粉排出，有效冷却钻头切削齿。

4.复合片(PDC)的选择

PDC复合片规格和数量的选择主要根据所钻岩石的岩性和地层条件来决定。PDC钻头切削地层时，PDC切削齿直接切削地层，承受的载荷很大，在某些情况下，PDC片并不完全是正常磨损，而是由过载和冲击振动引起的崩刃、折断、掉片等非正常磨损，从而造成钻头报废。因此，PDC钻头的性能在很大程度上取决于PDC片的质量。

对PDC片的选择应充分考虑PDC的性能、结构尺寸、所钻岩层条件等因素，只有合理地选择使用才能达到经济高效的目的。PDC片尺寸大小的选择主要依据PDC的特性、地层情况和钻头布齿空间的大小，软岩钻头应选用大尺寸PDC片，而小尺寸PDC片在均质较硬地层中则具有较高的机械钻速。用于连续造斜钻进时，钻头同时有加深钻孔和造斜的双重作用，显然钻头外侧PDC切削齿工作负担很重，应选用高硬度、高耐磨性、高抗冲击韧性及高热稳定性的PDC复合片。此外，钻头布齿空间太小会限制对PDC片的选择，所以在选用时除了考虑PDC片的性能外，应综合考虑上述几方面的因素。

5.保径方式

正常钻进条件下，钻头应满足径向侧刃的磨损速度低于底刃的磨损速度的要求，即PDC钻头的底刃磨损到不能使用时，钻头的直径基本保持不变。通过分析钻头非正常磨损导致提前报废的原因，结果表明大部分与钻头保径有关，保径过早磨损后，PDC片的支撑体强度降低，导致PDC切削齿发生掉片甚至支撑体折断，特别是在钻进破碎、裂隙等复杂岩层时，这种情况尤为常见。所以，科学合理的保径方式是确保钻头使用寿命的主要措施之一。另外保径长度也是重要的选择参数，保径越短，侧钻能力越强，越容易打出分支孔来，所以PDC定向钻头应采用短保径设计。

此外，由于煤系地层大多为软—中硬岩层，水平孔定向孔施工中往往很难避免孔壁坍塌造成的卡钻、埋钻等事故。而孔底定向钻具价格昂贵，一旦发生事故，若处理失败，往往造成巨大的经济损失。应在钻头保径尾部设计反向切削齿，在事故处理中提钻时反切削齿也能参与切削岩层，同时钻头保径宽度不宜太宽，以便降低提钻阻力，有利于处理孔内卡、埋钻事故，从而大大降低事故处理的难度。

三、钻头的合理选择及使用

1.钻头的合理选择

为了获得最佳的钻进效果和技术经济指标，必须合理选择钻头，选型不当就可导致钻头提前磨损，影响钻头使用寿命，因此，应在对钻头结构和工作原理充分理解的基础上，从生产实际出发，综合考虑钻进工艺、地层条件、钻进设备及其他因素对钻头使用的要求，合理选择钻头。

煤矿井下随钻测量定向钻进配套使用孔底马达，钻孔深度大，同时还需进行分支孔钻进。因此，应选择钻速快、寿命长、造斜稳斜性能好的胎体式PDC定向钻头，由于其钻头体耐磨性强，所选用的PDC性能优异，最佳适用地层为1～8(f≤10)级的完整岩层，部分软硬互层及少量裂隙发育地层中也可以正常使用。

钻头直径的选择，应充分考虑使钻具组合满足钻头稳定钻进的要求。煤矿井下随钻测量定向钻进施工通常采用φ73mm中心通缆式钻杆，与之配套的钻头直径推荐选用φ96mm。在松软煤层中钻进时，应选用布齿密度较低、保径宽度较窄且具有退钻反切削齿的胎体式PDC定向钻头;在硬煤层及岩层中钻进，应选用布齿密度中等、保径效果较好的胎体式PDC定向钻头，其技术参数见表5-4。

表5-4 随钻测量定向钻头技术参数

2.钻头的合理使用

如何使用好钻头是取得最佳钻进效果的关键，在实际生产中经常出现由于使用方法不当而导致钻头提前报废的情况，为保证PDC钻头正常使用，必须严格按照以下要求进行操作:

1)应选择合理的钻具级配，力求钻头工作平稳，切削齿不至于因受力不均而损坏。

2)PDC钻头切削齿抗冲击能力较差，在运输及搬运过程中应轻装轻放，严禁砸、碰、抛掷钻头。钻头应在干燥、通风环境中存放。

3)从包装箱内取出钻头，应先用软质材料做好衬垫，不允许在钢质或其他硬质材料上碰撞或滚动钻头，防止损坏切削齿和螺纹。

4)钻头使用前应对各部位进行现场检查，包括钻头直径是否符合要求、连接螺纹是否完好、切削齿是否有损伤、钻头内孔是否有异物、水眼水槽是否畅通。

5)安装及拆卸钻头时，不许用榔头敲击钻头以免对切削齿及保径部位造成损伤，安装前应在螺纹部位涂抹润滑脂。

6)开孔前应将开孔点修整为凹坑，以免开钻时钻头摆动太大造成损伤。在开孔时或二次下钻后，应首先采用轻压、慢转、适当泵量(绝对不允许干钻)钻进0.2～0.3m，完成孔底造型后，再平缓均匀地增加钻压、转速和泵量，然后按照正常钻进规程钻进。

7)下钻时速度要慢，防止岩石探头、脱落的岩石碰坏钻头切削齿。在钻头接近孔底之前，应开启水泵，充分冲刷孔底，观察出水是否正常，防止钻头水眼堵塞。

8)钻进时应确保孔底清洁，如果孔内有脱落的切削齿、保径硬质合金、钢件等异物，很容易导致PDC定向钻头的早期损坏。

9)由于PDC复合片与钻头体之间是采用低温焊料焊接的，因此，工作中的钻头必须要有充足的循环冲洗液来保证对其冷却和清洗。钻进过程中严禁断水，避免烧钻事故发生，防止掉片和岩屑重复破碎，而影响钻头使用寿命。

10)钻进过程中应精心操作，时刻注意孔底工况，如发现有异常的振动或无进尺、泵压明显升高或降低、机械钻速突然下降、扭矩增大等现象，应及时排查，必要时提钻检查，不可强行加压钻进。

11)当PDC定向钻头钻遇强研磨性夹层时，其切削齿的磨损将随着转速和钻压的增加而加剧。为延长钻头寿命，应采用低转速和尽可能低的钻压。遇到地层变化或夹层时，应及时调整钻压和转速，以达到最优的钻头寿命和钻进速度，获得最佳的钻进效果。

12)正常钻进时应以钻压和转速的乘积为约束条件，不能同时使用最高钻压和最高转速，钻进中操作要平稳，严禁猛提猛放、溜钻和顿钻。

13)尽可能避免用PDC钻头扩孔，若在较短的孔段需要扩孔时，应采用小钻压、适中转速以及较大泵量。

14)钻头使用后期，因切削齿磨损而使承压面积增大，需适当增加钻压以保持钻进速度。

15)同一钻孔使用多只钻头时，钻头要排队轮换使用，先用外径大的，后用外径小的。

16)在钻进软岩及黏性地层时，钻头有时会产生泥包现象，影响正常钻进，主要征兆为钻速及扭矩突然下降、泵压增加，此时应对钻头进行清洗，主要方法是将钻头提离孔底，然后开大泵量和正常转速，从而清洗钻头表面。

17)起钻前应逐步减小钻进规程参数，停止钻头转动，使钻头上的钻压逐渐得以释放;在膨胀等复杂地层，起钻速度不能太快，以免“抽吸”作用造成塌孔或突出事故。

3.钻头的磨损

PDC定向钻头的磨损分正常磨损和非正常磨损两种，正常磨损表现为钻头心部至外侧切削齿磨损逐渐加重，设计良好的钻头基本可实现等速磨损，PDC片无断裂、掉片、脱落现象、钻头体冲蚀正常、随着进尺的增加磨损量逐渐增大。PDC钻头的非正常磨损往往表现为:

1)烧钻。钻进过程中若钻压过大，转速过快，钻头工作面与岩石之间强烈摩擦会产生大量的热量，断水、干钻或地层漏失出现冲洗液假循环等带来冲洗液不足，或水眼堵塞等，无法及时带走岩屑和热量，这些往往容易造成烧钻事故。由于复合片切削齿与钻头体之间的连接是低温焊接，温度过高导致钻头因掉片而失效，钻头体变为蓝色或棕色，甚至与岩石烧结在一起，常常引起重大事故。为防止烧钻事故发生，应控制合理的钻进速度，保证冲洗液循环畅通。

2)拉槽。当钻压过大、冷却不良造成微烧钻，孔底有异物、扩孔钻进或扫孔，外刃脱落或断裂，这些都会造成钻头冠部拉槽。复合片金刚石层脱落或复合片覆盖不全也容易造成钻头冠部拉槽。

3)钻体损坏。若孔内有台阶、探头石或坍塌掉块、缩径孔段，钻头受到强力挤压，都会造成钻头胎体损坏，孔底岩粉过多会严重磨损钻头体。

4)切削齿损坏。主要表现为磨损严重、断齿、掉齿、焊接失效和热裂纹等。

5)水口水槽严重冲蚀。所钻岩层研磨性特高，或冲洗液含砂量高且流速过高，都会造成钻头水口水槽严重冲蚀，影响钻头强度。

6)钻头外径过早磨损。若钻头保径太弱或岩石硬度过高，导致外径过早磨损。

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