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。
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，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。
（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。
目录
引言...................................................................................................1
1、 石油钻探机钻头的工作情况与分析........................................2
1.1、 PDC钻头的工作原理...........................................................2
1.2、 PDC钻头的稳定性分析.......................................................2
1.3、 PDC钻头进尺分析………………………....…………..….3
1.4、 PDC钻头的水力分析...........................................................5
1.5、 底唇接触面积分析................................................................6
1.6、 PDC钻头泥包的分析………………....……...................…7
1.7、 排粉和冷却问题分析............................................................8.
1.8、 结论........................................................................................8
2、 石油钻探机钻头的结构和性能要求........................................8
2.1、PDC钻头的基本结构............................................................8
2.2、PDC钻头性能要求...............................................................9
3、石油钻探机钻头的材料选择....................................................10
3.1、石油钻探机钻头金刚石的选择............................................10
3.1.1、金刚石粒度的选择...........................................................12
3.1.2、金刚石强度的选择...........................................................13
3.1.3、金刚石浓度的选择...........................................................13
3.1.4、金刚石钻头的破岩...........................................................14
3.2、石油钻探机钻头胎体材料的选择........................................15
3.2.1、20CrMo.............................................................................17
3.2.2、45钢.................................................................................18
3.2.3、35CrMo.............................................................................19
3.2.4、材料的确定......................................................................20
4、石油钻探机钻头胎体的热处理...............................................20
4.1、热处理工艺选择...................................................................21
4.1.1、方案一..............................................................................21
4.1.2、方案二..............................................................................25
4.2、最终确定...............................................................................29
4.3、常见热处理缺陷分析...........................................................29
5、结论............................................................................................30
参考文献..........................................................................................31
参考文献
1、徐年宝.热处理及工程材料.无锡职业技术学院.2007
2、刘希墨.钻井工艺原理.石油工业出版社.1981
3、热处理手册编委会.热处理手册第三卷.北京：机械工业出版社.1992
4、曾祥模.热处理炉.西北工业大学出版社.1989
5、戚正风.金属热处理原理.北京：机械工业出版社.1987
6、魏汝梅，宋力宏主编.金属工艺学实习教材.天津大学出版社.1989
7、刘永铨.钢的热处理.北京：冶金工业出版社.1981
8、.邓文英.金属工艺学.北京：高等教育出版社.1981
9、许天已.钢铁热处理实用技术.化学工业出版社.2004
10、丁建生.金属学与热处理.机械工业出版社.2004
www.bysj360.com www.bysj360.com/html/4577.html www.bysj360.com/html/4576.html www.bylw520.net www.bylw520.net/html/4735.html www.bylw520.net/html/4733.html www.bylw520.net/html/4732.html
