摘要
本文针对硬地层钻头寿命短、钻进效率低等问题，研制了一种新型超高胎体偏心齿钻头。该钻头通过条状或类条状设计提高了单齿工作压力；偏心布齿设计改善了钻进过程中钻头的切削齿受力状态，不但提高了钻头的强度，而且使得排浆更加通畅；扭面后支撑结构保证了钻头具有最高可至30 mm的超高胎体工作层。在钻头的制造工艺上，将无压烧结、热压烧结与二次镶焊3种工艺进行了有机结合，钻头金刚石热损伤小、钻头胎体强度高，保径优势明显，为深部硬地层高效长寿命钻进提供了技术支撑。
随着钻探技术的进步和人类对矿产资源的渴求，地球深部矿产资源勘探已成为全球找矿的重要方向。在小口径地质勘探领域，绳索取心钻进得到了广泛应用，由于这种方法不需要将钻杆提升到孔外，所以极大地减少了起下钻具的时间，在深部钻探领域优势更加明显，而钻头寿命和机械钻速是影响绳索取心钻进效率的重要因
在金刚石品级不高的情况下，对于坚硬地层尤其是坚硬致密“打滑”地层，孕镶钻头通常选用较软的胎体。然而，随着我国人造金刚石品级以及金刚石包镶技术的不断提高，选用相对较硬的胎体（HRC20~40）可提高深部硬岩金刚石钻头的寿命。为此，选用混入0.8%稀土的Fe基预合金粉末，粒度为2~10 μm，胎体硬度HRC23~25，抗弯强度1123 MPa，抗冲击韧性约6 J/c
选用高品级中等偏细粒度人造金刚石单晶，即40/45、50/60、60/70混合。因为随着单晶粒度的增大，晶体包裹体含量增大，晶格畸变导致单晶不规则生长的趋势增加；偏细粒度金刚石单晶晶形更加完整、杂质含量更低，在相同品级的单晶中，偏细粒度金刚石单晶具有更优良的性能指
为了提高金刚石钻头单齿工作压力，引入偏心条状齿结构，对于小直径地质取心钻头，直接将钻头设计为偏心条状，如
图1 偏心齿平面布置示意
Fig.1 Plan layout of the eccentric cutters
为了提高钻头胎体的工作高度，专门设计了金刚石胎块扭面过渡后支撑结构，通过无压烧结类似风机叶轮状后支撑结构（如
图2 无压烧结基体
Fig.2 Pressureless sintering matrix
图3 Ø215 mm/Ø75 mm取心钻头静压旋转水力流场
Fig.3 Hydraulic flow field of the Ø215mm/Ø75mm coring bit at hydro‑static rotation
金刚石的制造方法主要包括热压烧结、无压烧结和二次镶焊技术。热压法具有胎体性能可调、烧结时间短、温度低从而利于保护金刚石的特点，但由于烧结过程的压力因素，对于胎体形状复杂、厚度和高度相差悬殊的钻头，可能出现胎体密度不均，乃至难以制造。无压法借助于适当的振动使骨架粉末达到预定密度，因此利于制造形状复杂、尺寸相差悬殊的钻头。由于制造过程中无需加压，底刃和保径金刚石、聚晶等都不会产生错位，因而钻头尺寸精确，外形美观。但烧结温度一般比热压高得多，对金刚石热损伤和熔融金属对金刚石的腐蚀较为严
图4 超高胎体偏心齿钻头成品
Fig.4 Finished product of the ultrahigh matrix eccentric‑cutter bit
所研制的超高胎体偏心齿金刚石钻头在山东平度山旺-上马台矿区示范工程试验28ZK6钻孔进行了现场应用，钻头规格为Ø122 mm/Ø63.6 mm，配合双壁钻杆钻进，主要钻进7~10级地层，地层破碎，且存在漏失井段，现场岩心如
图5 28ZK6钻孔岩心
Fig.5 Cores from 28ZK6 hole
图6 28ZK6钻孔用Ø122 mm/Ø63.6 mm厚壁取心钻头出井照
Fig.6 Ø122mm/Ø63.6mm coring bit after use at 28ZK6 hole
28ZK6钻孔首次采用了P口径钻杆（反循环双壁钻杆的外管）+H口径内管总成的绳索取心工艺，由
合川001-74-H3井位于四川省广安市武胜县，属于合川须三底界构造西端的一口水平井，设计井深3957 m。为落实储层物性、含气饱和度等储量参数，设计在须家河二段进行保压取心，获取地层资料。须家河组地层岩石抗压强度平均达到157 MPa，最高达到350 MPa，岩石可钻性达7级以上，地层研磨性5~6级，地层压力系数高，属于高压、强研磨坚硬地
图7 合川001‑74‑H3井用超高胎体偏心齿钻头出井照
Fig.7 Ultrahigh matrix eccentric cutter bit for Hechuan 001‑74‑H3 well
（1）研制的新型偏心齿钻头通过偏心布齿、扭面后支撑等结构优化设计，改善了井底钻头工作状态，可提高坚硬地层的钻进效率。
（2）超高胎体工作层、后支撑辅助切削以及加强型内外保径等设计保证了偏心齿钻头在钻进坚硬地层时具有较高的使用寿命。
（3）所研制的偏心齿钻头无论在小口径钻探还是在大直径取心钻探领域均体现了高效长寿命工作特点，为助力我国能源勘探开发提供了参考。
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