取心鑽頭

專用於鑽取岩心的鑽頭。根據其結構及製造材料的不同，一般可分為牙輪取心鑽頭、金剛石取心鑽頭和硬質合金取心鑽頭三類。由於地層的軟硬和可鑽性及研磨性的不同，取心鑽頭的種類也很多，在結構上的差別也很大，設計的正確與否直接影響鑽進速度和岩心收穫率。為了提高岩心收穫率，要求鑽頭工作平穩，因此鑽頭的切削刃應該對稱分佈，底刃面應與鑽頭中心線相垂直，切削刃的耐磨性應該一致，避免由於鑽頭的歪斜和偏磨而破壞或折斷岩心。此外，取心鑽頭水眼的位置應儘可能避免使鑽井液直接衝擊到岩心上。

鑲嵌有硬質合金切削具的鑽頭。又稱硬合金鑽頭。它適用於中硬以下和部分研磨性較弱的硬地層鑽進。鑽探用硬質合金切削具是碳化鎢和金屬鈷的粉末經壓結、燒結而成，中國常用的硬質合金牌號有YG3、YG4、YG4c、YG6、YG8、YG8c、YG11、YG15等，切削具的形狀主要有菱形薄片、斜角薄片、直角薄片、四方柱、八角柱和針狀等。一般薄片形的適用於較軟地層，八角柱狀適用於中硬和硬的研磨性較強的、裂隙的地層，小方柱狀和針狀的適用於鑲嵌較小口徑和自鋭式鑽頭鑽進中硬及部分硬地層。硬質合金鑽頭的空白鑽頭常用中國牌號DZ40無縫鋼管制造，上部外表面加工有連接岩心管的螺紋，內壁有便於卡取岩心的錐度，下端有鑲嵌硬質合金切削具的槽或坑。

硬質合金鑽頭包括鑽頭體、水口和水槽，切削具的型號、數目、排列方式、鑲焊角度和出刃等。硬質合金切削具用黃銅焊鑲在鑽頭體上。硬質合金鑽頭按切削具鑲嵌角度的不同分為直鑲、正斜鑲和負斜鑲式，按切削具磨鋭方式分磨鋭式和自鋭式。 ^[2] 

用金剛石及其製品作為碎巖材料製成的鑽頭。金剛石鑽頭適用範圍很廣，可鑽進岩石可鑽性為1～12級的各類地層，且鑽進效率高、鑽孔質量好，但鑽頭製造工藝複雜、成本較高、操作技術要求高。金剛石鑽頭由金剛石、胎體和鑽頭體三部分組成。金剛石是鑽頭的刃部，天然金剛石由於價格昂貴很少採用，一般多采用人造金剛石。胎體是鑽頭底部包鑲金剛石的一圈合金，其主要功用是牢固地包鑲金剛石顆粒並與鑽頭鋼體焊接在一起。胎體一般用碳化鎢粉末作為骨架材料，用銅鎳等金屬作為粘結材料，以粉末冶金方式製造，改變胎體的成分可以改變胎體的性能，以適應鑽進各種岩層的需要。胎體部分開有水口和水槽，供沖洗液流通。鑽頭體是指鑽頭鋼體部分，採用中碳鋼管材製造，上部車有螺紋與擴孔器下端相應螺紋連接，下端加工成楔形、階梯形、螺紋形或方形，以加強與胎體的粘結強度，便於胎體壓實，傳遞更大扭矩。鑽頭體分單管鑽頭鋼體和雙管鑽頭鋼體兩種。

金剛石鑽頭的結構要素包括金剛石品級、金剛石濃度、金剛石粒度、金剛石出刃、金剛石的分佈和排列、胎體性能和成分、水路數目和形狀、底唇形式等。鑽頭的設計工作就是確定合理的結構要素，使鑽頭獲得良好的經濟技術效果。天然或人造金剛石鑽頭可用冷壓浸漬法、熱壓法、無壓浸漬法和電鍍法等方法加工。金剛石鑽頭按金剛石包鑲形式，分為表鑲、孕鑲和複合片鑽頭；按鑽頭用途，分為取心、不取心、繩索取心和專用鑽頭等。

常用的有四牙輪和六牙輪取心鑽頭兩種。四牙輪取心鑽頭的牙輪有圓錐狀與圓柱狀兩種型式； 六牙輪取心鑽頭的牙輪都是柱狀。為了使鑽頭旋轉平穩，取心鑽頭的內孔與鑽頭外圓應力求同心，防止偏心，內孔切出的岩心應是一個正圓，不得呈橢圓。牙輪的排列要對稱，且各牙輪底必須在與鑽頭軸線相垂直的同一平面上。牙輪上齒的大小、多少及排列應隨所鑽巖性不同而異。 ^[1] 

當取心方式、工具確定之後，通常根據取心鑽頭型號與技術規範及所對應的地層類別確定取心鑽頭類型，然後參考地層可鑽性級值與鑽頭類型的對應關係，進一步確定具體的取心鑽頭型號。

1．從岩心成形出發選擇鑽頭

從岩心成形來看，在軟而鬆散的非膠結地層取心，不宜選用多次成形的取心鑽頭。多次成形的取心鑽頭，當鑽頭接觸井底平面，開始鑽進的時候，會在井底先形成直徑較大（大於鑽頭體內徑）的岩心。它不能立即進入鑽頭體或內岩心筒，只是在鑽壓的繼續作用下，連續切削較大直徑的岩心，最終形成所需直徑的岩心柱並進入鑽頭體或內岩心筒。如果選用這類鑽頭，在多次成形的過程中，岩心必然受到鑽壓、鑽具擺動等外力的多次作用，極易發生岩心破碎，阻礙岩心入筒或造成岩心入口堵塞卡死。但是，在充分扶正鑽頭和取心工具以後，由於這類鑽頭的切削部分可以產生錐形井底，有助於保持井眼垂直；同時，在需要更大鑽壓的較硬地層中鑽進，鑽頭工作面逐漸過渡成圓形（或者有一個較大的頂部半徑），能保證有足夠的切削刃分擔負荷，以防止不正常的磨損和過熱。

近似於一次成形的取心鑽頭，由於其頂部圓半徑較大，可以將鑽進硬透鏡體夾層的影響減弱到最低限度。一次成形就是當取心鑽頭接觸井底平面，開始鑽進的時候，岩心立即形成與鑽頭體內徑相等或略小的岩心柱而進人內岩心筒並受到保護的成形過程。

2．根據岩石性質選擇鑽頭

鬆軟地層，由於岩石可鑽性好，機械鑽速高，一般可選用切削型取心鑽頭，包括切削刃較長、較稀的PDC取心鑽頭。中硬地層，由於岩心成柱性好，鑽速中等，是進行中長筒取心的有利地層，一般選用微切削型取心鑽頭，包括布齒較密的PDC取心鑽頭，圓柱形、三角形及片狀等熱穩定聚晶人造金剛石取心鑽頭以及各種天然金剛石取心鑽頭。這類鑽頭多為胎體結構，工作面呈單錐曲面、雙錐曲面，還有平頂、圓弧形、淺拋物面等形狀。硬地層取心，由於地層岩石硬度高，研磨性強，可選用胎體結構、工作面多為半圓曲面、低出刃或孕鑲的研磨型取心鑽頭。根據地層硬度，布齒方式有格狀布齒、同心圓布齒及背鑲布齒三種方式，高低壓水道、輻射狀水道以及內規徑處的水道均有利於鑽頭的清洗和冷卻。