钻进硬而致密岩石的直角梯形齿金刚石钻头研究*

叶宏煜， 杨 展， 邹盛树 ， 谢 涛， 潘家栋

(1. 武汉万邦激光金刚石工具有限公司， 武汉 430056)

(2. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院， 武汉 430074)

钻进不同的岩石，需要选择不同性能、不同结构的金刚石钻头，同时配合合理的钻进工艺参数，才能取得好的钻进效果。然而地球内部的岩石种类复杂多变，岩石性质千差万别。在一个钻孔中，可能存在几种力学性质完全不同的岩石，有可钻性5～6级的较软的岩石，也有可钻性达到8～10级的硬的岩石。

钻孔中常常遇到硬而致密的岩石，此时钻进时效极低；这些不同性能的岩石使深孔绳索取心钻进时选择钻头困难。因此，需要研究和设计出钻进效果和普适性能更好的金刚石钻头。

1 直角梯形齿结构设计

直角梯形齿结构的钻头(如图1所示)具有比普通钻头在孔底与岩石接触面积小的优点。在相同钻压作用下，其单位面积上的钻进压力较大，可以提高钻进速度。

图1 直角梯形齿钻头的外貌

这种类型钻头可以分解为2部分：扇形长方体部分M和扇形三角体部分N，见图2所示。M部分是破碎岩石的主体力量，N部分在支撑长方体的同时参与破碎岩石。梯形齿的直角面面对岩石，是破碎岩石的前锋，而梯形齿的斜腰起支撑作用，提高了切削齿的抗弯强度，使钻头能够承受孔底的复杂受力条件。

图2 直角梯形齿由M和N部分组成

1.1 直角梯形齿受力分析

为了计算和分析受力情况，将直角梯形钻头的梯形齿简化为图3所示：直角梯形齿的直角边高为AB，梯形的顶部宽为BD，梯形的另一底角为α，其横截面为梯形ABDC。……