钻头(drill bit)

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、钻粒钻头、金刚石钻头、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。

硬质合金钻头     镶嵌有硬质合金切削具的钻头。又称硬合金钻头。它适用于中硬以下和部分研磨性较弱的硬地层钻进。钻探用硬质合金切削具是碳化钨和金属钴的粉末经压结、烧结而成，中国常用的硬质合金牌号有YG3、YG4、YG4c、YG6、YG8、YG8c、YG11、YGl5等，切削具的形状主要有菱形薄片、斜角薄片、直角薄片、四方柱、八角柱和针状等。一般薄片形的适用于较软地层，八角柱状适用于中硬和硬的研磨性较强的、裂隙的地层，小方柱状和针状的适用于镶嵌较小口径和自锐式钻头钻进中硬及部分硬地层。硬质合金钻头的空白钻头常用中国牌号DZ40无缝钢管制造，上部外表面加工有连接岩心管的螺纹，内壁有便于卡取岩心的锥度，下端有镶嵌硬质合金切削具的槽或坑。

硬质合金钻头的典型结构见图1。其要素包括钻头体、水口和水槽，切削具的型号、数目、排列方式、镶焊角度和出刃等。硬质合金切削具用黄铜焊镶在钻头体上。硬质合金钻头按切削具镶嵌角度的不同分为直镶、正斜镶和负斜镶式，按切削具磨锐方式分磨锐式和自锐式。

直镶式钻头     切削具的中心线与钻头底端平面呈垂直镶嵌的钻头。它适用于软至中硬地层的钻进，因加工简便而采用较多。

正斜镶钻头     切削具的中心线与钻头底端平面倾斜，其倾向沿钻头回转方向镶嵌的钻头。它适用于极软的塑性地层钻进。

负斜镶钻头     切削具的中心线与钻头底端平面倾斜，其倾向逆钻头回转方向镶嵌的钻头。它适用于较硬岩层或裂隙地层，以及软硬不均地层钻进(见硬质合金钻进)。

磨锐式钻头     在钻进过程中，由于切削具的刃尖角磨钝，使其与岩石接触面积不断增大，需经修磨切削刃后再使用的钻头。

自锐式钻头     在钻进过程中，切削具与岩石的接触面积保持不变的钻头。这种钻头始终维持一定的克取岩石的能力，直到磨完为止，有比较稳定的机械钻速。它适用于钻进研磨性大和裂隙发育的硬地层。自锐式钻头的切削具由硬支点和支撑体两部分组成，作为硬支点的有针状、薄片和碎粒硬质合金等；作为支撑体的有粉末冶金胎块、软钢柱和软钢片等。

钻粒钻头     依靠拖动互不连接的碎岩材料(钻粒)破碎岩石(见钻粒钻进)的钻头(图2)。它适用于中硬到坚硬地层中倾角为60。～90。的钻孔的钻进。金刚石钻头没有普遍使用前，在钻进坚硬岩层时多采用钻粒钻头。钻粒分为铸造铁砂和切制钢粒两种基本类型。铁砂由灰铸铁或合金铁浇铸制成，已淘汰。钢粒一般用60、70号钢的直径为2.5～4mm的线材下脚料或废旧钢丝绳的钢丝切制。切制钢粒呈圆柱状，其高度基本等于直径，切制后进行调质处理，以提高其抗压强度、韧性和耐磨性。常用的钻粒钻头采用45号中碳钢和DZ40、DZ50钢管制作，以保证钻头材质有足够的强度、韧性和硬度，便于压住和带动钻粒破碎岩石，并降低自身的磨耗。钻头上部外侧车有螺纹以连接岩心管(直径325mm以上的钻粒钻头与岩心管之间多用焊接连接)，钻头上部内壁有锥度以便卡取岩心，钻头下部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下不断补给钻粒。常用钻头水口形状有单斜边形、单弧形、双斜边形和双弧形四种。钻粒钻头有取心钻头和全面钻头两类。

金刚石钻头     用金刚石及其制品作为碎岩材料制成的钻头。金刚石钻头适用范围很广，可钻进岩石可钻性为1～12级的各类地层，且钻进效率高、钻孔质量好，但钻头制造工艺复杂、成本较高、操作技术要求高。金刚石钻头由金刚石、胎体和钻头体三部分组成(图3)。金刚石是钻头的刃部，天然金刚石由于价格昂贵很少采用，一般多采用人造金刚石。胎体是钻头底部包镶金刚石的一圈合金，其主要功用是牢固地包镶金刚石颗粒并与钻头钢体焊接在一起。胎体一般用碳化钨粉末作为骨架材料，用铜镍等金属作为粘结材料，以粉末冶金方式制造，改变胎体的成分可以改变胎体的性能，以适应钻进各种岩层的需要。胎体部分开有水口和水槽，供冲洗液流通。钻头体是指钻头钢体部分，采用中碳钢管材制造，上部车有螺纹与扩孔器下端相应螺纹连接，下端加工成楔形、阶梯形、螺纹形或方形，以加强与胎体的粘结强度，便于胎体压实，传递更大扭矩。钻头体分单管钻头钢体和双管钻头钢体两种。

金刚石钻头的结构要素包括金刚石品级、金刚石浓度、金刚石粒度、金刚石出刃、金刚石的分布和排列、胎体性能和成分、水路数目和形状、底唇形式等。钻头的设计工作就是确定合理的结构要素，使钻头获得良好的经济技术效果。

天然或人造金刚石钻头可用冷压浸渍法、热压法、无压浸渍法和电镀法等方法加工。

金刚石钻头按金刚石包镶形式，分为表镶、孕镶和复合片钻头；按钻头用途，分为取心、不取心、绳索取心和专用钻头等。

表镶钻头     将较大颗粒金刚石(15～60粒／克拉)以一定的排列形式单层固嵌在钻头工作表面上的钻头。它适用于钻进完整均质中等硬度以上的岩石。表镶钻头具有钻进效率高，金刚石消耗量少，适宜制作形状复杂的异形钻头等优点；但它要求金刚石的品级较高，在特别坚硬和强研磨性岩层中钻进时钻头寿命低，表层金刚石磨钝后就会停止工作。

表镶钻头的金刚石按镶嵌位置，分为底刃、边刃和侧刃金刚石三种。表镶钻头则按镶嵌的底刃金刚石颗粒大小不同，分为粗粒(15～25粒／克拉)、中粒(25～40粒／克拉)、细粒(40～60粒／克拉)和特细粒(60～100粒／克拉)金刚石钻头四种。

孕镶钻头      将细粒或碎粒金刚石(150～400粒／克拉)按一定浓度均匀地包孕在胎体材料中的钻头。它适用于钻进中硬至坚硬，以及裂隙性和高研磨性的岩石。孕镶钻头具有对岩层适应性强、机械钻速平稳、回次进尺较长和能使用细粒、低品级金刚石等优点；但在中硬以下或弱研磨性岩层中的钻进效率低于表镶钻头。孕镶钻头的金刚石均布镶嵌在胎体的工作层中，钻进中随着胎体的磨耗，工作层中的金刚石不断出露和更新，待工作层沿高度磨耗尽时钻头不再使用。孕镶钻头为求保径，其胎体内外侧采用较大颗粒天然金刚石或人造金刚石聚晶补强。

复合片钻头     用金刚石或其他超硬材料与硬质合金组成的复合体或孕镶块作为切削具，镶嵌在钻头体上的钻头。复合片钻头在20世纪70年代才开始使用，正在日趋完善，其中以聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)最为突出，被认为是20世纪80年代钻井三大新技术之一。PDC钻头是将用人造金刚石聚晶和硬质合金碳化钨基片复合成一体的人造金刚石聚晶复合片牢固地固定在钻头体上而成的，它既有金刚石的高硬度和高耐磨性，又有硬质合金的强度和抗冲击性，钻进中有独特的自锐－剪切作用，破岩效率高，使用寿命长。由于采用细粒和粉粒金刚石，既充分利用了人造金刚石资源，又降低了钻头制造成本。PDC钻头适用范围广，在石油、地质和工程钻探中取得了很好的效果，是一种应用前景广阔的钻头。PDC钻头一般分为钢体钻头和胎体钻头。复合片可采用焊接、电镀或粘接法固定在钻头体上。粘结钻头目前难以克服强度低的缺点，电镀钻头强度低、造价高。各国普遍使用的是焊接式钻头。

此外，新型超硬材料立方氮化硼聚晶复合片(PCBN)的应用已在美国、日本、前苏联等国取得明显成效，PCBN钻头也将是一种前景很好的钻头。

绳索取心钻头      金刚石绳索取心钻进中采用的钻质合金牙齿(楔形齿、锥形齿、球形齿等)镶焊在牙轮头。与常规金刚石钻头相比，有以下特殊要求：(1)必表面而成。按牙轮齿圈布置的方式又分非自洁式和自须选用高强度优质金刚石；(2)钻头的内外径必须耐洁式牙轮钻头。非自洁式牙轮钻头的牙轮齿圈不与相密，而且胎体要高；(3)唇面壁要厚，以获取较小直径邻牙轮齿圈啮合；而自洁式牙轮钻头的各牙轮齿圈与岩心；(4)胎体性能要好，耐磨，以保证钻头在孔底的相邻牙轮齿圈啮合，可以互相剔出齿圈上的岩屑。使用时间较长；(5)水口数量要多，保证冷却钻头和排牙轮钻头在水井钻凿和工程施工孔钻进中广为应粉充分。

牙轮钻头     依靠钻头基体上可转动的牙轮进行碎积小、单位面积钻压高、工作扭矩小和工作刃总长度大岩的钻头。牙轮钻头由钻头体、牙轮、牙轮爪、轴颈、等特点，尤其适宜钻进中硬以上地层。随着自洁式牙轮轴承和冲洗介质通道(喷嘴或水眼)等组成(图4)。牙钻头和球齿钻头的出现，又解决了软地层和坚硬地层轮通过轴承安装在牙轮爪轴颈上，将装配上牙轮的各的钻进问题，使牙轮钻头的适用范围更广，能用于回转牙轮爪焊在一个整体的钻头体上而成的钻头称有体式钻进和冲击回转钻进。钻头；每个牙轮爪各带部分钻头体再直接焊成一体的，牙轮钻头多由专门钻头制造厂生产，其规格已标称无体式钻头。

牙轮钻头按牙轮设置数目分单牙轮、双牙轮、三牙轮、四牙轮和多牙轮钻头。其中三牙轮钻头因其几何形状构成均衡切削结构，能使轴压和冲击载荷分布范围大而均匀，运转平稳，并能有效利用空间而保证钻头各零件尺寸，适应强度和耐磨性要求，应用最多。按牙轮牙齿的材质分为钢齿钻头和硬质合金齿钻头。按牙轮牙齿的加工方法分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头的牙齿是铣削加工而成，并在齿面上敷焊硬质合金粉以提高其耐磨性；而镶齿钻头是将各种不同形状的硬质合金牙齿(楔形齿、锥形齿、球形齿等)镶焊在牙轮表面而成。按牙轮齿圈布置的方式又分非自洁式和自洁式牙轮钻头。非自洁式牙轮钻头的牙轮齿圈不与相邻牙轮齿圈啮合；而自洁式牙轮钻头的各牙轮齿圈与相邻牙轮齿圈啮合，可以互相剔出齿圈上的岩屑。

牙轮钻头在水井钻凿和工程施工孔钻进中广为应用，与刮刀钻头相比，具有工作刃与孔底岩石的接触面积小、单位面积钻压高、工作扭矩小和工作刃总长度大等特点，尤其适宜钻进中硬以上地层。随着自洁式牙轮钻头和球齿钻头的出现，又解决了软地层和坚硬地层的钻进问题，使牙轮钻头的适用范围更广，能用于回转钻进和j中击回转钻进。

牙轮钻头多由专门钻头制造厂生产，其规格已标准化、系列化。国际钻井承包商协会(International Association Drilling Contractors—IADC)和美国石油学会(Ameiican Petroleum Institute—API)对牙轮钻头有统一的分类命名；中国三牙轮钻头标准中，根据钻头结构特征，将产品分成铣齿钻头和镶齿钻头两大类，共八个系列(普通钻头、喷射式钻头、密封钻头、密封保径钻头、滑动轴承钻头、滑动保径钻头、镶齿密封钻头和镶齿滑动轴承钻头)，系列代号分别为汉语拼音字母Y、P、Mt，、MPB、HP、HPB、XMP和XHP。中国三牙轮钻头的型式和适应地层见表。

刮刀钻头     由若干翼片状刃具组成的钻头。它适用于松软覆盖层和中硬以下地层钻进。刮刀钻头由钻头体、翼片(刮刀)和镶焊在翼片上的切削具(硬质合金、人造金刚石或复合片)组成。钻头体上部车有螺纹与钻杆柱连接，中间有冲洗介质通道；翼片用高强度合金钢(35crmo或35SiMnMoV)锻制，并与钻头体牢固焊成一个整体；翼片表面和切削部分堆焊耐磨材料或镶嵌硬质合金块，当镶嵌金刚石复合片时可有效地钻进中硬岩层。常用的刮刀钻头(图5)有两翼刮刀钻头(鱼尾钻头)、三翼刮刀钻头、四翼刮刀钻头和矛式钻头等。鱼尾钻头适用于钻进土层、粘性页岩和其他极软地层；三翼刮刀钻头由于可使钻柱工作稳定、钻孔孔径规则而使用最为普遍，其底刃可分平型和锥型两种，平型的适用于钻进覆盖层和低研磨性岩层，锥型的适用于钻进软至中硬地层；四翼刮刀钻头虽有工作稳定的优点，但刀翼过多，单位面积钻压下降，扭力也增大，效果不如三翼刮刀钻头；矛式钻头适用于钻进软至中硬以下粘性土和塑性强的地层。

螺旋钻头     带有输送岩屑的螺旋叶片的钻头。用于螺旋钻进。螺旋钻头由钻头体、切削翼片、螺旋叶片和连接部分组成。钻头体外表面焊有一段与钻杆的螺旋叶片相衔接的螺旋叶片，上端有连接钻杆的销；翼片是钻头的切削碎岩部分，有单翼、双翼、阶梯式、锚式和横梁式等型式，刃部一般采用耐磨合金钢并经表面淬硬或镶焊硬质合金刀具制成。螺旋钻头适用于钻进地下水位以上的土层、砂土层和软岩层。

麻花钻头     用钢带加热扭拧成螺旋状的钻头。因形似麻花故名麻花钻头(图6)。它与螺旋钻头的差别在于没有心轴，适用于松软地层回转取样钻进。

蛇形钻头     用钢带直接缠绕成螺旋圈的钻头。因形似蛇状而得名(图7)。它适用于致密和粘滞性的粘土层回转取样钻进。

勺形钻头     主体呈筒状，侧面有纵向开口长缝，下端制成勺形切削刃向筒内卷曲的钻头。它适用于土层回转取样钻进和清孔作业。

冲击钻头     靠冲击功破碎岩石的钻头。主要类型有一字钻头、工字钻头、十字钻头、抽筒钻头、打入式土样套筒(打筒)和洛阳铲等(图8)。一字钻头的钻头体断面呈“一”字形．又称扁铲，适用于钻进较软岩层；工字钻头的钻头体断面呈“工”字形，适用于钻进中硬以下岩层和扫光孔壁；十字钻头的钻头体断面呈“十”字形，用于钻进裂隙、硬度不均的较硬岩层和砾石层。抽筒钻头的钻头体呈筒状，下部有带开启阀门的管靴，上部与钢丝绳接头牢固连接。抽筒钻头主要用于有钻井液的砂、砾、卵石层和粘土层的钻进。打筒由简体和切削工作环组成，分无阀式和有阀式两种。无阀式打筒的筒体上开有纵向切口，以便清除土样，适用于地下水位以上的粘性土层钻进，其直径已由工程地质勘察小口径发展到1m以上，在工程施工钻进中采用；有阀式打筒在简体与工作环之间安装有能开启的活阀，可防止土样掉出，用于钻进松散非粘附性地层。洛阳铲结构非常简单，携带方便，工作时只需一人操作，适用于在黄土等土层中钻进探查墓穴等和取样。

大口径钻头      指直径超过常规系列口径的钻头，其形状和直径根据钻进需要设计多用于工程施工钻探(见大口径钻探)。