我国是一个人口众多、资源相对不足的发展中国家,资源短缺已经成为制约我国经济发展的主要瓶颈。为了贯彻“国务院关于加强地质工作的决定”,必须大量开展深部硬岩钻探。深孔硬岩钻进大约有70%的时间花费在钻进和起下钻过程中,钻头一旦出现质量事故,都会在钻进过程中造成严重的损失。深孔勘探钻头造价一般比较昂贵,钻头损坏本身就造成了很大的经济损失,而起下钻更是浪费大量的人力物力,查明事故原因要大费周折,更换合适的替代钻头需要时间,这些因素耽误工期,使生产计划延期完成。由此可知,钻头质量好坏在钻孔施工中非常重要,要想使钻头达到钻速快、钻进效率高等目的,就必须研制高效、长寿命的钻头。我国在硬岩钻探中主要采用孕镶金刚石钻头,该技术已经比较成熟,没有多少提高的余地,而在钻软～中硬岩层时,PDC (Polycrystalline Diamond Compact)钻头的钻探效率高出传统金刚石钻头的数倍,但目前研究出的PDC取心钻头不适合于钻硬岩层及坚硬岩层,在钻进这些岩层时,钻头容易崩齿、磨损快、钻速慢,从钻进效率与经济因素来看,都不划算。要想PDC取心钻头在钻进硬岩上取得象钻软～中硬岩层那样的效果,有待于我们进行进一步开发。本课题的目的就是以适合于硬岩钻进为目标,进行胎体PDC取心钻头的研究,希望通过进一步的研究,使PDC取心钻头在硬岩层的钻进能力增强,取得较好的钻进效果。论文以钻进硬岩为目的,在前人研究PDC钻头的基础上,运用实验室设备、Pro/engineering及AutoCAD绘图软件、Ansys软件,研究了硬岩的物理力学性质、仿真分析了钻头结构对破岩能力的影响、围绕硬岩对钻头材料的要求进行了研究,并进行了钻头的制造工艺流程及微钻试验,最后设计了野外钻头并对其工作状态及受力进行了探讨。第一章综述了国内外对于PDC钻头的研究现状及趋势,包括岩石的可钻性、钻头的设计、钻头的制造及钻头的工作状态四方面。第二章是关于岩石可钻性的研究。岩石的可钻性是其钻进过程中岩石抵抗破碎的能力,它表示岩石破碎的难易程度。研究可钻性的目的是运用岩石的可钻性进行判断是否是硬岩,从而为设计钻头提供硬岩的物理力学参数和岩样。选取了8种较硬的岩石进行试验,为了了解岩样的物理组成成分、结构构造,并对岩石予以正确的定名,选用岩石薄片分析来进行。同时,通过岩石组成矿物各自的莫氏硬度计算岩石的集合莫氏硬度,再以此为依据对岩石软硬程度进行初步了解。选择压入硬度为主要指标,联合岩石摆球硬度和塑性系数,结合1984年地质部颁发的PDC岩石可钻性分级表来对岩石进行可钻性分级,确定岩石可钻性级别。然后,按岩石可钻性级别来确定岩石的软硬程度,并用综合性力学指标来对这些岩石进行鉴别。运用岩石单轴抗压强度对综合指标分级进行验证,从岩石抗压强度和综合指标对岩性分析的对比第四章是关于微钻试验的研究。微钻试验是为了达到三方面的目的,即熟悉钻头制造工艺流程,研究PDC的排列,并根据微钻过程中钻头的状况来进一步认识硬岩钻进对钻头的要求。共设计三个小钻头,每个钻头用6片PDC,每片PDC的后倾角15.1。,旁通角7.5°,出露高度为4mm保持不变,只改变唇面厚度及PDC在钻头唇面上的排列方式,分别采用单环式与双环式布置方式。钻头制造材料的准备首先包括模具的设计与制造,必须考虑到两方面问题：一是石墨模具是否能够承受住钻头烧结成型时施加的烧结压力,即在所需要的烧结压力范围内,石墨模具不致于由于抗压强度不够而被压碎；二是大直径石墨模具烧结钻头的过程中,温度能否上升至钻头配方所要求的烧结温度。钻头体作为切削具的支撑体,将轴向力和扭矩传递给每个切削具,而切削具所受的岩石反作用力及破岩中的微动载反效应,又施加在钻头体上,同时,钻头体又长期处于岩屑、岩粉流和孔壁的摩擦环境中,因此,必须选择合适的钢体。微钻试验钻头体采用45#钢。由于是室内微钻试验,钻头总的进尺较少,因此对胎体的性能要求比野外钻进胎体的要求要低,选择1#-1胎体配方。根据钻头立体图及胎体配方,计算了粉末的多少,混好粉料,在加工好石墨模具后,进行了装粉与插保径层工作,再加工好钻头钢体,然后采用热压法烧结钻头,选用SM-100E型中频感应烧结设备。为了牢固的焊接PDC,存在着几个难点,首先是PDC有一半左右的高度进入了胎体,怎么保证焊液填满胎体与PDC之间的间隙,从而形成大的焊接面,传统的钻头因为合金进入胎体的深度很小,或是直接与胎体一次成型,因此不存在这个问题,这是一个新的难题；其次是在焊接过程中,如何避免烧伤PDC,用于工业生产的常规PDC的热稳定性为750℃左右,因此焊接的时候不能超这个温度,现在较常规的方法是通过焊液温度来控制这个温度,本文采用中频电源加热感应圈,用银熔焊剂来保持低温；最后的问题是怎样减少焊接过程中对PDC的氧化,现今常用的方法有真空焊、氢气环境中焊接等手段。通过微钻试验发现,试验设计的钻头在硬岩钻进时单环式钻头比能远小于双环式钻头；与单环式钻头相比,在相同的钻压与转速下,双环式钻头受到岩石的阻力很大,传递给钻杆的阻力也很大,要求接头有相当高的强度,低强度的钻杆及接头易损坏；根据有效岩心率ζ的概念,在钻进工艺参数相同、切削齿各项参数相同及数目相同等条件下,ζ越大,钻头效果越好；必须设计合适的钻进参数,使钻头能顺利高效的破岩,且对钻具的反作用力小；在没有围压的情况下硬岩显脆性,经PDC切削的部位都变成了岩粉。第五章是有关野外钻头的研究。根据前面几章的研究成果,设计了野外胎体PDC取心钻头,同时以一种硬岩层为参照,探讨了钻压及PDC面力与钻头整体齿及螺纹受最大mises应力的关系,为施加合适的钻压与转速提供了参考。为了满足较大直径岩心的需求,相比微钻用钻头,野外钻头的内径应有所增大,选定钻头的规格为Φ94/70,采用Φ10的PDC,根据前述的成果,钻头唇面选用平底形,PDC的后倾角选用15.1°,出露高度选用5mm。通过分析旁通角的有利因素与不利因素,同时根据前人作出的一些成果,选取旁通角的大小为7.5°。钻头唇面上共布置9片PDC复合片。根据微钻试验的结论,有效岩心率ζ越大越好,因此选用单环式排列,这样唇面的厚度最薄。通过对切削齿破硬岩进行理论分析,发现PDC主要是靠压剪破岩。运用Ansys软件对钻头进行了受力分析,主要通过改变钻压与PDC面力,来分析钻头所受最大应力与螺纹上的应力的改变情况。观察Mises应力云图可知,在模拟选定的载荷范围内,钻头整体及内螺纹受到的最大Mises应力受PDC面力的影响很大,两者的变化率基本相同,而受钻压的影响较小。总的来说,本文通过大量试验、理论分析及Ansys软件分析,围绕钻进硬岩进行胎体PDC取心钻头的研究取得了一定的成果。