图3－1 复合片切入岩石时的受力示意图
金刚石－硬质合金复合片的工作机理是一个非常复杂的问题。一般认为，PDC钻头在弹－塑性岩石中的破岩机理与孕镶金刚石钻头有着本质性区别。PDC钻头破碎岩石的方式是以切削破碎、剪切破碎为主，挤压破碎为辅。这种切削作用与金属切削类似，在轴向载荷和水平载荷作用下，对于硬度较小的弹－塑性岩石，钻头的复合片切削刃极易吃入地层，开始时产生弹性变形，然后出现残余塑性变形，同时切削刃前的岩石在扭转力(切向力)的作用下不断产生塑性流动而实现切削破碎。即岩石在切削过程中不会形成破碎穴，破碎区域的深度和宽度与金刚石复合片的吃入深度和宽度相当。
根据金属切削理论，单个金刚石复合片切入塑性岩石时的受力如图3－1所示，设
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:Pom为单个切削刃的轴向力;Pzm为单个切削刃的切向力;Pn为单个切削刃与岩石的压持作用力;Ps为单个切削刃与岩石的摩擦力;f为切削具与岩石间的摩擦系数，一般f=0.3～0.4;φ为切削具与岩石间的摩擦角;k为切削力系数，一般与切入深度、切削面积和切削角等因素有关;Po为总轴向力;Pz为总切向力;m为参与工作的切削刃数量。
切削刃切削及破碎岩石的条件为:
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式中:σc为岩石的压入硬度;Sa为切削刃与岩石间的压持面积;b为切削刃的直径;γ为复合片的安装角度;h为单个切削刃切入岩石的深度， H为每转给进量。
由式(3－1)～式(3－4)，用解析法可确定金刚石切削具前表面使岩石变形和破碎所需的切向力:
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考虑到钻进过程是一动态过程，并可能具有一定冲击作用，以及用不同尺寸切削具切削或切入深度不同时岩石力学性能的变化等因素，在式(3－5)中引进一个动载系数B(一般取值B=0.1～0.9，动载越强，B值越小)，于是
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根据(3－6)式，可确定回转切削型金刚石工具的机械钻速
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式中:n为转速，r/min;B为动载系数。
可见，影响切削刃工作机理(机械钻速)的因素有:复合片的尺寸结构(切削刃的直径b和安装角度γ);岩石性质(岩石的压入硬度、研磨性和弹－塑性等);钻进规程(主要指钻压和转速)。
式(3－6)表明:岩石的压入硬度越大，复合片的尺寸和安装角越大，轴向载荷(切入深度)越大，则所需的切向力越大。所以，在岩石较硬的情况下不宜盲目追求大直径复合片、较大的安装角和增大轴向载荷(切入深度)。
式(3－7)表明:轴向载荷和转速越大，岩石的压入硬度和复合片尺寸越小，机械钻速将显著增加。此外，还应考虑切削不均匀、冲击作用和钻杆柱的稳定性等其他因素。
为了检验理论分析的正确性，根据乌克兰超硬材料研究所完成的实验数据(表3－1)进行了实例计算。实验是在破碎的弹－塑性岩石———辉长岩上钻进。公式中相关参数及系数取值为b=4.5mm，动载系数B=0.5，切削角γ=10°，σc=235kN/cm2，摩擦系数f=0.35。在恒定规程(轴压P0=5.0kN，转速n=125r/min)下钻进的理论计算和试验结果示于图3－2。
从图3－2可以看出，用式(3－7)计算的机械钻速结果与实测值比较吻合。而理论切削力曲线与其他2条曲线趋势一致，表明复合片钻进所需的切削力将随机械钻速增大而增大。从而证明，复合片的切削机理可以在金属切削理论基础上，补充考虑荷载大小、切削刃尺寸及切削角等参数来研究。因系数B的取值需要考虑加载速度、冲击作用等动力学因素，是一个较难确定的系数。因此理论计算结果与试验数据并不完全一致。但计算结果表明:随着转速或轴向载荷增加，系数B应取较小的值(取B=0.3)。
表3－1 PDC钻头和孕镶金刚石钻头的台架试验结果
*在给进量为0.16mm/r和钻速3.84m/h的条件下БС01－76型孕镶钻头已开始进入临界钻进规程。
图3－2 恒定规程条件下的试验结果与理论计算对比图
实验结果和计算值证明，与金刚石孕镶钻头相比，在弹－塑性岩石中使用大切削具复合片(PDC)钻头可明显提高机械钻速，降低所需轴向载荷和岩石破碎的切向力，由此可使钻进过程的功耗下降(表3－1)。
由于被复合片剪切分离的塑性岩石颗粒内部能量较小，在受压条件下将被压实，形成压密核。而压密核的存在，以及岩石和刀具的弹性变形与弹性恢复，又增大了刀具端面和侧面与岩石的摩擦力。接触面积随着刀具前面积聚的岩屑量而增大。为了减轻积聚岩屑对钻头端面的影响并防止烧钻，必须增大刀具的出刃量。
作用于刀具底面和前面的力在物理实质上是有很大差别的。岩石的剪切破碎仅出现在切削具前面。当用恒定载荷切削塑性岩石时，在切削具与岩石的多个接触单点上出现的是剪断，而不是重复压碎。检验到的振动波表明，虽然切向载荷增大至一定水平，但振动并不强烈，所以切削具损坏的主要原因是摩擦磨损，而不是折断。如果岩石变硬，建议使用较小尺寸的复合片或大颗粒金刚石聚晶。
根据参考文献的数据，图3－3中给出了机械钻速随岩石等级变化的情况。
图3－3 不同类型钻头的钻进指标变化情况
图中的曲线1反映的是正常钻探过程的标准数据。曲线2和3是针对不同钻头类型，根据规范推荐的钻进指标，对数据取平均值后得出的曲线。曲线2表明孕镶金刚石钻头机械钻速与所钻岩石等级的关系;曲线3为表镶金刚石钻头;曲线4为镶有大颗粒人造金刚石聚晶的切削型钻头;曲线5为硬质合金地勘钻头。对比曲线1～5可以看出，用孕镶和小颗粒金刚石钻头钻进硬岩时，实际上机械钻速明显高于标准值;而钻进软－中硬岩石(部分硬岩)时，切削型金刚石钻头的效果还不如硬质合金钻头，且达不到规范的指标。此时，应该采用复合片钻头，其机械钻速将高于硬质合金钻头。在曲线2～5的基础上，通过计算可得出:曲线6钻头的每转给进量变化情况;曲线7钻头单粒金刚石进尺量的变化情况;曲线8钻头保证相应机械钻速时的切向力Pz变化情况。
通过上述分析，我们可得出研制钻进中硬左右沉积岩的钻头时需遵循的原则。
(1)钻头上的切削具数量应尽量少，并保证端面上的载荷均匀分布，要减少切削具在孔底的重复破碎和振动。
(2)为了有效地清除岩粉，应在保证复合片和其他切削具强度的条件下尽量设计大出刃。
(3)如果孔底岩石较软，应让复合片前端有尽量大的接触面积，去完成主要的破碎工作量。没有必要设计细粒金刚石胎体与复合片组合的钻头，因为采用这种组合可能导致机械钻速下降。