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陈国庆
大港油田集团中成机械制造有限公司

【摘要】介绍了PDC钻头及其发展的3个趋势：(1)设计理论和设计手段的发展, 包括传统设计理论等切削原理、非常规设计理论、计算机辅助设计、钻头实体仿真、工作状态仿真和地层适应性研究；(2)切削元件超硬材料的发展, 包括提高聚晶金刚石复合片的自身性能、改变复合片的结构和发展异型复合片；(3)钻头制造工艺技术的发展, 包括数控加工技术的应用、软模成型技术、胎体性能研究以及固齿技术的研究。 

【关键词】石油钻井　PDC钻头　发展趋势

　　PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头胎体而成的一种新型切削型钻头。它以锋利、高耐磨、能自锐的金刚石切削块作为切削元件, 从而能够在低钻压（40KN左右）下取得高进尺（为牙轮钻头的4-6倍）和高钻速（高于牙轮钻头2倍以上）。它比牙轮钻头具有更高的安全性, 可以极大地提高钻井工作效率和降低钻井成本。在大段软到中等硬度地层具有突出的优点, 特别是在成本高的海洋钻井中和超深井及小井眼钻井中PDC钻头更具有牙轮钻头不可比拟的优势。

　　虽然现在PDC钻头的设计与制造技术日趋成熟, 但与牙轮钻头将近100a的发展历史相比,PDC钻头还处于发展的初期阶段, 尚有巨大的发展潜力。

　　设计理论和设计手段的发展

　　1.设计理论的发展

　　金刚石复合片钻头设计的核心内容是布置切削齿。传统的设计思想是等切削原理或等磨损原理。当钻头报废时各切削齿均有比较均衡的磨损状态。这和机械上的“ 等强度设计” 是同一概念。同时配合以合理的布齿及水力设计, 则可基本实现强制平衡。

　　目前PDC钻头的设计理论主要包括破岩机理研究、切削力学研究、钻进过程中的振动和涡动现象动力学研究、水力学研究以及有限元强度分析和工作性能预测研究。在这些新理论的指导下出现了许多新型的PDC钻头。如一种称之为第四代产品的防涡动PDC钻头, 在设计中采用了一些非常规的设计方法。

　　常规PDC钻头是根据钻头受力平衡的原则设计的, 其假设在钻进过程中切削齿受力不变, 作用在钻头切削齿上的所有力, 都可以分解为一轴向力和一径向力, 并认为径向力是钻头不平衡力。在设计中, 要求所有切削齿的径向合力趋于零。可见其设计是基于静态分析, 有很大的局限性, 在实际上也是很难实现的。

　　对于防涡动钻头的设计, 必须满足下面的任何其中一种情况：

　　（1）钻头上的径向合力为零；

　　（2）钻头涡动时, 可由来自钻挺或钻头的结构恢复力使钻头恢复平稳工作状态；

　　（3）钻头上的径向合力不为零, 并指向所设计的保径面方向, 保径面对井壁不产生切削作用（给钻头制造一个定位基准）。

　　善钻头稳定性的另一种方法是在钻头表面布置一些能在井底切削出稳定环的切削齿, 阻止钻头的水平位移。另外, 钻头的头型设计和切削齿的切削角度对钻头的涡动有一定的影响, 选择适宜的头型和合理的切削角度有助于改善钻头的稳定性, 提高使用寿命。

　　2.设计手段的发展

　　钻头的设计水平上台阶, 开发钻头专用设计软件和分析软件, 实现真正意义上的计算机辅助设计和计算机优化设计, 从根本上改变过去传统的两维设计, 采用现代化的三维立体设计方法进行产品设计。

　　进一步发展钻头的实体仿真和工作状态仿真技术。对现有钻头或虚拟钻头进行力学分析和工作状态分析, 进行使用效果预测和提供数据, 进行改进和优化设计。避免由于设计上的差距造成实物损失和时间浪费, 极大地减少现场试验的费用、时间和风险。

　　3.PDC钻头与地层的适应性研究

　　PDC钻头的重要特点之一是它的结构变化多,设计灵活性大, 对适用地层和使用条件敏感性很强。因而, 针对地层性质和使用条件进行设计是PDC钻头的一项关键技术。这是一个综合性的系统工程, 包括钻头的头型选择、结构设计、布齿设计、切削角度设计、钻头水力设计、胎体配方的选择和超硬材料的优选等。事实上, 不可能设想有适应各种地层各种钻井条件的万能钻头。其发展方向是建立一个钻井专家数据库和地质资料数据库系统, 编制一套计算机软件, 输人所钻地层参数和钻井设计数据, 由计算机输出推荐的钻头优化设计方案。

　　4.设计结构的更新

　　PDC钻头设计结构的更新在不间断地进行着,寻求一种更为合理的结构, 以期获得更高的机械性能和更长的使用寿命, 以及对地层的更广泛的适应能力。

　　布齿方式的变化从钢体式到胎体式从点式到螺旋水槽式, 再到超深宽水槽刮刀式。布齿结构的变化从标准片到大片, 再到大小片混布从单排齿到双排齿, 或者前排复合片后排聚晶金刚石或孕镶块切削齿。还有在后排增加球状减震托, 有人称之为冲击抑制器等等, 以及所谓的抗夹层PDC钻头等都在探索的过程之中。

　　设计结构更新的另一重要内容是针对不同的地层和钻头的不同工作状态以及钻头的不同工作部位采用不同的切削元件, 可以更好地发挥切削元件的性能和提高钻头的针对性。

　　切削元件超硬材料的发展

　　PDC钻头的发展另一趋势是研究新型高性能PDC切削齿。首要的还在于提高切削元件聚晶金刚石复合片本身的耐磨性能、机械性能、工艺性能和切削性能等。多年来, 切削齿的金刚石厚度限制在0.6mm（0.025英寸）, 这是因为研究者建立了切削齿残余应力和金刚石厚度的关系。在压制过程中, 在PDC切削齿内产生了残余应力, 其大小随金刚石层厚度的增加而增加, 这些应力引起金刚石层碎裂、剥落、分层, 从而降低了PDC切削齿的寿命和钻头的效率。为此, 聚晶金刚石复合片呈现出以下发展趋势。

　　1.提高复合片的自身性能

　　为了提高复合片的自身性能, 一是提高工作性能和寿命指标提高磨耗比、表面粗糙度、抗冲击性, 二是提高工艺性能指标提高热稳定性。在这种指导思想下出现许多高磨耗比、高耐热性、高抗冲击性复合片、抛光片、镜面片等。

　　2.改变复合片的结构

　　改变复合片的结构旨在提高金刚石层和硬质合金基体的附着能力、抗冲击能力、工作时的切削性能以及对地层的适应能力。在这种指导思想下出现许多新型结构复合片, 一类是加厚型复合片, 如金刚石层边缘加厚型、整体加厚型、硬质合金基体加厚型一类是非平面交界面型结构复合片, 如放射槽齿、环形槽齿、爪形矩形、梯形、波纹齿等。非平面交界面技术能降低PDC切削齿的应力梯度并使损害应力的位置远离金刚石边缘。这项技术在不产生前面提到的应力关系时允许增加切削齿的金刚石层的厚度, 使其达到2mm（0.08英寸）或2.54mm（0.1英寸）。

　　3.改进复合片的外形

　　在复合片的外形上进行改进, 发展异型复合片, 如楔型齿、矩形齿、球头齿等。尚有许多新型切削元件混合型复合片, 以前苏联斯拉乌季奇和梯维沙列为代表,还有孕镶齿在硬质合金基体内孕镶天然金刚石、单晶, 聚晶和马赛克切削齿等。

　　制造工艺技术的发展

　　1.钻头机械加工技术的发展

　　实现机械加工数控化, 将CAD计算机辅助设计技术与CAM计算机辅助制造技术联网, 实现CAD/CAE/CAM集成系统, 这是发展的方向。

　　钻头的API接头及其它零件的加工逐步采用数控加工机床, 以提高API接头螺纹和零件的制造精度。钻头的内外径应进行磨削, 以保证API要求的钻头内外径公差, 进一步提高钻头的性能和寿命。

　　2.软模成型工艺

　　国外先进钻头厂普遍采用软模成型工艺制造钻头模具, 从而取代了手工操作, 大大提高了生产效率, 而且钻头精度高、一致性好。国内的许多钻头厂也开始应用软模成型工艺。用硅橡胶材料制做出钻头的橡胶模型, 将成型材料(陶瓷粉)混合成浆料, 浇注到石墨模具腔内, 待浆料硬化后取出橡胶模, 便形成一个钻头模。

　　目前软模工艺还有一些不足之处, 如工艺流程复杂陶瓷材料的导热性差, 造成烧结时间较长,影响生产效率和造成聚晶性能损失烧结过程中保护气氛弱, 影响浸渍钎焊质量等。

　　实现了钻头模具的数控机床加工和软模成型工艺之后, 就可以在新开发的产品和小批量的试制产品上, 以及软模成型工艺的母模制造上采用数控加工技术, 产品定型之后逐步采用软模成型陶瓷模技
术。这样可以使产品在小批量和大批量的情况下都保持高的质量水平(包括交货期的水平)和较低的生产成本, 产品就具有较强的市场竞争能力。

　　3.提高钻头胎体性能的研究

　　目前使用最普遍的PDC钻头大都是胎体式。钻进不同类型的岩石, 要用有针对性的钻头, 才能取得好的使用效果。钻头的系列化, 也要求钻头胎体性能的多样化, 能针对不同研磨性的岩层选用不同耐磨性的胎体。

　　钻头胎体性能包括耐磨性、抗冲蚀性、硬度、线胀系数、抗弯强度、冲击韧性和密度等。钻头质量的好坏是这些性能的综合反映。

　　(1)胎体性能的评价指标

　　①钻头胎体的线胀系数与钢体的线胀系数应接近, 否则, 胎体和钢体的联接强度不够, 易发生胎体的脱落。

　　②钻头胎体抗拉强度在左右, 太低则胎体易断块。

　　③钻头胎体的抗冲击韧性一般在扩以上,即能满足钻头胎体在井内冲击条件下不崩不碎。

　　④钻头胎体硬度也是一个重要指标, 一般要求在洛氏硬度以上, 以使胎体能对表镶金刚石提供牢固的包镶力、足够的抗冲蚀能力。

　　(2)胎体性能检测

　　①钻头胎体性能测试主要是耐磨性和抗冲蚀性的测试, 这是保证钻头胎体适应所钻地层的最主要性能。胎体耐磨性的性能指标为相对磨耗率(磨耗比)。抗冲蚀性的指标为抗冲蚀性指数。这两项指标比胎体硬度更正确地反映了胎体的性能。这也是进行新的胎体配方试验研究所要努力提高的主要性能指标。

　　②胎体材料物理力学性能测试, 主要包括材料线胀系数、抗弯强度, 抗冲击韧性和剪切强度等。

　　(3)改进胎体性能的措施

　　①钻头胎体硬度可通过骨架粉末的振实密度加以调节, 振实密度愈大, 胎体硬度愈高。采用不同比例与粒度的骨架粉体是改善钻头胎体密度的有效方法。

　　②粉末质量的控制对振实密度和烧结强度都有显著的影响。

　　③强化钻头胎体来提高胎体的性能。可通过强化和选择胎体、改进浸渍合金配方来提高性能。钻头胎体的强化可以在胎体粉料中添加少量的有助于弥散强化、有助于提高胎体骨架粉料润湿性能的微量元素镍、钻、钦来实现。

　　4.固齿技术的研究

　　固齿技术的研究主要是研究聚晶金刚石复合片钎焊工艺, 这是制造PDC钻头的关键技术。钻头胎体是铸造碳化钨粉作为骨架与浸渍合金的烧结体, 复合片是硬质合金基体与聚晶金刚石薄层在高温高压下合成的复合体超硬材料, 固齿技术能够解决这两种复合材料钎焊连接问题。PDC钻头在现场使用的失效除去正常磨损以外的最主要形式是复合片的脱落、脱层和破碎等。造成这一现象的主要原因就是钎焊质量较差。

　　目前国内外钻头制造厂使用最广泛的是直接钎焊, 使用通用的银基钎料和通用的银基钎剂, 再辅之以某些复合片表面处理技术(如喷砂、酸洗),有的还采用了特殊的表面处理技术(涂覆或渗镀金属等)。因为通用的钎焊材料对复合片和胎体的浸润效果不理想致使钎焊温度过高, 而复合片的热稳定温度限为700℃ , 所以导致复合片性能下降和金刚石层脱层, 且钎焊焊缝强度不足。

　　PDC钎焊工艺的探索途径如下。

　　(1)复合片表面改性工作

　　提高复合片与钎料的润湿性。根据多年的钎焊工作实践, 为了保证批量生产中钎焊质量的稳定性, 必须从提高被焊件表面的润湿性能人手, 其次才能涉及到提高焊缝强度问题。

　　硬质合金在高于850℃的钎焊过程中很容易与钎料相互浸润。但对于钎焊复合片, 必须将钎焊温度稳定控制在700℃以下, 这是一个困难的技术问题。国外采用电镀、化学镀、熔盐镀、浸渍镀、真空沉积、真空溅射与离子注人等方法对硬质合金与金刚石表面进行改性处理。国内研究出一种离子熔体冶金涂覆的方法进行改性处理。经过活化处理后明显地改善了焊接性能, 降低了钎焊温度, 降低了对工人技术等级要求, 稳定地保证了钎焊质量。但存在复合片处理后磨耗比下降的问题, 尚需做进一步的研究。

　　(2)专用舒剂与钎料的研究

　　研究一种适合钎焊PDC钻头的专用钎剂与钎料, 保证钎焊温度不超过700℃ , 并具有良好的润湿性能和足够的焊缝强度。

　　(3)新型钎焊工艺的应用研究

　　目前钎焊复合片普遍采用的是手工火焰钎焊的方法, 可否采用其它更科学、更可靠的方法也是钻头制造业应当探索的课题之一。应该研究探索真空扩散钎焊、电阻焊、高频感应加热钎焊、激光钎焊、等离子钎焊、超声波焊接等方法应用于复合片钎焊的可能性。

　　(4)舒焊温度控制方法的研究

　　钎焊温度的控制方法也是需要研究的重要内容, 使复合片的钎焊过程始终控制在一个合理的温度线内, 保证钎焊质量, 并保持复合片的性能在钎焊过程中不至于受损。

　　在保证钎焊焊缝强度的前提下, 使复合片在钎焊的过程中性能不降低或少降低一些, 对于提高PDC钻头的使用性能和寿命有着极其重要的意义。

　　结束语

　　PDC钻头的发展, 一是深人进行PDC钻头设计理论的研究, 开发专用设计分析软件, 开发实体仿真、工作状态仿真技术使设计水平上台阶二是加强钻头基础理论和制造工艺技术的研究工作。由于研究手段的不完备和研究工作开展得不够, 所以使我国钻头业大多处在单纯的模仿和简单的发挥阶段。PDC钻头是涉及地质、钻井、超硬材料、粉末冶金、机械和焊接等多行业多学科的一门边缘技术, 因此制造厂应当开展与科研院所超硬材料研究制造部门和钻井地质部门广泛的联合, 打破国外垄断, 建立起一套自己的科学的PDC钻头设计制造体系, 这对于提高国产PDC钻头的水平和市场竞争力有着重要的现实意义和明显的经济效益。