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陳國慶
大港油田集團中成機械制造有限公司

【摘要】介紹了PDC鉆頭及其發展的3個趨勢：(1)設計理論和設計手段的發展, 包括傳統設計理論等切削原理、非常規設計理論、計算機輔助設計、鉆頭實體仿真、工作狀態仿真和地層適應性研究；(2)切削元件超硬材料的發展, 包括提高聚晶金剛石復合片的自身性能、改變復合片的結構和發展異型復合片；(3)鉆頭制造工藝技術的發展, 包括數控加工技術的應用、軟模成型技術、胎體性能研究以及固齒技術的研究。 

【關鍵詞】石油鉆井　PDC鉆頭　發展趨勢

　　PDC鉆頭是用人造聚晶金剛石切削塊嵌于鉆頭胎體而成的一種新型切削型鉆頭。它以鋒利、高耐磨、能自銳的金剛石切削塊作為切削元件, 從而能夠在低鉆壓（40KN左右）下取得高進尺（為牙輪鉆頭的4-6倍）和高鉆速（高于牙輪鉆頭2倍以上）。它比牙輪鉆頭具有更高的安全性, 可以極大地提高鉆井工作效率和降低鉆井成本。在大段軟到中等硬度地層具有突出的優點, 特別是在成本高的海洋鉆井中和超深井及小井眼鉆井中PDC鉆頭更具有牙輪鉆頭不可比擬的優勢。

　　雖然現在PDC鉆頭的設計與制造技術日趨成熟, 但與牙輪鉆頭將近100a的發展歷史相比,PDC鉆頭還處于發展的初期階段, 尚有巨大的發展潛力。

　　設計理論和設計手段的發展

　　1.設計理論的發展

　　金剛石復合片鉆頭設計的核心內容是布置切削齒。傳統的設計思想是等切削原理或等磨損原理。當鉆頭報廢時各切削齒均有比較均衡的磨損狀態。這和機械上的“ 等強度設計” 是同一概念。同時配合以合理的布齒及水力設計, 則可基本實現強制平衡。

　　目前PDC鉆頭的設計理論主要包括破巖機理研究、切削力學研究、鉆進過程中的振動和渦動現象動力學研究、水力學研究以及有限元強度分析和工作性能預測研究。在這些新理論的指導下出現了許多新型的PDC鉆頭。如一種稱之為第四代產品的防渦動PDC鉆頭, 在設計中采用了一些非常規的設計方法。

　　常規PDC鉆頭是根據鉆頭受力平衡的原則設計的, 其假設在鉆進過程中切削齒受力不變, 作用在鉆頭切削齒上的所有力, 都可以分解為一軸向力和一徑向力, 并認為徑向力是鉆頭不平衡力。在設計中, 要求所有切削齒的徑向合力趨于零。可見其設計是基于靜態分析, 有很大的局限性, 在實際上也是很難實現的。

　　對于防渦動鉆頭的設計, 必須滿足下面的任何其中一種情況：

　　（1）鉆頭上的徑向合力為零；

　　（2）鉆頭渦動時, 可由來自鉆挺或鉆頭的結構恢復力使鉆頭恢復平穩工作狀態；

　　（3）鉆頭上的徑向合力不為零, 并指向所設計的保徑面方向, 保徑面對井壁不產生切削作用（給鉆頭制造一個定位基準）。

　　善鉆頭穩定性的另一種方法是在鉆頭表面布置一些能在井底切削出穩定環的切削齒, 阻止鉆頭的水平位移。另外, 鉆頭的頭型設計和切削齒的切削角度對鉆頭的渦動有一定的影響, 選擇適宜的頭型和合理的切削角度有助于改善鉆頭的穩定性, 提高使用壽命。

　　2.設計手段的發展

　　鉆頭的設計水平上臺階, 開發鉆頭專用設計軟件和分析軟件, 實現真正意義上的計算機輔助設計和計算機優化設計, 從根本上改變過去傳統的兩維設計, 采用現代化的三維立體設計方法進行產品設計。

　　進一步發展鉆頭的實體仿真和工作狀態仿真技術。對現有鉆頭或虛擬鉆頭進行力學分析和工作狀態分析, 進行使用效果預測和提供數據, 進行改進和優化設計。避免由于設計上的差距造成實物損失和時間浪費, 極大地減少現場試驗的費用、時間和風險。

　　3.PDC鉆頭與地層的適應性研究

　　PDC鉆頭的重要特點之一是它的結構變化多,設計靈活性大, 對適用地層和使用條件敏感性很強。因而, 針對地層性質和使用條件進行設計是PDC鉆頭的一項關鍵技術。這是一個綜合性的系統工程, 包括鉆頭的頭型選擇、結構設計、布齒設計、切削角度設計、鉆頭水力設計、胎體配方的選擇和超硬材料的優選等。事實上, 不可能設想有適應各種地層各種鉆井條件的萬能鉆頭。其發展方向是建立一個鉆井專家數據庫和地質資料數據庫系統, 編制一套計算機軟件, 輸人所鉆地層參數和鉆井設計數據, 由計算機輸出推薦的鉆頭優化設計方案。

　　4.設計結構的更新

　　PDC鉆頭設計結構的更新在不間斷地進行著,尋求一種更為合理的結構, 以期獲得更高的機械性能和更長的使用壽命, 以及對地層的更廣泛的適應能力。

　　布齒方式的變化從鋼體式到胎體式從點式到螺旋水槽式, 再到超深寬水槽刮刀式。布齒結構的變化從標準片到大片, 再到大小片混布從單排齒到雙排齒, 或者前排復合片后排聚晶金剛石或孕鑲塊切削齒。還有在后排增加球狀減震托, 有人稱之為沖擊抑制器等等, 以及所謂的抗夾層PDC鉆頭等都在探索的過程之中。

　　設計結構更新的另一重要內容是針對不同的地層和鉆頭的不同工作狀態以及鉆頭的不同工作部位采用不同的切削元件, 可以更好地發揮切削元件的性能和提高鉆頭的針對性。

　　切削元件超硬材料的發展

　　PDC鉆頭的發展另一趨勢是研究新型高性能PDC切削齒。首要的還在于提高切削元件聚晶金剛石復合片本身的耐磨性能、機械性能、工藝性能和切削性能等。多年來, 切削齒的金剛石厚度限制在0.6mm（0.025英寸）, 這是因為研究者建立了切削齒殘余應力和金剛石厚度的關系。在壓制過程中, 在PDC切削齒內產生了殘余應力, 其大小隨金剛石層厚度的增加而增加, 這些應力引起金剛石層碎裂、剝落、分層, 從而降低了PDC切削齒的壽命和鉆頭的效率。為此, 聚晶金剛石復合片呈現出以下發展趨勢。

　　1.提高復合片的自身性能

　　為了提高復合片的自身性能, 一是提高工作性能和壽命指標提高磨耗比、表面粗糙度、抗沖擊性, 二是提高工藝性能指標提高熱穩定性。在這種指導思想下出現許多高磨耗比、高耐熱性、高抗沖擊性復合片、拋光片、鏡面片等。

　　2.改變復合片的結構

　　改變復合片的結構旨在提高金剛石層和硬質合金基體的附著能力、抗沖擊能力、工作時的切削性能以及對地層的適應能力。在這種指導思想下出現許多新型結構復合片, 一類是加厚型復合片, 如金剛石層邊緣加厚型、整體加厚型、硬質合金基體加厚型一類是非平面交界面型結構復合片, 如放射槽齒、環形槽齒、爪形矩形、梯形、波紋齒等。非平面交界面技術能降低PDC切削齒的應力梯度并使損害應力的位置遠離金剛石邊緣。這項技術在不產生前面提到的應力關系時允許增加切削齒的金剛石層的厚度, 使其達到2mm（0.08英寸）或2.54mm（0.1英寸）。

　　3.改進復合片的外形

　　在復合片的外形上進行改進, 發展異型復合片, 如楔型齒、矩形齒、球頭齒等。尚有許多新型切削元件混合型復合片, 以前蘇聯斯拉烏季奇和梯維沙列為代表,還有孕鑲齒在硬質合金基體內孕鑲天然金剛石、單晶, 聚晶和馬賽克切削齒等。

　　制造工藝技術的發展

　　1.鉆頭機械加工技術的發展

　　實現機械加工數控化, 將CAD計算機輔助設計技術與CAM計算機輔助制造技術聯網, 實現CAD/CAE/CAM集成系統, 這是發展的方向。

　　鉆頭的API接頭及其它零件的加工逐步采用數控加工機床, 以提高API接頭螺紋和零件的制造精度。鉆頭的內外徑應進行磨削, 以保證API要求的鉆頭內外徑公差, 進一步提高鉆頭的性能和壽命。

　　2.軟模成型工藝

　　國外先進鉆頭廠普遍采用軟模成型工藝制造鉆頭模具, 從而取代了手工操作, 大大提高了生產效率, 而且鉆頭精度高、一致性好。國內的許多鉆頭廠也開始應用軟模成型工藝。用硅橡膠材料制做出鉆頭的橡膠模型, 將成型材料(陶瓷粉)混合成漿料, 澆注到石墨模具腔內, 待漿料硬化后取出橡膠模, 便形成一個鉆頭模。

　　目前軟模工藝還有一些不足之處, 如工藝流程復雜陶瓷材料的導熱性差, 造成燒結時間較長,影響生產效率和造成聚晶性能損失燒結過程中保護氣氛弱, 影響浸漬釬焊質量等。

　　實現了鉆頭模具的數控機床加工和軟模成型工藝之后, 就可以在新開發的產品和小批量的試制產品上, 以及軟模成型工藝的母模制造上采用數控加工技術, 產品定型之后逐步采用軟模成型陶瓷模技
術。這樣可以使產品在小批量和大批量的情況下都保持高的質量水平(包括交貨期的水平)和較低的生產成本, 產品就具有較強的市場競爭能力。

　　3.提高鉆頭胎體性能的研究

　　目前使用最普遍的PDC鉆頭大都是胎體式。鉆進不同類型的巖石, 要用有針對性的鉆頭, 才能取得好的使用效果。鉆頭的系列化, 也要求鉆頭胎體性能的多樣化, 能針對不同研磨性的巖層選用不同耐磨性的胎體。

　　鉆頭胎體性能包括耐磨性、抗沖蝕性、硬度、線脹系數、抗彎強度、沖擊韌性和密度等。鉆頭質量的好壞是這些性能的綜合反映。

　　(1)胎體性能的評價指標

　　①鉆頭胎體的線脹系數與鋼體的線脹系數應接近, 否則, 胎體和鋼體的聯接強度不夠, 易發生胎體的脫落。

　　②鉆頭胎體抗拉強度在左右, 太低則胎體易斷塊。

　　③鉆頭胎體的抗沖擊韌性一般在擴以上,即能滿足鉆頭胎體在井內沖擊條件下不崩不碎。

　　④鉆頭胎體硬度也是一個重要指標, 一般要求在洛氏硬度以上, 以使胎體能對表鑲金剛石提供牢固的包鑲力、足夠的抗沖蝕能力。

　　(2)胎體性能檢測

　　①鉆頭胎體性能測試主要是耐磨性和抗沖蝕性的測試, 這是保證鉆頭胎體適應所鉆地層的最主要性能。胎體耐磨性的性能指標為相對磨耗率(磨耗比)。抗沖蝕性的指標為抗沖蝕性指數。這兩項指標比胎體硬度更正確地反映了胎體的性能。這也是進行新的胎體配方試驗研究所要努力提高的主要性能指標。

　　②胎體材料物理力學性能測試, 主要包括材料線脹系數、抗彎強度, 抗沖擊韌性和剪切強度等。

　　(3)改進胎體性能的措施

　　①鉆頭胎體硬度可通過骨架粉末的振實密度加以調節, 振實密度愈大, 胎體硬度愈高。采用不同比例與粒度的骨架粉體是改善鉆頭胎體密度的有效方法。

　　②粉末質量的控制對振實密度和燒結強度都有顯著的影響。

　　③強化鉆頭胎體來提高胎體的性能。可通過強化和選擇胎體、改進浸漬合金配方來提高性能。鉆頭胎體的強化可以在胎體粉料中添加少量的有助于彌散強化、有助于提高胎體骨架粉料潤濕性能的微量元素鎳、鉆、欽來實現。

　　4.固齒技術的研究

　　固齒技術的研究主要是研究聚晶金剛石復合片釬焊工藝, 這是制造PDC鉆頭的關鍵技術。鉆頭胎體是鑄造碳化鎢粉作為骨架與浸漬合金的燒結體, 復合片是硬質合金基體與聚晶金剛石薄層在高溫高壓下合成的復合體超硬材料, 固齒技術能夠解決這兩種復合材料釬焊連接問題。PDC鉆頭在現場使用的失效除去正常磨損以外的最主要形式是復合片的脫落、脫層和破碎等。造成這一現象的主要原因就是釬焊質量較差。

　　目前國內外鉆頭制造廠使用最廣泛的是直接釬焊, 使用通用的銀基釬料和通用的銀基釬劑, 再輔之以某些復合片表面處理技術(如噴砂、酸洗),有的還采用了特殊的表面處理技術(涂覆或滲鍍金屬等)。因為通用的釬焊材料對復合片和胎體的浸潤效果不理想致使釬焊溫度過高, 而復合片的熱穩定溫度限為700℃ , 所以導致復合片性能下降和金剛石層脫層, 且釬焊焊縫強度不足。

　　PDC釬焊工藝的探索途徑如下。

　　(1)復合片表面改性工作

　　提高復合片與釬料的潤濕性。根據多年的釬焊工作實踐, 為了保證批量生產中釬焊質量的穩定性, 必須從提高被焊件表面的潤濕性能人手, 其次才能涉及到提高焊縫強度問題。

　　硬質合金在高于850℃的釬焊過程中很容易與釬料相互浸潤。但對于釬焊復合片, 必須將釬焊溫度穩定控制在700℃以下, 這是一個困難的技術問題。國外采用電鍍、化學鍍、熔鹽鍍、浸漬鍍、真空沉積、真空濺射與離子注人等方法對硬質合金與金剛石表面進行改性處理。國內研究出一種離子熔體冶金涂覆的方法進行改性處理。經過活化處理后明顯地改善了焊接性能, 降低了釬焊溫度, 降低了對工人技術等級要求, 穩定地保證了釬焊質量。但存在復合片處理后磨耗比下降的問題, 尚需做進一步的研究。

　　(2)專用舒劑與釬料的研究

　　研究一種適合釬焊PDC鉆頭的專用釬劑與釬料, 保證釬焊溫度不超過700℃ , 并具有良好的潤濕性能和足夠的焊縫強度。

　　(3)新型釬焊工藝的應用研究

　　目前釬焊復合片普遍采用的是手工火焰釬焊的方法, 可否采用其它更科學、更可靠的方法也是鉆頭制造業應當探索的課題之一。應該研究探索真空擴散釬焊、電阻焊、高頻感應加熱釬焊、激光釬焊、等離子釬焊、超聲波焊接等方法應用于復合片釬焊的可能性。

　　(4)舒焊溫度控制方法的研究

　　釬焊溫度的控制方法也是需要研究的重要內容, 使復合片的釬焊過程始終控制在一個合理的溫度線內, 保證釬焊質量, 并保持復合片的性能在釬焊過程中不至于受損。

　　在保證釬焊焊縫強度的前提下, 使復合片在釬焊的過程中性能不降低或少降低一些, 對于提高PDC鉆頭的使用性能和壽命有著極其重要的意義。

　　結束語

　　PDC鉆頭的發展, 一是深人進行PDC鉆頭設計理論的研究, 開發專用設計分析軟件, 開發實體仿真、工作狀態仿真技術使設計水平上臺階二是加強鉆頭基礎理論和制造工藝技術的研究工作。由于研究手段的不完備和研究工作開展得不夠, 所以使我國鉆頭業大多處在單純的模仿和簡單的發揮階段。PDC鉆頭是涉及地質、鉆井、超硬材料、粉末冶金、機械和焊接等多行業多學科的一門邊緣技術, 因此制造廠應當開展與科研院所超硬材料研究制造部門和鉆井地質部門廣泛的聯合, 打破國外壟斷, 建立起一套自己的科學的PDC鉆頭設計制造體系, 這對于提高國產PDC鉆頭的水平和市場競爭力有著重要的現實意義和明顯的經濟效益。