浅谈PDC钻头新技术进展

浅谈PDC钻头新技术进展

李坤汶

（西南石油大学， 四川 成都 610500）

摘 要：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。极大地提高钻井工作效率和降低钻井成本。本文着重介绍了近几年国内外PDC钻头设计的新进展和PDC钻头制造的新工艺技术。

关键词：PDC钻头；设计；制造工艺；进展 PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit），即聚晶金刚石复合片钻头）是随着 PDC 复合材料的发展而发展起来的一类新型钻井工具。国外七十年代中期开始研究，八十年代初投入工业使用，PDC钻头已在石油钻井工具中占有十分重要的地位。我国从八十年代初才开始了解PDC钻头，现在国内生产PDC钻头的厂家已有十几家，全国各主要油田在适应地层中大力推广使用PDC钻头，使国内PDC钻头的用量和在钻井总进尺中所占比例逐年上升。 1 PDC钻头的设计新进展

1.1 PDC钻头设计理论新进展

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。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。

在布置切削齿方面，一般的设计原则是“等切削、等功率、等磨损”。最近提出的PDC钻头等体积布齿设计的数值计算方法具有代表性。这种方法在综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿尺寸、切钊齿的相互作用等固素的影响下，建立了切削齿等体积设计数学计算模型，对切削齿的工作角进行了优化设计算并将其结果应用于该模型中。这种方法这为PDC钻头的设计和性能模拟分析提供了一种可行方法。 除了等体积设计方法之外，沿冠部轮廓曲线均匀和非均匀布齿的方法在实际也得到了应用。该方法就是当PDC钻头冠部曲线按一定的方式设计后，只需要沿冠部轮廓曲线均匀布齿，

就可达到布齿的要求，所以布齿的问题便转化为冠部曲线的设计问题。随着近几年计算流体动力学软件的飞速发展，国外大的钻头厂家已经逐步开始利用计算流体动力学（CFD）数值模拟分析的方法对牙轮钻头及PDC钻头井底流场、喷嘴射流对携岩效果的影响等方面进行综合分析。提出了PDC钻头水力结构优化的原则：①较高的井底压降。②避免在主切削齿附近出现低流速区进而发生泥包现象。③小的旋涡。这将减轻岩屑被返回井底的几率。④流道流量分配的合理

性

1.2 PDC钻头设计手段新进展

PDC钻头的设计实现真正意义上的计算机辅助设计和计算机优化设计，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。如在PDC钻头水力结构方面，采用CFD数值分析软件；PIV（ParticleImageVelocimetry）速度测量技术近年来获得了迅速发展，它利用粒子成像技术对整个或局部流场同时记录测量，从而获得流场的瞬时动力学流动状态。目前PIV技术已经成为实验流体力学的重要研究手段；在三维设计方面，基于Pro/E的PDC钻头三维优化设计取得了很大进步，在AutoCAD平台上进行而开发，开发出了PDC钻头设计三维计算模型。PDC钻头设计手段的不断更新，大大地加快了设计速度、提高了设计质量。

1.3 PDC钻头结构设计新进展

PDC钻头设计结构的更新在不间断地进

行着，目的就是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。布齿方式上，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。布齿结构上，从标准片到大片，再到大小片混布；从单排齿到双排齿等等，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。

2 PDC钻头制造新工艺 2.1 堆焊技术在钢体PDC表面硬化中

的作用

钻头体的表面硬化质量是直接影响钻头使用寿命的关键因素之一，其基本要求为：①表面硬化层的硬度高；②与基体结合强度高；③耐冲蚀性好。由于国产钻头体硬化层耐冲蚀性差，易从基体上剥落，限制了钢体PDC钻头的广泛应用，钻头体表面硬化技术已成为目前迫切需要解决的问题。实践表明用堆焊技术得到的硬化层与基体的结合强度较高，比较适合钻头体表面硬化要求。通过对几种常用堆焊方法的特点比较得出，用氧-乙炔焰堆焊方法建立表面硬化层，简便

经济，稀释率低，而且铸造碳化钨在氧-乙

炔焰中不熔化，堆焊效果较好。应用表明利用氧-乙炔焰堆焊新工艺得到的钻头体表面硬化层硬度大、与基体结合强度高、耐冲蚀性强；应用该工艺生产的钢体PDC钻头能够完全满足现场应用要求。 2.2 PDC钻头真空扩散焊工艺新进展

采用真空扩散焊接工艺制造人造聚晶金刚石复合片钻头是目前倍受重视的高新技术之一。真空扩散焊接工艺由于其突出的优点，被认为是能够替代目前普遍采用的钎焊工艺，它可以克服钎焊工艺带来的PDC钻头在钻进过程中由于钻头温度升高钎料强度急剧下降导致的复合片易脱落等严重问题。在焊接工艺上得出脱水方式、焊后炉中冷却初温与冷却时间对PDC焊接都有不同程度的影响，影响顺序为：冷却初温>冷却时间>脱水方式。得到的优化工艺参数组合为：冷却初温695℃，保温6h，脱水剂选用价廉的散装丙酮；中间工艺夹层材料对焊缝质量的影响较大，采用厚为45μm的Cu箔或Ni箔作中间工艺夹层时的焊缝，剪切强度得到大大提高，这说明加中间工艺夹层后能显著提高焊缝强度。

2.3 激光快速成型技术在胎体PDC钻头制造中的应用

激光快速成型技术是机械工程、CAD、计算机数控技术、检测技术、激光技术及新型材料科学的技术集成。它的基本构思是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿

某一坐标方向叠加而成，因此可先将CAD系

统内二维实体模型进行分层切片，从而得到一系列截面轮廓的平面几何信息，然后用汁算机控制激光束逐层可选择地固化液态光敏树脂（或粘结固体、烧结粉末材料），从面快速堆积制作出所要求形状的零件（模型），其成形原理突破了传统加工中的成形方法（如锻造、冲压、铸造等）和切削加工方法。将激光快速成型技术引人到PDC钻头的产制造中，不但解决了结构复杂PDC钻头难以制造的难题，提高了钻头的加工精度，而且加快了钻头制造商对市场反应和产品制造的速度。 3 结论与建议 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。为了提高深井机械钻速、充分利用PDC钻头高效破

岩特点及扩大PDC钻头使用范围，近几年国内外无论是在设计理论和设计手段上都取得了很大突破。特别是随着高速计算机技术的发展，使得钻头设计手段得到极大突破：从手工到自动、从二维到三维、从低精度到高精度，设计手段的不断更新为PDC钻头设计带来革命性的变化。在设计手段得到提高的同时，PDC钻头制造工艺水平不断得到发展。从PDC钻头应用和发展趋势来看，除了设计理论和设计手段需要不断更新以外，钻头的制造工艺水平必须与之同步，不断加强

新材料的研制、提高制造工艺水平，确保PDC钻头的研发和现场实际需求结合起来，这样才能不断促进PDC钻头技术发展。 参考文献：

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