陳國慶
大港油田集團(tuán)中成機(jī)械制造有限公司

【摘要】介紹了PDC鉆頭及其發(fā)展的3個(gè)趨勢：(1)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)手段的發(fā)展, 包括傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論等切削原理、非常規(guī)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、鉆頭實(shí)體仿真、工作狀態(tài)仿真和地層適應(yīng)性研究；(2)切削元件超硬材料的發(fā)展, 包括提高聚晶金剛石復(fù)合片的自身性能、改變復(fù)合片的結(jié)構(gòu)和發(fā)展異型復(fù)合片；(3)鉆頭制造工藝技術(shù)的發(fā)展, 包括數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用、軟模成型技術(shù)、胎體性能研究以及固齒技術(shù)的研究。 

【關(guān)鍵詞】石油鉆井　PDC鉆頭　發(fā)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(jìn)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(yōu)點(diǎn), 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(yōu)勢。

　　雖然現(xiàn)在PDC鉆頭的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)日趨成熟, 但與牙輪鉆頭將近100a的發(fā)展歷史相比,PDC鉆頭還處于發(fā)展的初期階段, 尚有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)手段的發(fā)展

　　1.設(shè)計(jì)理論的發(fā)展

　　金剛石復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是布置切削齒。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是等切削原理或等磨損原理。當(dāng)鉆頭報(bào)廢時(shí)各切削齒均有比較均衡的磨損狀態(tài)。這和機(jī)械上的“ 等強(qiáng)度設(shè)計(jì)” 是同一概念。同時(shí)配合以合理的布齒及水力設(shè)計(jì), 則可基本實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制平衡。

　　目前PDC鉆頭的設(shè)計(jì)理論主要包括破巖機(jī)理研究、切削力學(xué)研究、鉆進(jìn)過程中的振動(dòng)和渦動(dòng)現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)研究、水力學(xué)研究以及有限元強(qiáng)度分析和工作性能預(yù)測研究。在這些新理論的指導(dǎo)下出現(xiàn)了許多新型的PDC鉆頭。如一種稱之為第四代產(chǎn)品的防渦動(dòng)PDC鉆頭, 在設(shè)計(jì)中采用了一些非常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。

　　常規(guī)PDC鉆頭是根據(jù)鉆頭受力平衡的原則設(shè)計(jì)的, 其假設(shè)在鉆進(jìn)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(rèn)為徑向力是鉆頭不平衡力。在設(shè)計(jì)中, 要求所有切削齒的徑向合力趨于零?？梢娖湓O(shè)計(jì)是基于靜態(tài)分析, 有很大的局限性, 在實(shí)際上也是很難實(shí)現(xiàn)的。

　　對(duì)于防渦動(dòng)鉆頭的設(shè)計(jì), 必須滿足下面的任何其中一種情況：

　?。?）鉆頭上的徑向合力為零；

　　（2）鉆頭渦動(dòng)時(shí), 可由來自鉆挺或鉆頭的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力使鉆頭恢復(fù)平穩(wěn)工作狀態(tài)；

　?。?）鉆頭上的徑向合力不為零, 并指向所設(shè)計(jì)的保徑面方向, 保徑面對(duì)井壁不產(chǎn)生切削作用（給鉆頭制造一個(gè)定位基準(zhǔn)）。

　　善鉆頭穩(wěn)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(wěn)定環(huán)的切削齒, 阻止鉆頭的水平位移。另外, 鉆頭的頭型設(shè)計(jì)和切削齒的切削角度對(duì)鉆頭的渦動(dòng)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(wěn)定性, 提高使用壽命。

　　2.設(shè)計(jì)手段的發(fā)展

　　鉆頭的設(shè)計(jì)水平上臺(tái)階, 開發(fā)鉆頭專用設(shè)計(jì)軟件和分析軟件, 實(shí)現(xiàn)真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì), 從根本上改變過去傳統(tǒng)的兩維設(shè)計(jì), 采用現(xiàn)代化的三維立體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　進(jìn)一步發(fā)展鉆頭的實(shí)體仿真和工作狀態(tài)仿真技術(shù)。對(duì)現(xiàn)有鉆頭或虛擬鉆頭進(jìn)行力學(xué)分析和工作狀態(tài)分析, 進(jìn)行使用效果預(yù)測和提供數(shù)據(jù), 進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。避免由于設(shè)計(jì)上的差距造成實(shí)物損失和時(shí)間浪費(fèi), 極大地減少現(xiàn)場試驗(yàn)的費(fèi)用、時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。

　　3.PDC鉆頭與地層的適應(yīng)性研究

　　PDC鉆頭的重要特點(diǎn)之一是它的結(jié)構(gòu)變化多,設(shè)計(jì)靈活性大, 對(duì)適用地層和使用條件敏感性很強(qiáng)。因而, 針對(duì)地層性質(zhì)和使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)是PDC鉆頭的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程, 包括鉆頭的頭型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布齒設(shè)計(jì)、切削角度設(shè)計(jì)、鉆頭水力設(shè)計(jì)、胎體配方的選擇和超硬材料的優(yōu)選等。事實(shí)上, 不可能設(shè)想有適應(yīng)各種地層各種鉆井條件的萬能鉆頭。其發(fā)展方向是建立一個(gè)鉆井專家數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 編制一套計(jì)算機(jī)軟件, 輸人所鉆地層參數(shù)和鉆井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 由計(jì)算機(jī)輸出推薦的鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

　　4.設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的更新

　　PDC鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的更新在不間斷地進(jìn)行著,尋求一種更為合理的結(jié)構(gòu), 以期獲得更高的機(jī)械性能和更長的使用壽命, 以及對(duì)地層的更廣泛的適應(yīng)能力。

　　布齒方式的變化從鋼體式到胎體式從點(diǎn)式到螺旋水槽式, 再到超深寬水槽刮刀式。布齒結(jié)構(gòu)的變化從標(biāo)準(zhǔn)片到大片, 再到大小片混布從單排齒到雙排齒, 或者前排復(fù)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更新的另一重要內(nèi)容是針對(duì)不同的地層和鉆頭的不同工作狀態(tài)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(fā)揮切削元件的性能和提高鉆頭的針對(duì)性。

　　切削元件超硬材料的發(fā)展

　　PDC鉆頭的發(fā)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(fù)合片本身的耐磨性能、機(jī)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?yàn)檠芯空呓⒘饲邢鼾X殘余應(yīng)力和金剛石厚度的關(guān)系。在壓制過程中, 在PDC切削齒內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力, 其大小隨金剛石層厚度的增加而增加, 這些應(yīng)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(fù)合片呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

　　1.提高復(fù)合片的自身性能

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

　　2.改變復(fù)合片的結(jié)構(gòu)

　　改變復(fù)合片的結(jié)構(gòu)旨在提高金剛石層和硬質(zhì)合金基體的附著能力、抗沖擊能力、工作時(shí)的切削性能以及對(duì)地層的適應(yīng)能力。在這種指導(dǎo)思想下出現(xiàn)許多新型結(jié)構(gòu)復(fù)合片, 一類是加厚型復(fù)合片, 如金剛石層邊緣加厚型、整體加厚型、硬質(zhì)合金基體加厚型一類是非平面交界面型結(jié)構(gòu)復(fù)合片, 如放射槽齒、環(huán)形槽齒、爪形矩形、梯形、波紋齒等。非平面交界面技術(shù)能降低PDC切削齒的應(yīng)力梯度并使損害應(yīng)力的位置遠(yuǎn)離金剛石邊緣。這項(xiàng)技術(shù)在不產(chǎn)生前面提到的應(yīng)力關(guān)系時(shí)允許增加切削齒的金剛石層的厚度, 使其達(dá)到2mm（0.08英寸）或2.54mm（0.1英寸）。

　　3.改進(jìn)復(fù)合片的外形

　　在復(fù)合片的外形上進(jìn)行改進(jìn), 發(fā)展異型復(fù)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(fù)合片, 以前蘇聯(lián)斯拉烏季奇和梯維沙列為代表,還有孕鑲齒在硬質(zhì)合金基體內(nèi)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(shù)的發(fā)展

　　1.鉆頭機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展

　　實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工數(shù)控化, 將CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)與CAM計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)聯(lián)網(wǎng), 實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng), 這是發(fā)展的方向。

　　鉆頭的API接頭及其它零件的加工逐步采用數(shù)控加工機(jī)床, 以提高API接頭螺紋和零件的制造精度。鉆頭的內(nèi)外徑應(yīng)進(jìn)行磨削, 以保證API要求的鉆頭內(nèi)外徑公差, 進(jìn)一步提高鉆頭的性能和壽命。

　　2.軟模成型工藝

　　國外先進(jìn)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(chǎn)效率, 而且鉆頭精度高、一致性好。國內(nèi)的許多鉆頭廠也開始應(yīng)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(nèi), 待漿料硬化后取出橡膠模, 便形成一個(gè)鉆頭模。

　　目前軟模工藝還有一些不足之處, 如工藝流程復(fù)雜陶瓷材料的導(dǎo)熱性差, 造成燒結(jié)時(shí)間較長,影響生產(chǎn)效率和造成聚晶性能損失燒結(jié)過程中保護(hù)氣氛弱, 影響浸漬釬焊質(zhì)量等。

　　實(shí)現(xiàn)了鉆頭模具的數(shù)控機(jī)床加工和軟模成型工藝之后, 就可以在新開發(fā)的產(chǎn)品和小批量的試制產(chǎn)品上, 以及軟模成型工藝的母模制造上采用數(shù)控加工技術(shù), 產(chǎn)品定型之后逐步采用軟模成型陶瓷模技
術(shù)。這樣可以使產(chǎn)品在小批量和大批量的情況下都保持高的質(zhì)量水平(包括交貨期的水平)和較低的生產(chǎn)成本, 產(chǎn)品就具有較強(qiáng)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(jìn)不同類型的巖石, 要用有針對(duì)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(duì)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(shù)、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和密度等。鉆頭質(zhì)量的好壞是這些性能的綜合反映。

　　(1)胎體性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

　?、巽@頭胎體的線脹系數(shù)與鋼體的線脹系數(shù)應(yīng)接近, 否則, 胎體和鋼體的聯(lián)接強(qiáng)度不夠, 易發(fā)生胎體的脫落。

　?、阢@頭胎體抗拉強(qiáng)度在左右, 太低則胎體易斷塊。

　?、坫@頭胎體的抗沖擊韌性一般在擴(kuò)以上,即能滿足鉆頭胎體在井內(nèi)沖擊條件下不崩不碎。

　　④鉆頭胎體硬度也是一個(gè)重要指標(biāo), 一般要求在洛氏硬度以上, 以使胎體能對(duì)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

　?、巽@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(yīng)所鉆地層的最主要性能。胎體耐磨性的性能指標(biāo)為相對(duì)磨耗率(磨耗比)?？箾_蝕性的指標(biāo)為抗沖蝕性指數(shù)。這兩項(xiàng)指標(biāo)比胎體硬度更正確地反映了胎體的性能。這也是進(jìn)行新的胎體配方試驗(yàn)研究所要努力提高的主要性能指標(biāo)。

　?、谔ンw材料物理力學(xué)性能測試, 主要包括材料線脹系數(shù)、抗彎強(qiáng)度, 抗沖擊韌性和剪切強(qiáng)度等。

　　(3)改進(jìn)胎體性能的措施

　?、巽@頭胎體硬度可通過骨架粉末的振實(shí)密度加以調(diào)節(jié), 振實(shí)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。

　?、诜勰┵|(zhì)量的控制對(duì)振實(shí)密度和燒結(jié)強(qiáng)度都有顯著的影響。

　?、蹚?qiáng)化鉆頭胎體來提高胎體的性能?？赏ㄟ^強(qiáng)化和選擇胎體、改進(jìn)浸漬合金配方來提高性能。鉆頭胎體的強(qiáng)化可以在胎體粉料中添加少量的有助于彌散強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。

　　4.固齒技術(shù)的研究

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

　　目前國內(nèi)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(fù)合片表面處理技術(shù)(如噴砂、酸洗),有的還采用了特殊的表面處理技術(shù)(涂覆或滲鍍金屬等)。因?yàn)橥ㄓ玫拟F焊材料對(duì)復(fù)合片和胎體的浸潤效果不理想致使釬焊溫度過高, 而復(fù)合片的熱穩(wěn)定溫度限為700℃ , 所以導(dǎo)致復(fù)合片性能下降和金剛石層脫層, 且釬焊焊縫強(qiáng)度不足。

　　PDC釬焊工藝的探索途徑如下。

　　(1)復(fù)合片表面改性工作

　　提高復(fù)合片與釬料的潤濕性。根據(jù)多年的釬焊工作實(shí)踐, 為了保證批量生產(chǎn)中釬焊質(zhì)量的穩(wěn)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(qiáng)度問題。

　　硬質(zhì)合金在高于850℃的釬焊過程中很容易與釬料相互浸潤。但對(duì)于釬焊復(fù)合片, 必須將釬焊溫度穩(wěn)定控制在700℃以下, 這是一個(gè)困難的技術(shù)問題。國外采用電鍍、化學(xué)鍍、熔鹽鍍、浸漬鍍、真空沉積、真空濺射與離子注人等方法對(duì)硬質(zhì)合金與金剛石表面進(jìn)行改性處理。國內(nèi)研究出一種離子熔體冶金涂覆的方法進(jìn)行改性處理。經(jīng)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(duì)工人技術(shù)等級(jí)要求, 穩(wěn)定地保證了釬焊質(zhì)量。但存在復(fù)合片處理后磨耗比下降的問題, 尚需做進(jìn)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(qiáng)度。

　　(3)新型釬焊工藝的應(yīng)用研究

　　目前釬焊復(fù)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(xué)、更可靠的方法也是鉆頭制造業(yè)應(yīng)當(dāng)探索的課題之一。應(yīng)該研究探索真空擴(kuò)散釬焊、電阻焊、高頻感應(yīng)加熱釬焊、激光釬焊、等離子釬焊、超聲波焊接等方法應(yīng)用于復(fù)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(nèi)容, 使復(fù)合片的釬焊過程始終控制在一個(gè)合理的溫度線內(nèi), 保證釬焊質(zhì)量, 并保持復(fù)合片的性能在釬焊過程中不至于受損。

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

　　結(jié)束語

　　PDC鉆頭的發(fā)展, 一是深人進(jìn)行PDC鉆頭設(shè)計(jì)理論的研究, 開發(fā)專用設(shè)計(jì)分析軟件, 開發(fā)實(shí)體仿真、工作狀態(tài)仿真技術(shù)使設(shè)計(jì)水平上臺(tái)階二是加強(qiáng)鉆頭基礎(chǔ)理論和制造工藝技術(shù)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(yè)大多處在單純的模仿和簡單的發(fā)揮階段。PDC鉆頭是涉及地質(zhì)、鉆井、超硬材料、粉末冶金、機(jī)械和焊接等多行業(yè)多學(xué)科的一門邊緣技術(shù), 因此制造廠應(yīng)當(dāng)開展與科研院所超硬材料研究制造部門和鉆井地質(zhì)部門廣泛的聯(lián)合, 打破國外壟斷, 建立起一套自己的科學(xué)的PDC鉆頭設(shè)計(jì)制造體系, 這對(duì)于提高國產(chǎn)PDC鉆頭的水平和市場競爭力有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。