PDC钻头产品生产技术发展趋势分析

第一节 产品生产技术发展现状

在过去的几年间，PDC钻头的质量和类型都发生了巨大的变化，在不断的改进和进步。如果将20世纪80年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的PDC钻头的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。

除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。

国家相应的研究人员将碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高PDC钻头的韧性。PDC钻头质量和性能的不断更新和提高，促使其在不同的领域中使用和推广，在更多的领域中展现重要的价值。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。

最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。

由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前，PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。

PDC钻头的研制和研究工艺在不断的进步，保证在使用中展现重要的作用和价值。PDC钻头的工艺一直在不断的取得重要的突破和进步，保证在不同的地层中使用，提高工作的使用效率。

第二节 产品生产工艺特点或流程

PDC钻头的生产工艺过程：

1、PDC钻头设计

1）PDC钻头的设计主要考虑

（1）钻头种类：胎体钻头、钢体钻头

胎体钻头的钻头体用铸造碳化钨粉烧结而成，烧结时在钻头工作面上留下窝槽，再将复合片直接焊接在窝槽上。

钢体钻头的钻头体用整块合金钢通过机械加工而成，这种钻头将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿，再将切削齿镶嵌在钻头体上，保径部位也是将金刚石块或其他耐磨材料镶嵌在钻头体上，为防止冲蚀，可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。

（2）钻头冠部（工作面）的几何形状。PDC钻头冠部的几何形状影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头各部位载荷分布。钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部以及保径五个基本要素。

内锥：内锥对钻头起导向和稳定作用，如果需要较高钻速、较好的钻井液流动控制能力，则内锥应为浅内锥，锥角较大（110度～160度）；如果要求突出钻头稳定性、提高井斜控制能力，则应为浅内锥，锥角较小（60度～100度）。

钻头顶部是钻头的最低点，钻进中最先吃入地层，由于地层变化而意外受损的可能性最大。如果地层较硬或存在硬夹层，则应选较大半径，较宽的顶部结构；为了提高钻头吃入地层的能力，应选择较小半径的顶部结构。

侧面：侧面部分的剖面线有直线和弧线两种，采用直线方式时顶部和侧部较尖，吃入性好，切削效率较高；弧线方式常用在高转速或高耐磨性情况下。

保径：保径部位除保证钻头直径外还对钻头的稳定性起很大作用，可以增长保径来控制钻头的井斜控制能力；反之，对于造斜用钻头则应缩短保径长度。

（3）水利结构、切削齿的分布

PDC钻头采用水眼或喷嘴供给钻井液，通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。PDC钻头有刮刀式、单齿式及组合式三种排列及分布方式。

刮刀式布齿的PDC钻头，具有整体强度高、抗冲击力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强的特点。在粘性或软地层中应用这种布齿方式的钻头。

单齿式布齿方式布齿区域大，布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命。但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。

组合式切削齿的布齿采用直线刮刀式和单齿式相结合的方式在适当的地方布置水眼或喷嘴，这种布齿方式是具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中、硬度地层。

钻头布齿密度应视所钻地层和钻井条件而定。目前很多厂家针对特殊地层已研制出了双排齿钻头。布齿数量越多，各个齿承担的切削载荷越低，钻头寿命越长。但机械钻速也相应降低。对于深井、海洋钻井、研磨性较强的地层用的PDC钻头，布齿密度应高一些，对于软地层、中深井等，布齿密度应低一些。

（4）切削齿工作角

复合片在钻头上安装时，具有后倾角α和侧倾角β如图十。后倾角可以减少齿在工作时的震动，延长使用寿命。后倾角一般在10°～30°范围内。侧倾角的作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑向钻头外缘移动以利排除岩屑。

2、PDC钻头的制造

根据设计要求，制作模具、配料、烧结、焊接、清理、检验出厂。

第三节 国内外生产技术发展趋势分析

近几年钻井行业迅猛发展，对钻井的各种设备和工具需要严格的质量检验和生产标准进行控制，保证钻井的质量和速度，需要钻井设备生产企业提高钻头的质量和性能，对钻头性能的要求越来越高，给钻头行业带来了新的课题和方向。

目前，国内钻头厂家至今没有一套完整的PDC钻头计算机辅助系统，对钻头的设计和选型只停留在经验阶段。我国的技术仍然比较落后，需要进一步的改进和提高，满足中国国内的PDC钻头的使用要求和需求，研制新型的计算机信息辅助系统，在钻头的设计和制作中发挥重要的作用和价值。

由于钻井行业中新技术的不断涌现，PDC钻头产品质量的竞争已成为高科技手段竞争，许多国外的厂家利用先进的技术制作钻头，但是钻头的质量无法正常的保证，不能满足用户的使用和推广，无法在施工中发挥重要的作用。在大量的钻头使用数据面前，单靠手工分析整理是无法与快速反应的市场相适应的。许多钻头公司、钻头厂与多个高校联合开发了PDC钻头计算机专家系统，该系统的建立大大提高了PDC钻头设计周期和选型工艺，生产和研制的钻头可以使用在不同的领域和行业中，针对不同地层的适应性和产品快速反应能力大大提高，深受用户好评。

PDC钻头计算机专家系统分为两大部分。基础部分是PDC钻头选型系统，该部分以数据处理为主，根据大量的钻井地质资料来选择针对性钻头并推荐新产品的基本参数；第二部分为PDC钻头CAD／CAE／CAM一体化系统，该系统根据选型推荐的基本数据对钻头产品进行设计、分析和加工。通过两部分的结合使PDC钻头产品的研发规范、科学化，使PDC钻头的针对性设计成功率大幅提高。

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