油气井金刚石钻头制造新工艺研究进展①

赵永明，谢德龙，万 隆，方啸虎

（1.中国石化石油工程技术研究院，100728；2.湖南大学材料与科学工程学院，长沙410082；3.上海琦实超硬材料有限公司，上海201108）

自采取粉末冶金技术制造金刚石钻头以来，油气井钻头制造工艺有了一定的发展，但变化不大［1］。然而近年来，在模具制造、胎体材料研制、钻头冷却和PDC钻头钎焊工艺方面却有着不同程度的进步。

1 橡胶——陶瓷模具

油气井金刚石钻头制造一般采用无压浸渍法，其模具成型时用高强石墨，采用机加工和手工相结合的方法完成。这种方法存在着石墨模具费用高，模具重复使用率低（一般模具只能使用一次），模具生产周期长等缺点，而且模具加工过程中产生的石墨粉尘对人体及环境均有较大的危害。另外，由于模具加工是多工位、多工序完成，而钻头对模具的成型精度要求较高，如复合片钻头要保证准确的出刃，以准确的复合片定位孔来保证复合片安装位置的准确，其工作点必须在连续的包络曲线上。特别是在批量生产时，要做到每一只钻头都准确再现是很难办到的。橡胶——陶瓷模具是一套全新的模具成型方法，其制造工艺较好地解决了无压浸渍法制造钻头时模具材料和模具成型中存在的问题（橡胶公模见图1）。

图1 橡胶公模Fig.1 The rubber male die

橡胶——陶瓷模具是按钻头设计先加工出母模（基础模）到公模（橡胶模），再由公模倒出母模（陶瓷模）的制造过程，最后得出的陶瓷模即是用来烧结钻头的模具［2］。这样每次只用橡胶模具倒出陶瓷模即可烧结钻头，橡胶模具可反复使用一年多。此工艺具有制模时间短（约1个小时）、工件精度高、工人劳动强度低、工时短等特点，制造钻头综合成本降低约20%左右。此制模工艺可使用到任何胎体钻头的工艺中。

2 多种胎体材料组装工艺

钻头组装的表镶金刚石钻头和TSP钻头与传统的金刚石钻头没有大的变化，而PDC钻头组装工艺过程却有较大的进步。其主要进步是采用新研制的多种高性能胎体材料组装钻头，这大大提高了钻头整体性能，降低了因钻头质量问题而造成井底事故。

表镶钻头和TSP钻头一般设计为水槽浅、刀翼短，胎体配方只要耐磨损、耐冲蚀即可使用。而PDC钻头则不同：水槽深，刀翼长。若采用老的胎体配方，使用中常出现崩块，严重时整个刀翼被折断。因此，需要研制出适合PDC钻头用的多种性能的胎体材料。如在钻头表面装一薄层耐冲蚀、耐磨损、抗冲击的胎体材料以降低对钻头的损伤，而在钻头中心的大部分体积装入抗弯强度和抗冲韧性高的胎体配方，防止在钻进中钻头受到振动、冲击和碰撞而损伤或折断刀翼。另外在钻头需机加工的交界处装入适量的易切削的胎体配方，不仅有利于机加工，而且可以避免打刀的情况出现。这样，多种性能的胎体配方烧结成一只钻头，既提高了钻头整体性能又有利于机加工。

3 钻头组装体烧结

传统的钻头烧结，是将整个钻头所用的工件和材料全部组装后送入炉中，升到一定的温度，保温一定的时间后，出炉冷却退模［3］。这样钻头常有气孔、熔湿和局部未浸透的情况发生，造成钻头出现次品和废品的几率较高。

新的烧结方法是将钻头装完胎体材料后，送到一个自制加热炉罩中进行预热处理，将整个钻头体加热约300℃～400℃，保温1～3小时，然后再装入浸渍金属合金、硼砂和上盖板，最后送入钻头烧结炉进行常规的钻头烧结。这样的预热处理可以排除钻头组装体内的有害气体和水分，提高钻头烧结的成品率。

4 科学的冷却方式

常用钻头冷却方法为缓冷和自然冷却。但是在使用中常发现钻头出现气孔、局部浸渍不透、钢体冷却收缩产生裂缝等情况。因此，选用一项新的冷却技术至关重要。如下面的定向冷却法，其规程如下：

4.1 冷却装置

（1）在烧结炉侧面制作一冷却台（放钻头）

（2）冷却台中心处装上Φ15mm水嘴

（3）冷却台中心上部吊一个保温罩（可上下滑动）

（4）配制拉杆和推杆

4.2 冷却工序

（1）将炉膛中保温到时的钻头推拉到冷却台上；

（2）降下保温罩罩住钻头组装体；

（3）打开水嘴开关，喷向钻头组装体底模中心处；（从钻头拉出到打开水嘴开关，必须在两分钟内完成）

（4）继续喷水，让钻头组装体缓慢冷却，待石墨模完全恢复本色后关上水嘴开关，自然冷却到常温后退模。

这种冷却方式对保证钻头浸渍良好，胎体孔隙率低，钢体与胎体粘结牢固起了很重要的作用。同时，对胎体有定向结晶的作用，浸入胎体粉料中的粘结金属性能比常规冷却方式提高5%左右。

5 三维钎焊装置

PDC复合片的钎焊［4］是钻头制造的重要环节，PDC复合片焊接是否牢固、温度是否精确等因素将直接影响钻头质量和使用效果。初期PDC钻头钎焊是将钻头从预热炉拉出放在任意地方，工人围绕钻头转圈施工，很不方便。后来，放在一个可旋转的台子上钎焊施工，有了进步，但由于钻头多为曲面，设计有保径齿或倒划眼齿，钎焊还是不方便，有钻头钎焊不牢、温度控制不准、PDC切削齿受到伤害，工人劳动强度大，施工时间长等问题。

近来，有研究单位研制出了一种三维钎焊装置，彻底解决了上述钎焊中的问题。三维钎焊装置是由加热罩、温度监控器、旋转台、减速器、支架等组成，其主要参数为：

（1）加热温度：750℃；

（2）可自动控制温度精度：±1℃；

（3）钻头旋转角度：360°

（4）可倾角度：90°

（5）上下移动可达400mm。

由于三维钎焊装置温度控制准确，工人操作方便，降低了施工强度，缩短了工作时间，大大提高了钻头钎焊质量。

6 结论

油气井金刚石钻头的强劲发展势头在未来一段时期内仍将持续进行［5］。特别是在深部难钻地层钻井应用方面，将是最有价值的发展方向。随着先进设计、分析技术的推广应用，油气井钻头的设计水平相应会有显著提高。我们需要做出更大的努力，促进钻头技术质量和性能的提高，促进我国超硬材料的持续发展。

［1］金刚石切削刃与金刚石强化柱齿的发展历史及其对石油与天然气工业的影响［J］.工业金刚石，2007（3）：48－55.

［2］郭东琼.烧结PDC钻头软模成型工艺研究［J］.煤田地质与勘探，2007，35（04）：75－77.

［3］孙毓超，宋月清.金刚石工具制造理论与实践［M］.郑州：郑州大学出版社，2005，2－8.

［4］方啸虎，邓福铭，郑日升.现代超硬材料与制品［M］.杭州：浙江大学出版社，2011.

［5］赵云良.金刚石复合片及其石油、天然气钻头发展概况［J］.超硬材料工程，2009，21（02）：23－27.