无刀片胎体金刚石钻头的研究开发

洪春玲，张烈华 （江汉石油钻头股份有限公司；中石化石油机械装备重点实验室，湖北 武汉 430223）

无刀片胎体金刚石钻头的研究开发

洪春玲，张烈华 （江汉石油钻头股份有限公司；中石化石油机械装备重点实验室，湖北 武汉 430223）

通过对国外无刀片胎体金刚石钻头的广泛调研，研究开发了适合无刀片结构的金刚石钻头胎体材料，设计并试制了无刀片胎体金刚石钻头。试制的无刀片胎体金刚石钻头，先后通过了室内台架试验和钻井现场试验，均取得了良好的钻进效果。无刀片胎体金刚石钻头的成功开发，填补了国内胎体金刚石钻头空白，为开发国际一流胎体金刚石钻头打下了坚实基础。

无刀片；胎体金刚石钻头；台架试验

胎体金刚石钻头是石油勘探开发的重要钻井工具之一，胎体金刚石钻头的性能，很大程度上决定了钻井过程的速度与经济效益［1］。随着钻井技术的发展，对金刚石钻头的性能要求越来越高，金刚石钻头的结构也越来越复杂。为了适应金刚石钻头的结构变化的需要，国外的胎体金刚石钻头已经实现了无刀片结构，而国内胎体金刚石钻头全部是有刀片结构。有刀片结构，限制了胎体金刚石钻头的刀翼结构，特别是在胎体和刀片的界面结合处容易产生结合缺陷，直接影响刀翼的强度，增加了发生断刀翼恶劣事故的危险性。因此，开发无刀片胎体金刚石钻头是国内钻头研发技术的重点。

1 国外胎体金刚石钻头调研

笔者共收集了3只国外生产的8 1/2in胎体金刚石钻头，对其进行了全面的解剖分析，查看了其钢芯结构，检测了其胎体的抗弯强度和冲击韧性。3只钻头均为无刀片结构，其刀翼胎体的抗弯强度和冲击韧性检测结果见表1。

由表1可知，国外厂家一和国外厂家三的钻头刀翼部位胎体的抗弯强度和冲击韧性基本相当，远高于国外厂家二钻头的抗弯强度和冲击韧性。

国内胎体金刚石钻头胎体的抗弯强度约在600～650N／mm2，冲击韧性在2.30J／cm2以下，因为抗弯强度较低，因此采用有刀片结构来增加刀翼的强度。

国内胎体材料烧结后的抗弯强度远低于国外胎体金刚石钻头胎体的抗弯强度，而胎体材料的抗弯强度是评价金刚石钻头强度的最重要技术指标。要开发无刀片胎体金刚石钻头，提高胎体的力学性能是基本前提。因此，为了满足无刀片胎体金刚石钻头的强度需求，必须首先开发强度更高的胎体材料。

表1 刀翼部位胎体力学性能对比

2 适合无刀片胎体金刚石钻头的胎体材料研究

设计了6种不同的胎体粉，烧结成胎体后取样进行了力学性能的检测分析，考虑胎体与钢芯的界面结合情况，优选出了一种高强度、高韧性的胎体粉材料。

2.1 胎体材料力学性能检测方法

对烧结后的胎体力学性能检测项点主要包括抗弯强度和冲击韧性。

1）抗弯强度 胎体的抗弯强度检测主要是遵照ASTM B406中的技术要求，采用的试样尺寸、三点弯曲的跨距、加载方式与加载速度等的要求都沿用ASTM B406中硬质合金的抗弯强度检测要求。试样截面为 （6.25±0.25）mm× （5.25±0.25）mm，试样长度不得小于20mm，弯曲的跨距是14.50mm，加载速度不大于1.5kN／s。抗弯强度计算公式为：

式中：S为抗弯强度，MPa；P为试样断裂前所加的最大载荷，N；L为弯曲跨距，mm；B为试样宽度，mm；H为试样高度，mm。抗弯强度每次取样5个，按标准要求取平均值。

2）冲击韧性 胎体的韧性也是一个重要的性能指标，主要检测一次冲击韧性，但由于没有公认的标准的方法，因此参考GB／T1817中的有关要求进行检测。取试样截面5.0mm×5.0mm，试样长度不得小于50mm，冲击的跨距30.0mm。由于胎体的冲击韧性值较低，通常情况下采用5J或7.5J的冲击锤，以单位横载面积上所消耗的冲击能量表示一次冲击韧性。冲击韧性每次取样5个，按标准要求取平均值。

表2 不同胎体材料力学性能检测结果汇总

2.2 胎体材料力学性能检测结果分析

对6种胎体的力学性能检测结果见表2。

胎体粉4烧结后胎体平均抗弯强度最高，达到1042N／mm2，与3个国外厂家的钻头刀翼部位胎体的抗弯强度相比，分别高15.5%、10.1%、36.4%；其冲击韧性达到3.19J／cm2，远高于国外厂家一和国外厂家二的钻头胎体的冲击韧性，与国外厂家三的钻头胎体冲击韧性3.23J／cm2十分接近。

2.3 界面结合微观组织

针对胎体粉4重点检查了胎体与钢芯的界

面结合情况。典型的胎体和钢芯结合部位的微观组织见图1。金相检测证实胎体与钢芯的界面结合情况良好，未发现夹杂、未熔合等显微缺陷。

胎体粉4烧结后胎体的力学性能达到了较高的水平，优先选取胎体粉4作为无刀片胎体金刚石钻头的胎体材料，可以满足无刀片胎体金刚石钻头的生产需要。

图1 胎体粉4烧结后胎体与钢芯结合界面显微组织

3 无刀片胎体金刚石钻头的结构设计特点

由于胎体材料性能的改进，使无刀片胎体金刚石钻头的设计制造成为可能。无刀片胎体金刚石钻头的结构设计，主要特点：①可以在胎体钻头上实现螺旋刀翼，极大地加强钻头旋转的稳定性，同时增加复合片的布齿数，延长钻头的使用寿命［2］；②刀翼宽度减薄，排屑槽宽度变大，排屑槽深度加深，岩屑排出更加顺畅，有利于提高钻头机械钻速［3］；③钢芯不再需要设计刀片槽，因为取消了刀片，钢芯高度可以适当增加，钻头体整体强度增强，使用更加安全［4］。

4 无刀片胎体金刚石钻头试制与室内台架试验

应用以上胎体粉4及相应的烧结工艺，设计并试制了一只型号为81/2KM1652GAR的无刀片胎体金刚石钻头，进行了室内台架试验，对钻头的承载能力进行模拟评价。

8 1/2胎体金刚石钻头在钻井现场正常钻进时承受的钻压不超过120kN，承受的扭矩约为2000～4000N·m，模拟评价的目标是检测无刀片胎体金刚石钻头能否承受相应的钻压和4000N·m以上的扭矩。

实际采用250kN高钻压、50r／min转速的台架钻进参数钻进花岗岩，试验过程中钻头承受的扭矩保持在5700～7000N·m范围。钻头台架试验后的照片见图2。

台架试验连续钻进6块高度1m的花岗岩，之后经染色探伤检查确认钻头胎体完好，没有任何裂纹或其他缺陷。台架试验结果表明，试制的无刀片胎体金刚石钻头能承受钻井现场的钻压和扭矩，可以下井试验。

图2 台架试验钻完6块花岗岩后的钻头外观

5 无刀片胎体金刚石钻头钻井现场使用评价

1）江汉油田周22-5井现场试验 试验数据见表3，完井起钻后，KM1652GAR无刀片胎体金刚石钻头参见图3。检查钻头发现钻头胎体完好无损、复合片切削齿磨损很少，钻头新度在95%以上。井队对该钻头使用情况非常满意，将钻头留在井队继续使用。

2）江汉油田拖9斜-6井现场试验 下入井深2530m，起出井深3245m，总进尺715m，纯钻时114h。KM1652GAR无刀片胎体金刚石钻头在潜江组、荆沙组、新沟嘴组上段和新沟嘴组下段的分段钻井参数见表4，可以看出，该钻头在2560～2874m的井段内，钻头正常钻进，机械钻速比较理想；在2874～3086m的井段内，由于井身控制的原因，钻压加的比较低，对机械钻速有一些影响；在3086～3245m的井段内，所钻地层为新沟嘴组下段，地层可钻性很差，钻压加的比较高，但机械钻速却明显降低。

图3 周22-5井完井起钻后钻头外观

表3 无刀片胎体金刚石钻头现场试验数据

表4 KM1652GAR无刀片胎体金刚石钻头现场使用钻井参数

从潜江组一直打到新沟嘴组下段，取在荆沙组和新沟嘴组上段地层钻进数据，与邻井同地层的其他胎体PDC钻头使用数据对比分析结果见表5，可以看出，无刀片胎体金刚石钻头在机械钻速上具有明显的优势，平均提高约60%。

表5 拖字地区胎体金刚石钻头荆沙组及新上段地层使用资料对比

6 结论

1）研究开发的新型胎体材料的抗弯强度与冲击韧性达到国内领先水平，新型胎体材料的力学性能完全能满足无刀片胎体金刚石钻头的需要。

2）胎体金刚石钻头采用无刀片结构后，在结构设计上具有更大的灵活性和稳定性，无刀片胎体结构能显著提高胎体金刚石钻头的使用性能与使用寿命。

3）无刀片胎体金刚石钻头填补了国内胎体金刚石钻头的空白，结束了国内胎体金刚石钻头只能采用刀片结构的历史。

［1］潘信众.PDC钻头胎体性能研究 ［J］.内江科技，2008，29（11）：112.

［2］张绍和，鲁凡 .金刚石钻头参数设计规律 ［J］.中南大学学报，2004，35（2）：195～200.

［3］陈国庆.PDC钻头的发展趋势 ［J］.石油机械，2003，31（增刊）：103～106.

［4］杨明合.PDC钻头技术新进展 ［J］.中国西部科技，2010，9（16）：10～11.

［编辑］ 帅群

Research and Developm ent for M atrix Body Bit w ithout Cutter

HONG Chunling，ZHANG Liehua (First Author's Address:Kingdream Public Limited Company;SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Machinery Equipment，Wuhan 430223，Hubei，China)

Based on extensive researches ofmatrix body bitwithout cutters externally，matrix body materials were researched and developed，which were suitable for diamond bitwithout cutters，thereforematrix-body diamond bitwithout cutterswas designed and trial-manufactured.The bitwas passed through stand test in laboratory and field test，excellent drilling effectwas achieved in field test.The bithas been developed successfully，which has filled the domestic blank ofmatrix body diamond bits，it provides solid foundation for developing the international first-classmatrix body diamond bit.

without cutters;matrix body diamond bit;stand test

TE921.1

A

1000-9752（2014）05-0153-04

2014-01-01

洪春玲 （1963-），女，1982年华中理工大学毕业，硕士，高级工程师，现主要从事机械制造研发与管理工作。