油氣井金剛石鉆頭制造新工藝研究進展①

趙永明，謝德龍，萬 隆，方嘯虎

（1.中國石化石油工程技術研究院，100728；2.湖南大學材料與科學工程學院，長沙410082；3.上海琦實超硬材料有限公司，上海201108）

自采取粉末冶金技術制造金剛石鉆頭以來，油氣井鉆頭制造工藝有了一定的發展，但變化不大［1］。然而近年來，在模具制造、胎體材料研制、鉆頭冷卻和PDC鉆頭釬焊工藝方面卻有著不同程度的進步。

1 橡膠——陶瓷模具

油氣井金剛石鉆頭制造一般采用無壓浸漬法，其模具成型時用高強石墨，采用機加工和手工相結合的方法完成。這種方法存在著石墨模具費用高，模具重復使用率低（一般模具只能使用一次），模具生產周期長等缺點，而且模具加工過程中產生的石墨粉塵對人體及環境均有較大的危害。另外，由于模具加工是多工位、多工序完成，而鉆頭對模具的成型精度要求較高，如復合片鉆頭要保證準確的出刃，以準確的復合片定位孔來保證復合片安裝位置的準確，其工作點必須在連續的包絡曲線上。特別是在批量生產時，要做到每一只鉆頭都準確再現是很難辦到的。橡膠——陶瓷模具是一套全新的模具成型方法，其制造工藝較好地解決了無壓浸漬法制造鉆頭時模具材料和模具成型中存在的問題（橡膠公模見圖1）。

圖1 橡膠公模Fig.1 The rubber male die

橡膠——陶瓷模具是按鉆頭設計先加工出母模（基礎模）到公模（橡膠模），再由公模倒出母模（陶瓷模）的制造過程，最后得出的陶瓷模即是用來燒結鉆頭的模具［2］。這樣每次只用橡膠模具倒出陶瓷模即可燒結鉆頭，橡膠模具可反復使用一年多。此工藝具有制模時間短（約1個小時）、工件精度高、工人勞動強度低、工時短等特點，制造鉆頭綜合成本降低約20%左右。此制模工藝可使用到任何胎體鉆頭的工藝中。

2 多種胎體材料組裝工藝

鉆頭組裝的表鑲金剛石鉆頭和TSP鉆頭與傳統的金剛石鉆頭沒有大的變化，而PDC鉆頭組裝工藝過程卻有較大的進步。其主要進步是采用新研制的多種高性能胎體材料組裝鉆頭，這大大提高了鉆頭整體性能，降低了因鉆頭質量問題而造成井底事故。

表鑲鉆頭和TSP鉆頭一般設計為水槽淺、刀翼短，胎體配方只要耐磨損、耐沖蝕即可使用。而PDC鉆頭則不同：水槽深，刀翼長。若采用老的胎體配方，使用中常出現崩塊，嚴重時整個刀翼被折斷。因此，需要研制出適合PDC鉆頭用的多種性能的胎體材料。如在鉆頭表面裝一薄層耐沖蝕、耐磨損、抗沖擊的胎體材料以降低對鉆頭的損傷，而在鉆頭中心的大部分體積裝入抗彎強度和抗沖韌性高的胎體配方，防止在鉆進中鉆頭受到振動、沖擊和碰撞而損傷或折斷刀翼。另外在鉆頭需機加工的交界處裝入適量的易切削的胎體配方，不僅有利于機加工，而且可以避免打刀的情況出現。這樣，多種性能的胎體配方燒結成一只鉆頭，既提高了鉆頭整體性能又有利于機加工。

3 鉆頭組裝體燒結

傳統的鉆頭燒結，是將整個鉆頭所用的工件和材料全部組裝后送入爐中，升到一定的溫度，保溫一定的時間后，出爐冷卻退模［3］。這樣鉆頭常有氣孔、熔濕和局部未浸透的情況發生，造成鉆頭出現次品和廢品的幾率較高。

新的燒結方法是將鉆頭裝完胎體材料后，送到一個自制加熱爐罩中進行預熱處理，將整個鉆頭體加熱約300℃～400℃，保溫1～3小時，然后再裝入浸漬金屬合金、硼砂和上蓋板，最后送入鉆頭燒結爐進行常規的鉆頭燒結。這樣的預熱處理可以排除鉆頭組裝體內的有害氣體和水分，提高鉆頭燒結的成品率。

4 科學的冷卻方式

常用鉆頭冷卻方法為緩冷和自然冷卻。但是在使用中常發現鉆頭出現氣孔、局部浸漬不透、鋼體冷卻收縮產生裂縫等情況。因此，選用一項新的冷卻技術至關重要。如下面的定向冷卻法，其規程如下：

4.1 冷卻裝置

（1）在燒結爐側面制作一冷卻臺（放鉆頭）

（2）冷卻臺中心處裝上Φ15mm水嘴

（3）冷卻臺中心上部吊一個保溫罩（可上下滑動）

（4）配制拉桿和推桿

4.2 冷卻工序

（1）將爐膛中保溫到時的鉆頭推拉到冷卻臺上；

（2）降下保溫罩罩住鉆頭組裝體；

（3）打開水嘴開關，噴向鉆頭組裝體底模中心處；（從鉆頭拉出到打開水嘴開關，必須在兩分鐘內完成）

（4）繼續噴水，讓鉆頭組裝體緩慢冷卻，待石墨模完全恢復本色后關上水嘴開關，自然冷卻到常溫后退模。

這種冷卻方式對保證鉆頭浸漬良好，胎體孔隙率低，鋼體與胎體粘結牢固起了很重要的作用。同時，對胎體有定向結晶的作用，浸入胎體粉料中的粘結金屬性能比常規冷卻方式提高5%左右。

5 三維釬焊裝置

PDC復合片的釬焊［4］是鉆頭制造的重要環節，PDC復合片焊接是否牢固、溫度是否精確等因素將直接影響鉆頭質量和使用效果。初期PDC鉆頭釬焊是將鉆頭從預熱爐拉出放在任意地方，工人圍繞鉆頭轉圈施工，很不方便。后來，放在一個可旋轉的臺子上釬焊施工，有了進步，但由于鉆頭多為曲面，設計有保徑齒或倒劃眼齒，釬焊還是不方便，有鉆頭釬焊不牢、溫度控制不準、PDC切削齒受到傷害，工人勞動強度大，施工時間長等問題。

近來，有研究單位研制出了一種三維釬焊裝置，徹底解決了上述釬焊中的問題。三維釬焊裝置是由加熱罩、溫度監控器、旋轉臺、減速器、支架等組成，其主要參數為：

（1）加熱溫度：750℃；

（2）可自動控制溫度精度：±1℃；

（3）鉆頭旋轉角度：360°

（4）可傾角度：90°

（5）上下移動可達400mm。

由于三維釬焊裝置溫度控制準確，工人操作方便，降低了施工強度，縮短了工作時間，大大提高了鉆頭釬焊質量。

6 結論

油氣井金剛石鉆頭的強勁發展勢頭在未來一段時期內仍將持續進行［5］。特別是在深部難鉆地層鉆井應用方面，將是最有價值的發展方向。隨著先進設計、分析技術的推廣應用，油氣井鉆頭的設計水平相應會有顯著提高。我們需要做出更大的努力，促進鉆頭技術質量和性能的提高，促進我國超硬材料的持續發展。

［1］金剛石切削刃與金剛石強化柱齒的發展歷史及其對石油與天然氣工業的影響［J］.工業金剛石，2007（3）：48－55.

［2］郭東瓊.燒結PDC鉆頭軟模成型工藝研究［J］.煤田地質與勘探，2007，35（04）：75－77.

［3］孫毓超，宋月清.金剛石工具制造理論與實踐［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2005，2－8.

［4］方嘯虎，鄧福銘，鄭日升.現代超硬材料與制品［M］.杭州：浙江大學出版社，2011.

［5］趙云良.金剛石復合片及其石油、天然氣鉆頭發展概況［J］.超硬材料工程，2009，21（02）：23－27.