鉆頭材料修復的研究進展

于磊

摘要：本文首先分析了常規PDC鉆頭磨損、損壞的原因，然后詳細介紹了PDC鉆頭修復的一般工藝技術，最后指出了PDC鉆頭修復的一些可創新之處、鉆頭修復所要達到的預期目標及今后其發展方向。

關鍵詞：PDC鉆頭；修復；再制造

0引言

在石油鉆井行業中，PDC鉆頭（聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱）是一種應用非常廣泛的鉆井工具。PDC鉆頭本身是一體式鉆頭的一種，和其它類型鉆頭相比，比較簡單，其抗沖擊能力、耐磨性以及強度比較出色。這種技術也是20世紀80年代出現的一種新技術。PDC鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、噴嘴、保徑面和接頭等組成。根據鉆體冠部材料的不同,可分類為胎體式和鋼體式兩種。在軟中硬地層中使用金剛石鉆頭優點明顯，比如進度較快、工作過程平穩、進尺多、井身質量出色、壽命長以及井下作業過程中事故概率出現低等[1,2]。

由于夾層較硬會導致鉆頭損壞，在軟巖地層中PDC鉆頭是最早應用的。但是隨著技術發展以及結構方面的變化，現在的PDC鉆頭已能用在硬巖地層和硬夾層上。隨著PDC鉆頭切削齒質量的不斷提高，PDC鉆頭正越來越多地為各個企業所用。隨著鉆頭設計和切削齒的改進，PDC鉆頭的可定向性較之以前也隨之提高，這更加削弱了牙輪鉆頭在鉆井中的優勢。目前，PDC鉆頭在許多不同地層的應用中越來越多地擠占著牙輪鉆頭的市場[3]。

1常規PDC鉆頭損壞的主要原因

通過對PDC鉆頭進行分析，我們能夠發現，絕大多數的PDC鉆頭出現損壞原因在于齒柱折斷、復合片掉片或者碎裂等。就這些損壞情況而言，在井下作業過程中，PDC鉆頭除了受到反作用力和與地層巖石摩擦損耗外，還會受到一些額外作用力的影響，并且導致PDC鉆頭破壞的主要原因也是額外作用力的影響。通過對PDC鉆頭使用情況進行分析和總結，我們可以得出導致PDC鉆頭出現損壞的原因在于下面幾點：

（1）地層中存在性質堅硬的礫石層，地層的下半部含有厚度不等的礫石層段，PDC 鉆頭進入該段，PDC 齒切削時，經常會產生碎裂、崩片等狀況，是致使鉆頭切削齒在上半部地段損壞的主要原因。

（2）導致PDC鉆頭掉齒、復合片碎裂的主要原因在于地層中硬夾層比較多。PDC鉆頭從軟地層鉆進到硬夾層中去時，鉆頭接觸到的地層硬度差別比較大，這也會導致切削齒受到的力不夠均勻，很容易導致鉆頭出現憋鉆或者挑鉆的情況，甚至會發生更嚴重后果。另外，PDC鉆頭基體與PDC鉆頭復合片焊接不牢固，當受到巨大的瞬時作用力時，就造成了復合片破裂、掉片等現象。綜上所述，即使鉆井的參數一樣，在鉆進硬巖層中去時PDC鉆頭更容易遭到破壞。

（3）PDC鉆頭水力參數選擇不當，若是實用PDC鉆頭工作時，選擇的比水功率比較小，便會對復合片清洗和冷卻不徹底，易造成PDC鉆頭泥包和復合片的熱加速磨損。如果比水功率選擇過大，會使噴嘴或者切削齒脫落，甚至噴出的流體沖擊到井底后會直接沖蝕切削齒。

2常規PDC鉆頭的修復過程

（1）鉆頭的初檢：

（2）鉆頭的初檢和分解拆卸：根據PDC鉆頭磨損情況和長期的鉆頭修復經驗，將PDC鉆頭磨損情況分門列類，視磨損情況分別處理。分解步驟一般是：先將要修復的胎體PDC鉆頭清洗干凈，然后將清洗后的鉆頭利用中頻加熱設備加熱。當鉆頭體溫被加熱到600℃左右時，取下切削齒，把能夠再次使用的部分放到保溫設備中等待再次使用，對于不能再次使用的需要放到容器中，進行修復或者再制造。除掉切削齒的鉆頭，則需要放在保溫材料中，進行冷卻。

（3）修復鉆頭體以及切削齒：首先將冷卻的鉆頭體進行噴砂處理（增加鉆頭粘附性），用石墨代替品鑲嵌到齒中，然后采用堆焊的方法進行鉆頭體修復，切削齒的修復與鉆頭體類似。

（4）鉆頭體與切削齒的焊接:銀釬焊采用中頻感應加熱技術與氧-乙炔堆焊加熱技術相結合的方式。焊接的過程中，需要將焊槍對準焊接孔，進行輔助加熱，確保焊料熔化能夠充分，讓切削齒和孔之間實現完全的吻合，對復合片施加一定的壓力, 使復合片冷卻固定,特別注意，對于再利用的切削齒應該將其磨損部位旋轉到齒穴的側面去。

（5）保溫及后處理：進行冷卻的主要目的是為了確保焊接強度能夠滿足實際需要，降低其內應力，在鉆頭體堆焊和釬焊之后，需要將鉆頭放在保溫設備中進行保溫處理，保溫時間6～9小時。鉆頭的主體修復后, 可將其裝在機床上, 對其外徑用金剛石砂輪進行再加工,以期得到理想、規則的尺寸和外形，然后進行出廠檢測。

（6）修復樣品信息反饋：對于修復的PDC鉆頭進行編號，追蹤反饋鉆頭的使用情況和損壞情況，進行列表分析改進修復工藝[2]。

3可行的創新點與目標

（1）在鉆頭修復過程中，改進修復技術，盡量縮短工序，降低生產成本，同時保證鉆頭修復質量，從而提高經濟效益；（2）與使用PDC鉆頭企業聯系、溝通，在PDC鉆頭使用過程中及時進行跟蹤調查，在鉆頭出現大的損壞情況前及時發現（指目前比較好修復的狀況），并進行修復，防止鉆頭損壞嚴重后，增加修復難度和成本，從而幫助企業降低成本，并且提高鉆頭使用壽命；（3）跟蹤反饋修復后鉆頭的信息，及時改進修復技術，改進生產工藝，提高鉆頭修復工藝；（4）對復合條件的舊鉆頭進行再制造，對于質量好的舊鉆頭可以不僅僅進行簡單的修復，可以進行深加工，再制造，提高其性能，使其能適用于更復雜的地況，提高其自身價值。

本項目研究的預期目標是希望通過本技術修復的PDC 鉆頭質量與新加工的PDC鉆頭質量無明顯差別，解決PDC 鉆頭的回收及再制造問題，既能滿足生產需要，又將大幅度降低鉆頭成本，使得廢舊材料重新發揮其應用價值，爭取實現較好的經濟效益。

參考文獻:

[1]孔麗麗.胎體PDC鉆頭修復技術的探討[J].工業技術,2012(11) :49.

[2]周龍昌等.鋼體PDC鉆頭修復技術之研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2005(9):41-45.

[3]周龍昌.鋼體PDC鉆頭新型制造工藝研究[J].石油礦場機械, 2004.33(05):105-107.endprint