PDC钻头胎体性能研究

随着ＰＤＣ钻头结构的变化以及质量的提高，ＰＤＣ钻头对地层的适用范围也在不断扩大，在石油勘探开发中发挥了新的优势，已成为不可替代的重要钻井工具之一。尤其是焊片式胎体ＰＤＣ钻头，它通过模具可以一次成型，制造出结构形状复杂的钻头，不受齿柱式布齿受限的影响，具有钻头基体耐冲蚀、抗高压、使用寿命长的特点，因此受到了用户的认可。为了发挥胎体ＰＤＣ钻头的特长，必须保证钻头胎体有足够的强度和冲击韧性，防止正常使用中受到破坏，保证使用安全，所以针对钻头结构特点，开展了钻头胎体性能方面的试验研究。胎体ＰＤＣ钻头从结构上分主要有两种：一种是西瓜皮型的齿柱式，一种是刀翼型的焊片式ＰＤＣ钻头。目前，市场上主要以刀翼型的胎体ＰＤＣ钻头为主，因为刀翼型有较大的排屑空间能及时排屑，防止钻进中重复破碎，对提高钻速起到了明显作用。国内外的ＰＤＣ钻头生产厂家也基本是刀翼形式，因此刀翼型的ＰＤＣ钻头具有结构简单、钻速快等特点，所以被广泛采用。

刀翼型ＰＤＣ钻头在钻进过程中施加的钻压集中在几个刀翼上，刀翼的受力与金刚石胎体表镶或孕镶钻头、齿柱式西瓜皮钻头有很大的区别，主要表现在钻头结构整体受力和刀翼的局部受力分布上。在钻压和扭转力的联合作用下，保证刀翼不会断裂，胎体和钢体结合牢固，除机械加强外，要求胎体具有较高的综合强度才能满足这种刀翼结构。根据多年的经验和现场验证，胎体ＰＤＣ钻头结构不同、刀翼的长短不同，对胎体性能要求也有所不同。对胎体钻头而言，钻头设计不仅是结构设计，还应包括胎体性能及工艺方面的设计。因此，设计再好的钻头结构必须由胎体材料性能来保证，二者是相辅相成的，单一的要求都是偏面的。所以，开展对钻头胎体配方、性能方面的试验研究是实施钻头设计思想、保证钻头质量的关键。胎体是由骨架料和浸渍合金经烧结而形成的统一体。骨架料是由不同粒度的粉末冶金组成，而浸渍合金也是由不同的铜基焊料成份所组成。胎体的性能取决于骨架料和浸渍合金的选择。同样的骨架料，使用不同的浸渍合金会得到不同的胎体性能，反之同样的浸渍合金、不同的骨架料也会得到不同的胎体性能。

２００３年～２００４年间，我们重点做了７种骨架料的配方试验，其试验情况如下：骨架料配方１、２、３、４、５、６、新４，７种骨架料主要以不同粒度的ＷＣ＼ＷＣ和其它金属所组成的。

浸渍合金：７种骨架料的浸渍合金为２或５１６焊料。

试样的规格尺寸：抗弯试验试块：５×５×４０ｍｍ；冲击试验试块：１０×８×５５ｍｍ。

第一批烧结试块配方有：１、２、３、４、５，焊料均为２。从烧结性能看，每套模具六块中，保证４块至５块的烧结成功率。

第二批试验骨架料配方为３、５、６，主要针对不同镍粉生产厂家和不同焊料进行对比，验证镍粉不同生产厂家对胎体性能和烧结过程的影响。验证同配方、不同焊料对胎体性能的影响。通过烧结，发现３配方烧结正常，浸渍良好，５、６配方烧结时涨力很大，排气不畅，模具涨裂。反复烧结几次，解决了排气问题，才烧结成功。

第三批试验骨架料配方为新４、５、６，焊料均为２，在第二批烧结实验的基础上，解决了排气问题，烧结成功。

１－６配方胎体性能测试见表１：

从测试表看出，均为２焊料的１－６骨架料配方中，抗弯、冲击

强度最高的是５、６、３，其次为４、２、新４配方，强度最低的为１配方。１、２和４配方中，主要骨架成分有明显的区别，３、５、

６配方接近，只是镍含量不同。使用５１６焊料的３、５配方中，强度最低。试验、测试综合分析初步认为有以下几方面。

（１）同种骨架料配方，同种焊料分批烧出的试块，性能检测数据有出入，而且同一模具烧出的试块性能也不尽相同。只要符合规律和趋势变化，即是达到了试验目的，如５、６配方。因此几次的试验结果趋势是一致的。

（２）镍粉的生产厂家不同，从试验数据看，没有明显的差别，误差在２％以内。

（３）不同焊料配同种骨架料配方，对强度影响很大。如３、５配方分别以２＃和５１６焊料烧结，５１６焊料烧结的试块强度（抗弯、冲击）低很多，有明显的差别。５１６焊料显示脆性。可能由于胎体烧结后的冷却工艺不同，对强度有影响，现无实际钻头取样，无法验证。

通过以上三批的试验、测试、分析，得出以下规律：

（１）骨架料的密度大，胎体密度就大，胎体硬度高。同时，胎体的密度随骨架料密度的增加而增加。胎体的密度与骨架料的主要成分以及粒度的大小有直接关系。

（２）镍粉能提高强度，综合性能较好。强度随镍粉含量的增加而提高。但不是越高越好，镍粉超过一定含量，强度是提高了，而硬度却降低。另外，镍粉含量增加，烧结过程涨力大，含气量大，容易造成模具涨裂。如５、６配方试验时，存在明显的不易烧结的现象。

（３）胎体的耐磨性、耐冲蚀性与胎体的硬度有关。硬度高，胎体的耐磨性、耐冲蚀性就好。胎体配方的确定原则：首先应保证钻头井下使用安全，胎体与钢体有足够的连接强度；二是保证不断刀翼，胎体的抗冲击性能好，抗弯强度高；三是胎体的耐冲蚀性、耐磨性好，否则造成复合片的先期脱落。这三项原则是对胎体性能的基本要求。

对于钻头胎体而言，不仅要求胎体本身的强度，胎体与钢体的连接强度是关键，它直接涉及到井下的使用安全。对此，我们在钻头钢体的选材上以及钢体与胎体连接部位的结构上作了一些改进。其改进情况如下：

（１）钢体由３５ＣＭ改为２０钢，因为低碳钢比结构钢与胎体有更好的粘结性能。

（２）钢体与胎体连接部位的结构由圆弧阶梯形改为马牙扣型，增加了钢体对胎体的焊接面，提高了钻头的抗扭强度。

（３）根据钻头外径大小以及刀翼长短，增加了刀１

钻头结构与胎体性能

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钻头胎体配方试验

３

胎体力学性能检测分析

４

胎体配方选择的确定

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＃２ｒＯ翼（转１５２页）

PDC 钻头胎体性能研究

潘信众

（胜利石油管理局钻井工艺研究院）

摘要关键词通过实际应用的胎体配方和初步选定的配方试验，进行了胎体的物理机械性能测定、分析，找出了规律，选定了配方，为今后改进胎体配方打下了基础。

钻头结构骨架料浸渍金属胎体性能

配方选择表胎体力学性能试验表

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