提高PDC钻头焊接强度工艺研究

随着PDC钻头的应用范围不断扩大,所钻进岩层更加复杂,在复杂地层及硬岩钻进中时有PDC片脱落现象,造成钻头寿命迅速降低,从而制约了推广应用.通过分析发现,影响PDC钻头掉片的主要原因是焊接强度不稳定.针对这种情况,通过工艺研究,在焊前处理中采用了特殊处理方法,使得焊接强度提高了70%以上.     

PDC钻头焊前焊后处理工艺的试验研究

PDC钻头焊前脱水方式、焊后炉中冷却初温与冷却时间等工艺参数的合理选择是提高PDC钻头焊接强度的基础。通过室内正交实验， 研究了上述工艺参数与PDC焊接面抗剪切强度的关系，确定了各工艺参数的优化值。     

PDC自动化高频感应钎焊强度的影响因素

随着制造业不断向自动化、智能化方向发展,研究PDC钻头钎焊自动化是钻头生产技术的重点发展方向之一。为分析焊接强度对PDC自动化钎焊的影响及适应情况,利用特制的工装及试验条件,以PDC片和合金支柱为基体材料,开展了PDC高频感应焊接试验;并结合剪切强度和断面形态,分析了钎料钎剂、表面预处理、焊接方式、保温方式及感应加热对焊接强度的影响,并提出了适应PDC自动化钎焊的钎焊工艺方法。结果表明:应根据实际情况选取合适的银基钎料及专用焊膏;母材表面氧化层对焊接强度的影响较大;采用旋转式辅助焊接方式有助于钎料的铺展及排气排渣,能有效提高感应钎焊的强度;保温方式对PDC感应焊接强度的影响不大;应减小感应加热的集肤效应造成的边缘钎料熔蚀和中心温度低钎料未完全熔融对工件焊接强度的影响。研究结果为实现PDC自动化感应焊接提供了可行性方案,并对实现PDC钻头自动化钎焊提供了基础依据。      

PDC复合层厚度对金刚石钻头性能影响的现场试验分析

在PDC钻头切削齿磨损机理研究基础上，进行了现场试验。结果表明，PDC切削齿复合层厚度对金刚石钻头的寿命及机械钻速有较大影响，因而切削齿复合层厚度的选择在金刚石钻头优化设计中是非常重要的。     

深孔PDC扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

扩大PDC钻头适应岩层范围的技术措施

现有PDC钻头在中硬岩层中具有较好的钻进性能，但钻进软岩时存在钻头糊钻、效率低的问题，钻进较硬岩层时则存在钻头寿命短的问题，而大部分岩层属软、较硬岩石互层，因而制约了PDC钻头的大量推广应用。论述了扩大PDC钻头适应岩层范围的技术措施，并通过现场试验证明了技术措施的可行性。     

PDC钻头在鄂北气田的研究与应用

机械钻速低、钻井周期长等因素制约着鄂尔多斯北部气田的开发。通过对鄂尔多斯地区地层特征的分析，优选了适合该区地层的PDC钻头型号，总结了PDC钻头的使用技术措施和取得的技术成果。实践证明在鄂尔多斯地区使用PDC钻头，可显著地提高机械钻速，降低钻井成本。     

国际油气井钻头进展概述(三）——PDC钻头发展进程及当今态势（上）

自1973年PDC钻头应用以来,油气钻井发生了很大变化。但是PDC钻头在早期约15年时间内发展缓慢。此后,由于加强技术创新,如多层聚晶金刚石层、非平面界面专利、防回旋技术、滤钴工艺、优化水力学设计以及计算机建模等,促进了PDC钻头迅猛发展、广泛应用。目前,PDC钻头在世界上所钻进尺数已占到约90%。NOV公司近年推出4种太阳神PDC切削齿,由其制作的PDC钻头提高了热稳定性、抗研磨性、抗冲击韧性与导向性等。这类钻头可以钻进硬岩与研磨性地层,以及一些难钻地层,具有较高的钻进效率和较好的耐用性。Helios太阳神系列PDC钻头成功地应用于挪威、中东、澳大利亚以及美国等地的油气田。斯伦贝谢公司推出的ONYX玛瑙360°滚动PDC可保持刀齿锐利、相对冷却及延长寿命,显著地提高了钻头耐用性。在美国许多油气田应用表明,这种滚动PDC制造的钻头比固定齿PDC钻头平均钻进效率可提高40%以上,而钻头的工作寿命则可提高40%～70%。     

国际油气井钻头进展概述 (四)——PDC钻头发展进程及当今态势（下）

近年来,非平面PDC切削齿,如浅凹面PDC齿、Stinger毒牙中心锥形齿、Stinger毒牙刀翼锥形齿、AxeBlade斧式脊形PDC齿和StayCool保持冷却PDC齿等制造的钻头,逐步在油气钻井中得到有效的应用。这些钻头能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层。为了满足水平钻井,特别在页岩气水平井中能够强力排除岩屑,并具有优良的钻井导向性能,国际著名公司推出了许多新型钻头,如ONXY Ⅱ矛式PDC钻头、Seeker导向PDC钻头、CounterForce反力PDC钻头、Speed快速PDC钻头等用于当代油气钻井,取得了良好的效果。文章还介绍了Defyer DPA套管钻头与CuttPro PDC防剪切保护帽。提出了以下建议：继续深入研究PDC钻头,以提高其性能,更好地满足油气钻井的要求;组合化钻头是油气钻头发展的重要趋势;比金刚石性能更好的钻头切削材料有可能今后发现或合成,可用于制作更佳钻井钻头;我国钻头企业需重组和发展状大;各种钻头技术创新应该加强。     

基于ANSYS的PDC钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析

金刚石复合片(PDC)钻头钎焊裂纹尖端两侧临近界面处应力高度集中,是导致其断裂失效的主要原因。基于ANSYS对PDC钻头钎焊裂纹进行数值模拟,针对焊缝裂纹形状、厚度、位置的不同,能对裂纹尖端应力场等值线图及应力强度因子进行数值计算。借助这一计算PDC焊缝裂纹应力强度因子的新方法,阐述了PDC断裂失效机理,用以指导钻头焊接工艺,稳定和提高PDC钻头焊接质量。      

新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。     

国内外PDC钻凿特性检测试验研究

针对PDC钻头在钻复杂硬地层中容易出现崩齿、碎裂、剥蚀脱层和过度磨损等问题,本文采用自主研发的PDC钻凿/磨铣特性检测试验装置对五种φ19 PDC片、五种φ16 PDC片和七种φ13PDC片进行了钻凿/磨铣特性进行了检测及评价。结果表明,不同厂家、不同规格PDC片切削性能各不相同,PDC钻凿特性有后期出刃型和直接出刃型两种。在相同条件下,后期出刃型钻速表现出由低到高再到低,直接出刃型表现为由高到低的特性,因此,在制造PDC钻头的过程中应合理选择PDC片规格尺寸,从而有效提高PDC钻头质量。     

温度对不同外形PDC切削齿性能的影响

为了探究不同温度下PDC切削齿性能,以适应不同的钎焊温度,并合理选用外形来提高效率,从影响金刚石复合片（PDC）质量的主要参数:耐磨性、磨削时间、平稳性、抗冲击韧性等出发,对不同厂家、不同外形的PDC在受热前后的性能进行试验,同时比较了平面片、微弧片和弧面片性能上的差异。结果表明:随着温度的升高,磨耗比呈现出降低的趋势;加热到750℃后,PDC磨耗比降低约30%~50%,磨削时间增加,进尺变慢;当温度达到800℃时,磨耗比小于10万,冲击功小于100 J;PDC切削齿对温度的敏感度不同,可根据不同温度下的性能对其分级,以满足不同的钎焊温度的焊接;对于不同外形的PDC,平面片磨削时间短,磨削效率高,而微弧片和弧面片磨耗比略低,磨削时间长,但冲击韧性大大提高。因此,在制造PDC钻头的过程中合理选择PDC形状,并将不同性能的PDC用于钻头的不同部位,能够有效提高PDC钻头的寿命。      

水射流辅助PDC刀具切割岩石的力学分析

通过对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石的力学分析,定量地确定出水射流对机械刀具受力的作用。试验研究表明,水射流辅助刀具切割岩石时刀具受力随切割深度的增加而线性增加;水射流布置在刀具底部后方,并偏离刀具铅垂中性面适当位置辅助刀具破岩时,刀具受力可减少30 %～50 %,并且刀具力的减少率几乎不受切割深度变化的影响。     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

PDC钻头的新发展及应用

聚晶金刚石复合片钻头的发展及应用，大大提高了钻井的机械钻速，减少了钻井时间，降低了钻井成本，本文主要介绍ＰＤＣ钻头的发展与应用概况，几种新型的ＰＤＣ钻头与应用，以及ＰＤＣ钻头的偏转与解决办法。     

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1000℃升高到1500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。      

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

PDC钻头布齿的计算机辅助设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法。该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,不符合PDC钻头布齿设计灵活的特点,而且有时会出现不必要的误差。本文在讨论PDC钻头布齿设计特点的基础上,叙述利用CAD进行PDC钻头布齿设计的原理和方法,介绍PDC钻头布齿计算机辅助设计软件的内容和编制原理。      

改进型PDC钻头切削齿室内破岩试验研究

表面带碳化钨保护层的新型聚晶金刚石复合片既可保持复合片的自锐特性及耐磨性,又可以避免切削齿的崩裂,掉块现象,在硬地层中,新型ＰＤＣ切削齿在钻速,切削齿强度和寿命方面与常规ＰＤＣ齿相比具有更好的工作性能。