胎體式PDC鉆頭基體制作新工藝

徐玉超

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

胎體式PDC鉆頭基體制作新工藝

徐玉超

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

為降低胎體式PDC鉆頭的制造成本，并保證鉆頭的強度，利用計算機三維設計技術(shù)重新設計了PDC鉆頭內(nèi)部鋼芯的結(jié)構(gòu)。分步進行了燒結(jié)刀翼小樣和PDC鉆頭基體試驗，并進行了相應的溫度試驗、強度試驗、復合片焊接試驗和現(xiàn)場試驗，未發(fā)生基體表面破裂、碳化鎢胎體脫落現(xiàn)象，驗證了新工藝的可靠性。對比了采用新工藝和原有工藝制作φ215.9 mm 5刀翼胎體式PDC鉆頭基體的成本，結(jié)果表明，采用新工藝鉆頭基的制作體成本降低了54%。研究表明，采用新工藝制作胎體式PDC鉆頭基體的成本明顯降低，強度可靠，完全可以滿足現(xiàn)場使用要求，具有推廣應用價值。

聚晶金剛石復合片鉆頭 胎體 制作工藝 碳化鎢

1 問題的提出

胎體式PDC鉆頭基體的基本制作流程是：將鋼芯放進鉆頭凹模內(nèi)，然后將碳化鎢粉和合金焊料加入鋼芯與模具之間的空隙中，再將模具放入高溫燒結(jié)爐中燒結(jié)，使碳化鎢粉與鋼芯黏結(jié)在一起。胎體式PDC鉆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于PDC鉆頭表面上的曲面較多、形狀不規(guī)則，加之過去數(shù)控加工技術(shù)不成熟，利用機械方式很難完成鉆頭模具的加工，某些工序必須使用手工方式。因此，在鉆頭模具制作過程中會存在較大的制造誤差，利用其制造的鉆頭也存在較大的誤差，不利于鉆頭質(zhì)量的控制。此外，由于制造誤差較大，為了將鋼芯順利放入鉆頭模具中，且與鉆頭模具不發(fā)生干涉，制作鋼芯時其與鉆頭凹模之間通常留有較大的空間余量，因此會增大碳化鎢粉的用量。而碳化鎢粉價格昂貴，其成本幾乎占胎體式PDC鉆頭成本的一半，尤其是近年來碳化鎢粉價格不斷攀升，導致胎體式PDC鉆頭成本大幅度增加。如果能夠減少鉆頭基體碳化鎢粉的用量,可以有效降低鉆頭成本。

研究表明，改變胎體式PDC鉆頭基體內(nèi)部的鋼芯結(jié)構(gòu)，適當增大鋼芯的體積就可以減小碳化鎢粉的用量，從而降低鉆頭成本。為此，筆者通過改變鉆頭基體內(nèi)部的鋼芯結(jié)構(gòu)和體積，探討了降低胎體式PDC鉆頭基體制作成本的新工藝。

2 胎體式PDC鉆頭基體制作新方法

為了提高胎體式PDC鉆頭基體(以下稱鉆頭基體)的制造精度，并降低鉆頭基體的制造成本，改進了鉆頭基體的制作方法:

1) 利用計算機三維設計技術(shù)設計PDC鉆頭三維模型和相關(guān)零部件，然后利用五軸數(shù)控加工技術(shù)加工鉆頭基體模型，提高了鉆頭基體的制作精度[1]。

2) 根據(jù)鉆頭基體模型的尺寸和形狀設計、加工鉆頭鋼芯，通過改變鉆頭鋼芯的形狀和尺寸，提高了鋼芯與鉆頭基體模具的裝配精度，使鋼芯與鉆頭基體模具之間的間隙更加均勻，同時縮小了鋼芯與鉆頭基體模具之間的空隙體積，也減小了鉆頭基體碳化鎢粉的用量，從而可達到降低胎體式PDC鉆頭制造成本的目的。

根據(jù)該方法進行了胎體式PDC鉆頭基體新工藝試驗研究，試驗分2步進行：第一步，進行鉆頭刀翼小樣試驗；第二步，進行全尺寸PDC鉆頭基體試驗。

3 鉆頭刀翼小樣新工藝試驗

首先，設計加工一個鉆頭刀翼的形狀作為燒結(jié)小樣的模具(見圖2)，然后，根據(jù)刀翼的形狀、尺寸加工刀翼的內(nèi)部鋼芯(見圖3)。鋼芯尺寸嚴格按照最初的設計構(gòu)想，控制鋼芯與模具之間的距離為2～3 mm；填裝碳化鎢粉，使鋼芯表面覆蓋的碳化鎢粉厚度為2～3 mm。試驗的主要目的是：驗證較薄碳化鎢粉燒結(jié)的試件表面會不會出現(xiàn)裂紋；驗證燒結(jié)后碳化鎢粉與鋼芯的結(jié)合強度是否合格。

完成鉆頭刀翼模具加工之后，利用陶土和石墨模具翻制鉆頭刀翼凹模，然后將刀翼鋼芯放入刀翼凹模中，調(diào)整鋼芯與模具之間的間隙，裝入碳化鎢粉，放入加熱爐中進行燒結(jié)。燒結(jié)完成后的鉆頭刀翼試件表面未發(fā)現(xiàn)裂紋(見圖4)。隨后，對鉆頭刀翼進行加熱，加熱和冷卻保溫過程與鉆頭焊接復合片的過程相同。在試件加熱過程中和完全冷卻后，刀翼表面也沒有出現(xiàn)裂紋，使用C41-20kg型空氣錘擊打10次，表面無破裂，無碳化鎢胎體脫落現(xiàn)象，說明碳化鎢與鋼芯結(jié)合牢固可靠。

為檢查刀翼試件內(nèi)部碳化鎢粉與鋼芯的結(jié)合情況，用線切割機將刀翼橫向割開，鋼芯尖角處存在微小縫隙，其余部位結(jié)合致密，無微隙(見圖5)。分析認為，鋼芯尖角處與碳化鎢結(jié)合部位存在微小裂縫是因為鋼芯與碳化鎢的熱膨脹系數(shù)不同。因此，制作鉆頭鋼芯時應盡量減少和避免尖角。其他地方結(jié)合緊密，無微隙，碳化鎢與鋼芯結(jié)合強度高，完全滿足PDC鉆頭基體的強度要求。

4 鉆頭基體燒結(jié)試驗

完成鉆頭刀翼試件燒結(jié)試驗后，在此基礎上進行全尺寸PDC鉆頭基體燒結(jié)試驗，同時需要解決PDC鉆頭基體燒結(jié)制作過程中的工藝問題(如水眼燒結(jié)、水眼裝配問題及裝料方法等)，驗證其工藝和質(zhì)量的可行性，考察鉆頭基體成本能否降低。

4.1 鉆頭模具的設計與加工

利用軟件設計了一種φ215.9 mm 5刀翼PDC鉆頭三維實體模型(見圖6)。設計過程中，切削齒尺寸、水眼尺寸、水眼位置等PDC鉆頭參數(shù)均嚴格按照PDC鉆頭的設計要求進行設計[2-3]。鉆頭三維模型設計完成后進行數(shù)控編程，利用五軸數(shù)控加工機床進行PDC鉆頭模具的加工，然后翻制出鉆頭的凹模。采用該設計和加工方式，鉆頭模具的加工精度和加工質(zhì)量都大大提高。

4.2 鉆頭鋼芯的改進與加工

傳統(tǒng)的鉆頭模具制作誤差較大，為避免鋼芯與模具相互接觸或者兩者之間的間隙過小，設計時鋼芯尺寸設計得較小，保證與鉆頭凹模之間留有較大的空隙[4-5]。同時，為了方便碳化鎢粉的填裝，鋼芯的中間部分采用中空設計(見圖7)。但鋼芯與鉆頭凹模之間的空隙較大，碳化鎢粉用量較大，由于碳化鎢粉價格昂貴，導致鉆頭成本較高。為了減小碳化鎢粉的用量，必須對鋼芯的結(jié)構(gòu)進行改進，以減小鋼芯與鉆頭模具之間的空隙。

鋼芯的具體改進方法：改變鋼芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將中空的環(huán)形結(jié)構(gòu)改為實體結(jié)構(gòu)，中間只保留水眼；將鉆頭鋼芯加強筋與鋼芯設計為一體，以提高鋼芯強度；根據(jù)鉆頭模具的設計尺寸與特征設計鋼芯的外形結(jié)構(gòu)[6-7]，并進行數(shù)控加工，保證鋼芯與鉆頭模具的尺寸和形狀一致(見圖8)。通過上述方式，保證鋼芯與鉆頭凹模之間的間隙比較均勻，最小間隙3～4 mm，提高了裝配精度，以避免裝配時出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

4.3 鉆頭基體的裝料與強度試驗

采用中空設計的鋼芯，碳化鎢粉通過鋼芯內(nèi)部孔道和外部與鉆頭模具之間的空隙進行填充，碳化鎢粉裝料工藝過程簡單。采用新型鋼芯后，由于其鋼芯中間為實體結(jié)構(gòu)，無法填充碳化鎢粉，只能利用鋼芯外部與鉆頭模具之間的空隙進行填充。為了確保碳化鎢粉充滿空隙，先在模具底部預裝入一部分碳化鎢粉，再放入鋼芯，然后利用鋼芯與模具之間的空隙填裝碳化鎢粉，裝料的同時進行振動，以加強碳化鎢粉的流動性，從而保證碳化鎢粉能夠填滿整個空隙。

利用上述方式完成了2只P5254MJ型φ215.9 mm胎體式PDC鉆頭基體的裝料，然后采用正常的工序?qū)︺@頭基體進行了燒結(jié)。燒結(jié)后，2只鉆頭基體表面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。對其中1只鉆頭進行強度破壞試驗，使用 C41-20kg 型空氣錘擊打10次，鉆頭基體表面無破裂、無胎體脫落現(xiàn)象；另外1只鉆頭進行PDC復合片焊接試驗，檢驗其在加熱過程中是否產(chǎn)生裂紋，焊接工藝與普通胎體鉆頭一致。經(jīng)觀察，在復合片焊接過程中未出現(xiàn)裂紋，焊接冷卻清理之后，鉆頭表面未見裂紋(見圖9(a))。為了進一步驗證鉆頭基體的可靠性，在某井硬地層中進行了鉆進試驗，使用該鉆頭鉆進52 h，進尺109.18 m，起出后鉆頭基體表面無裂紋、無胎體剝落現(xiàn)象(見圖9(b))，進一步證明利用新工藝制作的鉆頭基體的強度可靠。

5 鉆頭基體材料成本對比

對比采用新型鋼芯和常規(guī)鋼芯分別制造同尺寸PDC鉆頭基體的材料成本、加工成本，結(jié)果見表1。

由表1可知，使用新型鋼芯后，鉆頭基體使用的碳化鎢粉和合金焊料大幅減少，雖然鋼芯成本有所增加，但是鉆頭基體總成本大幅降低，單只鉆頭基體成本降低5 230元，降低幅度為54.2%，節(jié)約效果顯著。

6 結(jié)論與認識

1) 改變胎體式PDC鉆頭基體內(nèi)部鋼芯和碳化鎢粉裝填工藝時，要重新制定相應的工藝規(guī)程，以確保工藝可行。

2) 利用新工藝燒結(jié)胎體式PDC鉆頭基體時，由于碳化鎢粉厚度發(fā)生較大改變，因此燒結(jié)、冷卻工藝要進行相關(guān)試驗，并對燒結(jié)后的基體強度進行驗證。

3) 刀翼試件、新型鋼芯鉆頭基體燒結(jié)試驗和強度試驗結(jié)果證明，采用文中所述新工藝制作的鉆頭基體，其強度可靠、工藝可行，完全滿足鉆井需求。

4) 對比采用新型鋼芯與常規(guī)鋼芯燒結(jié)PDC鉆頭基體的成本，采用新型鋼芯燒結(jié)鉆頭基體的成本大幅度降低，經(jīng)濟效益可觀。

5) 要特別注意的是，加工時鋼芯應減少尖角，避免應力集中，防止粉料與鋼芯結(jié)合強度不夠。

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[編輯 令文學]

A New Technology for Manufacturing a Matrix PDC Bit

Xu Yuchao

(DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257017,China)

This paper introduces a method to cut the cost of a matrix PDC bit by improving the inner steel core which was designed by 3D design technology of PDC bit.Sintering tests of blade and bit matrix were conducted.Then,the temperature test,strength test,cutter welding outfit and field experiments of the PDC bit manufactured with the new technology were carried out.The new PDC bit matrix was undamaged,which demonstrated the reliability of the new technology.The comparative analysis indicated that the material cost ofφ215.9 mm 5-blade matrix PDC bit was cut by 54% with the new technology.As a result,the new technology for manufacturing matrix PDC bit could be popularized and applied for its economic results and high reliability.

polycrystalline diamond compact (PDC) bit;matrix;manufacturing process;tungsten carbide

2014-08-04；改回日期：2014-12-19。

徐玉超(1976—)，男，山東成武人，2001年畢業(yè)于山東理工大學機械設計與制造專業(yè)，2008年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學位，工程師，主要從事石油鉆井工具方面的研究工作。

?鉆采機械?

10.11911/syztjs.201502022

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A

1001-0890(2015)02-0126-04

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