金刚石复合片的命名PDC复合片的使用方法聚晶金刚石复合片的性能

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金刚石复合片的命名PDC复合片的使用方法聚晶金刚石复合片的性能

金刚石层与硬质合金层热膨胀系数不同而产生的残余应力，基本解决了残余应力所引起的分层，有效地提高了PDC杭冲击与抗疲劳强度，相对于平面界面的PDC进了一大步。通过计算机对PDC的有限元三维应力计算，近几年又成功推出一种环爪型界面的PDC，即金刚石层圆周上有一个宽1~左右、相对于中心区域的金刚石层要厚1一3mm的环形区域，这不仅进一步改善了金刚石边缘的应力分布、降低了应力值，同时也增加了其耐磨性与抗冲击性。现在钻头用PDC几乎全部采用了非平面界面的结构，但每个制造商的齿槽形状与尺寸各不相同。(2)金刚石层倒角的PDC1995年由美国休斯公司(BakerHughesC。)提出的金刚石层倒角技术，现在已经在钻头用PDC上得到了推广，倒角大小可根据地层情况的不同进行选择，一般为0.2一O.smmX45。，钻进时PDC抗破损能力提高了约一倍，在非均质地层(夹层)钻进时效果尤其显著，明显提高了钻头的度及总进尺。(3)金刚石表面抛光的PDC1995年休斯公司推出的又一项创新是抛光钻头用PDC的金刚石表面，如同刀具用PDC抛光其金刚石表面一样，抛光的钻头用PDC可明显减少钻进地层时PDC与地层的摩擦，有利于排屑与减少热损，提高进尺速度，这一技术己被广泛地采用。(4)多层金刚石层的PDC一般的PDC金刚石层是采用相同金刚石粒度组成的单层，所谓的多层是金刚石层的表层为相对较细粒度的金刚石，下层即与硬质合金基体相接触的部分采用相对较粗粒度的金刚石，这种PDC的表层更耐磨，而下层更耐冲击，九十年代这种多层金刚石层的PDC己成为标准品种。(5)金刚石层表层耐热的PDC近年来，瑞特(Reed)公司推出了一种将金刚石表层去钻的PDC，表层剩余金刚石一金刚石结合的骨架，这种创新的PDC商品名为Trex，由于金刚石表层去钻而耐热性提高，在钻进硬地层时能有效防止摩擦热引起的金刚石石墨化，减少了PDC磨损，实践证明这种PDC钻头在钻进深井硬地层时的进尺速度与总进尺有显著提高。(6)金刚石层更厚的PDC早期的PDC的金刚石层厚仅0.5~，其抗磨损能力弱、度低。八十年代后，各PDC制造公司都分别增加了金刚石的体积，金刚石层从1~扩大到2~，甚至4mm，显著地提高了PDC的耐磨性，对于强磨蚀性地层如致密的泥沙岩、胶质沙岩的钻井特别有利，但对于钻进硬地层，太厚的金刚石层虽然耐磨，却出刃性不佳、进尺速度慢，不宜采用。根据PDC钻头使用过程中所暴露出来的PDC性能上不足之处及钻进硬地层、夹层等难钻地层的新要求，几十年来人们对PDC的改进与研究成果主要有以下几方面[’6]:(1)非平面界面(non一planarinterfaee)的pDC在八十年代初期，PDC在使用中经常出现金刚石层从硬质合金衬底上脱落(即分层)或碎裂现象，导致钻头过早失效。1984年Stratabit公司推出了齿槽相间的爪型结合界面的PDC，金刚石层与硬质合金层相互啮合，有效降低了因金博士学位论文章绪论(7)金刚石层非平面的PDC1986年由梅加金刚石公司推出了金刚石层为球面的抗冲击PDC钻齿，其金刚石层分2至3层，靠近硬质合金基体的1一2层中由金刚石与碳化钨颗粒混合组成，相当于在多晶金刚石层与硬质合金基体之间有1一2层过渡层，可减少热膨胀系数不同所引起的残余应力，提高抗冲击性能。目前球面PDC的主要问题之一是它比要取代的硬质合金柱齿的成本高很多，其成本与碳化钨柱齿相比为30:1到50:1。因此，该齿要能商业应用，克服过高的成本。(8)扩大了PDC的尺寸规格现在钻探用PDC的尺寸规格，外径主要有中smm、中10mm、中13.44mm、中16mm、中19.05mm以及中25.4mm，其高度主要有4mm、smm、13.2mm、16.3lmm、19~等。这一系列的不同规格尺寸的PDC，充分满足了钻头结构设计的需要。前述对PDC作出的种种改进，使其具有了更好的耐磨性、抗冲击性、热稳定性与抗疲劳强度，但要提供给钻头制造商的每一片PDC都是性能良好而无缺陷的，即合格率达到几乎，以确保钻头钻井中不致于因个别PDC的破坏导致钻井效率降低或失效而起钻，这就需要建立一套有效且可行的PDC性能检测方法以及完善的质量控制体系来实现这一目标。
常规复合钻头面临的问题
钻头钻进时，在钻压的作用下通过钻柱的旋转带动钻头旋转来破碎岩石。由于排岩屑的需要，钻头切削结构之间一般会设置有流道，在周向上钻头的切削结构并不连续，而是形成多边形效应，多边形的边长（两切削结构之间的空隙间距）称为跨度（S），如图1 所示。由于切削结构周向不连续，使钻头在井底破岩工作时易产生振动，加剧钻头的工作不稳定性。钻头切削结构之间的跨度越大，钻头的工作稳定性越差，切削齿在钻头的不稳定工作及振动下越易损坏。特别是在定向钻进中，由于钻头被导向工具推向或指向井壁的某一方向，钻头偏离井眼中心对井壁及井底与井壁的过渡区域进行侧切钻进， 形成“铣削”效果（图1）。钻头从一组刀翼过渡到另一组刀翼侧切井壁时，跨度的存在使切削结构上的切削齿产生冲击。跨度越大，切削齿所受冲击越大， 使钻头外锥区域产生冲击失效，进而引发钻头环切、缩颈等失效。图2 为钻头从其切削齿初期失效到缩颈的失效过程。这种因切削结构切换导致的齿冲击损坏现象，在硬地层或非均质硬地层更容易发生。

图1 　钻头对井壁的“铣削”示意图

图2 　钻头失效过程图
同时，钻头在井底的不稳定运动，如涡动、回旋等，使井壁和井底呈现多边形形状，如图3 所示[33-35]， 更加剧了切削齿与岩石之间的冲击。由于钻头本身存在一定的不平衡力（所有齿在钻头径向方向的合力）， 此不平衡力总是将钻头推向井壁一侧，钻头保径齿对井壁进行“铣削”，致使井眼直径增大[36-37]，加之钻头的高速旋转，钻头在井底更易产生涡动、回旋等运动形式。

图3 　涡动和回旋产生的多边形井壁和井底图
在轴向方向上，无论是常规钻井，还是导向钻井， 在某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放， 将会使钻头在轴向产生冲击，切削齿上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的过载损坏。

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