石油鉆頭技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向講義課件

石油鉆頭技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向石油鉆頭技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向1石油鉆頭的分類1.牙輪鉆頭2.金剛石鉆頭石油鉆頭的分類1.牙輪鉆頭2.金剛石鉆頭2一、牙輪鉆頭的分類（1）按牙齒的固定方式分為：鑲齒和銑齒（2）按軸承類型分為：滾動軸承和滑動軸承（3）按密封類型分為：橡膠密封和金屬密封（4）按牙輪數(shù)量分為：單牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭和三牙輪鉆頭一、牙輪鉆頭的分類（1）按牙齒的固定方式分為：鑲齒和銑齒3銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭鉆頭銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭鉆頭4軸承軸承軸承軸承5牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭鉆頭牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭鉆頭6二、牙輪鉆頭的新技術牙齒技術軸承技術軸承密封技術二、牙輪鉆頭的新技術牙齒技術7牙齒技術1、美國猶他州立大學為Smith公司開發(fā)出了蜂窩狀金剛石牙齒材料，其耐磨性與聚晶金剛石相當，但其韌性和耐沖擊性顯著提高2、二次燒結硬質合金牙齒技術。二次燒結硬質合金材料由具有較高硬度和研磨性的微粒和具有較高韌性的基體材料共同組成。微粒是由更小的硬質合金粉末和粘接劑燒結而成，基體材料一般是鈷合金粘接劑，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基體材料的耐磨性；硬質微粒和基體材料在一定的壓力和溫度下燒結后形成的新材料在保持原有耐磨性的基礎上韌性大大提高，因此二次燒結硬質合金牙齒可用于高研磨性、高硬度地層的鉆頭。3、金剛石加強牙齒技術。金剛石加強牙齒就是與PDC鉆頭復合片類似的聚晶金剛石復合牙齒，這種牙齒耐磨性非常好，但成本也非常高，一般用于保徑結構，但最近也出現(xiàn)了全部使用金剛石加強牙齒的鉆頭，主要用于研磨性極高的地層。牙齒技術1、美國猶他州立大學為Smith公司開發(fā)出了蜂窩狀8軸承新技術滾滑軸承技術。此技術采用了滾動、滑動兩種摩擦副相復合的結構，在保持滑動軸承高承載能力的同時，顯著提高了軸承適應高轉速的能力。使用該軸承的鉆頭能適應高達400rpm的高轉速。軸承新技術滾滑軸承技術。此技術采用了滾動、滑動兩9軸承密封技術1、Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金屬密封專利，通過不斷改進，近年，在單金屬密封的基礎上進行了金屬表面特殊強化處理，改進密封系統(tǒng)的結構，開發(fā)出了新一代單金屬密封，明顯提高了密封效率以及整個軸承系統(tǒng)的可靠性，延長了鉆頭壽命。2.HAR橡膠密封技術是Hughes公司近年在橡膠密封的基礎上不斷改進的新型橡膠密封結構。這種密封結構的優(yōu)點在于其形狀特殊的密封圈實現(xiàn)較高的壓縮比，因而能更有效地補償密封面的磨損，為軸承提供更穩(wěn)定的密封性能。3.Gemini雙密封技術是Smith公司的一項特色技術，密封系統(tǒng)包括兩道密封圈——主密封和保護主密封的次密封，該密封系統(tǒng)在高壓、高溫、腐蝕性井底環(huán)境中能保持良好的持久性和可靠性。軸承密封技術1、Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金10三、金剛石鉆頭的分類（1）PDC鉆頭（2）TSP鉆頭（3）天然金剛石鉆頭三、金剛石鉆頭的分類（1）PDC鉆頭11PDC鉆頭PDC鉆頭是近年來發(fā)展最迅猛的油氣井鉆頭，總進尺已經(jīng)超過牙輪鉆頭。PDC鉆頭技術的發(fā)展和推廣應用，直接推動了全世界鉆井速度的顯著提高。PDC鉆頭PDC鉆頭是近年來發(fā)展最迅猛的油氣井鉆頭，12PDC鉆頭的主要優(yōu)勢1、以切削（剪切）原理工作，破巖能耗低。2、PDC復合片具有超強的硬度、耐磨性和自銳性3、PDC鉆頭屬固定齒鉆頭，沒有活動件，工作可靠性高PDC鉆頭的主要優(yōu)勢1、以切削（剪切）原理工作，破巖能耗低13復合片復合片復合片復合片14PDC鉆頭的分類胎體PDC鉆頭優(yōu)點：耐沖蝕，制造周期短缺點：刀翼韌性不及鋼體鉆頭鋼體PDC鉆頭優(yōu)點：刀翼韌性好，易實現(xiàn)深水道設計缺點：耐沖蝕能力不及胎體鉆頭，制造周期較長。PDC鉆頭的分類胎體PDC鉆頭15胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭鉆頭胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭鉆頭16PDC鉆頭的類型鉆頭PDC鉆頭的類型鉆頭17TSP鉆頭主要優(yōu)點：1.熱穩(wěn)定性高，在高溫下（1200℃）仍能保持高硬度，不發(fā)生熱磨損。2.抗研磨性高，相對于常規(guī)PDC齒能鉆進更硬，更具研磨性的地層。3.齒的出露高度大于天然金剛石，因而吃入地層更深，鉆速更快。4.能在高速下工作。TSP鉆頭主要優(yōu)點：18TSP聚晶片聚晶TSP聚晶片聚晶19TSP鉆頭鉆頭TSP鉆頭鉆頭20天然金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢：以擠壓、研磨原理工作以天然金剛石為切削元件，直接燒結于碳化鎢胎體表面。適用于高研磨性地層，硬到極硬地層鉆進。能在高速下工作。天然金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢：21天然金剛石顆粒天然金剛石顆粒22天然金剛石鉆頭鉆頭天然金剛石鉆頭鉆頭23四、PDC鉆頭的設計1．鉆頭冠部輪廓的設計2．切削齒選擇、切削結構布置、力平衡設計3

水力設計4

保徑的設計四、PDC鉆頭的設計1．鉆頭冠部輪廓的設計24鉆頭冠部輪廓的設計PDC鉆頭冠部輪廓設計是在單錐、淺錐、雙錐三種基本輪廓上進行的從設計上講，無論采用何種冠部剖面形狀，最終都是為了滿足“易于布齒，便于加工，保證質量，提高效率”的原則。針對不同油田地層的特點，采用等磨損原則和等切削原則相結合進行冠部輪廓設計，在三種基本輪廓理論曲線方程進行擬合的基礎上，結合鉆頭設計經(jīng)驗和使用鉆頭類比，確定出適合鉆進該地層的鉆頭冠部輪廓形狀。雙圓弧形輪廓剖面具有的特點使得鉆頭表面盡可能有效地布置切削齒，而且使鉆頭從鼻部切削齒到保徑切削齒能夠圓滑地過渡。淺內錐可以較好的保證鉆頭的導向性能，短外錐可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，從而減小了鉆頭的與井壁之間的摩擦力。而且短外錐對側向位移不很敏感。外形較短而且呈淺錐式圓形設計提高了鉆頭定向反應靈敏度。鉆頭冠部輪廓的設計PDC鉆頭冠部輪廓設計是在單錐、淺錐、雙25切削齒選擇、切削結構布置、力平衡設計切削齒選擇及切削結構設計①②③④切削齒的大小尺寸切削角度布齒密度布齒方法力平衡設計①②力平衡設計可顯著降低由鉆頭的切削作用而產(chǎn)生的井下振動，增加鉆頭工作時的穩(wěn)定性，從而提高鉆頭的使用壽命采用階梯螺旋狀刀翼結構分散了切削齒切削地層時產(chǎn)生的指向井壁的切削力，減小了鉆頭螺旋狀刀翼與井壁間的接觸應力，因而減少了鉆頭發(fā)生回旋運動的次數(shù)。螺旋式刀翼能使切削齒自然呈現(xiàn)一定的側轉角，有助于鉆井液攜帶巖屑，清洗井底

。切削齒選擇、切削結構布置、力平衡切削齒選擇及切削結構設計①26水力設計PDC鉆頭的水力結構關系到鉆頭的工作性能好壞和使用壽命的長短。針對以前PDC鉆頭的水力結構和鉆頭沖蝕特征，對新型PDC鉆頭的水力結構作如下設計：A.B.調整噴嘴的方位角和噴射角度增加鉆頭排屑槽的深度水力設計PDC鉆頭的水力結構關系到鉆頭的工作性能A.調整噴27五、胎體PDC鉆頭之模具激光快速成型工藝傳統(tǒng)的PDC鉆頭制造工藝在一定程度上制約了PDC鉆頭性能的進一步提高，主要存在以下缺點：

1）壓模成型、銑模成型等傳統(tǒng)制造工藝制造精度不高，使PDC鉆頭的設計水平很難在生產(chǎn)制造中有效體現(xiàn)；

2）傳統(tǒng)制造工藝不能實現(xiàn)復雜結構鉆頭的加工；

3）由于PDC鉆頭對地層比較敏感，需要針對不同的地層開發(fā)不同的鉆頭，傳統(tǒng)制造工藝制造周期長，不能對市場作出高效快捷的反應。五、胎體PDC鉆頭之模具激光快速成型工藝傳統(tǒng)的PDC鉆頭制造28需要解決以下問題：（1）從幾種典型的激光快速成型工藝中選擇適合胎體PDC鉆頭的模具成型工藝；（2）公模成型材料的選擇及成型工藝研究；（3）燒結模具成型材料的選擇及成型工藝研究。需要解決以下問題：（1）從幾種典型的激光快速成型工藝中選擇29激光快速成型工藝及設備材料選擇

胎體PDC鉆頭模具激光快速成型工藝選擇

較成熟和典型的工藝有:光固化法（ＳＬA）、激光選區(qū)燒結法（ＳＬＳ）、熔積法（ＦＤＭ）、疊層法（ＬＯＭ）

等。

由于不同的快速成形技術具有不同的特點，因此要根據(jù)不同的使用要求進行恰當?shù)倪x擇，選擇中要綜合考慮成型件的尺寸大小、成型件的精度要求、成型件的用途、成型件的形狀、以及成型件的材質要求等等，還要權衡制作成本。為了選擇出適合PDC鉆頭模具成型的最優(yōu)方法，對四種典型激光快速成型工藝的特點進行比較:SLA工藝精度高，表面質量好，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，設備市場占有率高，是現(xiàn)場較為認可的激光快速成型工藝。激光快速成型工藝及設備材料選擇 胎體PDC鉆頭模具激光快速30激光快速成型機選擇通過對國內外生產(chǎn)的SLA激光成型機比較看，諸如美國3DSYSTEMS公司的產(chǎn)品價格昂貴，一般企業(yè)難以承擔其高昂費用

，國內西安交通大學研究SLA激光快速成型機較早，已經(jīng)生產(chǎn)出SPS系列產(chǎn)品，產(chǎn)品質量較好

?，F(xiàn)場所使用的PDC鉆頭規(guī)格一般在17

1/2"以下，選用SPS600型激光快速成型機可以滿足生產(chǎn)要求。激光快速成型機選擇通過對國內外生產(chǎn)的SLA激光成型機比較看31光敏樹脂選擇液態(tài)光敏樹脂在國內常使用的有：進口的DSMSomos

ProtoTherm

12120光敏樹脂、DSM

SomosWaterShed

11120光敏樹脂、DSM

SomosProtoTherm

14120光敏樹脂；國產(chǎn)的SPR-3010型光敏樹脂、SPR-3001型光敏樹脂。由于進口光敏樹脂價格昂貴，國內廠家一般選用國產(chǎn)光敏樹脂。綜合各項指標來看，SPR-3001型光敏樹脂在線收縮率、拉伸強度等方面具有優(yōu)勢，故使用SPR-3001型光敏樹脂。光敏樹脂選擇液態(tài)光敏樹脂在國內常使用的有：進口的DSM32激光快速成型技術加工的鉆頭陰模激光快速成型技術加工的鉆頭陰模33公模成型材料的選擇雙組分室溫硫化硅橡膠具有以下性質:①良好的化學穩(wěn)定性、無毒、無腐蝕性。②流動性好,能自動充滿模具。③可控制硫化速度,室溫常壓下硫化,便于操作。④良好的脫模性。⑤仿真性強,紋飾逼真。⑥制模速度快,一般在20h

內即可制成模具。因此雙組分室溫硫化硅橡膠是PDC鉆頭公模成型的最佳材料公模成型材料的選擇雙組分室溫硫化硅橡膠具有以下性質:34試樣編號配比R：C固化時間/min1100:2.5152100:1.5223100:1384100:0.780固化劑用量變化的影響試樣編號配比R：C固化時間/min1100:2.51521035溫度/℃12182430固化時間/min62463729溫度對固化時間的影響溫度/℃12182430固化時間/min62463729溫度36綜合考慮制模過程所需時間及不同溫度和不同配比固化時間的不同，決定采用3號配方。綜合考慮制模過程所需時間及不同溫度和不同37燒結模具成型材料優(yōu)選及成型工藝

1燒結模具殼體材料選擇

2燒結模具成型材料選擇從覆膜砂模具成型工藝和陶土成型工藝的特點可以看出：覆膜砂模具成

型工藝需要200～

300℃的溫度，而用于形成PDC鉆頭燒結模具的母模

由硅橡膠制成，不能承受覆膜砂模具成型工藝所需要的溫度，因而覆膜

砂模具成型工藝不能用于PDC鉆頭燒結模具的成型，但由于燒結模具中

噴嘴流道替代塊不受溫度限制，覆膜砂比陶土潰散性好，便于流道的清

理，適于作流道替代塊。陶土成型工藝簡單，沒有溫度要求滿足PDC鉆

頭燒結模具的成型要求。但陶土導熱性差，研制了導熱材料與其混合使

用，基本消除了產(chǎn)品廢品的產(chǎn)生。

3

燒結模具成型工藝研究燒結模具成型材料優(yōu)選及成型工藝 1燒結模具殼體材料選擇38工藝切削齒角度（°）切削齒高度（mm）水槽位置（mm）新工藝0-0.10-0.150-0.1壓模成型0.5-1.00.2-0.80.1-0.8銑模成型0.5-1.00.2-1.00.2-1.0

PDC鉆頭模具激光快速成型工藝效果分析與傳統(tǒng)工藝的加工精度對比由表中數(shù)據(jù)可以看出新工藝加工成的燒結模具精度大幅度提高工藝切削齒角度切削齒高度水槽位置新工藝0-0.10-0.1539新工藝壓模工藝銑模工藝工序時間（h）工序時間（h）工序時間（h）母模加工8母模加工56母模加工8膠模加工1.5膠模加工3膠模加工16陶瓷模加工1.5陶瓷模加工陶瓷模加工新產(chǎn)品開發(fā)周期12新產(chǎn)品開發(fā)周期59新產(chǎn)品開發(fā)周期24批量生產(chǎn)后周期1.5批量生產(chǎn)后周期3批量生產(chǎn)后周期24與傳統(tǒng)工藝的加工周期對比從表中可以看出，采用新工藝的新產(chǎn)品開發(fā)周期較壓模成型工藝和銑模成型工藝的開發(fā)周期分別縮短了391.67%和100%；批量生產(chǎn)的生產(chǎn)用時較兩者分別縮短了100%和1500%。新工藝壓模工藝銑模工藝工序時間（h）工序時間（h）工序時間（40由以上對比分析可以看出：新工藝可以實現(xiàn)復雜形狀鉆頭的制造生產(chǎn)，并可保證較高的精度要求。新工藝的生產(chǎn)周期比傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)周期大大縮短，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。由以上對比分析可以看出：新工藝可以實現(xiàn)復41鋼體PDC鉆頭之鉆頭體加工鋼體PDC鉆頭具有刀翼韌性高，可以加工深水槽鉆頭，所使用材料成本低等優(yōu)點。鋼體PDC鉆頭的鉆頭體是應用Pro-E,Solidwork,UG等三維軟件在五軸數(shù)控機床上加工出來的。其切削齒位置、切削齒角度等有關參數(shù)精度較胎體鉆頭高。鋼體PDC鉆頭之鉆頭體加工鋼體PDC鉆頭具有刀翼韌性高，可42五軸聯(lián)動數(shù)控機床數(shù)控機床五軸聯(lián)動數(shù)控機床數(shù)控機床43數(shù)控中心加工的鉆頭體鉆頭體數(shù)控中心加工的鉆頭體鉆頭體44鉆頭體表面硬化鉆頭體表面硬化就是在鉆頭體表面覆焊一層硬質材料，以免鉆頭體被沖蝕損壞。鉆頭體表面硬化鉆頭體表面硬化就是在鉆頭體表面覆焊一層硬45變頻低溫釬焊技術1．設備及改裝2．釬料的研制3．釬焊工藝變頻低溫釬焊技術1．設備及改裝46設備及改裝設計思想1）由于鉆頭基體較大，使其均勻受熱難度較大，使鉆頭基體均勻受熱是設備改裝的重點。2）在鉆頭切削齒的過程中，基體散熱較快，影響焊接溫度，保證基體的溫度基本不變。3）切削齒的溫度不能超過750℃，否則鉆頭壽命會受到較大影響，需要有溫度控制系統(tǒng)。設備及改裝設計思想47設備的改裝1）感應器的設計

感應器是感應加熱的關鍵，感應器的好壞直接影響到電—熱轉換效率、升溫速度及加熱溫度，影響著切削齒的焊接質量。根據(jù)切削齒的焊接要求和具體條件如鉆頭尺寸、極限加熱溫度、升溫速度和時間等，涉及不同結構的感應圈以滿足使用要求。2）溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)就是要實現(xiàn)較為準確的溫度控制，保證切削齒的焊接質量，為此，該裝置配置了紅外線測溫系統(tǒng)，將溫度限定在涉及要求范圍內。3）其他輔助機構

為了鉆頭切削齒焊接的方便快捷，特別設計了液壓升降工作臺及行走機構，降低了工人的勞動強度。設備的改裝1）感應器的設計感應器是感應加熱的關鍵，感應48釬料的研制對研制的釬料要求是：1）釬料應能很好的潤濕硬質合金，具有良好的

冶金相容性；2）有足夠的接頭強度、塑性，能耐泥漿侵蝕；3）盡量不使用貴金屬，成本要低。釬料的研制對研制的釬料要求是：1）釬料應能很好的潤濕硬質合49編號測試溫度抗剪強度（MPa）釬焊溫度（℃）1室溫246．2570-6202室溫318．8610-6503室溫341．6650-7004室溫286．1680-730各種釬料釬焊的焊縫的抗剪強度編號測試溫度抗剪強度釬焊溫度1室溫246．2570-620250釬焊工藝1

焊前準備①②③配片配保徑片凈化處理2

焊接3

焊后處理4

釬縫的超聲波探傷釬焊工藝1焊前準備①配片2焊接51焊接過程Zuantou焊接過程Zuantou52六、兩種新型鉆頭空氣錘鉆頭六、兩種新型鉆頭空氣錘鉆頭53空氣錘鉆頭端面1.凹面型

能很好地控制井斜,

而且鉆速較高,

清潔能力良好2.深凹面型

深凹面鉆頭的井斜控制效果最好,

機械鉆速最高,

但由于其存在深部內表面的排粉槽,

中心凹陷型鉆頭要比其他形狀鉆頭強度弱一些。該型鉆頭主要用于中硬均質地層,

需要低至中高的空氣壓力來保持井底攜巖和正常鉆進。3.平面型

平面型最適合用于破碎非常堅硬的巖層和溶洞性地層,

在

井斜要求不是很高的條件下也可用于松軟地層,

但對鉆孔直線度

要求高及鉆覆蓋巖層時不適用該型鉆頭4.凸面型

凸面型又稱雙斜面鉆頭,

是為非常堅硬和研磨性非常強的巖層而開發(fā)的最新的端面設計5.增強齒金剛石平底鉆頭

增強齒平底鉆頭耐磨性增強,

鉆速更高,

壽命更長，主要解決了鉆頭徑向磨損問題空氣錘鉆頭端面1.凹面型能很好地控制井斜,而且鉆速54混合式鉆頭混合式鉆頭是牙輪和PDC鉆頭合成的一種鉆頭?；旌鲜姐@頭混合式鉆頭是牙輪和PDC鉆頭合成的一種鉆頭。55混合式鉆頭的優(yōu)點1.同時具有了牙輪和PDC鉆頭的兩種破巖方式，使其可以適用于地層的寬度增加2.混合式鉆頭大幅度提高導向鉆井的速度，導向性能大幅度提高3.混合式鉆頭大幅度提高復雜地層的鉆井速度混合式鉆頭的優(yōu)點1.同時具有了牙輪和PDC鉆頭的兩種破巖方56七、石油鉆頭技術的發(fā)展趨勢和方向1.高耐磨、高韌性的牙齒和長壽命鉆頭軸承是牙輪鉆頭永恒的追求目標。牙齒技術的關鍵在于材料，軸承技術的關鍵在于密封，所以，牙齒材料和軸承密封技術仍舊是牙輪鉆頭發(fā)展的主旋律。2.超硬材料技術的發(fā)展，將進一步促進PDC復合片、牙輪鉆頭牙齒等切削元件性能的提高。3.PDC鉆頭最重要的技術目標是增強對硬地層、復雜地層的適應性。4.孕鑲金剛石鉆頭技術得到進一步發(fā)展，促進深部難鉆地層鉆井效率的明顯提高。5.混合式鉆頭的推廣將大幅的提高導向鉆井速度。6.鉆頭的個性化設計是未來鉆頭的發(fā)展方向。7.金剛石鉆頭特別是PDC鉆頭仍將持續(xù)其強勁的發(fā)展勢頭，隨著PDC鉆頭對高強度、高研磨性、高非均質性等難鉆地層的適應能力逐步增強，PDC鉆頭在油氣鉆井破巖工具市場的主導地位將繼續(xù)加強。七、石油鉆頭技術的發(fā)展趨勢和方向1.高耐磨、高韌性的牙齒和57謝

謝！謝謝！58石油鉆頭技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向石油鉆頭技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向59石油鉆頭的分類1.牙輪鉆頭2.金剛石鉆頭石油鉆頭的分類1.牙輪鉆頭2.金剛石鉆頭60一、牙輪鉆頭的分類（1）按牙齒的固定方式分為：鑲齒和銑齒（2）按軸承類型分為：滾動軸承和滑動軸承（3）按密封類型分為：橡膠密封和金屬密封（4）按牙輪數(shù)量分為：單牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭和三牙輪鉆頭一、牙輪鉆頭的分類（1）按牙齒的固定方式分為：鑲齒和銑齒61銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭鉆頭銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭鉆頭62軸承軸承軸承軸承63牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭鉆頭牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭鉆頭64二、牙輪鉆頭的新技術牙齒技術軸承技術軸承密封技術二、牙輪鉆頭的新技術牙齒技術65牙齒技術1、美國猶他州立大學為Smith公司開發(fā)出了蜂窩狀金剛石牙齒材料，其耐磨性與聚晶金剛石相當，但其韌性和耐沖擊性顯著提高2、二次燒結硬質合金牙齒技術。二次燒結硬質合金材料由具有較高硬度和研磨性的微粒和具有較高韌性的基體材料共同組成。微粒是由更小的硬質合金粉末和粘接劑燒結而成，基體材料一般是鈷合金粘接劑，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基體材料的耐磨性；硬質微粒和基體材料在一定的壓力和溫度下燒結后形成的新材料在保持原有耐磨性的基礎上韌性大大提高，因此二次燒結硬質合金牙齒可用于高研磨性、高硬度地層的鉆頭。3、金剛石加強牙齒技術。金剛石加強牙齒就是與PDC鉆頭復合片類似的聚晶金剛石復合牙齒，這種牙齒耐磨性非常好，但成本也非常高，一般用于保徑結構，但最近也出現(xiàn)了全部使用金剛石加強牙齒的鉆頭，主要用于研磨性極高的地層。牙齒技術1、美國猶他州立大學為Smith公司開發(fā)出了蜂窩狀66軸承新技術滾滑軸承技術。此技術采用了滾動、滑動兩種摩擦副相復合的結構，在保持滑動軸承高承載能力的同時，顯著提高了軸承適應高轉速的能力。使用該軸承的鉆頭能適應高達400rpm的高轉速。軸承新技術滾滑軸承技術。此技術采用了滾動、滑動兩67軸承密封技術1、Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金屬密封專利，通過不斷改進，近年，在單金屬密封的基礎上進行了金屬表面特殊強化處理，改進密封系統(tǒng)的結構，開發(fā)出了新一代單金屬密封，明顯提高了密封效率以及整個軸承系統(tǒng)的可靠性，延長了鉆頭壽命。2.HAR橡膠密封技術是Hughes公司近年在橡膠密封的基礎上不斷改進的新型橡膠密封結構。這種密封結構的優(yōu)點在于其形狀特殊的密封圈實現(xiàn)較高的壓縮比，因而能更有效地補償密封面的磨損，為軸承提供更穩(wěn)定的密封性能。3.Gemini雙密封技術是Smith公司的一項特色技術，密封系統(tǒng)包括兩道密封圈——主密封和保護主密封的次密封，該密封系統(tǒng)在高壓、高溫、腐蝕性井底環(huán)境中能保持良好的持久性和可靠性。軸承密封技術1、Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金68三、金剛石鉆頭的分類（1）PDC鉆頭（2）TSP鉆頭（3）天然金剛石鉆頭三、金剛石鉆頭的分類（1）PDC鉆頭69PDC鉆頭PDC鉆頭是近年來發(fā)展最迅猛的油氣井鉆頭，總進尺已經(jīng)超過牙輪鉆頭。PDC鉆頭技術的發(fā)展和推廣應用，直接推動了全世界鉆井速度的顯著提高。PDC鉆頭PDC鉆頭是近年來發(fā)展最迅猛的油氣井鉆頭，70PDC鉆頭的主要優(yōu)勢1、以切削（剪切）原理工作，破巖能耗低。2、PDC復合片具有超強的硬度、耐磨性和自銳性3、PDC鉆頭屬固定齒鉆頭，沒有活動件，工作可靠性高PDC鉆頭的主要優(yōu)勢1、以切削（剪切）原理工作，破巖能耗低71復合片復合片復合片復合片72PDC鉆頭的分類胎體PDC鉆頭優(yōu)點：耐沖蝕，制造周期短缺點：刀翼韌性不及鋼體鉆頭鋼體PDC鉆頭優(yōu)點：刀翼韌性好，易實現(xiàn)深水道設計缺點：耐沖蝕能力不及胎體鉆頭，制造周期較長。PDC鉆頭的分類胎體PDC鉆頭73胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭鉆頭胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭鉆頭74PDC鉆頭的類型鉆頭PDC鉆頭的類型鉆頭75TSP鉆頭主要優(yōu)點：1.熱穩(wěn)定性高，在高溫下（1200℃）仍能保持高硬度，不發(fā)生熱磨損。2.抗研磨性高，相對于常規(guī)PDC齒能鉆進更硬，更具研磨性的地層。3.齒的出露高度大于天然金剛石，因而吃入地層更深，鉆速更快。4.能在高速下工作。TSP鉆頭主要優(yōu)點：76TSP聚晶片聚晶TSP聚晶片聚晶77TSP鉆頭鉆頭TSP鉆頭鉆頭78天然金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢：以擠壓、研磨原理工作以天然金剛石為切削元件，直接燒結于碳化鎢胎體表面。適用于高研磨性地層，硬到極硬地層鉆進。能在高速下工作。天然金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢：79天然金剛石顆粒天然金剛石顆粒80天然金剛石鉆頭鉆頭天然金剛石鉆頭鉆頭81四、PDC鉆頭的設計1．鉆頭冠部輪廓的設計2．切削齒選擇、切削結構布置、力平衡設計3

水力設計4

保徑的設計四、PDC鉆頭的設計1．鉆頭冠部輪廓的設計82鉆頭冠部輪廓的設計PDC鉆頭冠部輪廓設計是在單錐、淺錐、雙錐三種基本輪廓上進行的從設計上講，無論采用何種冠部剖面形狀，最終都是為了滿足“易于布齒，便于加工，保證質量，提高效率”的原則。針對不同油田地層的特點，采用等磨損原則和等切削原則相結合進行冠部輪廓設計，在三種基本輪廓理論曲線方程進行擬合的基礎上，結合鉆頭設計經(jīng)驗和使用鉆頭類比，確定出適合鉆進該地層的鉆頭冠部輪廓形狀。雙圓弧形輪廓剖面具有的特點使得鉆頭表面盡可能有效地布置切削齒，而且使鉆頭從鼻部切削齒到保徑切削齒能夠圓滑地過渡。淺內錐可以較好的保證鉆頭的導向性能，短外錐可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，從而減小了鉆頭的與井壁之間的摩擦力。而且短外錐對側向位移不很敏感。外形較短而且呈淺錐式圓形設計提高了鉆頭定向反應靈敏度。鉆頭冠部輪廓的設計PDC鉆頭冠部輪廓設計是在單錐、淺錐、雙83切削齒選擇、切削結構布置、力平衡設計切削齒選擇及切削結構設計①②③④切削齒的大小尺寸切削角度布齒密度布齒方法力平衡設計①②力平衡設計可顯著降低由鉆頭的切削作用而產(chǎn)生的井下振動，增加鉆頭工作時的穩(wěn)定性，從而提高鉆頭的使用壽命采用階梯螺旋狀刀翼結構分散了切削齒切削地層時產(chǎn)生的指向井壁的切削力，減小了鉆頭螺旋狀刀翼與井壁間的接觸應力，因而減少了鉆頭發(fā)生回旋運動的次數(shù)。螺旋式刀翼能使切削齒自然呈現(xiàn)一定的側轉角，有助于鉆井液攜帶巖屑，清洗井底

。切削齒選擇、切削結構布置、力平衡切削齒選擇及切削結構設計①84水力設計PDC鉆頭的水力結構關系到鉆頭的工作性能好壞和使用壽命的長短。針對以前PDC鉆頭的水力結構和鉆頭沖蝕特征，對新型PDC鉆頭的水力結構作如下設計：A.B.調整噴嘴的方位角和噴射角度增加鉆頭排屑槽的深度水力設計PDC鉆頭的水力結構關系到鉆頭的工作性能A.調整噴85五、胎體PDC鉆頭之模具激光快速成型工藝傳統(tǒng)的PDC鉆頭制造工藝在一定程度上制約了PDC鉆頭性能的進一步提高，主要存在以下缺點：

1）壓模成型、銑模成型等傳統(tǒng)制造工藝制造精度不高，使PDC鉆頭的設計水平很難在生產(chǎn)制造中有效體現(xiàn)；

2）傳統(tǒng)制造工藝不能實現(xiàn)復雜結構鉆頭的加工；

3）由于PDC鉆頭對地層比較敏感，需要針對不同的地層開發(fā)不同的鉆頭，傳統(tǒng)制造工藝制造周期長，不能對市場作出高效快捷的反應。五、胎體PDC鉆頭之模具激光快速成型工藝傳統(tǒng)的PDC鉆頭制造86需要解決以下問題：（1）從幾種典型的激光快速成型工藝中選擇適合胎體PDC鉆頭的模具成型工藝；（2）公模成型材料的選擇及成型工藝研究；（3）燒結模具成型材料的選擇及成型工藝研究。需要解決以下問題：（1）從幾種典型的激光快速成型工藝中選擇87激光快速成型工藝及設備材料選擇

胎體PDC鉆頭模具激光快速成型工藝選擇

較成熟和典型的工藝有:光固化法（ＳＬA）、激光選區(qū)燒結法（ＳＬＳ）、熔積法（ＦＤＭ）、疊層法（ＬＯＭ）

等。

由于不同的快速成形技術具有不同的特點，因此要根據(jù)不同的使用要求進行恰當?shù)倪x擇，選擇中要綜合考慮成型件的尺寸大小、成型件的精度要求、成型件的用途、成型件的形狀、以及成型件的材質要求等等，還要權衡制作成本。為了選擇出適合PDC鉆頭模具成型的最優(yōu)方法，對四種典型激光快速成型工藝的特點進行比較:SLA工藝精度高，表面質量好，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，設備市場占有率高，是現(xiàn)場較為認可的激光快速成型工藝。激光快速成型工藝及設備材料選擇 胎體PDC鉆頭模具激光快速88激光快速成型機選擇通過對國內外生產(chǎn)的SLA激光成型機比較看，諸如美國3DSYSTEMS公司的產(chǎn)品價格昂貴，一般企業(yè)難以承擔其高昂費用

，國內西安交通大學研究SLA激光快速成型機較早，已經(jīng)生產(chǎn)出SPS系列產(chǎn)品，產(chǎn)品質量較好

。現(xiàn)場所使用的PDC鉆頭規(guī)格一般在17

1/2"以下，選用SPS600型激光快速成型機可以滿足生產(chǎn)要求。激光快速成型機選擇通過對國內外生產(chǎn)的SLA激光成型機比較看89光敏樹脂選擇液態(tài)光敏樹脂在國內常使用的有：進口的DSMSomos

ProtoTherm

12120光敏樹脂、DSM

SomosWaterShed

11120光敏樹脂、DSM

SomosProtoTherm

14120光敏樹脂；國產(chǎn)的SPR-3010型光敏樹脂、SPR-3001型光敏樹脂。由于進口光敏樹脂價格昂貴，國內廠家一般選用國產(chǎn)光敏樹脂。綜合各項指標來看，SPR-3001型光敏樹脂在線收縮率、拉伸強度等方面具有優(yōu)勢，故使用SPR-3001型光敏樹脂。光敏樹脂選擇液態(tài)光敏樹脂在國內常使用的有：進口的DSM90激光快速成型技術加工的鉆頭陰模激光快速成型技術加工的鉆頭陰模91公模成型材料的選擇雙組分室溫硫化硅橡膠具有以下性質:①良好的化學穩(wěn)定性、無毒、無腐蝕性。②流動性好,能自動充滿模具。③可控制硫化速度,室溫常壓下硫化,便于操作。④良好的脫模性。⑤仿真性強,紋飾逼真。⑥制模速度快,一般在20h

內即可制成模具。因此雙組分室溫硫化硅橡膠是PDC鉆頭公模成型的最佳材料公模成型材料的選擇雙組分室溫硫化硅橡膠具有以下性質:92試樣編號配比R：C固化時間/min1100:2.5152100:1.5223100:1384100:0.780固化劑用量變化的影響試樣編號配比R：C固化時間/min1100:2.51521093溫度/℃12182430固化時間/min62463729溫度對固化時間的影響溫度/℃12182430固化時間/min62463729溫度94綜合考慮制模過程所需時間及不同溫度和不同配比固化時間的不同，決定采用3號配方。綜合考慮制模過程所需時間及不同溫度和不同95燒結模具成型材料優(yōu)選及成型工藝

1燒結模具殼體材料選擇

2燒結模具成型材料選擇從覆膜砂模具成型工藝和陶土成型工藝的特點可以看出：覆膜砂模具成

型工藝需要200～

300℃的溫度，而用于形成PDC鉆頭燒結模具的母模

由硅橡膠制成，不能承受覆膜砂模具成型工藝所需要的溫度，因而覆膜

砂模具成型工藝不能用于PDC鉆頭燒結模具的成型，但由于燒結模具中

噴嘴流道替代塊不受溫度限制，覆膜砂比陶土潰散性好，便于流道的清

理，適于作流道替代塊。陶土成型工藝簡單，沒有溫度要求滿足PDC鉆

頭燒結模具的成型要求。但陶土導熱性差，研制了導熱材料與其混合使

用，基本消除了產(chǎn)品廢品的產(chǎn)生。

3

燒結模具成型工藝研究燒結模具成型材料優(yōu)選及成型工藝 1燒結模具殼體材料選擇96工藝切削齒角度（°）切削齒高度（mm）水槽位置（mm）新工藝0-0.10-0.150-0.1壓模成型0.5-1.00.2-0.80.1-0.8銑模成型0.5-1.00.2-1.00.2-1.0

PDC鉆頭模具激光快速成型工藝效果分析與傳統(tǒng)工藝的加工精度對比由表中數(shù)據(jù)可以看出新工藝加工成的燒結模具精度大幅度提高工藝切削齒角度切削齒高度水槽位置新工藝0-0.10-0.1597新工藝壓模工藝銑模工藝工序時間（h）工序時間（h）工序時間（h）母模加工8母模加工56母模加工8膠模加工1.5膠模加工3膠模加工16陶瓷模加工1.5陶瓷模加工陶瓷模加工新產(chǎn)品開發(fā)周期12新產(chǎn)品開發(fā)周期59新產(chǎn)品開發(fā)周期24批量生產(chǎn)后周期1.5批量生產(chǎn)后周期3批量生產(chǎn)后周期24與傳統(tǒng)工藝的加工周期對比從表中可以看出，采用新工藝的新產(chǎn)品開發(fā)周期較壓模成型工藝和銑模成型工藝的開發(fā)周期分別縮短了391.67%和100%；批量生產(chǎn)的生產(chǎn)用時較兩者分別縮短了100%和1500%。新工藝壓模工藝銑模工藝工序時間（h）工序時間（h）工序時間（98由以上對比分析可以看出：新工藝可以實現(xiàn)復雜形狀鉆頭的制造生產(chǎn)，并可保證較高的精度要求。新工藝的生產(chǎn)周期比傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)周期大大縮短，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。由以上對比分析可以看出：新工藝可以實現(xiàn)復99鋼體PDC鉆頭之鉆頭體加工鋼體PDC鉆頭具有刀翼韌性高，可以加工深水槽鉆頭，所使用材料成本低等優(yōu)點。鋼體PDC鉆頭的鉆頭體是應用Pro-E,Solidwork,UG等三維軟件在五軸數(shù)控機床上加工出來的。其切削齒位置、切削齒角度等有關參數(shù)精度較胎體鉆頭高。鋼體PDC鉆頭之鉆頭體加工鋼體PDC鉆頭具有刀翼韌性高，可100五軸聯(lián)動數(shù)控機床數(shù)控機床五軸聯(lián)動數(shù)控機床數(shù)控機床101數(shù)控中心加工的鉆頭體鉆頭體數(shù)控中心加工的鉆頭體鉆頭體102鉆頭體表面硬化鉆頭體表面硬化就是在鉆頭體表面覆焊一層硬質材料，以免鉆頭體被沖蝕損壞。鉆頭體表面硬化鉆頭體表面硬化就是在鉆頭體表面覆焊一層硬103變頻低溫釬焊技術1．設備及改裝2．釬料的研制3．釬焊工藝變頻低溫釬焊技術1．設備及改裝104設備及改裝設計思想1）由于鉆頭基體較大，使其均勻受熱難度較大，使鉆頭基體均勻受熱是設備改裝的重點。2）在鉆頭切削齒的過程中，基體散熱較快，影響焊接溫度，保證基體的溫度基本不變。3）切削齒的溫度不能超過750℃，否則鉆頭壽命會受到較大影響，需要有溫度控制系統(tǒng)。設備及改裝設計思想105設備的改裝1）感應器的設計

感應器是感應加熱的關鍵，感應器的好壞直接影響到電—熱轉換效率、升溫速度及加熱溫度，影響著切削齒的焊接質量。根據(jù)切削齒的焊接要求和具體條件如鉆頭尺寸、極限加熱溫度、升溫速度和時間等，涉及不同結構的感應圈以滿足使用要求。2）溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)就是要