钻头材料修复的研究进展

于磊

摘要：本文首先分析了常规PDC钻头磨损、损坏的原因，然后详细介绍了PDC钻头修复的一般工艺技术，最后指出了PDC钻头修复的一些可创新之处、钻头修复所要达到的预期目标及今后其发展方向。

关键词：PDC钻头；修复；再制造

0引言

在石油钻井行业中，PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头的简称）是一种应用非常广泛的钻井工具。PDC钻头本身是一体式钻头的一种，和其它类型钻头相比，比较简单，其抗冲击能力、耐磨性以及强度比较出色。这种技术也是20世纪80年代出现的一种新技术。PDC钻头主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成。根据钻体冠部材料的不同,可分类为胎体式和钢体式两种。在软中硬地层中使用金刚石钻头优点明显，比如进度较快、工作过程平稳、进尺多、井身质量出色、寿命长以及井下作业过程中事故概率出现低等[1,2]。

由于夹层较硬会导致钻头损坏，在软岩地层中PDC钻头是最早应用的。但是随着技术发展以及结构方面的变化，现在的PDC钻头已能用在硬岩地层和硬夹层上。随着PDC钻头切削齿质量的不断提高，PDC钻头正越来越多地为各个企业所用。随着钻头设计和切削齿的改进，PDC钻头的可定向性较之以前也随之提高，这更加削弱了牙轮钻头在钻井中的优势。目前，PDC钻头在许多不同地层的应用中越来越多地挤占着牙轮钻头的市场[3]。

1常规PDC钻头损坏的主要原因

通过对PDC钻头进行分析，我们能够发现，绝大多数的PDC钻头出现损坏原因在于齿柱折断、复合片掉片或者碎裂等。就这些损坏情况而言，在井下作业过程中，PDC钻头除了受到反作用力和与地层岩石摩擦损耗外，还会受到一些额外作用力的影响，并且导致PDC钻头破坏的主要原因也是额外作用力的影响。通过对PDC钻头使用情况进行分析和总结，我们可以得出导致PDC钻头出现损坏的原因在于下面几点：

（1）地层中存在性质坚硬的砾石层，地层的下半部含有厚度不等的砾石层段，PDC 钻头进入该段，PDC 齿切削时，经常会产生碎裂、崩片等状况，是致使钻头切削齿在上半部地段损坏的主要原因。

（2）导致PDC钻头掉齿、复合片碎裂的主要原因在于地层中硬夹层比较多。PDC钻头从软地层钻进到硬夹层中去时，钻头接触到的地层硬度差别比较大，这也会导致切削齿受到的力不够均匀，很容易导致钻头出现憋钻或者挑钻的情况，甚至会发生更严重后果。另外，PDC钻头基体与PDC钻头复合片焊接不牢固，当受到巨大的瞬时作用力时，就造成了复合片破裂、掉片等现象。综上所述，即使钻井的参数一样，在钻进硬岩层中去时PDC钻头更容易遭到破坏。

（3）PDC钻头水力参数选择不当，若是实用PDC钻头工作时，选择的比水功率比较小，便会对复合片清洗和冷却不彻底，易造成PDC钻头泥包和复合片的热加速磨损。如果比水功率选择过大，会使喷嘴或者切削齿脱落，甚至喷出的流体冲击到井底后会直接冲蚀切削齿。

2常规PDC钻头的修复过程

（1）钻头的初检：

（2）钻头的初检和分解拆卸：根据PDC钻头磨损情况和长期的钻头修复经验，将PDC钻头磨损情况分门列类，视磨损情况分别处理。分解步骤一般是：先将要修复的胎体PDC钻头清洗干净，然后将清洗后的钻头利用中频加热设备加热。当钻头体温被加热到600℃左右时，取下切削齿，把能够再次使用的部分放到保温设备中等待再次使用，对于不能再次使用的需要放到容器中，进行修复或者再制造。除掉切削齿的钻头，则需要放在保温材料中，进行冷却。

（3）修复钻头体以及切削齿：首先将冷却的钻头体进行喷砂处理（增加钻头粘附性），用石墨代替品镶嵌到齿中，然后采用堆焊的方法进行钻头体修复，切削齿的修复与钻头体类似。

（4）钻头体与切削齿的焊接:银钎焊采用中频感应加热技术与氧-乙炔堆焊加热技术相结合的方式。焊接的过程中，需要将焊枪对准焊接孔，进行辅助加热，确保焊料熔化能够充分，让切削齿和孔之间实现完全的吻合，对复合片施加一定的压力, 使复合片冷却固定,特别注意，对于再利用的切削齿应该将其磨损部位旋转到齿穴的侧面去。

（5）保温及后处理：进行冷却的主要目的是为了确保焊接强度能够满足实际需要，降低其内应力，在钻头体堆焊和钎焊之后，需要将钻头放在保温设备中进行保温处理，保温时间6～9小时。钻头的主体修复后, 可将其装在机床上, 对其外径用金刚石砂轮进行再加工,以期得到理想、规则的尺寸和外形，然后进行出厂检测。

（6）修复样品信息反馈：对于修复的PDC钻头进行编号，追踪反馈钻头的使用情况和损坏情况，进行列表分析改进修复工艺[2]。

3可行的创新点与目标

（1）在钻头修复过程中，改进修复技术，尽量缩短工序，降低生产成本，同时保证钻头修复质量，从而提高经济效益；（2）与使用PDC钻头企业联系、沟通，在PDC钻头使用过程中及时进行跟踪调查，在钻头出现大的损坏情况前及时发现（指目前比较好修复的状况），并进行修复，防止钻头损坏严重后，增加修复难度和成本，从而帮助企业降低成本，并且提高钻头使用寿命；（3）跟踪反馈修复后钻头的信息，及时改进修复技术，改进生产工艺，提高钻头修复工艺；（4）对复合条件的旧钻头进行再制造，对于质量好的旧钻头可以不仅仅进行简单的修复，可以进行深加工，再制造，提高其性能，使其能适用于更复杂的地况，提高其自身价值。

本项目研究的预期目标是希望通过本技术修复的PDC 钻头质量与新加工的PDC钻头质量无明显差别，解决PDC 钻头的回收及再制造问题，既能满足生产需要，又将大幅度降低钻头成本，使得废旧材料重新发挥其应用价值，争取实现较好的经济效益。

参考文献:

[1]孔丽丽.胎体PDC钻头修复技术的探讨[J].工业技术,2012(11) :49.

[2]周龙昌等.钢体PDC钻头修复技术之研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2005(9):41-45.

[3]周龙昌.钢体PDC钻头新型制造工艺研究[J].石油矿场机械, 2004.33(05):105-107.endprint