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合金钻头发展简史
来源:www.czwzgj.com 发表时间:2020-03-12

在PDC的生产技术尚未成熟,或者说PDC钻头刚开始开发之前的一段时间,就有厂家用无硬质合金衬底的聚晶人造金刚石取代天然大颗粒金刚石来制造表镶钻头。聚晶体的形状有一端为圆锥的圆柱形、三角块形、圆片形及矩形、块形等多种,如GE公司的Geoset、Fomset,De Beers公司的Syndax3以及郑州三磨所的TSP,它们的共同特点是具有高热稳定性,即耐1000℃~1100℃的高温,可直接烧结到由碳化钨粉未及粘结金属组成的钻头胎体的冠部作为钻齿,破碎与切削地层。
1969~1975年郑州三磨所分别生产了几种不同直径的JR20SN一2聚晶体,首先用于保径的孕镶钻头和扩孔器的制造,钻进矿山7级以下的地层,而后用6x 6mm聚晶体制造石油刮刀钻头,在胜利油田进行试验,以钻进同一井深2400m为例,聚晶刮刀钻头与硬质合金刮刀钻头相比,每口井可节约1.1~1.2万元,并节省78%的时间;聚晶刮刀钻头与牙轮钻头相比,节省成本50%以上,钻井时间减少5~8天。另外1.8×5mm聚晶体制造的地质取芯钻头、扩孔器以及2.5×5mm聚晶体用于冶金、煤田及地质孕镶钻头的保径,其效果也与天然金刚石相近。
在上世纪80年代初期我国自主研发的PDC尚未成功之前,6×6mm聚晶体曾大量用于石油、天然气钻井的取芯钻头和西瓜皮式的全面钻进钻头。三角块形聚晶也曾大量用于制造中硬至硬地层(如石灰岩、白云岩)、轻微研磨性地层的取芯或全面钻进钻头。自90年代国产PDC大规模生产之后,聚晶人造金刚石逐渐退出了钻井市场,被PDC全面取代。
石油、天然气钻井用PDC钻头的研发与应用经历了一个相当长的时间,早期PDC的抗冲击性不高、存在分层现象,加上钻头设计制造方面存在问题及石油、天然气钻井具有风险性,占据钻井市场较大份额的牙轮钻头制造厂商表现不是那么积极,因此PDC钻头的研发和应用遇到了较大的困难与阻力。
美国在1973~1975年间采用GE公司生产的8.38×2.8mm、金刚石层为0.5mm厚的PDC(Compax)焊接到硬质合金齿柱上再安装到钢体钻头上进行试验,大量的原始试验数据表明:PDC可取代用于钻进最硬和磨蚀性很高的岩石的表镶钻头上的天然金刚石。但考虑到PDC的结构与性能特点以及石油、天然气地层大都为软一中硬地层,于是钻头制造厂商把PDC应用重点放到了具有重大市场前景的石油钻井市场。美国Tulsa大学钻井研究中心参与了最初的平面PDC钻头设计,并对PDc本身进行了关键性试验。在此期间GE公司在南得克萨斯州、科罗拉多州、犹他州、上密歇根州进行了4只PDC钻头的试验,暴露了PDC柱齿、钻头设计与制造方面的一些问题。

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