国外金刚石钻头用异形结构切削齿研究进展

国外金刚石钻头用异形结构切削齿研究进展

汪宏菊

中石化江钻石油机械有限公司，湖北 武汉 430074

摘要：近年来，国外厂家推出的各种创新的异形结构切削齿取得了不少好成绩，因此有必要了解国外异形结构切削齿的发展现状。本文重点介绍了国外Smith的Stinger锥形齿、ONYX 360齿、Axe楔形齿及Hyper 双曲面齿；斯伦贝谢StrateBlade凹形齿；Hughes的StayTrue齿、StayCool齿及Stabilis齿；NOV的ION 3D、ION 4D齿；Halliburton的4D Shapes Cutters；Varel的Oval齿等6家公司的13种异形结构切削齿。分析齿的新技术特点及钻井应用情况，提出了异形结构切削齿的优势及开展具有自主知识产权的异形切削齿的建议，对我国钻头设计制造有一定参考，从而推动石油钻井用异形结构切削齿技术创新。

关键词：金刚石钻头；异形结构切削齿；切削结构；进展

近年来国内外复合片的研发项点主要集中在齿形结构、金刚石层层内结构和成分、硬质合金基体界面结构等方面。异形结构切削齿虽国内较早就有相关专利，但近两年才成发展的热潮。国外异形结构切削齿在钻井现场有较好应用效果，但价格昂贵，限制了其大量推广应用。

本文对国外石油钻头用异形结构切削齿的技术特点及破岩机理进行分析，为我国金刚石超硬材料产业发展提供借鉴。

1、Smith公司Stinger齿

Stinger锥形齿[1]可对地层施加更高的点载荷，在钻井过程中更加有效的破碎岩石，从而实现更高的机械钻速（ROP）和钻头耐用性。

史密斯公司的Stinger齿钻头有两种，一种是将锥球布置在钻头中心位置，通过粉碎井眼中心的地层岩石而改善钻井性能；另一种是将Stinger齿布置在钻头的内锥、鼻部、肩部等部位。如：史密斯公司专利《Kerfing hybrid drill Bie and other downhole cutting tools》公开了一种带有Stinger齿的混合钻头，并列举多种布齿方式和齿形结构[2]。

2、Smith公司ONYX 360-齿

ONYX 360-齿由钎焊到刀翼上的外壳、锁紧轴套和带中心轴的复合片构成。切削力驱动复合片360°旋转。通过旋转运动使复合片全圆周上的金刚石刃都参与切削地层，显著延长了复合片寿命。

这种切削齿布置在PDC钻头上，切削齿的旋转作用可以保持切削刃较长时间的锋利；分散磨损区域和磨损热量，从而延长其使用寿命。

3、Smith公司Axe齿

AXE齿通过改进金刚石层结构，带有圆弧齿顶及与之相切的两个圆弧面结构，使得该齿在切削时形成岩屑导流面，同时受力面从点向面扩大，提高切削齿的攻击性。

采用Axe切削齿的AxeBlade钻头，以一种剪切破岩和挤压破岩相结合的切削方式来切削岩石。

4、Smith公司Hyper 齿

Hyper齿采用三维切削齿结构设计，独特的双曲面形状更具有“攻击性”，通过切削齿中心处的双曲面形状有效去除带状岩屑，与切削结构的组合来减轻钻头泥包。

采用Hyper双曲面金刚石齿的HyperBlade双曲面金刚石钻头，因Hyper齿独特的双曲面切割齿形状，可以形成小切屑片，使钻头泥包带来的影响最小化。

5、斯伦贝谢StrateBlade齿

StrateBlade凹形齿，具有超厚金刚石层，切削点锥形轮廓增强了齿的抗冲击韧性。独特的凹面形状，减小了切割前角，增大了切割深度，提高了切割效率。

StrataBlade凹形金刚石钻头可提高各种岩性地层的机械钻速，同时还能承受钻遇夹层地层时的冲击损伤。在相同的工作参数下可获得更高的瞬时机械钻速。

6、Hughes公司StayCool齿

StayCool齿独特非平面结构及抛光技术，通过设计创新的外凸或内凹槽特征，多方位几何形状具有自锐能力，通过与地层接触时更小的切削面切削出更小的岩屑，降低钻进时的温度。

采用StayCool多维复合片的金刚石钻头，在钻进诸如砂岩夹层和碳酸盐岩等挑战性地层时，StayCool复合片在金刚石层上产生的热量少。

7、Hughes公司Stabilis齿

Stabilis双倒角齿增加一个二级斜面，使复合片与地层应力集中点的应力分散，增强了切削齿在研磨性地层或受到冲击载荷时碎裂掉齿失效的抗力，避免发生剥离和碎裂。

使用Stabilis齿的金刚石钻头，在夹层或定向钻井中的扭矩稳定性增强。该结构的改变产生了更低更稳定的扭矩反应，通过吃深控制，从而获得更高的ROP和总体性能。

8、NOV公司ION 3D、ION 4D齿

ION 3D齿拥有凿形边缘，尖部非常锋利，有助于更快地钻穿岩石，且不会牺牲钻头寿命。通过增加ION切削齿的金刚石材料强度，在施加高温高压环境，使其变得更加致密和坚韧。

ION 4D切削齿吸取了3D切削齿设计的优势，结合使用深度脱钴技术，同时增加烧结压力以提供具有更高韧性的金刚石复合片，使其韧性更高、耐磨性更强。

9、Halliburton公司4D Shapes Cutters

Dagger™齿的脊状褶皱增大了齿的散热，齿尖上热量更少，增强了齿的抗研磨性。使用该齿的钻头，适用于软到中硬地层，导流清洗效果好，提升抗研磨及抗冲击性。

Chopper™齿具有双层凸起尖齿几何外形，利用脊状金刚石台面减少岩屑流过切削齿表面产生的摩擦，便于岩屑排出。使用该齿的钻头，可使钻进更高效，金刚石的磨损与热降解更少。

Machete™齿是对传统的切削齿进行重新配置。新形状可以通过制造过程保证热稳定性，使整个钻进过程中接触点保持更尖锐。使用该齿的钻头，利用齿的点载荷实现对硬脆性地层预破碎、提升热稳定性、尖端持久锋利。

10. Varel公司Oval齿

OVAL齿是椭圆形能增加点载荷，传递钻压更有效率钻进，从而提高机械钻速。与相同宽度的圆形复合片相比较具有更小的磨钝平面。

使用OVAL切削齿的钻头在给定切削深度的地层，独特的椭圆复合片设计可获得比相同宽度的圆形复合片更多的金刚石出露，可获得更多进尺和更长寿命。

11、结论与建议

切削元件虽然体量小，却是影响钻头切削效果的关键。每种异形结构切削齿最终都能提供以下优势：减小岩屑流动产生的摩擦，防止泥包的产生；切削齿尖上散热更快，积聚的热量更少，钻的更快；更小的接触点吃入岩石深度更深，钻进速度（ROP）更快。随着该项 PDC 钻头技术进一步发展，PDC 钻头使用领域将更广阔。建议国内超硬材料厂家及科研机构开展复合片相关研究工作，从耐磨性，抗冲击性，热稳定性及特殊功能上进行核心技术攻关，进一步开发出具有自主知识产权的、优异性能的复合片。

参考文献：

[1] US2009133938A1 Thermally Stable Pointed Diamond with Increased Impact Resistance.

[2] US20120205163 Kerfing hybrid drill Bie and other downhole cutting tools.