来源：前瞻科技杂志

作者：刘维、高德利

文章摘要

(资料图)

经过50多年的高速发展，聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）钻头的设计制造技术日臻成熟，现已成为全球油气钻探工程不可或缺的核心破岩工具。当前，中国油气勘探开发正加快向纵深发展，岩石致密难钻已成为深层超深层钻井工程面临的最大挑战之一，对长寿命高效破岩PDC钻头的依赖程度日益上升。但是，国内外PDC钻头技术的发展速度已经趋缓，似乎进入了“瓶颈”阶段，尚未出现颠覆性技术创新。国内外现有钻头产品还无法满足万米深地的钻进需求，亟需研发高效破岩新材料新技术。文章重点梳理了PDC钻头设计制造关键技术的研究现状，归纳了国产钻头存在的短板问题，分析了未来发展趋势，并提出了相应建议。

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“钻头不到，油气不冒”一语道破钻头的重要作用。目前，聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）钻头在油气钻探工程中得到了广泛应用，并以80%以上的市场占有率和90%以上的进尺主导了全球钻头市场。由于其典型的实用特征，从20世纪70年代开始，PDC齿与PDC钻头的研究重心和市场话语权一直掌握在欧美知名企业手中。美国合成（US Synthetics）、梅加（MegaDiamond）、元素六（Element Six）等少数欧美企业占据了PDC齿全球市场份额的85%以上；斯伦贝谢公司的史密斯（Smith）钻头、贝克休斯公司的钻头、国民油井华高公司的瑞德钻头（ReedHycalog）、哈里伯顿公司的帝陛艾斯（Security DBS）钻头、阿特拉公司的钻头、山特维克公司的瓦锐（Varel）钻头6家欧美企业几乎垄断了全球高端钻头市场。

中国PDC齿及其钻头的相关研究起步比国外晚了10多年。1987年中国成功研制出石油钻探用PDC齿，并通过与贝克休斯、哈里伯顿等国际知名石油服务公司合资的方式，分别成立了川石-克里斯坦森金刚石钻头有限公司（1985年）、新疆帝陛艾斯钻头工具公司（1994年），将国际先进的钻头设计、制造及应用技术逐步引入国内。经过近40年的发展与积累，中国PDC钻头技术经历了从无到有、从弱到强的发展过程，不断缩小与国际领先水平的差距，在可钻性较好的地层已完全实现了自给自足。但是，在复杂难钻地层，国产PDC钻头与进口钻头尚存在一定差距。长寿命高效破岩PDC钻头、复合结构钻头和仪表化智能化钻头的设计与制造技术还不成熟，仍处于“跟跑”阶段，是油气工程领域的技术瓶颈之一。

PDC钻头核心技术研究现状

PDC齿制备技术

PDC齿是钻井工程不可或缺的基本破岩材料，是PDC钻头的最核心构成，其性能优劣在很大程度上决定了钻头的进尺和机械钻速。当前，PDC齿的研究主体可分为两大类：一类是以PDC齿生产企业为主，如美国合成和梅加，主要围绕产品的性能提升；另一类是以钻头生产企业为主，如史密斯和贝克休斯，主要专注于提升异形齿的破岩效果和钻进表现。现对PDC齿发展历程中的里程碑式技术突破进行以下总结回顾。

1938年，勃欧曼和西蒙优化完善了石墨-金刚石相平衡曲线，即勃欧曼-西蒙线，为人工合成金刚石奠定了理论基础。1953年，美国通用电气公司的霍尔等成功研制了两面顶压机，并在此基础上通过添加金属催化剂于1954年首次实现了人工合成金刚石颗粒。1982年，帝陛艾斯公司研发了第一款具有非平面界面的PDC齿，有效减小了两相界面附近的残余应力，增强了金刚石-基体间的结合强度。1985年，史密斯公司提出了功能梯度过渡层设计，在聚晶金刚石层与硬质合金基体之间设置材料过渡层，实现了金刚石-硬质合金两相物性参数的逐渐过渡，解决了聚晶金刚石层“揭盖”失效问题，提高了PDC齿的抗冲击性。

1995年，贝克休斯公司提出了表面抛光技术。该技术减少了齿面的摩擦热和岩屑黏附，改善了PDC齿及其钻头的泥包问题，提升了PDC齿的破岩效果。同年，贝克休斯公司借鉴机加工刀具的制备经验，在聚晶金刚石层切削边缘加工出倒角（国内也称金角，图1），解决了PDC齿的崩刃问题。在此基础上，贝克休斯公司后续又推出了双倒角、多倒角设计，提高了PDC齿切削边缘的韧性和耐用性。

图1 PDC齿的典型横截面

1996年，梅加公司研究证实了聚晶金刚石层的机械性能符合霍尔-佩奇效应：聚晶金刚石层的硬度和PDC齿的耐磨性随着金刚石微粉粒径的减小而增强，但是聚晶金刚石层的断裂韧性和PDC齿的抗冲击性会随金刚石微粉粒径的减小而降低。元素六公司研究发现，通过增大金刚石微粉的粒径，可将PDC齿的抗冲击性提高70%。请注意，该结论具有一定的误导性，单纯增大金刚石微粉粒度并不会明显提升PDC齿的抗冲击性。基于金刚石微粉粒度与PDC齿机械性能之间的关系，从20世纪90年代开始，欧美企业在制备PDC齿时采用了具有多峰分布的金刚石微粉，提高了聚晶金刚石层的堆积密度以及PDC齿的综合性能。另外，贝克休斯、国民油井华高、梅加等公司规模化应用了层状结构设计（图1），第一层采用细粒度金刚石微粉，第二层或更多层采用粗粒度微粉，有效提升了PDC齿的综合性能，直至目前仍是一些高端PDC齿的标准配置。

2000年，美国合成公司尝试增加PDC齿聚晶金刚石层的厚度，但遭遇了严重的残余应力问题。为了解决该难题，Bertagnolli等通过改良非平面界面设计，优化PDC齿合成工艺，降低了聚晶金刚石层内及两相界面附近的残余应力，成功合成了聚晶金刚石层厚度为4mm的PDC齿。近4mm厚聚晶金刚石层是当前美国合成公司的高端PDC齿产品，以及国民油井华高、哈里伯顿等国外公司高端PDC钻头产品的主要优势之一。

2001年，国民油井华高公司将酸洗脱钴技术重新申请专利。该技术提升了PDC齿的热稳定性和耐磨性（图2），极大推动了PDC钻头在全球的规模化应用。为了规避国民油井华高公司的酸洗脱钴专利，史密斯公司提出了二次压制技术，但该技术对PDC齿机械性能产生了一定的负面影响。2011年，国民油井华高公司又推出了升级版的深度脱钴技术，在不影响PDC齿抗冲击性的情况下实现了热稳定性的大幅提升。

图2 脱钴对聚晶金刚石热稳定性的影响

在某些地层，PDC齿的耐磨性已远远超过钻井的实际需求，而PDC齿的抗冲击性能却无法满足现场需要。基于该认识，1996—2006年，斯伦贝谢的史密斯和梅加两个分公司开展了一项联合技术攻关，首先基于构型化复合设计理念，以金刚石微粉为核心，以硬质合金粉末为外壳，制备了蜂窝结构的多相构型化聚晶金刚石复合材料，提高了PDC齿的抗冲击性；随后，又利用均匀混粉方法（在金刚石微粉中添加一定体积比例的硬质合金粉末）制备PDC齿。与蜂窝状的复杂构型设计相比，均匀混粉工艺不仅加工简单、易于规模化生产，而且在不牺牲太多耐磨性的前提下也实现了PDC齿抗冲击性的有效提高。基于复合材料的构型强韧化研究思路，笔者团队也开展了相关研究工作，实验结果显示复合构型设计可明显提升PDC齿的抗冲击性能，但目前研究成果离工业化应用还有一段距离，后续应围绕如何提升PDC齿强韧性一体化技术水平开展进一步深入研究。

2020年左右，四川大学贺端威团队基于六面顶二级增压装置，采用16GPa超高压和2300℃高温合成条件，将8~12μm粒径的金刚石微粉无黏结剂直接合成微米多晶金刚石（Micro-sized Polycrystalline Diamond，MPD）。与常规PDC齿相比，MPD的硬度、耐磨性和热稳定性更好，引起了沙特阿拉伯国家石油公司的关注和持续投入。然而，MPD需要更为苛刻的超高温高压合成条件，其抗动态冲击的能力也未被报道。

近些年，以美国合成公司为首的PDC齿生产商和PDC钻头制造商积极推进超高压合成技术，将PDC齿的合成压力由5.5GPa提高至7.5GPa以上，提升了PDC齿的综合性能，尤其是耐磨性。但是，超高压带来的残余应力等问题对PDC齿的抗冲击性能产生了一定的负面影响。

毫无疑问，自身性能优劣是决定PDC齿在井下钻进效果的直接因素。但另外，PDC齿与PDC钻头的破岩效果和使用寿命在很大程度上取决于“如何使用钻头”。建议今后PDC齿技术攻关应充分考虑并强调钻头井下服役环境以及钻头与地层相互作用机制对PDC齿使役效果的影响。

如何评价PDC齿质量，如何在PDC齿的室内测试与其现场真实表现之间建立规律性联系，国内尚未有行业规范及成体系的研究出现。究其原因，一是由于国内钻头厂商和应用方对PDC钻头测试的投入和重视程度不足；二是对钻头工作原理及其与地层相互作用的机制认识不清，导致PDC齿与PDC钻头的测试方法五花八门，各自的测试机制和数据解读也具有很大的模糊性，缺乏统一管理和标准化推进。与之相比，国外主要钻头公司基于钻头在井下服役工况和工作机制，研发了立式转塔车床切削花岗岩干磨/湿磨试验、有围压单齿破岩模拟试验等分析测试方法，并通过现场数据反馈进行了反复验证与优化。据此，国外主要钻头公司建立了PDC耐磨性、热稳定性、抗冲击性、破岩效果等应用数据库，记录各种PDC齿的室内测试数据以及对应的现场应用表现，从而指导钻头选型和迭代优化。但是，这些属于核心商业机密，公开文献较少，应是国内相关研究团队今后的攻关方向之一。

异形齿破岩技术

异形齿是相对于传统平面圆形齿而言的（图3），通过切削齿形的个性化设计，改变了常规PDC齿的单一破岩方式和受冲击方式，实现了剪切、犁削、冲击等复合破岩方式，提升了PDC齿在特定地层的破岩效果和使用寿命。异形齿设计最早可追溯到20世纪80年代，梅加公司依据冲击破岩机制，提出了球面齿形设计，但未在PDC钻头上获得推广应用。2010年，史密斯公司推出了锥形齿，将梅加的球面齿形设计优化成锥形结构，被国内外钻井工程师评为抗冲击性能最好的切削齿。但是，锥形齿存在破岩效果差、破岩方式单一、机械钻速慢、需要较大钻压等缺点。为此，史密斯公司又推出了斧形齿，将锥形优化成斧形，既保留了锥形齿的“点”，又形成了“脊面”，以牺牲部分抗冲击性为代价，实现了破岩效果的有效提高。

图3 平面圆形齿以及国外公司设计的经典异形齿

2013年，国内海明润公司申请了类似斧形齿的异形齿专利，但是受限于其市场角色定位，缺乏钻头生产商和应用方的积极响应，而未能获得广泛关注与应用。2015年，中国石油休斯敦研发中心研制了凸脊型非平面切削齿；2016年，国内四方达公司研制了形状相似的奔驰齿。这两种齿形均是在锥形齿的抗冲击与斧形齿的攻击性之间建立了平衡点，在非均质地层、硬地层中取得了较好的应用效果。

基于不同的设计目的和专利保护需要，国外主要钻头公司逐渐形成了各自的异形齿设计思路。作为异形齿技术的发起人，史密斯公司除了以上提到的锥形齿、斧形齿，又推出了360°齿、元宝齿和凹面斧形齿；贝克休斯公司先后推出了双倒角齿、冰淇淋齿、梅花齿、三棱镜齿1代和2代；国民油井华高公司围绕齿前平面设计，陆续研制了3D、4DX、4DXC、5DX等齿形。虽然哈里伯顿公司推出了弯刀齿、波浪齿等异形齿，阿特拉公司也一直在使用忍者齿，但是相比于史密斯、贝克休斯、国民油井华高三家头部公司，哈里伯顿、阿特拉和瓦锐三家公司在异形齿研发方面并不活跃。

值得注意的是，异形齿不是万能药，它对地层适配性的要求更高，应充分理解每款异形齿的设计优势和劣势，做好地层岩性分析，方能充分发挥异形齿的设计功效。

PDC钻头制造工艺

按照钻头体材质划分，PDC钻头可分为两大类：胎体钻头和钢体钻头。如图4所示，胎体钻头的生产流程主要包括：依据钻头设计进行模具制备及组装；按照配方，装填振实胎体粉末和金属黏结剂；送入高温炉进行熔铸烧结；冷却、去模和质检。钢体钻头的生产流程更为简单，依据钻头设计，利用五轴联动机床对钢棒进行车铣加工；采用激光喷涂、手工喷焊或堆焊等工艺，为钢体表面添加硬面涂层；冷却和质检。

图4 PDC胎体钻头的生产流程

PDC胎体钻头和钢体钻头的原材料也相对固定（图5）。钻头牙齿以PDC齿为主，用于破碎岩石；钻头体表面材质以碳化钨-镍基或铜基合金为主，为钻头体提供抗冲蚀、耐磨损及某些特殊工况下的耐腐蚀保护。由于生产工艺不同，胎体钻头在碳化钨体积含量、碳化钨-基体结合强度及胎体厚度等方面明显优于钢体钻头的表面涂层，使得胎体钻头在恶劣工况下的耐用性更好。但是，由于制备工艺繁琐、价格高昂，PDC胎体钻头目前在国内的市场份额较小。

图5 PDC钻头的主要原材料

PDC钻头技术发展趋势及建议

PDC钻头复合构型设计

近10年来，PDC钻头外观结构（图6）和设计流程基本固定。钻头外观结构设计起始于主切削结构（冠部曲线+布齿密度+几何位置关系），而主切削结构设计起始于主齿（刀翼第一排齿）在冠部曲线上的布齿，在此基础上再进行次级切削结构、水力结构等设计。

图6 PDC钻头外观结构

随着中国油气勘探加快向深层、深水和非常规迈进，钻遇复杂岩性越来越多，导致钻头破岩效率低、机械钻速慢、进尺短。国内外常规钻头设计技术已经不足以应对如此复杂难钻的地层岩性，例如在干热岩、火成岩、塑性泥岩等难钻地层，国内外常规钻头产品的表现均不理想。为此，钻头设计人员开始从复合结构和复合材料的角度思考PDC钻头设计方案，提出了钻头“复合构型”设计方法。

复合构型设计是指以PDC钻头常规材质和设计为基准项，以特殊使役功能的材质、齿形或具有特殊破岩功效的钻头设计为增强相。在钻头设计时，尽量发挥增强相的优势，同时克服或减弱基准项和增强相的缺点。从另一角度来说，难钻地层的PDC钻头设计，可依据已有观测数据分析，确定基本的钻头选型，即为基准项；然后按照现场应用需求和改进目标寻找增强相，通过调控优化增强相以实现目标地层所需的钻头性能指标。以下将通过案例进行具体介绍。

（1）材质复合。孕镶金刚石胎体是耐磨性极佳的钻头体材料，由之形成的孕镶金刚石钻头比PDC钻头耐磨性更强，适用于致密砂岩等强研磨性地层。但是，孕镶金刚石钻头的自身缺陷导致其市场份额越来越少，例如机械钻速慢、依赖高转速井下动力钻具。国民油井华高公司将PDC钻头与孕镶金刚石钻头相结合，推出了 钻头（图7），既发挥了孕镶金刚石材料的耐用性，又克服了孕镶金刚石钻头机械钻速慢的弱点。

（2）破岩机理复合。贝克休斯公司将牙轮钻头和PDC钻头合二为一，推出了 复合钻头（图8），既有PDC钻头优越的切削能力，又具有牙轮钻头的抗冲击能力和良好的定向效果。与PDC钻头相比较， 复合钻头在钻进时具有更低、更平稳的扭矩；在定向钻井时，更易控制工具面；钻遇非均质地层时寿命更长，同时扭矩和振动更低。与传统的牙轮钻头相比较， 复合钻头具有更高的机械钻速、更小的轴向振动，同时所需要的钻压更小。但是，由于“两极”复合， 复合钻头的机械钻速比PDC钻头要慢，而且需承受牙轮寿命短以及在硬地层易掉轮的风险。

（3）异形齿多元复合。基于异形齿优异的使役性能，如破岩效果和/或耐用性，国民油井华高和史密斯等国外主要钻头公司将不同功效的异形齿进行多元组合装配，从而实现不同的应用目的。以硬岩地层提速为例，花岗岩等极硬地层通常采用牙轮钻头钻进，但是存在破岩效率低、机械钻速慢、有掉轮风险等缺陷。如何采用高效PDC钻头代替牙轮钻头实现极硬地层的优快钻进，已成为全球范围内的钻头重点研发需求之一。

如图9所示，国民油井华高公司为干热岩等极硬地层设计了 钻头，该钻头采用了常规平面圆形齿与异形齿的多元组合，并可选择不同材质进行复合设计，例如前排PDC齿，后排孕镶金刚石块。 钻头在美国FORGE 16A（78）-32等干热岩勘探井的高温花岗岩地层获得了成功应用，钻头钻速和进尺均领先于世界其他地区的干热岩钻进指标。该钻头既实现了快速破岩，又保证了在极硬地层的耐用性。

针对砾石层和极硬地层，史密斯公司将锥型齿、斧形齿和平面圆形齿进行多元组合，以期充分发挥锥形齿的抗冲击性及斧形齿在难钻地层的综合性能。例如，在俄罗斯的提曼-伯朝拉盆地，目标地层2000m厚，含高硅质石灰石且夹杂有砂岩和硬石膏，对PDC钻头的冲击破坏严重。史密斯公司的解决方案是锥形齿+斧形齿+中心锥形齿（图10）：锥形齿抗冲击性最强；斧形齿抗冲击性适中但机械钻速较快；中心锥形齿形成钻头扶正效应，有利于提高钻头的横向稳定性；八刀翼高密度布齿提升了钻头的耐用性。该支钻头一趟钻钻完目标地层，平均机械钻速为13.8m/h。

图10 史密斯公司为硬地层设计的异形齿复合钻头

PDC钻头高精度自动化生产工艺

总体而言，PDC钻头的制备工艺相对成熟，但是科技含量和自动化程度不高。其中，很大原因是钻头厂商大多认为钻头体材质和制备工艺对PDC钻头的钻进表现影响不大，缺乏投入意愿。以3D打印技术为例，史密斯公司、肯纳金属公司、国内的株洲西迪硬质合金科技有限公司均掌握了PDC胎体钻头的3D打印工艺，但是受限于投入产出比和市场终端反馈，并未得到规模化推广。近几年，史密斯公司采用3D打印技术制备了较为简单的PDC钢体钻头表面硬化外衣，获得了较好的市场反应。

相比于钻头设计和齿形变化，钻头生产工艺不易被“跟踪仿制”，也往往被忽视。其实，钻头的生产工艺和加工精度是钻头厂商的“内功”，对于钻头设计目的的实现至关重要，直接影响钻头使役效果好坏。由于钻头生产过程中手工作业比例较高，使得生产累计误差很大且往往无法量化，对于钻头使役效果存在“不可见”的影响。以主切削齿和后排齿的前后高差为例，设计人员可能以0.5mm为改变幅度，而生产过程的累计误差总是在1mm以上，因此很难准确实现钻头设计的目标。从这个角度讲，相比于钢体钻头，PDC胎体钻头的生产精度更高，更易于取得优异的现场数据。

目前，国外主要钻头厂商已经实现了钎焊以外的全自动化生产。与之相比，国内钻头厂商的投入和重视程度仍然不足。建议国内厂商提高钻头生产全流程环节的重视程度，加大生产工艺和装备升级方面的投入，修好“内功”，逐步赶超进口产品质量。

“异形齿PDC钻头+钻井参数强化”应用

大钻压、大扭矩、高转速、高泵压、大排量等钻井参数强化的提速效果已得到钻井技术人员和现场施工人员的普遍认可。但是，国内对“大钻压、大扭矩、高转速、高泵压、大排量”的“大”和“高”的定义和心理防线仍偏于保守。以钻压为例，国内PDC钻头的施加钻压普遍低于12t，而且大多数技术人员仍坚守PDC钻头“小钻压、高转速”的应用原则。与之相比，20t以上大钻压、300r/min以上高转速已经成为欧美国家PDC钻头的常规作业参数。美国数据显示，钻井参数强化完全适用于大段均质硬岩地层提速，增大钻压可提高PDC钻头在硬岩地层的破岩效果和使用寿命。

目前，国内钻井工程中“异形齿PDC钻头+钻井参数强化”主要应用于涪陵页岩气、胜利页岩油等可钻性较好的地层，而在硬岩地层、极硬地层却较少试用。在钻进硬岩时，国内钻井技术人员并不推荐大钻压等强化钻井参数，认为这将加速钻头磨损，并引起管柱屈曲、井壁失稳、钻井装备过载等一系列问题。目前来看，在国内实现“异形齿PDC钻头+钻井参数强化”的普及应用还有一段较远距离，但是其背后的提速理论没有问题，美国的成功应用也说明其技术路线没有问题。

虽然钻井参数强化对中国钻井装备、钻井工具、钻井工艺、技术人员和施工人员技艺水平等提出了新的挑战和要求，但是挑战即机遇，“异形齿PDC钻头+钻井参数强化”的推广应用必将助推中国钻井技术与装备水平迈向新的台阶。

创新发展建议

（1）PDC钻头的大众化产品居多，缺乏针对特定地层岩性的破岩材料、钻头设计和钻井提速方案的个性化综合研究。进口产品更是如此，只会为中国市场提供大众化普适性产品。随着中国油气勘探开发加快迈向万米深地，钻遇复杂难钻地层越来越多，大众化产品已不再适用于现场实际需求。建议围绕目标地层，开展PDC齿形及钻头的个性化设计与制备，并提出“一井一策”甚至“一层位一策”的综合钻井提速技术方案。后续，随着某一难钻地层实现提速突破，该项技术可得到进一步广泛推广。

（2）国内针对聚晶金刚石合成配方及其制造工艺的基础研究不足，生产工艺控制水平也与美国存在差距，导致国产PDC齿综合性能以及产品稳定性欠佳，例如在高研磨性地层无法持久保持良好的强韧性，在砾石层抗冲击性能差等。建议开展聚晶金刚石强韧一体化合成配方及高精度生产工艺优化控制研究，揭示PDC齿强韧机制的关键因素与影响规律，提升高温高压合成过程中压力场和温度场的控制精度，优化高洁净度合成封装等生产工艺及配套设施，从而提高PDC齿的使役性能与产品稳定性。

（3）异形齿的设计优化仍然过多地依赖试错法和工程经验，缺乏理论和技术支撑，存在工程实践领先理论研究的问题。建议开展异形齿破岩机制和破岩效果研究，形成高效破岩齿形分析评价方法，进而开展异形齿PDC钻头复合构型设计方法研究，从而提高PDC钻头在复杂难钻地层的使役效果。

（4）建议加强基础科学攻关，围绕超硬、强韧一体化目标，研制新一代超硬破岩材料。材料的突破，必然带来破岩方式、破岩工具以及钻井技术与装备的颠覆性改变。牙轮钻头和PDC钻头的创新发展均验证了这一规律，即：一代材料、一代工具、一代钻井技术。

结束语

高效PDC钻头是石油、天然气、地热等地下资源勘探开发中不可或缺的破岩工具。当前，中国资源勘探开发正加快向深层、深水和非常规迈进，面临着高温硬岩致密难钻的巨大挑战，但现有超硬破岩材料和PDC钻头技术水平尚无法满足深层超深层高效钻井需求。建议国内高校院所与企业深刻理解钻头研究的困难与繁琐，加大PDC齿强韧化机制、PDC钻头复合构型设计、钻井综合提速技术等方面的研究投入，逐步赶超国外品牌。同时，加强基础研究工作，尤其是新一代超硬破岩材料的研制，力争形成原创性成果与应用创新，以期实现弯道超车甚至国际引领。

全文刊载于《前瞻科技》2023年第2期\"油气钻采科学技术专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。

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