摘要
高性能孕镶金刚石钻头的研制是钻探工程尤其是深部坚硬地层提高钻探效率、降低钻探成本的关键手段之一。本文从钻头胎体、结构和制造工艺3方面综述了孕镶金刚石钻头设计与制造的新技术，针对钻头胎体设计，介绍了胎体对金刚石把持力的调控研究，特别是胎体强化和胎体弱化这2大方向，并阐述了胎体自润滑钻头的设计机理；从唇面结构和水路系统的设计等方面论述了孕镶金刚石钻头结构设计的新思路；讨论了典型孕镶金刚石钻头设计技术，分析了钻头制造工艺现存的问题，并认为未来采用3D打印制造复杂结构孕镶金刚石钻头具有广阔的应用前景。对及时了解和掌握国内外孕镶金刚石钻头设计与制造技术和理论的最新进展，加快高性能孕镶金刚石钻头的研发具有重要意义。
孕镶金刚石钻头是最具代表性、应用范围最广泛的钻头之一，具有抗冲击、耐磨损、成本低廉等特点。在钻进坚硬致密的强研磨性地层时，相比PDC钻头和牙轮钻头等，孕镶金刚石钻头能够保持较高的工作效率并获得较好的技术经济效果，是中硬—坚硬及深部坚硬岩层钻探时广泛采用的钻
孕镶金刚石钻头的设计与制造是一项较为复杂的工作，钻头的性能（寿命、效率）与胎体成分和性能、钻头结构以及制造工艺等因素之间存在复杂的关系，只有各个环节相互配合，才能充分挖掘出钻头的潜力，提高钻头寿命和效
（1）提高胎体对金刚石的包镶能力。孕镶金刚石钻头效率的提高主要是通过金刚石颗粒的高出刃实现的，所以为保证金刚石在出刃量较大时不会脱落或不易脱落，就必须提高胎体对金刚石的把持强度。
（2）提高胎体强度。在高效率钻进过程中，金刚石颗粒出刃后会承受较大的作用力，金刚石反作用于胎体上的力也很大，这就要求胎体能够承受相应的作用力同时保证不产生大变形，否则金刚石颗粒容易胎体上脱落，钻头就无法实现高效率工作。
（3）胎体润滑。当钻进地层研磨性较弱时，钻头与地层会相互磨损，在长时间的工作下产生大量的摩擦热，金刚石容易受到热损伤而提前失效，从而加速胎体的磨损，通过在胎体中加入固体润滑剂，可以赋予钻头自润滑特性，降低摩擦系数，减少摩擦热释放。
（4）优化钻头唇面结构。由于金刚石颗粒较小，传统平端钻头唇面中金刚石压入岩石的深度很小，导致钻头只能通过表面磨损破碎的方式碎岩，这使得钻进效率较低；另一方面，由于碎岩效率低，产生的岩屑量较小无法高效磨损钻头胎体，导致金刚石无法及时出刃。而通过改变钻头唇面结构，减少钻头唇面与岩层之间的接触面积，增大钻头唇面的比压，形成体积破碎将大大增加钻头的碎岩效率。
（5）优化钻头水路系统。孕镶金刚石钻头通常采用的金刚石粒度较小，钻头工作时金刚石的出刃高度很低，冲洗液通过岩石工作面和胎体唇面之同的间隙来冷却金刚石和胎体是相当因难的，岩屑的排出和唇面的冷却需要依赖钻头的水口和水槽。因此，要在保证胎体强度的前提下合理设计水口，以保证冲洗液对钻头及时进行冷却和排屑。
本文将主要基于孕镶金刚石钻头的胎体设计、结构设计及制造工艺3方面的研究成果与新技术展开讨论，为孕镶金刚石钻头的设计与制造提供参考。
钻头胎体对金刚石把持力的调控是研制高性能金刚石钻头的关键技术，这决定了金刚石钻头的切削效率和使用寿命。钻头胎体性能调控研究包括胎体强化和胎体弱化两方面。
高效率孕镶金刚石钻头是通过金刚石的高出刃来实现高效钻进的，这就要求钻头胎体对金刚石有很好的包镶能力，胎体和金刚石颗粒界面结合强度不足，则会导致金刚石颗粒过早脱落。许多研究均表明，金刚石过早失效是限制金刚石钻头性能的主要问题之
许多研究学者通过添加一些合金与金刚石中存在的碳反应，在基体和金刚石之间以金属碳化物元素的形式形成化学结合，从而在金刚石之间建立牢固的结
金刚石是典型的共价键晶体，具有较高的化学惰性。孕镶金刚石钻头胎体通常由金属粉末组成，金刚石与一般的金属之间都有较高的界面能，不能被这些材料浸润和黏结，因此它与金属胎体之间界面结合力较差，仅靠机械镶嵌力将金刚石镶嵌在胎体
De Oliveira
在金刚石工具的制造和研究工作中通常会研究如何强化胎体的力学性能及其对金刚石的把持强度，以期提高工具的使用寿命。宋月清
在深部地层钻进过程中，钻头唇面与岩石界面之间容易产生大量摩擦热，钻头容易出现热损伤和过快磨损的问题，由于金刚石颗粒较小，钻井液难以通过钻头表面，不能直接带走摩擦热，容易引起加剧钻头温度升高。潘秉锁
对于孕镶金刚石钻头来说唇面和水口的结构都影响着钻头的寿命以及效率。异形唇面结构可以降低钻头底唇面和孔底岩石之间的接触面积，增加了钻头的碎岩自由面，有利于提高钻头的钻进效率，水路系统的设计则可以有效提高钻头的冷却效果并及时排除孔底的岩粉。
常规唇面结构的孕镶金刚石钻头在坚硬致密岩层中钻进时，钻头唇面上出刃的金刚石切入岩石的深度较浅，所以在回转力作用下金刚石主要以磨削、刻划的方式破碎岩石，而要获得较高的进尺，就要增加钻头的转速，但钻头的回转速度有限，无法有效解决钻头钻进速度慢的问题。而且当金刚石以磨削和刻划方式碎岩时，产生的岩屑颗粒较细，不利于金刚石出刃，容易出现钻头“打滑”甚至不进尺现象。但通过设计合适的金刚石钻头唇面结构使岩石发生较大的体积破碎，可以大幅提高孕镶金刚石钻头的钻进速率。孙吉
图1 掏槽式超前齿结构与岩石配合示意
Wu
图2 具有网格状胎体的孕镶金刚石钻头
高
图3 具有自再生功能的仿生凹形孕镶金刚石钻头
高科
图4 仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻
孕镶金刚石钻头由于采用的金刚石粒度较细，因此钻头工作唇面上金刚石出刃很小，冲洗液通过岩石工作面和胎体唇面之间的间隙来冷却金刚石和胎体是相当困难的。岩屑的排出和冷却金刚石与胎体主要是通过钻头的水口和水槽，与表镶金刚石钻头相比，在钻头直径相同的条件下，孕镶金刚石钻头的水路具有水口多、水槽和水口较深的特点，以保证钻头上的金刚石得到良好的冷却效果。刘宝昌
图5 水口大小变化钻头(КИТ)唇面结构
李春
图6 硬岩长寿命钻头
孕镶金刚石钻头的工作机理是通过金刚石切削破碎岩石进行的，张绍和
高效率孕镶金刚石钻头的高效率是通过金刚石的高出刃来实现的，这样就要求钻头的胎体对金刚石要有很好的包镶能力，只有具有强包镶能力的胎体，才可保证金刚石在出刃量较大时不会和不易脱落。在设计高效率孕镶金刚石钻头的胎体时，为了提高包镶能力，改善胎体性能，可在胎体中加入一定适量的钴金属成分。另一方面使用表面镀覆金属的金刚石（如表面镀钛等），也可起到提高钻头胎体对金刚石的包镶能力的目的。上述手段均有利于孕镶金刚石钻头实现高效率钻进。
高效率孕镶金刚石钻头还要有高强度（抗变形能力）的胎体，因为高效率来源于金刚石的高出刃和高的线速度，高的线速度使作用于金刚石颗粒上的力很大，这样一来使金刚石切削破碎岩石的作用力也很大。根据作用力与反作用力原理，则金刚石反作用于胎体上的力也很大。这就要求钻头胎体能够承受金刚石给予的大作用力而不产生变形，否则金刚石容易脱落，钻头就不可能实现高效率工作。因而在设计高效率孕镶金刚石钻头时，不宜选用抗变形能力差（如脆性很大）的钻头胎体配方。
高效率孕镶金刚石钻头也要求钻头胎体有较好的高温硬度即红硬性。正如前述，钻头的高效率是由金刚石的高出刃和高的线速度带来的，这样其必然会导致钻头胎体的工作温度很高。若钻头胎体的红硬性设计不理想，钻头在不高的工作温度下就引起胎体软化，这样使胎体十分容易磨损，抗变形能力减弱，从而将严重影响金刚石切削岩石的能力和效率，使金刚石稍有出刃就脱落或缩径，这种钻头则肯定不可能有高的时效。
钻头胎体的强耐磨能力也是决定孕镶金刚石钻头能否拥有高效率的重要条件之一。孕镶金刚石钻头在进行高时效切削岩石时，产生的岩粉量必然很大，大量的岩粉冲蚀研磨胎体，使钻头胎体容易被迅速磨损，也会导致金刚石在出刃不大或磨损不大的情况下，因胎体的磨损而脱落，这样同样也不可能给金刚石钻头带来高效率。为解决该问题用通常的增加骨架成分碳化钨的方法是行不通的，这是由于一方面随着胎体配方中骨架成分碳化钨的增加，钻头所要求的烧结温度也必然会随之增加，使钻头胎体的脆性增大，导致钻头胎体抵抗震动、碰撞等的能力减弱，当钻头遇到硬而大的如石英粒等时，容易使钻头胎体成块状裂脱。解决该问题采用的合理方法是：在钻头胎体配方中加入适量的低强度差质量的细颗粒金刚石作为辅磨料，用它们来增强钻头胎体的耐磨能力。相对于整个钻头来说，在胎体中颗粒度较粗、质量较好、起切削岩石作用的金刚石是主磨料。辅磨料金刚石一般来说不起切削岩石作用。
高效率孕镶金刚石钻头要求用高强度粗颗粒金刚石，以保证金刚石能有大的出刃量，增大每颗金刚石单次切削岩石的切削量，即切削效率。当然若金刚石的粒度过粗，当金刚石钻头钻进一段时间后，金刚石的尖部一旦被磨平，金刚石与岩石的接触面积增大，降低了金刚石刻取岩石的单位面积压力，减少了金刚石每次切入岩石的深度，从而降低钻头的时效。
孕镶金刚石钻头中浓度设计是否合理是钻头能否取得高效率的关键因素之一。常规钻头一般设计的金刚石浓度为25%（100%体积制），如此高主磨料的金刚石钻头不可能产生高效率。因为孕镶金刚石钻头的时效一方面取决于钻头线速度的快慢；另一方面又受制于作用在钻头胎体上单颗金刚石的平均压力。若没有作用于钻头胎体上单颗金刚石的大压力，会导致金刚石切入岩石的深度较小，降低金刚石切削岩石的单次效率，无法实现钻进的高效率。
由于大口径热压孕镶金刚石钻头的生产难度较大，技术含量高，材料用量多，相应其成本也较高，从而导致其销售价格昂贵。故此用户在选择和使用大口径热压孕镶金刚石钻头时，对寿命的要求是摆在首位的。因而在设计制造和生产大口径孕镶金刚石钻头时，保证钻头寿命较长是第一位考虑的问题。但是大口径孕镶金刚石钻头的直径很大，由于钻探设备等原因，会使作用于钻井孔底钻头单位面积上的压力极小，若钻头配方设计不当，不仅不能实现长寿命的目标，还有可能导致钻头钻进时根本不进尺，出现钻头打滑现象。故此，在设计大口径热压孕镶金刚石钻头配方时，如何合理解决钻头寿命和避免出现钻头打滑这一对矛盾是其研究的难
孕镶金刚石钻头的工作机理是通过金刚石切削破碎岩石来进行的，要使孕镶金刚石钻头能有效切削破碎岩石，必须保证金刚石有一定的出刃量。同时为了达到大口径孕镶金刚石钻头具有较长寿命的目的，还要求钻头胎体具有理想的包镶能力和较好的耐磨性。
为了保证大口径孕镶金刚石钻头在使用过程中始终能正常进尺，防止出现钻头打滑现象，必须保证钻头胎体工作表面始终有金刚石出刃，这就要求钻头胎体在具有较好包镶能力和耐磨能力的同时，能使胎体与金刚石同步磨损。假若钻头胎体超前于金刚石磨损（偏快），将导致钻头寿命太短，这正是用户所不愿看到的和生产制造商要极力避免出现的情况；另一方面，假若钻头胎体磨损滞后于金刚石的磨损，即钻头胎体的包镶能力和耐磨能力过强，将使金刚石无法出刃，不能有效切削岩石，出现钻头不进尺情况。
大口径孕镶金刚石钻头在正常钻进过程中，钻机转速一般较低，但作用于钻头唇面工作层的线速度却很高。如当钻机转速为175 r/min时，Ø280/250 mm钻头唇面外径位置处的线速度为：Vd＝nπD＝2.56 m/s，而Ø60/41.5 mm钻头在钻机转速为890 r/min时，钻头唇面外径位置处的线速度才为：Vx＝nπd＝2.79 m/s。这么高的钻头线速度，就要求大口径孕镶金刚石钻头的胎体要有高的强度（抗变形能力），因为高的线速度使作用于金刚石颗粒上的切削力很大，根据力的传递原理，金刚石反作用于胎体上的力也很大。这就要求钻头胎体能够承受金刚石给予的大作用力而不产生变形，否则金刚石容易脱落，钻头就不可能有很长的寿命。
在设计大口径热压孕镶金刚石钻头时，必须保证钻头胎体有较好的高温硬度即红硬性。有人误认为，对于大口径热压孕镶金刚石钻头，由于钻进时钻机给予钻头的转速较低，钻头胎体产生的温度也不会很高。而实际上，钻头胎体的温度是由其高的线速度带来的，大口径孕镶金刚石钻头低转速钻进和小口径孕镶金刚石钻头高转速钻进时情况一样，尽管转速高低不同，但线速度均较大，因而钻头胎体的温度均很高。若设计的钻头胎体的红硬性不理想，钻头在不高的工作温度下就引起胎体软化，这样将严重影响金刚石切削岩石的能力，使金刚石稍有出刃就脱落，这种钻头则肯定不可能有长的寿命。
大口径热压孕镶金刚石钻头要求要用高强度粗颗粒金刚石，以保证金刚石能有大的出刃量和好的耐磨能力，不至于出现钻头不进尺现象。另外，高强度的粗颗粒金刚石在高的线速度下，本身不容易碎裂。同时，大口径孕镶金刚石钻头在使用时，钻压一般不大，而在相同金刚石浓度条件下，粗颗粒金刚石的粒数比细颗粒金刚石的粒数少，这有利于增加钻进时作用于单颗金刚石上的平均压力。当然若金刚石的粒度过粗，金刚石的工作尖部一旦被磨平，使金刚石与岩石的接触面积增大，相反降低了金刚石刻取岩石的单位面积压力，减少了金刚石每次切削岩石的深度，从而降低钻头时效，甚至有可能使金刚石不能实现正常的新旧交替，使钻头出现不进尺现象。
大口径孕镶金刚石钻头中金刚石浓度设计得是否合理，是决定钻头能否达到理想使用效果的关键因素之一。常规钻头一般设计的金刚石体积浓度为25%（100%体积制），如此高的金刚石浓度对于大口径孕镶金刚石钻头来说肯定是不适宜的，因为大口径孕镶金刚石钻头在实际使用时，钻压一般不大，如何增大作用于钻头胎体工作表面单颗金刚石的压力，是设计大口径孕镶金刚石钻头要着重考虑的问题。解决该问题一方面可采用粗颗粒金刚石的办法，另一方面在保证钻头有一定较长寿命的前提下，可以适当降低金刚石的浓度。
钻头在钻进极坚硬地层时，出现钻头打滑现象，许多人认为造成这一现象的原因是金刚石不能出刃，钻头胎体过硬而造成的，于是想方设法降低钻头胎体的硬度和耐磨性，这样一来导致走向另一极端，即钻头钻进极坚硬地层时能产生进尺，但钻头寿命极低。事实上，钻头在钻进极坚硬地层时，由于岩石对金刚石的磨损过快，而岩石对钻头胎体的磨损却相对较慢，这样钻头在钻进极短的时间内，岩石磨损金刚石就导致金刚石表面出现一个小的平面（如
图7 金刚石钝化示意
图8 磨钝金刚石受力状态
钻头出现不进尺打滑现象后，磨钝的金刚石在钻头胎体内已成为障碍，为了不使磨钝的金刚石在钻头胎体内及孔底做无用功（不刻取和破碎岩石），只有设法使其尽快脱落，以能使下一颗新的完好的金刚石能尽快出来刻取和破碎岩石。基于这一点，利用弱包镶手段来设计极坚硬地层钻头能够解决钻头打滑问题。弱包镶防打滑钻头的设计方法是：先在金刚石表面用机械方法裹上一层碳化钨粉末，然后将处理过后的金刚石与胎体粉末均匀混合，再进行装模烧结。这样处理后的钻头由于在胎体与金刚石之间有一层没有粘结特性的碳化钨粉末（如
图9 弱包镶金刚石钻头结构示意
图10 弱包镶钻头工作原理
在设计制造这种弱包镶防打滑孕镶金刚石钻头时，其关键点在于要根据岩石对金刚石的磨损能力来选择合适的弱包镶程度，只有当金刚石工作到一定程度，即不能有效刻取和破碎岩石时，才能让其脱落。若金刚石脱落过早，降低了金刚石的利用率，造成浪费；若金刚石脱落过迟，钻头又会出现不进尺，达不到设计弱包镶的目的。弱包镶防打滑钻头的金刚石脱落快慢是通过金刚石表面包裹的碳化钨弱包镶粉末层的厚度来控制的，碳化钨弱包镶粉末层越厚，则金刚石的脱落速度就越快；反之，金刚石的脱落速度就越慢。
强、弱混镶钻头的设计思想打破从钻头的结构形状、胎体的软硬性能、金刚石浓度和密度来改善钻头性能的常规思想，结合普通金刚石钻头与普通弱包镶钻头的优点，在钻头工作层中选用两种质地不同的金刚石或者其他磨料（如
图11 强弱混镶钻头工作层结构
该钻头工作层中工作材料为：（1）强包镶材料—高强度优质金刚石。这种金刚石单颗粒抗压强度大，耐磨损，切削岩石能力强。再使用真空镀工艺在金刚石表面沉积强碳化物形成元素—金属W，在高温烧结钻头时将金刚石与氧气和胎体材料隔开，使金刚石不受氧气的氧化和胎体材料的侵蚀，降低金刚石的损耗。同时，该金属层还能提高金刚石与胎体材料的结合力，实现金刚石在胎体材料中的强包镶。该强包镶金刚石碎岩能力强，为钻头工作层的主要切削材料，工作时间长，能提高钻头寿命。（2）弱包镶材料—低强度金刚石或其他磨料。在这种磨料的表面先化学沉积一层NiWP合金薄层，改善金刚石的表面润湿性能，使WC混合粉很容易就能包裹在磨料的表面，从而实现低强度金刚石或其他磨料在胎体材料中的弱包镶。弱包镶后的低强度金刚石或者其他的磨料与胎体材料的结合力小，易脱落到钻孔孔底，主要用于钻头的自锐。这样，在钻进时，钻头中的两种工作材料适时出露，两种磨料对彼此起了相互补强的作用，从而解决了钻头的钻进时效与钻头寿命之间的矛盾，使该种钻头具有高的时效和高的寿命，满足生产要求。
制造技术是影响孕镶金刚石钻头性能的另一个重要因素。孕镶金刚石钻头的制造方法主要可以归纳为以下几种：热压烧结法、强化热压烧结法、激光焊接法以及增材制造法。每一种孕镶金刚石钻头的制造方法都有其优势，制造出的孕镶金刚石钻头各具特色，但不同的制造方法都有不同的制造工艺参数，必须与优化配合的胎体材料体系相结合，才能得到良好效果。
目前热压烧结法是制造孕镶金刚石钻头的主流方法。该方法通常是将设计好的钻头配方材料置于石墨模具中，通过加热使胎体中金属混合料收缩、软化，当接近塑性流动状态时，施加压力使胎体致密化，牢固地包裹住金刚石颗粒，最后将钢体与胎体牢固地接合成一体得到钻头实体。因此为保证钻头的使用性能，必须选择合适的烧结工艺，对于不同的钻头胎体配方，相应最优的烧结工艺均会有所不同，若烧结工艺设计不当则会直接影响钻头烧结后的性能。如温度过高会对金刚石造成热损伤，影响钻头质量，增加能耗和成本。温度过低会导致烧结合金化程度不足，钻头整体密实度较低，胎体内部微观组织结构不均匀，影响钻头的使用性能。
叶宏煜
热压烧结法需要使用结构复杂的组合烧结石墨模具，而激光焊接法是先独立冷压钻头齿再进行热压烧结，然后将钻头齿与基体焊接，这种方法的优势是可以充分发挥激光发生器的作用，能产生高能量密度激光束，使得焊接层的局部达到“深熔焊接”的状态，令焊缝狭窄平滑牢固，热影响区小，其焊接强度远远高于高频焊接的强度，而且还可免除采用组合模烧结的工
与传统制造工艺相比，增材制造技术为复杂结构孕镶金刚石钻头的制造提供了更高的设计自由度。目前，金属材料的增材制造技术的研究相对较为成熟，如选择性激光烧结（SLS），直接金属沉积（DMD），形状金属沉积（SMD），电子束熔化和等离子沉积制
张绍和
图12 熔丝制造金刚石工具的基本流程
随着国家能源及科学钻探向地球深部进军，钻头的工作环境变得愈加复杂，传统孕镶金刚石钻头存在寿命短，效率低和能耗大等技术难题。因此，创新孕镶金刚石钻头的设计与制造理念，提升钻头的使用寿命和工作效率，是推动孕镶金刚石钻头升级的重要研究方向。未来孕镶金刚石钻头可以从以下几方面展开深入研究：
（1）坚硬地层用孕镶金刚石钻头研发。提高孕镶金刚石钻头在硬地层、复杂地层的适应性能，可从胎体配方设计和钻头唇面结构优化设计方面展开研究，在保证胎体强度的前提下提高金刚石的出刃高度，并通过唇面结构优化设计提高单位面积上的比压，增加金刚石压入岩石的深度，形成相对大的体积破碎。
（2）多功能碎岩孕镶金刚石钻头的研发。如融合PDC和孕镶金刚石切削结构等现有技术，对钻头切削元件进行优化布置，设计一种新型高效的混合钻头，以适应深部复杂地层的钻进。
（3）升级孕镶金刚石钻头的制备工艺。传统制造工艺难以实现复杂结构孕镶金刚石钻头的制造，利用3D打印技术独特的优势可以实现钻头结构的自由设计及制造。
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