本文将讨论为不同的钻头应用而 选择PDC齿以及未来PDC齿开发，包括 改善基体性质、改善钴的控制、可 供选择的金刚石制造方法、以及新 近开发的PDC齿试验方法等。

PDC齿的选型

自上世纪七十年代间首次推出 PDC切削齿以来，在技术上又有了空 前的发展。在高温高压压制技术方 面的进步提高了烧结能力，且能够 产生更好的金刚石与金刚石间的粘 结以及更好的金刚石与基体之间的 粘结效果，而更好的粘结效果所带 来的好处是更少的PDC齿破碎和更少 的脱层现象的发生。

金刚石层与硬质合金界面形状的 改进改变了齿的残余应力状态，使 得能够在齿上采用更厚的金刚石层 并增加金刚石的体积，在实际应用 中，这种改变所得到的齿的破碎率 更低、耐磨寿命更长。带有非平面 界面的PDC齿早已成为工业界的一种 标准产品。金刚石颗粒大小以及界 面形式的多种不同变化为钻头供应 商的产品提供了颇具竞争性的超强 性能。

然而，几乎是PDC齿一经发明， 人们就意识到了热损坏的危险。从 PDC齿上的金刚石中去除钴是减小这 种问题的一种尝试，而另一种方法 则是用碳化硅替代钴。但由于在将 这类材料粘接到钻头方面有一定的 局限性，比如会对聚晶金刚石产生 弱化作用，所以这些尝试只获得了 部分成功。

在1983年，日本住友商事株式会 社的两位研究人员对标准PDC齿上金 刚石层的一薄层进行了脱钴处理。 通过他们的试验，使PDC齿的性能得 到了大幅提高。然而，这项发明直 到2000年为止都一直受到冷落。然 后，随着人们对金刚石层和加深理 解，钻头供应商们才将此项技术应 用到了用于岩石钻进的PDC齿上。用 这种方法处理过的PDC齿适用于热机 械磨损很大的高研磨性地层，目前 被工业界普遍认为是一种体质齿， 通常也被称之为“脱钴”齿。

近代的另一项努力是美国合成公 司的研究人员在碳化钨基体上附上 一层热稳定层。为了制成这种齿， 要对一薄层聚晶金刚石进行脱钴处 理，然后再将这一薄层金刚石置于 碳化钨基体并再进行一次高压高温 压制，这一过程便能够将热稳定金 刚石层粘附到碳化钨基体上，但这 一切削齿技术也一直被冷落到2000年 中期。而后，由于有了更为先进的 压机以及对这一技术的理解，研究 人员制造出了更为耐用的产品。这 种过程一般被称作“两步”过程， 金刚石层两通过高压高温压制，第 一次是其原始烧结过程，第二次是 将金刚石层与碳化钨基体烧结到一 起。由该过程制造的齿目前也构成 了工业界另一种优质齿。

就上述三种产品而言也有许多种 变形，通过改变晶粒度、界面形状 以及进行后烧结处理都能改变PDC齿 的性能。另外，每家PDC齿制造商都 有其自己的制造工艺变量和经验， 这就导致在市场上可见到许多各种 不同的PDC齿产品。

钻头面的位置对PDC齿的性能 也有影响，比如，位于中心位置的 齿的切削截面较大，但切削速度较 低；而位于钻头侧部的齿的切削速 度高，但切削面积却较小。另外， 副齿和保径齿的性能要求也不同。 面对市场上多种不同的PDC齿， 钻头供应商应该如何优化其产品性 能且同时又能够保持其产品的竞争 性呢？地层类型及钻井条件对钻头 的选择起决定性作用。聪明的应用 工程师将会针对其具体的钻头设计 要求对各种齿进行全面的了解并做 出相应的选择。

可以根据耐磨性、抗冲击性以及热稳定性对PDC齿进行分类，这三种 性质形成了最基本的选齿标准。但 遗憾的是，很难在一种齿上使这三 种性质都同时达到极至， 所以，应用工程师就必须针对其 具体的钻井需求选择最合适的齿， 同时还不能冒发生其它失效形式的 险，且还要考虑资金的节省。

高耐磨性PDC齿的特点是烧结 后齿的金刚石晶粒很细。耐磨性是 在实验室中在有冷却液的情况下让 齿切削花岗岩或砂岩并测量其磨损 速度而得到的。这种齿通常被用于 钻具有中等到低抗压强度的砂岩地 层，具体的钻井井段和钻头结构要 求钻头在钻井时要相对稳定，以便 能够最大程度的减小冲击损坏。 抗冲击性很好的PDC齿的特点是 烧结后齿的金刚石晶粒较粗，且其 金刚石层界面将会被设计成能够减 少由冲击所引起的裂纹。抗冲击性 是通过落锤试验或其它金刚石层检 测方法进行检测的。这种齿通常被 用于钻夹层地层或是被用于根据钻 头设计在钻井时不太稳定的钻头产 品上。这类齿的其它用途包括可用 于其在钻头上的位置会导致冲击冲 击现象，比如用于副齿齿排或是被 用作保径齿和修边齿。

近年来，PDC钻头的应用已扩展 到需要有良好的耐热机械磨损的应用 中，用于这种用途的PDC齿既要有良 好的耐磨性同时还要有很好的热稳定 性。这种齿的特点是既要在烧结后含 有很细的金刚石晶粒，同时其金刚石 层中的还要部分或全部被去除掉。既 可以在烧结前也可以在烧结后对钴进 行清除。这种齿通常被用于抗压强度 高的锋利砂岩中钻井。

未来的发展趋势

为了在更广泛的应用中使PDC齿 和PDC钻头成为必选工具，就要对PDC 齿的基体性质、金刚石材料性质以 及试验方法进行全面的改进。

基体性质以及对钴的控制 PDC齿的碳化钨基体是齿的一个构成 部分，并对PDC齿的整体应用和性能 起着关键的作用。基体在高温高压 压制过程中起着为聚晶金刚石层的 生成提供生长平台的作用，并为在 钻头上镶装PDC齿提供所需的表面。 该基体还在极脆的金刚石层和相对 而言很不脆的钻头体之间起到一个 过渡层的作用，无论钻头体是钢体 的还是胎体的，情况皆如此，这一 过渡功能有助于金刚石层更好的吸 收钻井期间所产生的冲击负荷。

基体是由钨、碳和钴构成的，钴 能够提高基体的断裂韧性，而碳化钨 牌号则是这样分类的，即如果其中的 钴含量较大的话，其韧性就较好，而 若其中的钴含量较低的话，则其耐磨 性就会更好一些。以前，PDC齿以及 PDC钻头制造商都会采用含有均匀钴 含量的基体，钴含量百分比的大小要 兼顾断裂韧性和耐磨性。

人们正在努力研究对基体进行改 进以克服这一传统折衷方法，这类 努力致力于在基体制造过程中改进 对晶粒生长的控制以及对整个基体 中钴含量的变化加以改善。比如， 如果与心部相比，基体外层能够含 有较低百分比的钴的话，则基体外 部就会实现所要求的更好的耐冲蚀 性，而基体心部的钴含量就会更 高，以便能够提供钻井用PDC齿所需 的更好的断裂韧性。

人们探索了三种能够实现这类基 体性质的可能方法。第一种方法为 扩散烧结工艺，通过这种扩散烧结 工艺制造功能梯度碳化钨硬质合金 的原理是使钴原子从基体的一端移 动到另一端，而碳原子则是以相反 的方向运动，这样就会使基体整个 长度都形成功能梯度，使基体在其 金刚石层一端较硬，而在另一端则 较软，从而使基体沿其长度形成更 好的过度效应。

所探索的第二种方法被称之为吸 入法。采用这种方法，是将现有的 碳化钨基体选择性的涂以一种非渗 透材料，比如氮化硼或氧化铝。然 后让未涂非渗透材料的部分与吸入 材料相接触，在这种情况下是钴。 而后再通过热处理过程对整个基体 进行一下处理，使钴吸入材料扩散 到基体上未涂非渗透材料的部分中 去，生成富钴区域。

该方法为在基体上调整富钴区域 以改善产品性能提供了很多机会。 所探索的第三种方法是对碳化钨 基体表面进行高能量机械处理。这种 方法是将PDC齿上的金刚石部分保护 起来以避免其损坏，然后再用碳化钨 丸对基体进行高能量喷丸处理。这种 方法能够将基体上被处理的外表面处 的钴驱替到基体心部区域，使心部富 钴而外表面处贫钴从而获得所需要的 钴梯度。【未完待续】