摘 要：从切削齿、钻头结构、钻头设计与制造、钻头优选及使用技术等方面，介绍了国内外PDC钻头技术发展现状，指出目前PDC钻头居市场主导地位，切削齿的改进和创新是钻头研发的主攻方向，钻头结构趋向多样化、集成化，更为强调个性化设计，强化参数钻井。列举了包括水平井一趟钻在内的应用案例，PDC钻头提速降本效果显著，助力非常规油气高效开发，深井钻井周期持续缩短，钻井记录不断刷新。未来适时引入高新技术和高新材料，将带来钻头技术的重大突破，集成创新和颠覆性创新进一步加快，智能钻头不断提高储层钻遇率和机械钻速，新一代钻头将会促进水平井超级一趟钻的推广应用。同时分析了中国石油集团PDC钻头技术发展现状与差距，提出了有针对性的发展建议。
关键词：PDC复合片；PDC钻头；切削齿；钻头设计；钻头制造；发展趋势
钻头性能直接关系到钻井的效率、质量、成本乃至安全。钻头虽小，却是钻井提速降本的第一利器。改进钻头往往能收到事半功倍的效果，对于水平井、深井、超深井来说尤为如此。如少用一只钻头，不仅可以直接节省钻头成本，还可缩短钻井周期，效益十分可观。因此，国内外石油公司和油服公司都高度重视钻头技术的改进与创新。
1PDC钻头技术发展现状
钻头技术的改进和创新可归纳为集成创新和颠覆性创新两大类。
1.1 PDC钻头居市场主导地位
PDC钻头（PolycrystallineDlamondCompactBit，聚晶金刚石复合片钻头）早在10年前成为破岩主力，逐步取代了牙轮钻头，在钻井提速降本中发挥着重要作用。近年来，中国和美国85%以上的钻井进尺由PDC钻头完成，PDC钻头已在石油钻头市场占据主导地位。
1.2 切削齿成为钻头创新主攻方向
切削齿的改进和创新是PDC钻头技术改进和创新的主攻方向，容易收到事半功倍的效果。
1.2.1 持续改进材质，提升切削齿性能
钴元素是压制PDC复合片时加入的结合剂，在人造金刚石内呈现宏观均匀分布状态。由于碳元素（人造金刚石）与钴元素的热膨胀系数不同，工作时会伴随温度升高而体积变大，从而引起内应力的增加，造成PDC复合片的破坏。为此提出了复合片脱钴的问题，PDC复合片脱钴技术就是要去除金刚石层内的钴元素。国内外钻头公司通过PDC复合片脱钴技术来提高PDC切削齿的综合性能，特别是热稳定性能。
1.2.2 创新形状和结构，实现切削齿多样化
（1）非平面PDC切削齿。
长期以来，PDC切削齿的切削面一直是平的。为进一步提高破岩效率和延长钻头使用寿命，近几年国内外钻头公司打破常规，颠覆传统，相继推出了多种非平面PDC切削齿，例如斯伦贝谢Smith钻头公司的锥形切削齿（图1）、贝克休斯公司的凿形切削齿（图2）和StayCool多维切削齿（图3），以及中国石油休斯敦研究中心的Tridon切削齿。
（2）活动式PDC切削齿。
传统的PDC切削齿是固定齿，近几年创新研制出一些活动型PDC切削齿，例如斯伦贝谢的可旋转PDC复合片（图4）、贝克休斯的可自动调节切削深度的自适应切削齿（图5）。
（3）多样化的复合片结合面。
PDC复合片与基柱的结合面直接关系到PDC切削齿的耐磨性、耐冲击能力和热稳定性。为改善PDC切削齿性能，钻头厂家推出了花样翻新的复合片结合面，例如FirestormPDC切削齿（图6）。
1.3 钻头结构多样化、集成化
任何改进与创新都有利有弊，传统技术与新技术的集成应用可以发挥各自优势，降低风险，通常能取得“1+1＞2”的效果。集成创新成为近几年国内外钻头结构改进与创新的热点之一，破岩方式也趋于多样化和集成化。
1.3.1 混合齿钻头
近几年，国内外持续推出一些新型切削齿，将传统切削齿与新型切削齿集成应用，即生产混合齿钻头，取得了意想不到的综合效果。例如，贝克休斯公司新推出了一种集PDC切削齿和牙轮钻头硬质合金齿于一身的PDC钻头；NOV公司开发出一种混合使用PDC切削齿和孕镶金刚石材料的PDC钻头；斯伦贝谢则新推出了可旋转PDC切削齿，并相应推出了装有固定PDC切削齿和多颗可旋转PDC切削齿的PDC钻头。可旋转PDC切削齿有助于充分发挥PDC切削齿的潜能，提高钻速并延长钻头使用寿命。
1.3.2 混合型钻头
近几年在钻头集成创新方面取得的最大突破当属贝克休斯研制的Kymera钻头（图7），它是集牙轮钻头与PDC钻头优势于一体的二合一钻头，拓宽了钻头的地层适应性，提高机械钻速。
1.4 高新技术引入钻头设计与制造
为了提升钻头设计与制造的效率与质量，国内外钻头公司都在利用大数据分析、数字化仿真技术、3D打印技术等现代化手段，不断提高信息化、数字化、自动化水平。如斯伦贝谢Smith钻头公司推出了IDEAS钻头设计与模拟平台。
随着3D打印技术的快速发展，被越来越多的钻头公司引入应用，以优化钻头设计与制造，实现快速、小批量、个性化。例如，BlueFire公司利用SolidWorks软件开发设计出高度复杂的钻头，下一步将通过一家得克萨斯的3D打印公司进行制造。为了使钻头在页岩、砂岩、石灰岩及黏土中都具有较高的破岩效率，采用了较大的PDC切削面，并在钻头体上设计横向水眼，以提高钻头的清洁和冷却效率。试验证实，这些设计使切削结构表面的温度降低30%以上，大大减少了切削片的热磨损，延长了钻头寿命。为提高钻井液的喷射速率，BlueFire钻头采用特殊设计的喷嘴排列方式，强化高压喷射效果，还大幅提升了钻头的润滑及排屑能力。新颖的设计使钻头的制造难度大幅增加，3D打印技术有助于完美实现这些高复杂度的设计，同时也节约了制造成本。此外，通过一次成型的制造工艺，钻头应对极端环境的能力显著增强。
目前国内也有多家单位在钻头设计与制造中应用3D打印技术，如中国石油宝鸡石油械有限责任公司钻头公司、中国石油集团川庆钻探工程有限公司等。川庆钻探公司设计制造的个性化“川庆”牌PDC钻头，主要是利用3D打印机打印胎体钻头的母模，显著提高母模的制作精度与效率，做到设计快、制造快、更具针对性，定制PDC钻头的时间从先前的30d缩短到3～5d。
1.5 强调个性化设计
一是针对不同地区、井段、地层设计个性化钻头。例如，一些大的钻头制造商针对美国页岩地层开发了个性化PDC钻头，包括斯伦贝谢的SpearPDC钻头、贝克休斯的Talon3DPDC钻头、哈里伯顿的SteelForcePDC钻头等。
二是针对不同用途设计个性化钻头。例如，为旋转导向钻井系统开发了可导向性好的PDC钻头，为旋冲钻井开发了旋冲钻头，为调查天然气水合物开发了天然气水合物随钻取样器等。
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