金刚石复合片是什么
答：是一种金刚石和硬质合金基体组成的复合材料，具有硬度高、耐磨性好的特点，广泛应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采钻头上和机械加工工具等行业。 国内专业生产金刚石复合片的公司主要有河南亚龙等，通过引进国际先进技术，加强自身技术开发力量培养，采用新型高效触媒以及新工艺，生产的金刚石复合片具有多种齿型结构，界面结合牢固、均匀，有较高的耐磨性、热稳定性和较强的抗冲击韧性等特点。 当前金刚石复合片发展的方向主要有： 1、聚晶金刚石层不断加厚，由最初的不足1mm发展到现在的2-4mm，产品的寿命也随之提高。 2、金刚石晶粒越来越细，耐磨性和抗冲击性综合性能提高。 3、通过优化工艺或脱Co、增加耐热层等工艺金刚石－硬质合金复合片
(一)国产复合片
郑州磨料磨具磨削研究所于1982年研制成功PDC材料，并于1990年开始PDC刀具的工业化生产。与此同期，国内多家公司从美国引进了制造PDC的设备与技术，随后PDC产业迅速发展。目前我国PDC的产量已跃居世界首位。常用的国产复合片型号如表2－10所示。
(二)国外产的复合片
早期生产Stratapax复合片的主要厂家是美国G.E.公司和南非DeReers公司。其聚晶金刚石层用粒径0.3mm的金刚石粉料在温度1400℃和压力6000MPa条件下(添加钴作催化剂)压制而成。Stratapax复合片与天然金刚石的物理力学性质对比如表2－11所示。
表2－10 常用的国产复合片型号及尺寸
表2－11 Strtapax片与天然金刚石的物理机械特性对比
由于金刚石层中有触媒金属，可能导致复合片在加热至1000℃以上时性能下降，在金刚石层中出现径向裂纹，甚至出现与硬质合金衬底分层。而复合片在900～950℃条件下性能基本不发生变化，所以应采用银基低温焊料把它们焊在钻头刚体或胎体上。
表2－11中的相对耐磨性指标以工具切削刃磨损量达0.254mm所需的时间为单位(min)。获得数据的试验条件是在无冷却、线速度2.54m/s、切削深度0.762mm和每转给进量0.127mm条件下切削标准砂轮。由表2－11的数据可看出，Strtapax复合片的耐磨性比硬质合金高100～150倍，与天然金刚石相当。Strtapax片的工作表面硬度几乎是硬质合金的3倍，而是天然金刚石的2/3～1/2。
DeReers公司用于Syndrill型复合片的人造金刚石聚晶与天然金刚石和硬质合金的物理力学特性对比如表2－12所示。复合片中所用的人造金刚石聚晶性能基本与天然金刚石相近，明显高于硬质合金的硬度和抗压强度。由于调整了单晶的方向，使人造聚晶金刚石具有更均匀的硬度，从而提高了其耐磨性。但其抗弯强度明显小于硬质合金，所以抗冲击韧性较差。
表2－12 Syndrill型复合片中聚晶人造金刚石与天然金刚石和硬质合金的性能对比
独联体主要使用两种型号的复合片制造钻头:8×3mm和13.5×3.5mm，其中金刚石层的厚度0.7～0.8mm。
(三)乌克兰在复合片研究方面的进展
1.增大衬底接触面积的效果分析
1985年乌克兰超硬材料研究所即开始生产金刚石复合片。在复合片钻头投入工业应用的初期，发现深孔钻进中复合片钻头的主要损坏形式为:金刚石层的相对耐磨性差使其钻头寿命不长，金刚石层与衬底脱离、焊缝破坏、复合片脱落等。根据2154个复合片的观测结果发现，复合片钻头最主要的损坏形式是金刚石层与衬底脱开，占21%。这时仅靠衬底起切削具的作用，导致钻头的实钻指标迅速下降。
为了提高金刚石层与硬质合金衬底的连接强度，于1987年提出了在衬底上加工凹槽增大接触面积的方法。衬底表面相互垂直的半圆形凹槽如图2－2(a)所示，加工出来的凹槽深0.35mm(图2－2(b))。以直径13.5mm的复合片为例，带棋盘状凹槽的衬底接触面积Ss=175.03mm2，比同直径平衬底的接触面积(Ss=143.14mm2)增大22.3%。
曾制造焊有43片带凹槽衬底复合片的全面钻头用于生产试验，共进尺1158m，未发现金刚石层与衬底脱开的现象。说明该方法增大了金刚石层与衬底的连接强度。
图2－2 带棋盘形凹槽的衬底
同时，在实验室进行了复合片抗剪切试验。在抽样复合片上沿径向切出5块2mm×2mm×3.5mm的平行六面体试样，并在试验台上沿其边界线剪切。在标准复合片和凹槽衬底复合片试样接触面积投影都等于4mm2的条件下，得出的试验结果如表2－13所示。凹槽衬底复合片测得的平均剪切应力比标准复合片提高了30%，而且剪切应力与接触面积的增大成正比。
表2－13 复合片的剪切试验结果
表2－13中的测量值明显高于规定的钻头硬质合金焊接强度要求(cp=270～320MPa)，所以这种带凹槽衬底的复合片在深孔作业中是安全的。
2.复合片的耐磨性测试方法及其实用性
金刚石－硬质合金复合片的耐磨性是一个非常重要的技术指标。钻探经验表明，PDC钻头的使用效果在很大程度上取决于复合片的耐磨性，但迄今为止国际上尚无统一的PDC耐磨性测试标准。
国内主要采用JS－71A型磨耗比测定仪，通过准确测定PDC和砂轮的失重量来确定PDC的磨耗比。这种方法的检测误差较大，主要来源于设备的系统误差、砂轮的硬度偏差和称量误差三个方面。其中，称量误差对磨耗比测试结果的影响最大且不易解决。因为PDC的硬度和耐磨性极高，试验过程中失重很小(多在10－5～10－4g范围内)，而PDC表面常吸附空气中的尘埃，称量时表面吸附尘埃的重量就可能抵消其失重，使得测量失准，甚至因失重为负数而无法算出磨耗比。此外，对称量环境和砝码洁净度，对分析天平精度的严格要求，也使磨耗比检测试验的难度增大。
乌克兰国家科学院超硬材料研究所对PDC的耐磨性进行了系列研究。他们不仅通过与砂轮的磨耗比来了解PDC的耐磨性，更重视PDC复合片与岩石对磨时的磨损高度及磨损面形成的动态过程，通过岩石切削过程中PDC磨损高度、磨损面积与切削路径长度之间的关系来评价PDC的耐磨性。因为后者与钻探生产过程更接近，所以更能反映PDC的实际工作能力。
乌克兰超硬材料研究所曾在2500压机上，用表面镀覆保护层的金刚石原料，在7.7GPa压力、1600～2000℃条件下烧制新型大厚度复合片，其金刚石层厚度为1.7mm。为考察新型复合片的耐磨性，安排了传统复合片与新型复合片的切削(耐磨性)对比试验。试验在用卧式刨床改装的实验台上进行。用复合片去切削500mm×300mm×200mm的平行六面体石英砂岩岩块，岩块的单轴抗压强度极限为140MPa，研磨性为35mg(按前苏联研磨性测试方法)。
试验之前，先用旧复合片把岩块表面处理平整，使其平整度偏差不超过0.1mm。再把试验复合片固定在刨床的刀座上(角度可调)并夹紧，使复合片切削刃的切削前角βc=－10°±0.5°、切削后角αc=10°±0.5°(图2－3)。
切削规程为:切削速度0.55m/s，切削深度0.50mm，每个切削行程后岩块横向位移2.8mm。所有复合片样品都要在岩块上完成50±1m长的切削路径，用误差±0.01mm的显微镜测出磨损面中心部分的实际深度hi(即复合片已磨损掉的高度)及复合片切削刃上的磨损长度li，然后求出复合片磨损面的平均高度hcp作为复合片的初始磨损高度(图2－4)。
图2－3 复合片在刨床上固定示意图
图2－4 复合片磨损面形状示意图
复合片磨损面的平均高度可由下式求得
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:n为复合片的数量;hi为复合片磨损面中心部分的实际磨损高度，mm;k为岩块的研磨性修正系数。
复合片的初磨试验结果示于表2－14。新型复合片的平均磨损高度为0.14mm，而传统复合片(不包括切削刃上有破碎缺口的复合片)为0.28mm。
表2－14 不同型号复合片在初磨阶段的磨损高度
为了测定复合片磨损的动态过程，用磨损高度最小的7号新型复合片和1号传统复合片再做试验。按上述方法在岩块上分别切削不同的路径长度(50±1m、100±1m、150±1m和200±1m)，每次切削后，取下复合片并测定其金刚石层的磨损面积S作为复合片的磨耗性能(图2－4)。复合片磨损面积S(mm2)可按弓形面积公式计算，考虑到岩石的研磨性修正系数k，可写成
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:hi为复合片磨损面中心部分的实际磨损高度，mm;li为复合片切削刃上的实际磨损长度，mm。对于试验用的石英砂岩，岩石研磨性修正系数k=1。
复合片磨损动态过程的测量结果与岩块切削路径的关系示于表2－15。
试验结果表明，金刚石层增厚的新型复合片在岩块切削路径为50±1m条件下的平均磨损高度比传统复合片减少了一半，即新型复合片的初始耐磨性比传统复合片提高了1倍。在切削路径长度200±1m条件下，形成磨损面的速度比传统复合片下降了73%。
表2－15 复合片磨损动态过程的试验结果
总之，乌克兰采用的按实验台复合片切削岩块的磨损高度和面积来评价耐磨性的方法，更接近于孔底岩石破碎过程。而且它测的正是钻头使用者最关心的PDC几何磨耗量，所以更能真实反映复合片在钻进中的寿命。
国内外碎岩工具与井下动力钻具发展现状及性能分析
（1）牙轮钻头
牙轮钻头作为油气井钻探的主导产品之一，据不完全统计目前牙轮钻头的钻井进尺占总钻井进尺的20%左右，牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进中硬—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，尤其是近年来使用复合有金刚石的镶齿、金属密封牙轮钻头，在软硬交错地层及硬地层取得较好效果，为钻进硬岩提供一种技术支撑。实践证明，在开孔段牙轮钻头钻进效率高，钻头寿命还算令人满意；在深井上部大直径扩孔钻进中，牙轮钻头从制造工艺上显示其优越性。中深、深孔段钻硬结晶岩效率较低、寿命也低；在超深孔中，对镶齿牙轮钻头提出的特殊要求包括：选择适用于坚硬研磨性结晶岩层的牙轮钻头的类型；尽可能少产生或不产生轴偏距（偏移）的钻头结构；钻头要配装密封的滚动及滑动轴承；标准的、同时镶齿的数量、形式及几何形状，可改变的切刃（镶齿）镶嵌方法；最有效的保径措施是尽可能减小移轴距并加大外镶齿和保径镶齿；采用适合孔深及温度条件的材料；圆锥型、卵型及球型镶齿特别适用于结晶岩地层的钻进工作，凿形齿、勺形齿和超勺形齿则较易折断。牙轮钻头其薄弱环节就是有活动件——轴承，在深井钻进其寿命和耐温性要经得起考验。
（2）PDC钻头
PDC钻头是一种新型切削型钻头，它是通过把人造聚晶金刚石切削齿镶焊于钻头胎体或钻头钢体上而制成的。它以能自锐的PDC切削齿作为切削刃，能够在较低的钻压下获得高钻速，是牙轮钻头的2倍；有较长的使用寿命，是牙轮钻头的4～6倍，主要用于软到中硬地层的钻进。随着PDC复合片质量的提高和焊接工艺的改进，PDC钻头的使用范围延伸到可钻性等级达9级的地层中，以往中国大陆科钻、科拉超深钻、德国KTB钻探中由于钻进岩石比较硬，均未使用PDC钻头。
金刚石复合片以压入剪切方式破碎岩石，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进软—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，近几年PDC性能的大幅提高，使钻探工作者对PDC钻头的期望值越来越高，对钻头的需求量也越来越大，据统计，在2000年，PDC钻头的钻井进尺占总钻井进尺的26%，2003年增加为50%，而在2009年PDC钻头的钻井进尺已经占到总进尺的80%。
PDC钻头的研究进展很快，归纳为以下几个方面：
1）钻头水力学。利用先进的光学测试技术PDA并结合CFD的方法对PDC钻头井底流场进行研究成了钻头水力学研究的新方向，CFD是近年来随着计算机技术的进步而发展起来的一种解决流体流动方面的技术，而我国在这方面的研究比较匮乏。
2）PDC钻头设计。针对不同的地质条件进行个性化设计，如多尺寸切削齿钻头设计、双扭矩概念设计钻头等。采用先进的建模方式建立精确的数字模型，运用CFD和CAD对PDC钻头进行优化设计。
3）PDC钻头机械加工工艺。实现机械加工数控化，将CAD计算机辅助设计技术与CAM计算机辅助制造技术集成。
4）PDC钻头软模成型技术。国外先进钻头厂家普遍采用，国内油井钻头生产厂家目前也普遍采用，在实现钻头模具的数控加工后，此方法可以大大提高生产效率和保证尺寸精度。
PDC复合片钻头在钻探软至中硬地层中发挥了重大的作用，取得了突破性的进展。
2001年美国休斯克里斯坦森公司用BD536PDC复合片钻头，一次下井钻井6994m的世界纪录，史密斯公司生产的M91P PDC钻头创造了202m/h最高钻速的世界纪录，STR554型PDC钻头起下钻16次累计进尺达21405m的世界纪录。
近几年，科技工作者一直致力于研究切削具和地层之间的相互作用，切削具钻头动力学及下部钻具动力学等方面的课题。世界各大钻头公司根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，设计开发出多种PDC切削齿、专用PDC钻头和相关技术。2005年美国DBS公司Robert Claytom 在美国石油工程师协会发表了论文《新型钻头设计和切削具技术扩大了PDC钻头在硬岩钻进中的应用》提出了钻头设计的能量平衡观点，即钻头上切削具（PDC）的合理排布可使钻头最终形成的径向合力最小，这也正是硬岩地层钻进时对钻头必须要的条件。而随着新一代滤钴热稳定PDC切削齿的研制成功，使PDC钻头性能发生了突破性改变，在钻进硬地层，新一代滤钴热稳定PDC切削齿钻头较常规PDC钻头平均单只进尺提高2倍，机械钻速提高1.5倍，扩大了PDC钻头在硬岩的应用范围。
（3）天然金刚石表镶钻头
目前，在硬岩深孔取心钻探中，传统的天然金刚石表镶取心钻头已逐步被孕镶钻头或其他新型金刚石取心钻头所取代，其原因不仅在于天然金刚石表镶钻头价格上的昂贵，更主要的还在于孕镶和其他新型金刚石取心钻头在寿命和平均钻速上高于天然金刚石表镶钻头，无论从碎岩机理上或者大量的国内外实践资料表明了这一些。
大陆科学钻探一井试验表明：天然金刚石表镶钻头的钻进效果不理想，机械钻速不高，特别是钻进一段时间后，时效下降很快，提钻后发现一部分天然金刚石崩刃，大部分金刚石被磨钝，几乎看不到一颗完整的天然金刚石。
天然金刚石表镶钻头的胎体硬度高，耐磨能力强，耐冲蚀性强，比较适应于石油钻井中的大泵量、高泵压的钻井条件。天然金刚石表镶钻头的出刃高，金刚石的颗粒粗，在沉积岩层中钻进的时效高，钻头的寿命长。
对于科钻一井来说，所钻遇的岩石为结晶岩，岩石的硬度高、研磨性强，钻进中希望获得高的钻进速度，必然要采用高的转速和钻压，也必然出现钻头的复合振动增加，这对于表镶钻头是不利的因素，它将促使高出刃的金刚石碎裂或崩刃，逐渐失去工作能力。许多钻探事实也说明，天然金刚石表镶钻头不仅钻进成本高，而且不适应在硬岩和裂隙发育的岩层中钻进。
科钻一井施工中为了提高钻进效率，按设计采用了液动锤冲击回转钻进，表镶钻头的金刚石出刃高，在较大冲击功作用下，坚硬岩石的反作用力大，容易使出刃高的天然金刚石崩裂，金刚石不能充分发挥作用，钻头的使用寿命不高。由此可以认为，天然金刚石表镶钻头不适应于硬岩层的钻进，亦不适应于硬岩中冲击回转钻进。
（4）电镀金刚石取心钻头
从大陆科钻对电镀金刚石取心钻头的试验情况来看，在试验初期钻头表现较好的性能，钻头寿命和机械钻速较高。随着取心钻进方法的改变，钻头开始出现不太适应冲击回转钻进的情况，钻头的工作层出现掉块现象，钻头的性能没有得到充分的发挥，有的只钻进一个回次，有的只钻进二个回次，在主孔段只使用了2只绳索取心钻头。
（5）孕镶金刚石钻头
孕镶金刚石钻头能够钻进中硬至坚硬的岩石，能够钻进各类研磨性和各种不同程度完整性的岩石，也就是说，孕镶金刚石钻头对结晶岩具有较广泛的适应性，具有好的钻进技术指标。绝大部分孕镶金刚石钻头采用人造金刚石，钻进成本低。
孕镶金刚石钻头采用的金刚石远比表镶钻头的金刚石颗粒细，金刚石孕镶在胎体中出刃部分小，如同受到多向应力的包镶作用，因此能够承受住冲击载荷的作用而不碎裂，适用于冲击回转钻进。
孕镶金刚石钻头的设计与制造工艺成熟，已经有了几十年的经历与经验。孕镶金刚石钻头有利于单动双管取心钻进，岩心采取率高，岩心质量好，能够很好地满足科学钻探的施工要求。因此，科钻一井取心钻进的首选钻头是孕镶金刚石钻头。
取心孕镶金刚石钻头的运动特性与取心质量：孕镶金刚石钻头，由于其金刚石的出刃小、颗粒细而数量多，所以切入岩石深度有限，每转的碎岩量很小。因而，当其在孔底旋转时，不会像牙轮钻头那样因为切削具本身的运动而产生振动。通常为获得有效的钻进速度，钻头必须高速回转。旋转体在高速回转时会产生陀螺效应（简单说就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡），因此金刚石钻头在孔底转动时，相对于牙轮钻头要稳定得多。实践也表明，金刚石钻头所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心更完整，取心质量更好。
实践证明：最适合钻进可钻性级别较高的结晶岩地层；机械钻速高，钻进效果好，寿命长，综合成本低；钻头取心率高，岩心品质好；在科钻一井螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进中表现出最优异的性能；德国的KTB，中国的大陆科学深钻，使用最多的是孕镶金刚石取心钻头。
（6）扩孔钻头
牙轮齿以冲击、压入、剪切方式破碎岩石，在坚硬的地层中产生体积碎岩效果，尤其在扩孔钻进阶段，由于已经有小井眼形成的自由面，在冲击方式作用下可有效地利用自由面，产生较大的体积碎岩效果。如果采用金刚石钻头进行钻进，每转的切削量非常小，需要较高的转速，这是现场转盘钻进无法满足的。如果采用PDC钻头，则由于地层极其坚硬，切削刃很难吃入地层，刮削作用难以实现，地层的不均匀性也会导致该类切削具在回转过程中由于承受冲击载荷而碎裂。
扩孔钻进中钻头切削具的受力状况非常恶劣，因此需要尽可能采用直径较大的牙轮掌。但是采用太大的牙轮掌，则会减小钻头导向体与钻头本体之间的连接面积，从而降低钻头的强度。
扩孔钻头可做成三牙轮、四牙轮、六牙轮等形式，四牙轮扩孔钻头钻进时稳定性差，容易产生振动。三牙轮、六牙轮扩孔钻头钻进时稳定性好，但是牙轮数量如果比较多，在有限的布置空间内如果选择比较大的牙轮掌，势必会影响导向体与本体的连接强度，不利于提高切削具和钻头整体的强度（康健，2008）。
科钻一井中使用的是导向式三牙轮扩孔钻头。KTB主孔使用的是三牙轮扩孔钻头，扩孔钻进时应采取以下措施：通过采用金属密封轴承、最佳的合金齿齿形、钻头结构设计和材质优先以及加强钻头保径等措施优化钻头设计；采取减震措施将钻柱系统的震动降至最低，以保证钻进过程的平稳以及工具的长使用寿命；采用金刚石扩孔器，使钻孔直径在较长的时间内保持稳定。科钻一井扩孔钻头制作时，选用的牙轮掌有如下特点：轴承带有压力平衡润滑系统，适用于深井钻进；轴承密封采用金属浮动密封结构，性能优异。
（7）涡轮马达
由于涡轮马达的构件几乎全是用金属材料制成的，配有适当轴承的涡轮基本上是无摩擦的运行，可在275～300℃的温度范围内用。为适应高温度的使用，研制了特种滑动轴承，轴承与定子及转子的接触面上镶有合成金刚石（PCD）。为了尽可能避免冲击负荷造成的伤害，PCD轴承采用滑枕轴承的结构形式。配有这种轴承的涡轮马达在温度高达280℃的地热钻进工作中得以成功使用。
涡轮钻具的最大优点是不含橡胶件、耐高温（工作温度可达250～300℃），适用于深井、超深井和高温高压井的钻井作业。涡轮钻具也有一些固有的缺点，限制了它的应用。例如：涡轮的直径较大，很难制造出直径小、功率足够大的涡轮钻具；涡轮的转速很高，不能直接驱动钻头，往往需要减速器进行减速，增加了装置的复杂性，降低可靠性。因此，涡轮钻具除了在某些直井中使用过，在弯曲半径比较小的定向斜井、小直径的井、水平井等处使用并不方便。
为了提高牙轮钻头的进尺，并把涡轮钻具成功地应用于深井钻井，应设法降低涡轮钻具的转速，增加其轴上的力矩。目前已成功地采用了具有低速降压涡轮的涡轮钻具、带水力制动级的涡轮钻具和带有行星减速器的涡轮钻具。
根据涡轮钻具组合后的转速高低，可以分为高速涡轮钻具组合、中高速涡轮钻具组合和中低速组合涡轮钻具组合。高速组合涡轮钻具未配置减速器，钻头转速高；中高和中低速组合涡轮钻具在轴承节和钻头之间装有减速器，可降低涡轮输出转速。此时对应的转速分别为：600～1000r/min、300～600r/min和100～300r/min。
在实际操作中，涡轮钻具（包含减速器涡轮钻具）的工作转速可以根据现场需要调整。因此，涡轮钻具既能适用于牙轮钻头（工作转速较低），又能适用于PDC钻头及各种类型的金刚石钻头（工作转速相对较高，最高可达1200～2000r/min）。
扭矩大、压降低、长度短的减速器涡轮钻具工作转速为100～300r/min，适应于高、中、低不同转速牙轮钻头和PDC钻头；大扭矩的中速涡轮钻具工作转速为300～500r/min，适应于PDC钻头和天然金刚石钻头；大扭矩高速涡轮钻具工作转速为500～2000r/min，主要适应于孕镶金刚石钻头。
采用涡轮钻具-减速器系统进行井底驱动钻进，是前苏联施工科学深钻的三大技术特色之一。涡轮钻具输出转速高，经减速后才能用于驱动牙轮钻头。涡轮钻具使用时配有转速遥测系统，该系统装在涡轮马达上方，测出马达的回转速度后以泥浆压力脉冲的方式将信息传回至地表。地表工作人员可根据这一信息，调节泵量，控制马达转速，进而保证最优规程钻进。
（8）螺杆马达
螺杆马达是以钻井液为动力的一种孔底动力机，是一种容积式马达。泥浆泵输出的钻井液经旁通阀进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定的压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。
螺杆马达的工作特性与涡轮马达有较大不同，具有硬特性，表现为大扭矩、低转速，转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关，其转速与输入的钻井液流量成正比，输出扭矩与马达压降成正比，而与转速无关，压降越大，扭矩越大，但在压降与扭矩变化的同时，转速变化很小，因此，在具体使用过程中，只要控制泥浆泵的排量与泵压，就基本上控制了马达的输出扭矩和转速。因此不难得知，在使用螺杆马达进行钻井作业时，泵压表可作为井底工况的监视器，由压力变化来判断和显示井下工况，通过调节排量进行转速调节。螺杆马达的定子由橡胶制成，耐高温性能差，一般采用丁腈橡胶，耐温约150℃；如需耐高温，需要采用特殊的橡胶，成本较高。
科钻一井钻探施工采用螺杆马达为金刚石取心钻进系统的井底回转驱动装置。
在油气勘探开发中，随着钻头和井下工具技术的发展和实践，针对高抗压强度和高研磨性的地层，国外目前逐步推出了一套提高机械钻速的技术途径，即采用特殊设计的人造金刚石孕镶钻头与井底动力（高速螺杆和高速涡轮）组合，依靠强化钻井参数的办法提高钻速，与牙轮钻头相比，该项技术可提高机械钻速3～10倍以上，大幅度提高了深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速。
从目前市场调研的情况，采用进口涡轮钻具+孕镶金刚石钻头复合钻进是提高钻进速度的最佳方法，取得了较好效果，未来一段时间，通过对钻头的切削结构设计、胎体材料、制造方法和制造工艺的研究，金刚石孕镶钻头将在高硬度、强研磨性地层发挥巨大作用。
各类钻头碎岩方式及其性能特点见表6.1。
表6.1 碎岩工具种类及特点
钻探方法研究
目前，国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。
（一）金刚石绳索取心钻探
在世界各国地质找矿钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术（Wire-line Coring Drill，简称WL）20世 纪40年代最早诞生于石油钻井业，后来经美国Longyear Co.改进和开发，被应用于固体矿 产岩心钻探施工中，此后在世界范围内大量推广应用，至今已有近70年的推广应用历史。WL钻探技术的诞生和成功应用实现了不提钻取心，大大提高了钻探效率，因而被称为地 质岩心钻探技术的一次革命［24，25］。
国外一直重视和不断开发、完善金刚石WL钻探技术。主要是在钻杆选材、加工精度、热处理及几何尺寸等方面开展研究，使钻杆强度、韧性和连接螺纹的可靠性有了进一步提 高，同时对金刚石钻头进行深入研究，提高了钻头寿命和钻进效率。
我国自20世纪70年代中期开始研究并推广应用金刚石WL钻进技术，在地质找矿中发 挥了重要作用，截至1990年，完成钻探工作量达1505万m，钻进速度和台月效率大幅度提 高，取得了显著的经济与社会效益，在全国探矿领域几乎普及了该项技术，并由此获得了 国家科技进步奖一等奖［17］。但自1992年以后的十余年间，由于矿产勘探工作量锐减及钻探 施工单位向建筑基础领域的转产，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致了该项技 术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大，WL钻探用钻杆 的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标差距明显，利用WL钻探技术完成 的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的1/3［3］。近年来，随着新一轮地质 找矿热潮的兴起，该项技术又重新得到恢复和发展，应用广度和深度进一步拓展，以山 东、河北等为代表的省地勘局将该项技术进一步普及和提高，在“攻深找盲”和提高效率 等方面发挥了突出作用，钻孔深度、钻探效率等多项指标被不断突破，技术水平有了较大 提高。
（二）液动锤冲击回转钻探
国外一直重视液动冲击回转钻进技术的发展。潜孔式液动冲击器（又称液动潜孔锤，以下简称液动锤）最早起源于欧洲。1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的 专利，技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从 而实现冲击回转钻进。从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联都研制出几种具有 实用意义的液动冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有成效的是前苏联，1900～1905年 开展对液动冲击回转钻进技术的研究，1970年开始逐步在生产实践中得到应用。匈牙利在 20世纪60年代研制了φ48～160mm的5种双作用液动冲击器，将液动冲击钻具组装在一专 用拖车上，并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，搬运灵活方 便，在施工矿区或工地为多台钻机服务。日本对液动冲击器的研究起步于20世纪70年代，比较成功的是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液 作为工作介质［14］。
近年来国外在液动锤的研究领域所做的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发 的双作用液动锤，澳大利亚SDS公司的FH系列液动锤，德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀 为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用），工作流体均要 求用清水（过滤在100μm）驱动。由于冲洗液不能有效护壁，所以使用深度受到限制，最深的应用记录只有590m。
我国从1958年年底开始进行研究，到20世纪80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛时期，地质、冶金等部门分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类 型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到30种以上，累计钻探进 尺超过了百万米，取得了良好的技术、经济效果，粗略统计可提高钻进效率30％～50％以 上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段 我国的液动锤研究和应用水平已经居世界先进水平，是继前苏联以后在小口径矿产勘探领 域广泛应用液动锤钻进技术的国家［14，26］。
进入20世纪90年代，由于我国的地质勘探工作量大幅下降，小口径液动锤的研究投入几乎中断，这些成果并没有得到很好的应用和提高，对该项技术的研究应用转向主要对 水文水井、油田和工程施工用大口径液动锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘探技 术研究所研制了一种新型的YZX系列液动锤（图1-3），其静密封的可靠性和耐高温性以 及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中，他们研制 的YZX 127液动锤连续钻进了近500个回次，在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺 3485.71m、最大应用深度达 5118.2m的世界纪录。另外，勘探技术研究所还为大陆科学钻 探工程研制了KS-1 57绳索取心液动锤、SYZX273液动锤和螺杆马达/液动锤/WL-三合一钻 具，均取得成功，在提高钻进效率，防止岩心堵塞，延长回次进尺，减轻孔斜等方面都发 挥了重要作用［14，27］。
图1-3 新型YZX系列液动锤
该技术在科钻一井的成功应用，推动了我国钻探技术水平的进步。同时大陆科学钻探 工程也为推动液动锤钻进技术的巨大发展起到了非常重要的促进作用，使我国的深孔液动 锤钻进技术达到了国际领先水平，得到众多国外同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国 等公司先后从我国引进该技术进行试验研究。然而，到此为止，国外液动锤取心钻进最大 孔深为2000m，由前苏联创造（无细节资料报道），液动锤全面钻进最大孔深是由澳大利 亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井的4333.03～4353.15m井段对12/4 in液动锤进行 了试验。总的来看，用于深井条件下的液动锤还处于研究试验阶段，都未能够达到大规模 应用的程度。在国内，对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究也待进一步深入。特 别是在固体矿产小口径钻探普通生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然 沉淀的水平，钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动锤内部零件频繁卡死，工作寿命大 幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接 受，但是实际应用还较少［14，28］。
（三）气动锤反循环钻探
在很多国家，气动潜孔锤（以下简称气动锤）反循环（Reverse Circulation，简称RC） 钻探技术也得到较大发展。该项技术主要有两种类型，一种是由普通气动锤＋交叉通道 接头＋双臂钻杆实现，即RC或中心取样（Center Sample Recovery，简称CSR）钻探技术；另一种是由带RC取心（样）钻头的贯通式气动锤＋双臂钻杆来实现，即贯通式RC钻探技 术。由于气动锤RC钻探技术改变了传统的碎岩和取心方式，其钻探施工效率可提高3～1 0 倍、成本降低1/2～2/3，因此，气动锤RC钻探技术被钻探界称为继WL钻探技术之后的又 一次革命［16，29］。早在20世纪80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就研究发展并 在勘探阶段较广泛地推广应用该项技术。美国1989年研制的一种无阀贯通式气动锤—— SAMPLEX-500型被MAJOR钻探公司配在CSR钻机上使用［30］。目前仅美国西部地区就有 150多台气动锤RC钻探设备用于各种地质矿产钻探，其中包括砂金和岩金矿床勘探。据报 道，澳大利亚采用气动锤RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％。有些矿区几乎完全采用气动锤RC连续取 样钻探方法，或者按照采用气动锤RC连续取样钻探与采用WL钻探工作量20：1的比例布 置。澳大利亚气动锤RC钻探最大孔深已超过700m［16］。
我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。勘探技术研究所等单位对普通浅孔锤 RC或CSR钻探技术进行了研究，1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，还相继开发 了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等，并在个别矿区进行应用。原长春地质 学院对贯通式潜孔锤RC钻探技术进行研究，并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的 RC取心（样）钻头等，特别对RC取心（样）钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等 方面做了大量研究工作，并取得了多项研究成果。但是，由于国内地质界对以岩屑代替传 统柱状岩心来评价矿产资源还不认可，目前还无相应规范可依，在地质钻探设计时还不能 采用该技术，因此，该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取 心时才进行试验应用，如河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复 杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外，由国外矿业公司出资勘探 的部分矿区，如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技 术，采用后取得了较显著的技术效果和经济效益，钻探施工效率提高3～10倍，成本降低 1/2～2/3［29］。
（四）泡沫钻探
泡沫用于钻探工程始于20世纪50年代中期。当时美国为在干旱缺水、且稳定性较差的 地层中钻井，首先在内华达州使用了泡沫钻井液。因泡沫钻进时上返速度仅为空气钻进上 返速度的1/10～1/20，有效地保证了孔壁稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐水、油 层、永冻层钻进的泡沫流体的研究，扩大了泡沫钻进的应用范围，取得了很好的经济效 益，成为低压油田开发的一种有效手段。
前苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的实验研究。到70年代，开始利用泡沫进 行小口径金刚石岩心钻进，并且在泡沫流变学、泡沫钻进过程中的温度、压力等方面进行 了深入的理论研究。在十多年的初步研究中，证明在8～10级岩层中，与使用常规冲洗液 相比，钻进机械钻速提高了30％，回次进尺提高了22.5％，钻进效率提高了25％，金刚石 消耗降低了28％，功率消耗降低了23％，综合经济效益提高了34％。到1984年，前苏联采 用泡沫钻进技术的钻探工作量近10×104m，各种泡沫剂供应也在60～70t［31，32］
在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻进技术也得到了快速的发展，并被列为 今后新技术开发的方向。美国在20世纪80年代初期已基本完成泡沫钻进的各种研究工作。Sandia Nation公司1980年研制推出了100多种阳离子、阴离子、复合型及非离子型的泡沫 剂，以适应各种复杂地层条件下的泡沫钻进的需要；泡沫钻进设备已达到系列化；钻进工 艺水平达到了计算机控制化的水平。
我国对该项技术的研究起步较晚，20世纪80年代中期，首先在石油系统利用泡沫进行 洗井、钻井工作，研制了F873、TAS等泡沫剂。此后，地矿、煤炭系统也进行了这方面的 研究工作，先后研制出了KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡 沫剂，同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究，经过对不同环境条件及机具的试验研究，总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程，推动了泡沫钻进技术的发展。但由于正值地 质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻 进技术高，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春科技大学又在原地质 矿产部立项，进行了水泵泡沫增压装置的研究，取得了泡沫增压泵的容积效率达到90％的 效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡 沫灌注系统，经在宁夏西海固地区的实际施工试验，取得了水泵的增压能力达到5MPa令 人可喜的效果［31，32］。此外，还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究，已取得了 突破性进展，但目前用于生产还需要进一步试验研究和完善。
钛合金要用什么材质的钻头
考虑到钛合金的材料特性,应选用于该材料亲和力不强的材料。
含钴的硬质合金肯定是好的选择。
采用以下措施：增大顶角，两棱夹角修磨到135度--140度，增大钻头外缘处后角12-15度。修小横刃长度0。08--0。1，以减少钻孔的轴向力。钴钛合金钻最好。
采用高速钢钻头的话，切削速度为7-12m/min,进给量0.05--0.2mm/r, 采用硬质合金的话v=25-60m/min ,f=0.050.15m/r 钻浅孔时，切削液可以选择电解液其成分大概为葵二酸7%-10%，三乙醇胺7%--10%，甘油7%-10%。硼酸7%-10%，亚硝酸钠3%-5%，其余都是水。 钻深孔时可选择30号机械油加煤油，比例是3：1或3：2，也可用硫化油。
扩展资料
钻头
在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关 。钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。
钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响，PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期 。
介绍
钻头是钻井设备的主要组成部分，其主要作用是破粹岩石、形成井眼。旋转钻头是目前石油行业普遍使用的钻头，在机械的带动下旋转钻头会产生旋转，从而带动整个钻头产生向心运动，并通过侵削、研磨使岩石发生裂痕并破碎，起到向下钻探的作用。
钻头是主要的钻井设备之一，根据工作环境、地域环境的不同，钻头的规格、形状也应当有所不同，在进行石油钻井工作时，应当以具体需要、具体设计方案为根据，合理地、科学地选择钻头。在具体的钻井工作中科学选择钻头、合理确定钻井液，从而提高石油钻井的工作效率、工作质量，才能使石油钻井更好地发挥自身的价值，为促进石油事业的发展作出一定的贡献。
分类及选择
目前石油行业使用的钻头有很多种类，以不同的钻进方式为根
据对钻头进行分类，可以将其分为金刚石钻头、牙轮钻头与刮刀钻头，这三种钻头是最基本的钻头形式。在这三种钻头中，在石油钻探工作中应用最为普遍、最为广泛的一种是牙轮钻头，其应用程度也比较深。将这三种钻头进行对比，使用范围最小的一种钻头是刮刀钻头。本文主要介绍的是金刚石钻头与牙轮钻头。
金刚石
切削刃使用的是金刚石材料的钻进刀具就是金刚石钻头，金刚石钻头的主要优势在于能够适应研磨性较高、地质较硬的地层，切割性能也比较优良。在高速钻探方面具有非常显著的优势。
以所适应地层的差异为根据，可以将金刚石钻头分为普通金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头两大类。在这两大类之中，普通金刚石钻头适用于研磨性较高、地质较硬、地质复杂的地层；聚晶金刚石复合片钻头能够被广泛的应用于硬质地层、软质地层、软硬适中的地层，其应用范围十分广泛。刀片的不同是这两种金刚石钻头的主要差别所在。
聚晶金刚石复合片钻头主要有四个组成部分，即金刚石复合片、喷嘴、胎体以及钻头体；普通金刚石钻头主要有四个组成部分，即金刚石颗粒、喷嘴、胎体以及钻头体。因为金刚石钻头的切割性能比较优良，因此在选择金刚石钻头当做石油钻井工具时，能够高速钻探，也能够在一定程度上扩大钻深。在使用金刚石钻头进行石油钻井作业的过程中，需要高度注意的有以下几个方面：
第一，金刚石钻头的价格比较高，因此在使用时应小心操作，降低损坏程度；
第二，金刚石钻头在热稳定性方面具有一定的缺陷，因此在使用时要保证钻头的冷却性能、清洗情况；
第三，其质地比较脆，因此金刚石钻头的抗冲击性能会比较差，应该严格按照金刚石钻头的相关规程来进行严格的、规范的操作 。
牙轮
以牙轮钻头的结构为依据，可以将其分为水眼、轴承、巴掌、牙轮以及钻头体这五个部分。如果是密封喷射式的牙轮钻头，在一般情况下还包括储油补偿系统这一部分。螺纹一般会在牙轮钻头的上部，钻柱与螺纹进行相互连接，钻头下部会存在牙轮，其上带有三个巴掌，牙轮轴上装上牙轮，牙轮轴与各个牙轮之间装有轴承，牙轮会通过其自身所带的切削齿进行破碎岩石工作。
钻井液的通道就是钻头的水眼。在进行石油钻井工作的过程中，通过钻进过程中的横向剪切作用、纵向振动作用，牙轮钻头会实现破碎岩石的目的，从而能够提升钻井速度。
在选择牙轮钻头当做石油钻井工具时，需要按照钻井设备的实际情况、地层的实际条件以及相邻油井的地质资料、地层资料来进行牙轮钻头的选型。在进行选择时，需要考虑的问题主要有以下几点：
首先，应考虑钻井地层中的软硬交错情况是否存在；其次，应考虑在石油钻井工作中是否需要防斜钻进、曲线作业；
再次，应考虑同一油井中的不同钻进井段的实际深浅情况；
最后，应考虑钻井地质、地层的可研磨性以及软硬程度。
金刚石复合片
PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期 。
金刚石复合片(PDC—Polycrystalline DiamondCompact)是采用金刚石微粉与硬质合金衬底为原料，在超高压高温条件下烧结而成的复合超硬材料，它既具有金刚石的硬度与耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料，现已广泛地应用于金属与非金属切削刀具、木材加工刀具、石油与天然气钻头等许多领域。
PDC研发及其在石油、天然气钻头方面的应用历史已过去了35年，在这漫长的旅程中许多科学研究者为此作出了杰出的贡献。
在PDC研发方面，GE公司1970年公布，1972～1973年正式进行商品化生产的Compax具有划时代意义，而该公司1976年叉推出了专用于石油、天然气的PDC系列产品——Stratapax钻井钻头用PDC，为钻头的研制提供了良好的基础。
自此以后许多PDC制造公司在技术创新上也取得了重大进展，其中美国合成公司(US Synthetic)制造的金刚石层更厚、更耐冲击的PDC于上世纪90年代中期进入钻井市场后，使PDC钻头的钻井效果显著提高。1997年该公司即成为了市场份额的领头羊。
我国郑州三磨所于1987年研制成功PDC并逐步进入钻井市场，虽然产品性能还不完美，但其却以极低廉的价格赢得了我国刚起步的钻头制造业的青睐。
1992年郑州新亚复合超硬材料有限公司建成投产后，对PDC的制造技术作了持续不断的改进，使PDC的性能有了长足的进步。
PDC石油、天然气钻头的开发与应用也可追溯到30多年前，1973年Tulsa大学钻井研究中心与GE公司所进行的最初的平面PDC钻头设计以及在美国几大油田进行的几次现场钻井试验具有开创性、里程碑性的重大意义。
自此以后，钻头制造商也不断在钻头设计、制造与使用诸多方面作了不懈的努力和持续的改进，才得以使PDC钻头在石油、天然气钻井中广泛推广，并给PDC及其钻头制造业、石油与天然气开采业带来丰厚的经济回报。
1985年我国四川石油管理局与美国克里斯坦森(Eastman Christensen)公司合资建立了川石一克里斯坦森金刚石钻头公司。
1994年新疆石油管理局与Halliburtos的secarity DBS公司合资建立了新疆一帝陛艾斯钻头工具公司，这两家企业都利用了国外成熟的PDC钻头制造技术，有力地促进了我国PDC钻头的制造与应用技术的进步、促进了PDC钻头在我国各大油田的推广和普及[6]。
钻头发展简史
在PDC的生产技术尚未成熟，或者说PDC钻头刚开始开发之前的一段时间，就有厂家用无硬质合金衬底的聚晶人造金刚石取代天然大颗粒金刚石来制造表镶钻头。聚晶体的形状有一端为圆锥的圆柱形、三角块形、圆片形及矩形、块形等多种，如GE公司的Geoset、Fomset，De Beers公司的Syndax3以及郑州三磨所的TSP，它们的共同特点是具有高热稳定性，即耐1000℃～1100℃的高温，可直接烧结到由碳化钨粉未及粘结金属组成的钻头胎体的冠部作为钻齿，破碎与切削地层。
1969～1975年郑州三磨所分别生产了几种不同直径的JR20SN一2聚晶体，首先用于保径的孕镶钻头和扩孔器的制造，钻进矿山7级以下的地层，而后用6x 6mm聚晶体制造石油刮刀钻头，在胜利油田进行试验，以钻进同一井深2400m为例，聚晶刮刀钻头与硬质合金刮刀钻头相比，每口井可节约1.1～1.2万元，并节省78%的时间；聚晶刮刀钻头与牙轮钻头相比，节省成本50%以上，钻井时间减少5～8天。
另外1.8×5mm聚晶体制造的地质取芯钻头、扩孔器以及2.5×5mm聚晶体用于冶金、煤田及地质孕镶钻头的保径，其效果也与天然金刚石相近。
在上世纪80年代初期我国自主研发的PDC尚未成功之前，6×6mm聚晶体曾大量用于石油、天然气钻井的取芯钻头和西瓜皮式的全面钻进钻头。三角块形聚晶也曾大量用于制造中硬至硬地层(如石灰岩、白云岩)、轻微研磨性地层的取芯或全面钻进钻头。自90年代国产PDC大规模生产之后，聚晶人造金刚石逐渐退出了钻井市场，被PDC全面取代。
石油、天然气钻井用PDC钻头的研发与应用经历了一个相当长的时间，早期PDC的抗冲击性不高、存在分层现象，加上钻头设计制造方面存在问题及石油、天然气钻井具有风险性，占据钻井市场较大份额的牙轮钻头制造厂商表现不是那么积极，因此PDC钻头的研发和应用遇到了较大的困难与阻力。
美国在1973～1975年间采用GE公司生产的8.38×2.8mm、金刚石层为0.5mm厚的PDC(Compax)焊接到硬质合金齿柱上再安装到钢体钻头上进行试验，大量的原始试验数据表明：PDC可取代用于钻进最硬和磨蚀性很高的岩石的表镶钻头上的天然金刚石。
但考虑到PDC的结构与性能特点以及石油、天然气地层大都为软一中硬地层，于是钻头制造厂商把PDC应用重点放到了具有重大市场前景的石油钻井市场。美国Tulsa大学钻井研究中心参与了最初的平面PDC钻头设计，并对PDc本身进行了关键性试验。在此期间GE公司在南得克萨斯州、科罗拉多州、犹他州、上密歇根州进行了4只PDC钻头的试验，暴露了PDC柱齿、钻头设计与制造方面的一些问题。
初期试验存在的问题解决后，1976年12月GE公司推出了钻头专用PDC系列产品Stratapax，其性能有所改进，更耐冲击，也更有利于固定到钻头体上。与此同时Diamant B0art公司在波斯湾和北海盐岩中、East.man Christensen公司在北海也进行了一些较为成功的PDC钻头试验。
通过上述初步探索性试验之后，80年代末一直到现在，PDC制造厂对PDC进行了一系列的改进与创新，使PDC的各项性能得到了很大提高，而各大钻头公司随着能源市场的景气、原油价格的不断创新高，他们与石油公司一起积极开发了一系列新型PDC钻头，改善了使用效果与扩大了使用领域。
90年代起，从钻头水力学角度出发，通过完善钻井泥浆以控制页岩中钻头泥包现象获得了成功，使解决钻进页岩夹层存在的问题获得了突破性进展。PDC钻头的最大发展是Amoco公司发现了钻头损坏的最主要原因是钻头旋转偏摆(回旋)造成的，随之发展了防钻头偏摆设计技术，各钻头制造厂从钻头设计角度出发对布齿结构、刀翼结构、钻头剖面形状等采用了一系列防偏摆设计技术，将旋转偏摆程度降低到最小。
此外，Eastman Christensen公司将Amoco的防偏摆产品实现了商品化，采用了稳定钻头工作装置，使PDC在钻进时降低导致其破坏的剧烈偏摆载荷，正式推出了防旋转偏摆钻头，这种钻头在多层(非均质夹层)岩层钻进中更为有利。此外，钻头冠部形状也由平面状变为3～8刀翼甚至更多刀翼(螺旋形)的西瓜皮状。
PDC钻头不断提高与创新的另一原因是开发与应用了更为现代、更为复杂的计算机数据模型系统(CAD/CAM)，并与实验室验证相结合，增加了钻头成功应用的把握。
在我国，PDC钻头的开发因为受到PDC国产化的影响，相对美国要晚15年左右，在上世纪80年代中期，江汉钻头厂、大港总机厂钻井研究所及北京石油大学等单位开始着手研发PDC钻头，1985年川石一克里斯坦森金刚石钻头公司与1990年新疆一帝陛艾斯钻头工具公司成立后分别引进了国外成熟的PDC钻头技术及后续新技术，并采用GE、DeBeers、USS公司生产的质量稳定可靠的PDC，它们制造的钻头在钻井中均有卓越的表现。
为我国PDC钻头的开发与应用迅速铺平了道路，展现了PDC钻头在石油、天然气钻井市场的光明前景。但因钻头成本过高及售价昂贵，其应用主要在新疆地区油田及海洋油田钻井中推广。
1988年郑州三磨所自主研制的价格十分低廉的PDC投放市场后，加速了我国PDC钻头国产化的步伐，先后出现了江汉钻头厂钻井研究所、大港石油总机厂、胜利油田钻井院、大庆石油管理局钻头厂等一批PDC钻头制造厂，完全国产化的PDC钻头在大庆油田、中原油田、大港油田、胜利油田、辽河油田、吉林油田等地区得到了推广和普及。
由于20世纪90年代初国产PDC的性能还不令人满意以及部分钻头厂家钻头设计与制造水平相对较低，钻井效果尚不太理想，直到郑州新亚复合超硬材料有限公司投产后，在PDC制造技术上坚持不懈地进行研究和创新，产品的规格与国外产品一致，产品的质量及可靠性提高，才基本上满足国内外钻头客户用于钻进软一中硬地层钻头的技术要求，目前该公司主要致力于开发适合于硬地层、夹层、深井等难攻地层钻头用的PDC。
另外，在钻头制造方面，除川石一克里斯坦森金刚石钻头公司、新疆帝陛艾斯钻头工具公司外，又涌现了一批具有高质量水平的钻头制造公司：如成都百施特金刚石钻头公司、武汉亿斯达工具公司、成都迪普金刚石钻头公司及四川川石金刚石钻头公司等。可以相信，不久的将来，国产PDC钻头的使用效果及应用领域会随着PDC品质的改善以及钻头设计、制造水平的提高而迅速进步。
当今，在世界钻井市场上，在钻头制造技术与生产数量上占主导地位的知名公司有休斯(BakerHughes)公司、DBS(HaIliburton的Secarity DBS)公司、史密斯(Smith International)公司以及瑞特(Hycalog Tool—Reed)公司四家 。
参考资料来源：百度百科-钻头