先进的烧结技术和微观结构工程为石油天然气、地热和采矿应用领域的定制化切削齿解决方案开辟了新可能。
在厚（例如，2-4毫米金刚石层）与薄（例如，0.5-0.7毫米）PDC复合片之间的选择，关键在于抗冲击性和耐磨性之间的权衡。通过先进的高压烧结（高达8 GPa）实现的较厚金刚石层，在坚硬、研磨性强的地层（如花岗岩或夹层岩）中表现出色。例如，与传统PDC切削齿相比，Stinger™形状的厚切削齿可将平均切削力降低46.14%，能耗降低34.09%，其利用拉伸应力而非剪切应力进行岩石破碎。相比之下，通常使用更细金刚石颗粒的薄切削齿，则在均质、挑战性较小的地层中优先考虑耐磨性以保持性能稳定。
PDC切削齿的生产始于在极端条件下合成金刚石微粉（0.5-30 μm）和结合剂（例如，Co、TiC或陶瓷添加剂）：
高压烧结：在5-10 GPa和1,000-2,000°C下，金刚石颗粒形成D-D键结构，金属结合剂填充间隙空间。较厚的层需要更高的压力（高达8 GPa）来增强金刚石密度和颗粒间结合力，但这可能会增加残余应力。
烧结后处理：关键步骤包括使用电火花加工（EDM） 进行成型、真空钎焊（低于700°C以防止石墨化），以及使用树脂结合剂砂轮或EDG技术进行金刚石磨削以实现刃口锋利度（Ra ≤0.4 μm）。
微观结构工程：诸如多模态金刚石混合物、非平面界面和浸出（去除钴以减少热降解）等创新技术优化了抗冲击性和耐磨性。例如，分层金刚石表结合了粗晶核心（用于韧性）和细晶表面（用于耐磨性）。
热管理：具有浸出金刚石层的厚切削齿可承受超过800°C的温度，从而减缓微裂纹扩展和石墨形成。抛光表面进一步减少摩擦热，延长工具寿命。
切削机制：厚型、异形切削齿（例如，Stinger设计）产生更大的岩屑和"V"形轨迹，降低了机械比能。在地热钻井中，它们在保持PDC式剪切的同时模拟牙轮破碎，在高钻压环境下提高了机械钻速。
权衡：薄切削齿虽然抗冲击性较差，但能最大限度地减少残余应力，是均质地层稳态钻井的理想选择。
石油与天然气钻井：PDC钻头占全球钻头市场的75-80%，在深层硬岩地层（例如，海上和页岩储层）中利用厚切削齿。薄型变体在较软、均质的地层中占主导地位。
地热与采矿：厚PDC切削齿在振动强烈的环境（如地热井）中表现出卓越的性能，其中抗冲击性至关重要。在采矿中，中等厚度的切削齿在套管切割作业中平衡了速度和耐用性。
新兴用途：混合设计（例如，压剪复合钻头）结合了厚和薄切削齿以应对复杂岩性，而纳米涂层变体则增强了超深钻井的热稳定性。
5. 未来展望：定制化与材料科学
PDC切削齿市场（预计到2032年将达到14.3亿美元）将优先考虑应用特定设计。关键趋势包括：
先进材料：纳米聚晶金刚石和定制的金刚石粒度分布，以同时提高耐磨性和抗冲击性。
数字化集成：利用AI模拟切削齿-岩石相互作用，以优化钻头设计。
可持续性：用于地热和ESG导向钻井的切削齿，通过降低机械比能来减少能耗。
结论
厚与薄PDC切削齿的争论无关优劣，而在于情境适配。随着烧结技术和微观结构工程的进步，该行业正朝着混合解决方案发展，这些方案消除了传统的权衡取舍，从而在能源和采矿领域实现前所未有的效率。
