定向长钻孔是煤矿瓦斯、水害治理的主要技术手段，PDC定向钻头性能是影响坚硬地层钻进效率的重要因素。针对煤层顶底板岩层定向长钻孔施工中出现因PDC钻头体断翼、PDC崩齿等问题导致的频繁起下钻、施工效率低等现象，采用等切削布齿原则对刀翼布齿进行优化，有效降低切削齿冲击破坏；通过流体力学仿真分析，优化钻头水力参数，保证岩屑及时排出孔底，防止切削齿因重复破碎岩石导致过早损坏；通过仿真分析，优选大直径PDC异型齿，提高切削齿耐磨和抗冲击性能；引入表面增材制造技术，通过优化等离子（PTA）增材制造工艺参数，实现了兼具胎体耐磨耐冲蚀和钢体强韧性的WC基复合钻头体加工工艺。新研制的PDC定向钻头，在淮南顾桥煤矿北区底板探放水钻孔中进行了现场试验。结果表明：钻进致密、坚硬灰岩地层时，2只钻头寿命分别达到827、810 m，相对于以前的?120 mm胎体式定向钻头平均寿命300 m有较大幅度的提高，并降低了上下钻等辅助作业时间，提高了施工效率，达到了硬岩定向长钻孔提速增效的目标，为硬岩定向长钻孔用PDC钻头设计和制造工艺开发提供了新的解决方案。

陕西省重点研发计划项目（2022GY-146）；

1 钻头优化设计
1.1 刀翼结构优化
1.2 水力参数优化
1)模型简化与边界条件
2)结果分析与结构优化
2 金刚石复合片优选
2.1 数值模型建立
1)材料模型及参数
2)几何模型
3)边界及载荷
2.2 模拟结果分析
1) PDC切削齿表面应力特征
2) PDC切削齿切削力变化规律
3) PDC切削齿载荷碎岩效率
3 钻头体加工及表面增材制造工艺
3.1 钻头钢体优化设计
3.2 钻头钢体加工
1)粗加工
2)精加工
3)加工仿真
3.3 表面增材技术工艺参数优化
1)增材技术优选
2)增材粉末
3) PTA增材工艺参数
3.4 钻头体检验
1)硬度测试
2)结合面强度测试
3)金相分析
4 钻头试验
4.1 钻孔设计与地层概况
4.2 钻头试验效果
5 结论

王传留,金新,高晓亮,张朋.硬岩PDC定向钻头优化设计及其表面增材技术研究[J].煤田地质与勘探,2022,50(08):157-164.