石油鉆頭技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

石油鉆頭技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向楊迎新況雨春陳煉(西南石油大學(xué)，成都，610500)

深井、超深井鉆井技術(shù)在我國(guó)油氣資源的勘探和開發(fā)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。對(duì)深井、超深井而言，深部地層的鉆井成本在總的鉆井成本中占據(jù)著相當(dāng)大的比重。而深部井段鉆井液密度高，巖石可鉆性差，加之水力能量嚴(yán)重不足，所以鉆進(jìn)的速度相當(dāng)?shù)?。目前，深部地層的低鉆速已經(jīng)對(duì)深井、超深井的建井周期和鉆井成本造成了嚴(yán)重影響。因此，如何提高深部地層的破巖效率，已成為石油鉆頭技術(shù)領(lǐng)域最前沿的研究課題和最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)目標(biāo)。引言1

隨著材料技術(shù)以及鉆頭設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，PDC鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍越來(lái)越寬。過(guò)去，PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬的均質(zhì)地層。如今，其應(yīng)用范圍也逐漸向硬地層、高研磨性地層以及含礫、軟硬交替等不均質(zhì)地層擴(kuò)展。只要地層適宜，PDC（PolycrystallineDiamondCompact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭應(yīng)是深部井段鉆頭的較佳選擇。然而盡管如此，面對(duì)深部井段惡劣的鉆井條件特別是地層條件，PDC鉆頭往往難以適應(yīng)。牙輪鉆頭仍是深部地層鉆井中不可或缺的利器。牙輪鉆頭-牙齒技術(shù)2單元含20%Co聚晶金剛石蜂窩PCD/WC-Co組成結(jié)構(gòu)WC-11%Co細(xì)胞邊界

蜂窩狀金剛石復(fù)合材料耐磨性與聚晶金剛石相當(dāng)，但韌性、抗沖擊能力顯著增強(qiáng)。這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)材料制成的“細(xì)胞強(qiáng)化牙齒”沖擊韌性、耐磨性均十分出色。2.1.1蜂窩狀金剛石復(fù)合材料牙齒技術(shù)牙齒技術(shù)2.1美國(guó)猶他州立大學(xué)為Smith公司開發(fā)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)聚晶金剛石

二次燒結(jié)硬質(zhì)合金材料（DoubleCementedTungstenCarbide）由具有較高硬度和研磨性的微粒和具有較高韌性的基體材料共同組成。微粒是由更小的硬質(zhì)合金粉末和粘接劑燒結(jié)而成；基體材料一般是鈷合金粘接劑，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基體材料的耐磨性。硬質(zhì)微粒和基體材料在一定的壓力和溫度下燒結(jié)后所形成的新材料在保持（或更好）原有耐磨性的基礎(chǔ)上，韌性大大提高。因此，二次燒結(jié)硬質(zhì)合金牙齒可用于高研磨性、高硬度地層的鉆頭。2.1.2二次燒結(jié)硬質(zhì)合金牙齒技術(shù)2.1.3金剛石加強(qiáng)牙齒技術(shù)

近年來(lái)，用于牙輪鉆頭的金剛石加強(qiáng)牙齒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外鉆頭產(chǎn)品中應(yīng)用越來(lái)越廣。所謂“金剛石加強(qiáng)牙齒”（DiamondEnhancedInsert）實(shí)際上就是與PDC鉆頭復(fù)合片類似的聚晶金剛石復(fù)合牙齒。這種牙齒耐磨性非常好，但成本也高，所以一般多用于保徑結(jié)構(gòu)。但也開始出現(xiàn)全部使用金剛石加強(qiáng)牙齒的鉆頭產(chǎn)品，用于鉆進(jìn)研磨性極強(qiáng)的地層。2.2.1滾滑軸承軸承新技術(shù)2.2

采用了滾動(dòng)、滑動(dòng)兩種摩擦副相復(fù)合的結(jié)構(gòu)，在保持滑動(dòng)軸承高承載能力的同時(shí)，顯著提高了軸承適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的能力。

滾滑軸承技術(shù)是江漢石油鉆頭股份有限公司的專利技術(shù)，是目前世界上最有特色的鉆頭軸承技術(shù)之一。江鉆股份的SMD系列鉆頭就采用了這種新軸承技術(shù)，該系列鉆頭能適應(yīng)高達(dá)400rpm的高轉(zhuǎn)速。就高轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力而言，這是世界上最出色的鉆頭軸承技術(shù)。該系列鉆頭在俄羅斯等海外油田配合渦輪鉆具鉆進(jìn)，取得了令人矚目的成績(jī)。

Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金屬密封專利，并經(jīng)不斷改進(jìn)。近年，在SEM單金屬密封的基礎(chǔ)上，開發(fā)出新一代單金屬密封（SEMII?）。SEMII?進(jìn)行了金屬表面特殊強(qiáng)化處理，改進(jìn)了密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，明顯挺高了密封效率，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，并能提高整個(gè)軸承系統(tǒng)的可靠性。（1）HAR橡膠密封技術(shù)2.2.2軸承密封技術(shù)

HAR橡膠密封是Hughes公司近年來(lái)在橡膠密封基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)推出的新型橡膠密封結(jié)構(gòu)。這種密封技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其形狀特殊的密封圈能實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比，因而能更有效地補(bǔ)償密封面的磨損，為軸承提供更穩(wěn)定的密封性能。（2）HAR橡膠密封技術(shù)

Gemini?雙密封技術(shù)（GeminiDynamicTwinSealSystem）是Smith公司的一項(xiàng)特色技術(shù)。密封系統(tǒng)包括兩道密封圈——主密封和保護(hù)主密封的次密封，如圖6所示。該密封系統(tǒng)在高壓、高溫、腐蝕性井底環(huán)境中能保持良好的持久性和可靠性。自推出至今，密封系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)兩方面均在不斷改進(jìn)。（3）Gemini?雙密封技術(shù)國(guó)外新一代PDC齒技術(shù)3.1HughesCristensenZenith?齒HalliburtonZ3?齒SmithInternationalHOT?齒VARCO（Reed-Hycalog）

TReX?齒和Raptor?齒國(guó)外新一代PDC齒

新的PDC齒在耐磨性、耐沖擊性以及熱穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于原有產(chǎn)品，因此使得PDC鉆頭適應(yīng)硬地層、研磨性地層以及難鉆不均質(zhì)地層的能力明顯增強(qiáng)。

金剛石鉆頭3

總體而言，新一代復(fù)合片的共同特點(diǎn)主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性、抗研磨性和抗沖擊性明顯增強(qiáng)。特別是熱穩(wěn)定性的改進(jìn)，已經(jīng)成為尖端復(fù)合片技術(shù)的重點(diǎn)攻關(guān)目標(biāo)。這對(duì)提高PDC齒在難鉆地層的工作壽命十分重要。此外，復(fù)合片的自銳性能也有了階躍式的進(jìn)步，金剛石層表層的磨損速度明顯低于深層，因而能夠使復(fù)合片的切削刃更加銳利。這對(duì)提高PDC齒在高強(qiáng)度地層鉆進(jìn)時(shí)的損態(tài)吃入能力是十分有益的?！皹O限”地層PDC鉆頭技術(shù)3.2QuantecForce、GenesisXT和GenesisZX系列HughesTransFormation?

系列Reed-HycalogFX?HardRock系列（原HyperCut?）系列HalliburtonSHARK系列Smith

在新一代專利PDC齒技術(shù)以及先進(jìn)鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐下，國(guó)外企業(yè)先后推出了用于對(duì)付惡劣或難鉆地層條件的PDC鉆頭。

隨著鉆頭技術(shù)的不斷進(jìn)步，PDC鉆頭的“個(gè)性化設(shè)計(jì)”正在從一個(gè)理想化的概念或宣傳手段逐漸向?qū)嵱眉夹g(shù)轉(zhuǎn)化。“個(gè)性化設(shè)計(jì)”不同于“鉆頭選型”，它是一個(gè)更加精細(xì)、更加科學(xué)、更加強(qiáng)調(diào)主動(dòng)性的鉆頭設(shè)計(jì)開發(fā)模式?？茖W(xué)的個(gè)性化設(shè)計(jì)必須依賴先進(jìn)的鉆頭性能分析預(yù)測(cè)技術(shù)手段。目前，西南石油大學(xué)的PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)仿真分析系統(tǒng)與美國(guó)Smith公司的IDEAS系統(tǒng)代表了世界PDC鉆頭性能分析與評(píng)價(jià)技術(shù)的最高水平。PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)與工作性能分析技術(shù)3.3西南石油大學(xué)研發(fā)的PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)仿真分析技術(shù)鉆頭與巖石的互作用狀態(tài)

模擬回旋狀態(tài)鉆出的井底

西南石油大學(xué)巖石破碎學(xué)與鉆頭研究實(shí)驗(yàn)室自2004年開始進(jìn)行模擬實(shí)鉆條件下的PDC鉆頭破巖仿真分析技術(shù)研究，迄今為止已經(jīng)開發(fā)成功《PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)仿真分析系統(tǒng)》，并在國(guó)內(nèi)鉆頭企業(yè)中的應(yīng)用中初見成效。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能夠針對(duì)包括導(dǎo)向鉆進(jìn)在內(nèi)的各種復(fù)雜鉆頭運(yùn)動(dòng)條件、復(fù)雜鉆頭切削結(jié)構(gòu)以及變化的地層條件開展模擬鉆進(jìn)分析，評(píng)價(jià)鉆頭工作性能。Reed-Hycalog

RS系列（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向）和MS系列（滑動(dòng)導(dǎo)向）

FX?Directional

系列HalliburtonDirectional

系列SmithQuantecD和

GenesisD

系列Hughes導(dǎo)向鉆井PDC鉆頭技術(shù)3.4相比之下國(guó)內(nèi)在導(dǎo)向鉆井PDC鉆頭產(chǎn)品的個(gè)性化、系列化方面存在明顯差距

除了PDC復(fù)合片材質(zhì)的改進(jìn)以外，切削結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新也是提高PDC鉆頭綜合性能（特別是在難鉆地層中的性能）的有效手段。

2005年，西南石油大學(xué)研究開發(fā)了一項(xiàng)對(duì)提高復(fù)雜難鉆地層PDC鉆頭性能的新技術(shù)——內(nèi)鑲后備齒（亦稱內(nèi)鑲二級(jí)齒）技術(shù)。PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)新技術(shù)3.53.5.1內(nèi)鑲后備齒技術(shù)渤海油田旅大區(qū)塊館陶底礫巖鉆頭磨損對(duì)比

內(nèi)鑲二級(jí)齒PDC鉆頭具備單只鉆頭高效鉆完包含50~150m館陶底礫巖層在內(nèi)的12-1/4“井眼全井段能力。內(nèi)鑲式后備二級(jí)齒新技術(shù)為難鉆地層的高效鉆進(jìn)提供了新的思路和技術(shù)手段，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。3.5.2異形加長(zhǎng)齒技術(shù)

加長(zhǎng)異形PDC齒具有可磨損長(zhǎng)度大、吃入地層性能好、占據(jù)布齒空間小的優(yōu)勢(shì)，因此是一項(xiàng)提高深部地層鉆井速度的很有潛力的新技術(shù)。國(guó)外橢圓齒PDC鉆頭國(guó)內(nèi)橢圓齒PDC鉆頭3.5.3混合切削結(jié)構(gòu)鉆頭技術(shù)

2010年2月，在美國(guó)石油工程師協(xié)會(huì)舉辦的交流展示會(huì)上，美國(guó)休斯公司介紹了一種新型混合鉆頭的試驗(yàn)與應(yīng)用情況。該鉆頭由固定刀翼和牙輪混合組成。固定刀翼上采用固定PDC齒，牙輪上采用硬質(zhì)合金齒，這種混合鉆頭在頁(yè)巖和塑性地層中鉆進(jìn)時(shí)，比普通牙輪鉆頭更具攻擊性和高鉆進(jìn)效率，機(jī)械鉆速是牙輪鉆頭的2-4倍，且有效減少了鉆柱扭振、粘滑和渦旋等現(xiàn)象的發(fā)生。Hughes的HedgeHog系列Smith

的

Kinetic

系列新一代孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)3.6

孕鑲金剛石鉆頭配合高速井下動(dòng)力鉆具是提高硬地層、復(fù)雜難鉆地層鉆進(jìn)速度的十分有效的方式。

高耐磨、高韌性的牙齒和長(zhǎng)壽命鉆頭軸承是牙輪鉆頭永恒的追求目標(biāo)。牙齒技術(shù)的關(guān)鍵在于材料，軸承技術(shù)的關(guān)鍵在于密封。所以，牙齒材料技術(shù)和軸承密封技術(shù)仍舊是未來(lái)牙輪鉆頭技術(shù)發(fā)展的主旋律。隨著技術(shù)的完善和制造成本的降低，金剛石復(fù)合牙齒在牙輪鉆頭產(chǎn)品中的應(yīng)用將更加普遍。金剛石鉆頭特別是PDC鉆頭的強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭仍將持續(xù)進(jìn)行。隨著PDC鉆頭對(duì)高強(qiáng)度、高研磨性、高非均質(zhì)性等難鉆地層的適應(yīng)能力逐步增強(qiáng)，PDC鉆頭在油氣鉆井破巖工具市場(chǎng)的主導(dǎo)地位將繼續(xù)加強(qiáng)。鉆頭技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和努力方向4發(fā)展趨勢(shì)4.1未來(lái)5～10年內(nèi)，石油鉆頭技術(shù)的發(fā)展主要方面（1）超硬材料技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，將進(jìn)一步促進(jìn)PDC復(fù)合片、牙輪鉆頭牙齒等切削元件質(zhì)量和性能的提高。（2）PDC鉆頭技術(shù)最重要的技術(shù)目標(biāo)仍然是增強(qiáng)針對(duì)難鉆地層的適應(yīng)性，這也是PDC鉆頭最有價(jià)值的發(fā)展方向。（3）隨著先進(jìn)設(shè)計(jì)、分析技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)PDC鉆頭的設(shè)計(jì)、分析技術(shù)水平將會(huì)顯著進(jìn)步。（4）國(guó)內(nèi)孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)水平將得到顯著的提升，進(jìn)而促進(jìn)深部難鉆地層鉆井效率的明顯進(jìn)步。（5）新鉆頭、新工具乃至新破巖方法的研究將會(huì)有新的突破，部分新技術(shù)有望形成產(chǎn)品并開始推廣應(yīng)用。（1）充分利用國(guó)外先進(jìn)的人才和技術(shù)條件，促進(jìn)PDC復(fù)合片、硬質(zhì)合金齒等關(guān)鍵元件的材料研究，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。（2）在當(dāng)前國(guó)內(nèi)材料技術(shù)