鉆井行業鉆頭類型及其發展趨勢

摘要：近年來，深井、超深井油氣資源開發在我國油氣資源開發中所占比例越來越大。對深井、超深井鉆井需要使用的鉆頭也要求具有更高的穿透性和更長的使用壽命。目前國內常用的牙輪鉆頭、金剛石鉆頭雖然也能用于深井鉆井，但其使用壽命短，牙齒磨損嚴重等問題，嚴重制約的深井、超深井油氣資源的開發。國外雖然有一些新型鉆頭，如：混合鉆頭，但其成本非常昂貴。因此，研發高穿透性、長使用壽命的鉆頭來提高深部復雜地層的破巖效率，已成為當今我國石油鉆頭技術領域的前沿課題，也是鉆頭技術的發展趨勢。

關鍵詞：鉆頭類型；牙輪鉆頭；金剛石鉆頭；混合鉆頭；發展趨勢

1概述

在鉆井作業中，鉆頭主要用于破碎巖石，鉆頭質量直接影響著井眼質量、鉆井速度及鉆井成本。選用鉆速快且使用壽命長的鉆頭能大大降低鉆井成本。目前常用的鉆頭包括以下幾類：使用最廣泛的牙輪鉆頭、改造前景最高的金剛石鉆頭未來重點發展的新型鉆頭等。這些鉆頭有各自的破巖原理和適用地層。近年來，鉆井行業高速發展，鉆頭研發技術也得到了飛速的發展，目前已有一些新型PDC鉆頭和混合型鉆頭能廣泛的運用于各種地層，但研發更高耐磨、高韌性的材料和更好的鉆頭軸承以及更結合實際運用的個性化設計的鉆頭是鉆頭技術發展的難題。這也是未來鉆頭發展的努力方向。

2常用鉆頭的類型及其結構特點

鉆頭是破碎巖石形成井眼的主要工具，鉆頭的使用效率和壽命決定著最終的鉆井費用。鉆頭設計經歷了最早期的刮刀鉆頭，到目前廣泛使用的牙輪鉆頭，再到具有廣闊前景的金剛石鉆頭，隨著材料科技的發展和鉆頭技術的提高，市場上還出現了許多新型鉆頭。下面我們就來具體介紹一下它們。

2.1牙輪鉆頭

在鉆井作業中，牙輪鉆頭目前使用最廣泛的一類鉆頭。牙輪鉆頭通過牙輪旋轉產生的壓碎、沖擊和剪切來破碎巖石。其牙齒與巖石的接觸面積少、工作扭矩小、工作刃總長度長等特點，使其能適用于各種軟地層和硬地層。三牙輪鉆頭是目前市場上使用最多的矛輪鉆頭。牙輪鉆頭的牙齒和軸承是其使用壽命的關鍵。目前常用的牙齒類型主要有鑲齒和銑齒，在硬度和使用壽命上，鑲齒比銑齒的性能更好，但價錢更貴；軸承的關鍵在于密封，但我國現行的密封材料遠遠落后于國外。因此，創造耐磨更高、韌性更好的鉆頭材料是提高牙輪鉆頭的使用壽命的關鍵。

2.2金剛石鉆頭

金剛石鉆頭包括天然金剛石鉆頭和PDC鉆頭。市場上主要使用的是PDC鉆頭，它是由人工合成的金剛石復合片牙齒組成，這些牙齒燒結在金剛石鉆頭的固定刀翼上。金剛石鉆頭的破巖原理主要是切削元件的切削破巖。金剛石鉆頭主要用于鉆較軟地層和中硬地層。隨著超硬材料的研發和高溫高壓物理燒結技術的進步，聚晶人造金剛石復合片、大尺寸復合片及熱穩定聚晶金剛石切削塊等新材料被創造出來，從而大大提高了金剛石鉆頭的運用范圍。現在的金剛石鉆頭能使用于海洋、深井、超深井以及定向叢式井鉆井，其新產品的發展空間不可想象。

2.3新型鉆頭近年來，國內外的石油鉆頭生產公司和超硬材料科研單位對新型鉆頭的發明做出了巨大的貢獻，推出了一些新產品。如美國休斯公司的混合鉆頭。其形狀既有PDC鉆頭的固定刀翼，又有牙輪鉆頭牙輪。其固定刀翼和牙輪上能燒結了各種硬度的牙齒，使得混合鉆頭兼具牙輪鉆頭和PDC鉆頭的優點。在實際運用中，混合鉆頭比普通牙輪鉆頭更有攻擊性和更高鉆進效率，比普通PDC鉆頭更穩定，適用于各種深部復雜地層。但成本相當昂貴。

3鉆頭技術的發展趨勢

對于任何鉆頭來說，高耐磨、高韌性的牙齒和長壽命的軸承是其能長壽命使用的根本。而好的牙齒需要好的材料，好的軸承則需要好的密封，因此研發更好的金剛石復合片牙齒和設計更好的密封是鉆頭技術的努力方向。另外，運用數字化技術個性化設計鉆頭結構分析其性能并廣泛的運用于實踐也是鉆頭行業的發展趨勢。

3.1模仿國外牙齒技術和密封技術并加以創新

隨著高溫高壓物理技術及超硬材料技術的進步，市場上出現了許多新興牙齒。如美國史密斯公司的細胞強化牙齒、二次燒結硬質合金牙齒、金剛石加強牙齒等。這些牙齒的耐磨性、韌性、抗沖擊性都非常好，能很好地運用于鉆進研磨性極強的深部復雜地層。是很值得推廣運用的產品，也是我們應該學習和模仿的最佳例子。在密封技術方面，國外，以美國休斯公司的單金屬密封、橡膠密封和美國史密斯公司的雙密封技術最為常用；國內，以江漢自主研發的滾滑軸承技術為首，這種軸承技術能適用于高轉速運轉的鉆頭。雖然當前國內的牙齒和密封材料還達不到世界先進水平且我國材料技術基礎薄弱，但我們可以利用國外先進技術和人才，模仿現有的材料生產技術并加以創新，帶動國內新型牙齒和軸承材料的研究。這是我國鉆頭制造技術的發展方向。

3.2鉆頭的個性化設計

隨著科技的不斷進步，一個過去認為是理想化的概念，如今已走向實踐，那就是鉆頭個性化設計。即根據具體鉆井情況設計所需的鉆頭結構。目前，代表全球最高水平的鉆頭性能分析與評價系統有西南石油大學的數字化仿真分析系統和美國史密斯公司的IDEAS系統。西南石油大學的這套系統的主要優點是能針對導向鉆進和各種復雜鉆頭運動條件開展模擬鉆進分析，并評價鉆頭的工作性能，從而優化鉆頭的切削結構，提高鉆頭的鉆進效率和使用壽命。目前，我國已運用這套系統和相關的地質資料，有針對性的設計所需鉆頭的結構，并能更精細、更科學、更安全高效的完成鉆進。但此個性化產品技術系統還不夠完善，操作和維護只能靠專人負責，未能廣泛使用。

因此，加強對鉆頭結構的創新改造，重點發展鉆頭的個性化設計是我國未來鉆頭生產模式的發展方向。

4結語

鉆頭成本占鉆井成本的三分之一，所以研制出適用各種地層且使用壽命長的鉆