石油钻头技术现状及发展方向

石油钻头技术现状及发展方向杨迎新况雨春陈炼(西南石油大学，成都，610500)

深井、超深井钻井技术在我国油气资源的勘探和开发中占据着至关重要的地位，有着广阔的发展空间和发展前景。对深井、超深井而言，深部地层的钻井成本在总的钻井成本中占据着相当大的比重。而深部井段钻井液密度高，岩石可钻性差，加之水力能量严重不足，所以钻进的速度相当低。目前，深部地层的低钻速已经对深井、超深井的建井周期和钻井成本造成了严重影响。因此，如何提高深部地层的破岩效率，已成为石油钻头技术领域最前沿的研究课题和最具挑战性的技术目标。引言1

随着材料技术以及钻头设计、制造技术的不断进步，PDC钻头对地层的适应范围越来越宽。过去，PDC钻头只限于钻软到中硬的均质地层。如今，其应用范围也逐渐向硬地层、高研磨性地层以及含砾、软硬交替等不均质地层扩展。只要地层适宜，PDC（PolycrystallineDiamondCompact，聚晶金刚石复合片）钻头应是深部井段钻头的较佳选择。然而尽管如此，面对深部井段恶劣的钻井条件特别是地层条件，PDC钻头往往难以适应。牙轮钻头仍是深部地层钻井中不可或缺的利器。牙轮钻头-牙齿技术2单元含20%Co聚晶金刚石蜂窝PCD/WC-Co组成结构WC-11%Co细胞边界

蜂窝状金刚石复合材料耐磨性与聚晶金刚石相当，但韧性、抗冲击能力显著增强。这种蜂窝状结构材料制成的“细胞强化牙齿”冲击韧性、耐磨性均十分出色。2.1.1蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术牙齿技术2.1美国犹他州立大学为Smith公司开发的蜂窝状结构聚晶金刚石

二次烧结硬质合金材料（DoubleCementedTungstenCarbide）由具有较高硬度和研磨性的微粒和具有较高韧性的基体材料共同组成。微粒是由更小的硬质合金粉末和粘接剂烧结而成；基体材料一般是钴合金粘接剂，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基体材料的耐磨性。硬质微粒和基体材料在一定的压力和温度下烧结后所形成的新材料在保持（或更好）原有耐磨性的基础上，韧性大大提高。因此，二次烧结硬质合金牙齿可用于高研磨性、高硬度地层的钻头。2.1.2二次烧结硬质合金牙齿技术2.1.3金刚石加强牙齿技术

近年来，用于牙轮钻头的金刚石加强牙齿技术在国内外钻头产品中应用越来越广。所谓“金刚石加强牙齿”（DiamondEnhancedInsert）实际上就是与PDC钻头复合片类似的聚晶金刚石复合牙齿。这种牙齿耐磨性非常好，但成本也高，所以一般多用于保径结构。但也开始出现全部使用金刚石加强牙齿的钻头产品，用于钻进研磨性极强的地层。2.2.1滚滑轴承轴承新技术2.2

采用了滚动、滑动两种摩擦副相复合的结构，在保持滑动轴承高承载能力的同时，显著提高了轴承适应高转速的能力。

滚滑轴承技术是江汉石油钻头股份有限公司的专利技术，是目前世界上最有特色的钻头轴承技术之一。江钻股份的SMD系列钻头就采用了这种新轴承技术，该系列钻头能适应高达400rpm的高转速。就高转速适应能力而言，这是世界上最出色的钻头轴承技术。该系列钻头在俄罗斯等海外油田配合涡轮钻具钻进，取得了令人瞩目的成绩。

Hughes公司于1988年取得牙轮钻头金属密封专利，并经不断改进。近年，在SEM单金属密封的基础上，开发出新一代单金属密封（SEMII™）。SEMII™进行了金属表面特殊强化处理，改进了密封系统的结构，明显挺高了密封效率，延长钻头使用寿命，并能提高整个轴承系统的可靠性。（1）HAR橡胶密封技术2.2.2轴承密封技术

HAR橡胶密封是Hughes公司近年来在橡胶密封基础上不断改进推出的新型橡胶密封结构。这种密封技术的优点在于其形状特殊的密封圈能实现较高的压缩比，因而能更有效地补偿密封面的磨损，为轴承提供更稳定的密封性能。（2）HAR橡胶密封技术

Gemini®双密封技术（GeminiDynamicTwinSealSystem）是Smith公司的一项特色技术。密封系统包括两道密封圈——主密封和保护主密封的次密封，如图6所示。该密封系统在高压、高温、腐蚀性井底环境中能保持良好的持久性和可靠性。自推出至今，密封系统的材料和结构两方面均在不断改进。（3）Gemini®双密封技术国外新一代PDC齿技术3.1HughesCristensenZenith®齿HalliburtonZ3™齿SmithInternationalHOT™齿VARCO（Reed-Hycalog）

TReX®齿和Raptor™齿国外新一代PDC齿

新的PDC齿在耐磨性、耐冲击性以及热稳定性等方面明显优于原有产品，因此使得PDC钻头适应硬地层、研磨性地层以及难钻不均质地层的能力明显增强。

金刚石钻头3

总体而言，新一代复合片的共同特点主要表现在热稳定性、抗研磨性和抗冲击性明显增强。特别是热稳定性的改进，已经成为尖端复合片技术的重点攻关目标。这对提高PDC齿在难钻地层的工作寿命十分重要。此外，复合片的自锐性能也有了阶跃式的进步，金刚石层表层的磨损速度明显低于深层，因而能够使复合片的切削刃更加锐利。这对提高PDC齿在高强度地层钻进时的损态吃入能力是十分有益的。“极限”地层PDC钻头技术3.2QuantecForce、GenesisXT和GenesisZX系列HughesTransFormation®

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

在新一代专利PDC齿技术以及先进钻头设计技术的支撑下，国外企业先后推出了用于对付恶劣或难钻地层条件的PDC钻头。

随着钻头技术的不断进步，PDC钻头的“个性化设计”正在从一个理想化的概念或宣传手段逐渐向实用技术转化。“个性化设计”不同于“钻头选型”，它是一个更加精细、更加科学、更加强调主动性的钻头设计开发模式。科学的个性化设计必须依赖先进的钻头性能分析预测技术手段。目前，西南石油大学的PDC钻头数字化钻进仿真分析系统与美国Smith公司的IDEAS系统代表了世界PDC钻头性能分析与评价技术的最高水平。PDC钻头的个性化设计与工作性能分析技术3.3西南石油大学研发的PDC钻头数字化钻进仿真分析技术钻头与岩石的互作用状态

模拟回旋状态钻出的井底

西南石油大学岩石破碎学与钻头研究实验室自2004年开始进行模拟实钻条件下的PDC钻头破岩仿真分析技术研究，迄今为止已经开发成功《PDC钻头数字化钻进仿真分析系统》，并在国内钻头企业中的应用中初见成效。该系统的主要特点是能够针对包括导向钻进在内的各种复杂钻头运动条件、复杂钻头切削结构以及变化的地层条件开展模拟钻进分析，评价钻头工作性能。Reed-Hycalog

RS系列（旋转导向）和MS系列（滑动导向）

FX™Directional

系列HalliburtonDirectional

系列SmithQuantecD和

GenesisD

系列Hughes导向钻井PDC钻头技术3.4相比之下国内在导向钻井PDC钻头产品的个性化、系列化方面存在明显差距

除了PDC复合片材质的改进以外，切削结构的创新也是提高PDC钻头综合性能（特别是在难钻地层中的性能）的有效手段。

2005年，西南石油大学研究开发了一项对提高复杂难钻地层PDC钻头性能的新技术——内镶后备齿（亦称内镶二级齿）技术。PDC钻头切削结构新技术3.53.5.1内镶后备齿技术渤海油田旅大区块馆陶底砾岩钻头磨损对比

内镶二级齿PDC钻头具备单只钻头高效钻完包含50~150m馆陶底砾岩层在内的12-1/4“井眼全井段能力。内镶式后备二级齿新技术为难钻地层的高效钻进提供了新的思路和技术手段，具有重要的推广应用价值。3.5.2异形加长齿技术

加长异形PDC齿具有可磨损长度大、吃入地层性能好、占据布齿空间小的优势，因此是一项提高深部地层钻井速度的很有潜力的新技术。国外椭圆齿PDC钻头国内椭圆齿PDC钻头3.5.3混合切削结构钻头技术

2010年2月，在美国石油工程师协会举办的交流展示会上，美国休斯公司介绍了一种新型混合钻头的试验与应用情况。该钻头由固定刀翼和牙轮混合组成。固定刀翼上采用固定PDC齿，牙轮上采用硬质合金齿，这种混合钻头在页岩和塑性地层中钻进时，比普通牙轮钻头更具攻击性和高钻进效率，机械钻速是牙轮钻头的2-4倍，且有效减少了钻柱扭振、粘滑和涡旋等现象的发生。Hughes的HedgeHog系列Smith

的

Kinetic

系列新一代孕镶金刚石钻头技术3.6

孕镶金刚石钻头配合高速井下动力钻具是提高硬地层、复杂难钻地层钻进速度的十分有效的方式。

高耐磨、高韧性的牙齿和长寿命钻头轴承是牙轮钻头永恒的追求目标。牙齿技术的关键在于材料，轴承技术的关键在于密封。所以，牙齿材料技术和轴承密封技术仍旧是未来牙轮钻头技术发展的主旋律。随着技术的完善和制造成本的降低，金刚石复合牙齿在牙轮钻头产品中的应用将更加普遍。金刚石钻头特别是PDC钻头的强劲发展势头仍将持续进行。随着PDC钻头对高强度、高研磨性、高非均质性等难钻地层的适应能力逐步增强，PDC钻头在油气钻井破岩工具市场的主导地位将继续加强。钻头技术的发展趋势和努力方向4发展趋势4.1未来5～10年内，石油钻头技术的发展主要方面（1）超硬材料技术的持续发展，将进一步促进PDC复合片、牙轮钻头牙齿等切削元件质量和性能的提高。（2）PDC钻头技术最重要的技术目标仍然是增强针对难钻地层的适应性，这也是PDC钻头最有价值的发展方向。（3）随着先进设计、分析技术的发展和推广应用，国内PDC钻头的设计、分析技术水平将会显著进步。（4）国内孕镶金刚石钻头技术水平将得到显著的提升，进而促进深部难钻地层钻井效率的明显进步。（5）新钻头、新工具乃至新破岩方法的研究将会有新的突破，部分新技术有望形成产品并开始推广应用。（1）充分利用国外先进的人才和技术条件，促进PDC复合片、硬质合金齿等关键元件的材料研究，形成具有自主知识产权的新技术。（2）在当前国内材料技术