钻井行业钻头类型及其发展趋势

钻井行业钻头类型及其发展趋势

摘要：近年来，深井、超深井油气资源开发在我国油气资源开发中所占比例越来越大。对深井、超深井钻井需要使用的钻头也要求具有更高的穿透性和更长的使用寿命。目前国内常用的牙轮钻头、金刚石钻头虽然也能用于深井钻井，但其使用寿命短，牙齿磨损严重等问题，严重制约的深井、超深井油气资源的开发。国外虽然有一些新型钻头，如：混合钻头，但其成本非常昂贵。因此，研发高穿透性、长使用寿命的钻头来提高深部复杂地层的破岩效率，已成为当今我国石油钻头技术领域的前沿课题，也是钻头技术的发展趋势。

关键词：钻头类型；牙轮钻头；金刚石钻头；混合钻头；发展趋势

1概述

在钻井作业中，钻头主要用于破碎岩石，钻头质量直接影响着井眼质量、钻井速度及钻井成本。选用钻速快且使用寿命长的钻头能大大降低钻井成本。目前常用的钻头包括以下几类：使用最广泛的牙轮钻头、改造前景最高的金刚石钻头未来重点发展的新型钻头等。这些钻头有各自的破岩原理和适用地层。近年来，钻井行业高速发展，钻头研发技术也得到了飞速的发展，目前已有一些新型PDC钻头和混合型钻头能广泛的运用于各种地层，但研发更高耐磨、高韧性的材料和更好的钻头轴承以及更结合实际运用的个性化设计的钻头是钻头技术发展的难题。这也是未来钻头发展的努力方向。

2常用钻头的类型及其结构特点

钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，钻头的使用效率和寿命决定着最终的钻井费用。钻头设计经历了最早期的刮刀钻头，到目前广泛使用的牙轮钻头，再到具有广阔前景的金刚石钻头，随着材料科技的发展和钻头技术的提高，市场上还出现了许多新型钻头。下面我们就来具体介绍一下它们。

2.1牙轮钻头

在钻井作业中，牙轮钻头目前使用最广泛的一类钻头。牙轮钻头通过牙轮旋转产生的压碎、冲击和剪切来破碎岩石。其牙齿与岩石的接触面积少、工作扭矩小、工作刃总长度长等特点，使其能适用于各种软地层和硬地层。三牙轮钻头是目前市场上使用最多的矛轮钻头。牙轮钻头的牙齿和轴承是其使用寿命的关键。目前常用的牙齿类型主要有镶齿和铣齿，在硬度和使用寿命上，镶齿比铣齿的性能更好，但价钱更贵；轴承的关键在于密封，但我国现行的密封材料远远落后于国外。因此，创造耐磨更高、韧性更好的钻头材料是提高牙轮钻头的使用寿命的关键。

2.2金刚石钻头

金刚石钻头包括天然金刚石钻头和PDC钻头。市场上主要使用的是PDC钻头，它是由人工合成的金刚石复合片牙齿组成，这些牙齿烧结在金刚石钻头的固定刀翼上。金刚石钻头的破岩原理主要是切削元件的切削破岩。金刚石钻头主要用于钻较软地层和中硬地层。随着超硬材料的研发和高温高压物理烧结技术的进步，聚晶人造金刚石复合片、大尺寸复合片及热稳定聚晶金刚石切削块等新材料被创造出来，从而大大提高了金刚石钻头的运用范围。现在的金刚石钻头能使用于海洋、深井、超深井以及定向丛式井钻井，其新产品的发展空间不可想象。

2.3新型钻头近年来，国内外的石油钻头生产公司和超硬材料科研单位对新型钻头的发明做出了巨大的贡献，推出了一些新产品。如美国休斯公司的混合钻头。其形状既有PDC钻头的固定刀翼，又有牙轮钻头牙轮。其固定刀翼和牙轮上能烧结了各种硬度的牙齿，使得混合钻头兼具牙轮钻头和PDC钻头的优点。在实际运用中，混合钻头比普通牙轮钻头更有攻击性和更高钻进效率，比普通PDC钻头更稳定，适用于各种深部复杂地层。但成本相当昂贵。

3钻头技术的发展趋势

对于任何钻头来说，高耐磨、高韧性的牙齿和长寿命的轴承是其能长寿命使用的根本。而好的牙齿需要好的材料，好的轴承则需要好的密封，因此研发更好的金刚石复合片牙齿和设计更好的密封是钻头技术的努力方向。另外，运用数字化技术个性化设计钻头结构分析其性能并广泛的运用于实践也是钻头行业的发展趋势。

3.1模仿国外牙齿技术和密封技术并加以创新

随着高温高压物理技术及超硬材料技术的进步，市场上出现了许多新兴牙齿。如美国史密斯公司的细胞强化牙齿、二次烧结硬质合金牙齿、金刚石加强牙齿等。这些牙齿的耐磨性、韧性、抗冲击性都非常好，能很好地运用于钻进研磨性极强的深部复杂地层。是很值得推广运用的产品，也是我们应该学习和模仿的最佳例子。在密封技术方面，国外，以美国休斯公司的单金属密封、橡胶密封和美国史密斯公司的双密封技术最为常用；国内，以江汉自主研发的滚滑轴承技术为首，这种轴承技术能适用于高转速运转的钻头。虽然当前国内的牙齿和密封材料还达不到世界先进水平且我国材料技术基础薄弱，但我们可以利用国外先进技术和人才，模仿现有的材料生产技术并加以创新，带动国内新型牙齿和轴承材料的研究。这是我国钻头制造技术的发展方向。

3.2钻头的个性化设计

随着科技的不断进步，一个过去认为是理想化的概念，如今已走向实践，那就是钻头个性化设计。即根据具体钻井情况设计所需的钻头结构。目前，代表全球最高水平的钻头性能分析与评价系统有西南石油大学的数字化仿真分析系统和美国史密斯公司的IDEAS系统。西南石油大学的这套系统的主要优点是能针对导向钻进和各种复杂钻头运动条件开展模拟钻进分析，并评价钻头的工作性能，从而优化钻头的切削结构，提高钻头的钻进效率和使用寿命。目前，我国已运用这套系统和相关的地质资料，有针对性的设计所需钻头的结构，并能更精细、更科学、更安全高效的完成钻进。但此个性化产品技术系统还不够完善，操作和维护只能靠专人负责，未能广泛使用。

因此，加强对钻头结构的创新改造，重点发展钻头的个性化设计是我国未来钻头生产模式的发展方向。

4结语

钻头成本占钻井成本的三分之一，所以研制出适用各种地层且使用寿命长的钻