鑽頭

鑽頭是鑽井設備的主要組成部分，其主要作用是破碎岩石、形成井眼。旋轉鑽頭是目前石油行業普遍使用的鑽頭，在機械的帶動下旋轉鑽頭會產生旋轉，從而帶動整個鑽頭產生向心運動，並通過侵削、研磨使岩石發生裂 痕並破碎，起到向下鑽探的作用。鑽頭是主要的鑽井設備之一，根據工作環境、地域環境的不同，鑽頭的規格、形狀也應當有所不同，在進行石油鑽井工作時，應當以具體需要、具體設計方案為根據，合理地、科學地選擇鑽頭。在具體的鑽井工作中科學選擇鑽頭、合理確定鑽井液，從而提高石油鑽井的工作效率、工作質量，才能使石油鑽井更好地發揮自身的價值，為促進石油事業的發展作出一定的貢獻。

目前石油行業使用的鑽頭有很多種類，以不同的鑽進方式為根 據對鑽頭進行分類，可以將其分為金剛石鑽頭、牙輪鑽頭與刮刀鑽頭，這三種鑽頭是最基本的鑽頭形式。在這三種鑽頭中，在石油鑽探工作中應用最為普遍、最為廣泛的一種是牙輪鑽頭，其應用程度也比較深。將這三種鑽頭進行對比，使用範圍最小的一種鑽頭是刮刀鑽頭。本文主要介紹的是金剛石鑽頭與牙輪鑽頭。

切削刃使用的是金剛石材料的鑽進刀具就是金剛石鑽頭，金剛石鑽頭的主要 優勢在於能夠適應研磨性較高、地質較硬的地層，切割性能也比較優良。在高速鑽探方面具有非常顯著的優勢。

以所適應地層的差異為根據，可以將金剛石鑽頭分為普通金剛石鑽頭、聚晶金剛石複合片鑽頭兩大類。在這兩大類之中，普通金剛石鑽頭適用於研磨性較高、地質較硬、地質複雜的地層；聚晶金剛石複合片鑽頭能夠被廣泛的應用於硬質地層、軟質地層、軟硬適中的地層，其應用範圍十分廣泛。刀片的不同是這兩種金剛石鑽頭的主要差別所在。

聚晶金剛石複合片鑽頭主要有四個組成部分，即金剛石複合片、噴嘴、胎體以及鑽頭體；普通金剛石鑽頭主要有四個組成部分，即金剛石顆粒、噴嘴、胎體以及鑽頭體。因為金剛石鑽頭的切割性能比較優良，因此在選擇金剛石鑽頭當做石油鑽井工具時，能夠高速鑽 探，也能夠在一定程度上擴大鑽深。在使用金剛石鑽頭進行石油鑽井作業的過程中，需要高度注意的有以下幾個方面：

第一，金剛石鑽頭的價格比較高，因此在使用時應小心操作，降低損壞程度；

第二，金剛石鑽頭在熱穩定性方面具有一定的缺陷，因此在使用時要保證鑽頭的冷卻性能、清洗情況；

第三，其質地比較脆，因此金剛石鑽頭的抗衝擊性能會比較差，應該嚴格按照金剛石鑽頭的相關規程來進行嚴格的、規範的操作。

以牙輪鑽頭的結構為依據，可以將其分為水眼、軸承、巴掌、牙輪以及鑽頭體這五個部分。如果是密封噴射式的牙輪鑽頭，在一般情況下還包括儲油補償系統這一部分。螺紋一般會在牙輪鑽頭的上部，鑽柱與螺紋進行相互連接，鑽頭下部會存在牙輪，其上帶有三個巴掌，牙輪軸上裝上牙輪，牙輪軸與各個牙輪之間裝有軸承，牙輪

會通過其自身所帶的切削齒進行破碎岩石工作。鑽井液的通道就是鑽頭的水眼。在進行石油鑽井工作的過程中，通過鑽進過程中的橫向剪切作用、縱向振動作用，牙輪鑽頭會實現破碎岩石的目的，從而能夠提升鑽井速度。

在選擇牙輪鑽頭當做石油鑽井工具時，需要按照鑽井設備的實際情況、地層的實際條件以及相鄰油井的地質資料、地層資料來進行牙輪鑽頭的選型。在進行選擇時，需要考慮的問題主要有以下幾點：

首先，應考慮鑽井地層中的軟硬交錯情況是否存在；其次，應考慮在石油鑽井工作中是否需要防斜鑽進、曲線作業；

再次，應考慮同一油井中的不同鑽進井段的實際深淺情況；

最後，應考慮鑽井地質、地層的可研磨性以及軟硬程度。

金剛石複合片(PDC—Polycrystalline DiamondCompact)是採用金剛石微粉與硬質合金襯底為原料，在超高壓高溫條件下燒結而成的複合超硬材料，它既具有金剛石的硬度與耐磨性，又具有硬質合金的強度與抗衝擊韌性，是一種卓越的切削工具與耐磨工具材料，現已廣泛地應用於金屬與非金屬切削刀具、木材加工刀具、石油與天然氣鑽頭等許多領域。PDC研發及其在石油、天然氣鑽頭方面的應用歷史已過去了35年，在這漫長的旅程中許多科學研究者為此作出了傑出的貢獻。

在PDC研發方面，GE公司1970年公布，1972～1973年正式進行商品化生產 的Compax具有劃時代意義，而該公司1976年叉推出了專用於石油、天然氣的PDC系列產品——Stratapax鑽井鑽頭用PDC，為鑽頭的研製提供了良好的基礎。自此以後許多PDC製造公司在技術創新上也取得了重大進展，其中美國合成公司(US Synthetic)製造的金剛石層更厚、更耐衝擊的PDC於上世紀90年代中期進入鑽井市場后，使PDC鑽頭的鑽井效果顯著提高。1997年該公司即成為了市場份額的領頭羊。

我國鄭州三磨所於1987年研製成功PDC並逐步進入鑽井市場，雖然產品性能還不完美，但其卻以極低廉的價格贏得了我國剛起步的鑽頭製造業的青睞。

1992年鄭州新亞複合超硬材料有限公司建成投產後，對PDC的製造技術作了持續不斷的改進，使PDC的性能有了長足的進步。

PDC石油、天然氣鑽頭的開發與應用也可追溯到30多年前，1973年Tulsa大學鑽井研究中心與GE公司所進行的最初的平面PDC鑽頭設計以及在美國幾大油田進行的幾次現場鑽井試驗具有開創性、里程碑性的重大意義。自此以後，鑽頭製造商也不斷在鑽頭設計、製造與使用諸多方面作了不懈的努力和持續的改進，才得以使 PDC鑽頭在石油、天然氣鑽井中廣泛推廣，並給PDC及其鑽頭製造業、石油與天然氣開採業帶來豐厚的經濟回報。

1985年我國四川石油管理局與美國克里斯坦森(Eastman Christensen)公司合資建立了川石一克里斯坦森金剛石鑽頭公司。

1994年新疆石油管理局與Halliburtos的secarity DBS公司合資建立了新疆一帝陛艾斯鑽頭工具公司，這兩家企業都利用了國外成熟的PDC鑽頭製造技術，有力地促進了我國PDC鑽頭的製造與應用技術的進步、促進了PDC鑽頭在我國各大油田的推廣和普及。

在PDC的生產技術尚未成熟，或者說PDC鑽頭剛開始開發之前的一段時間，就有廠家用無硬質合金襯底的聚晶人造金剛石取代天然大顆粒金剛石來製造表鑲鑽頭。聚晶體的形狀有一端為圓錐的圓柱形、三角塊形、圓片形及矩形、塊形等多種，如GE公司的Geoset、Fomset，De Beers公司的Syndax3以及鄭州三磨所的TSP，它們的共同特點是具有高熱穩定性，即耐1000℃～1100℃的高溫，可直接燒結到由碳化鎢粉未及粘結金屬組成的鑽頭胎體的冠部作為鑽齒，破碎與切削地層。

1969～1975年鄭州三磨所分別生產了幾種不同直徑的JR20SN一2聚晶體，首先用於保徑的孕鑲鑽頭和擴孔器的製造，鑽進礦山7級以下的地層，而後用6x 6mm聚晶體製造石油刮刀鑽頭，在勝利油田進行試驗，以鑽進同一井深2400m為例，聚晶刮刀鑽頭與硬質合金刮刀鑽頭相比，每口井可節約1.1～1.2萬元，並節省78%的時間；聚晶刮刀鑽頭與牙輪鑽頭相比，節省成本50%以上，鑽井時間減少5～8天。另外1.8×5mm聚晶體製造的地質取芯鑽頭、擴孔器以及2.5×5mm聚晶體用於冶金、煤田及地質孕鑲鑽頭的保徑，其效果也與天然金剛石相近。

在上世紀80年代初期我國自主研發的PDC尚未成功之前，6×6mm聚晶體 曾大量用於石油、天然氣鑽井的取芯鑽頭和西瓜皮式的全面鑽進鑽頭。三角塊形聚晶也曾大量用於製造中硬至硬地層(如石灰岩、白雲岩)、輕微研磨性地層的取芯或全面鑽進鑽頭。自90年代國產PDC大規模生產之後，聚晶人造金剛石逐漸退出了鑽井市場，被PDC全面取代。

石油、天然氣鑽井用PDC鑽頭的研發與應用經歷了一個相當長的時間，早期PDC的抗衝擊性不高、存在分層現象，加上鑽頭設計製造方面存在問題及石油、天然氣鑽井具有風險性，佔據鑽井市場較大份額的牙輪鑽頭製造廠商表現不是那麼積極，因此PDC鑽頭的研發和應用遇到了較大的困難與阻力。

美國在1973～1975年間採用GE公司生產的8.38×2.8mm、金剛石層為0.5mm厚的PDC(Compax)焊接到硬質合金齒柱上再安裝到鋼體鑽頭上進行試驗，大量的原始試驗數據表明：PDC可取代用於鑽進最硬和磨蝕性很高的岩石的表鑲鑽頭上的天然金剛石。但考慮到PDC的結構與性能特點以及石油、天然氣地層大都為軟一中硬地層，於是鑽頭製造廠商把PDC應用重點放到了具有重大市場前景的石油鑽井市場。美國Tulsa大學鑽井研究中心參與了最初的平面PDC鑽頭設計，並對PDc本身進行 了關鍵性試驗。在此期間GE公司在南得克薩斯州、科羅拉多州、猶他州、上密歇根州進行了4隻PDC鑽頭的試驗，暴露了PDC柱齒、鑽頭設計與製造方面的一些問題。

初期試驗存在的問題解決后，1976年12月GE公司推出了鑽頭專用PDC系列產品Stratapax，其性能有所改進，更耐衝擊，也更有利於固定到鑽頭體上。與此同時Diamant B0art公司在波斯灣和北海鹽岩中、East.man Christensen公司在北海也進行了一些較為成功的PDC鑽頭試驗。

通過上述初步探索性試驗之後，80年代末一直到現在，PDC製造廠對PDC進行了一系列的改進與創新，使PDC的各項性能得到了很大提高，而各大鑽頭公司隨著能源市場的景氣、原油價格的不斷創新高，他們與石油公司一起積極開發了一系列新型PDC鑽頭，改善了使用效果與擴大了使用領域。

90年代起，從鑽頭水力學角度出發，通過完善鑽井泥漿以控制頁岩中鑽頭泥包現象獲得了成功，使解決鑽進頁岩夾層存在的問題獲得了突破性進展。PDC鑽頭的最大發展是Amoco公司發現了鑽頭損壞的最主要原因是鑽頭旋轉偏擺(迴旋)造成的，隨之發展了防鑽頭偏擺設計技術，各鑽頭製造廠從鑽頭設計角度出發對布齒結構、刀翼結構、鑽頭剖面形狀等採用了一系列防偏擺設計技術，將旋轉偏擺程度降低到最小。此外，Eastman Christensen公司將Amoco的防偏擺產品實現了商品化，採用了穩定鑽頭工作裝置，使PDC在鑽進時降低導致其破壞的劇烈偏擺載荷，正式推出了防旋轉偏擺鑽頭，這種鑽頭在多層(非均質夾層)岩層鑽進中更為有利。此外，鑽頭冠部形狀也由平面狀變為3～8刀翼甚至更多刀翼(螺旋形)的西瓜皮狀。

PDC鑽頭不斷提高與創新的另一原因是開發與應用了更為現代、更為複雜的計算機數據模型系統(CAD/CAM)，並與實驗室驗證相結合，增加了鑽頭成功應用的把握。在我國，PDC鑽頭的開發因為受到PDC國產化的影響，相對美國要晚15年左右，在上世紀80年代中期，江漢鑽頭廠、大港總機廠鑽井研究所及北京石油大學等單位開始著手研發PDC鑽頭，1985年川石一克里斯坦森金剛石鑽頭公司與1990年新疆一帝陛艾斯鑽頭工具公司成立後分別引進了國外成熟的PDC鑽頭技術及後續新技術，並採用GE、DeBeers、USS公司生產的質量穩定可靠的PDC，它們製造的鑽頭在鑽井中均有卓越的表現，為我國PDC鑽頭的開發與應用迅速鋪平了道路，展現了PDC鑽頭在石油、天然氣鑽井市場的光明前景。但因鑽頭成本過高及售價昂貴，其應用主要在新疆地區油田及海洋油田鑽井中推廣。

1988年鄭州三磨所自主研製的價格十分低廉的PDC投放市場后，加速了我國PDC鑽頭國產化的步伐，先後出現了江漢鑽頭廠鑽井研究所、大港石油總機廠、勝利油田鑽井院、大慶石油管理局鑽頭廠等一批PDC鑽頭製造廠，完全國產化的PDC鑽頭在大慶油田、中原油田、大港油田、勝利油田、遼河油田、吉林油田等地區得到了推廣和普及。

由於20世紀90年代初國產PDC的性能還不令人滿意以及部分鑽頭廠家鑽頭設計與製造水平相 對較低，鑽井效果尚不太理想，直到鄭州新亞複合超硬材料有限公司投產後，在PDC製造技術上堅持不懈地進行研究和創新，產品的規格與國外產品一致，產品的質量及可靠性提高，才基本上滿足國內外鑽頭客戶用於鑽進軟一中硬地層鑽頭的技術要求，目前該公司主要致力於開發適合於硬地層、夾層、深井等難攻地層鑽頭用的PDC。另外，在鑽頭製造方面，除川石一克里斯坦森金剛石鑽頭公司、新疆帝陛艾斯鑽頭工具公司外，又湧現了一批具有高質量水平的鑽頭製造公司：如成都百施特金剛石鑽頭公司、武漢億斯達工具公司、成都迪普金剛石鑽頭公司及四川川石金剛石鑽頭公司等。可以相信，不久的將來，國產PDC鑽頭的使用效果及應用領域會隨著PDC品質的改善以及鑽頭設計、製造水平的提高而迅速進步。

當今，在世界鑽井市場上，在鑽頭製造技術與生產數量上佔主導地位的知名公司有休斯(BakerHughes)公司、DBS(HaIliburton的Secarity DBS)公司、史密斯(Smith International)公司以及瑞特(Hycalog Tool—Reed)公司四家。

1) 地層沉積年代遠，地層硬度高、不均質，部分層段研磨性高。

厚度在500m以上的自流井組，泥頁岩，砂岩互層，砂泥岩緻密，硬度高，須家河段為泥岩夾石英砂岩，硅質膠結，岩石硬度達7級；二疊系陽新統地層岩石可鑽性級值為4.7～7.5，岩石軟硬變化大，因高圍壓作用，二疊系灰岩硬度高出三疊系3倍以上，且央帶燧石結核，煤及黃鐵礦。

2) 井眼不穩定。

川東高陡構造井的上部沙溪廟組一珍珠沖組地層(井深0～2500m)，岩性主要是砂，泥、頁岩互層。由於岩石水敏性強以及高陡構造的地應力聯合作用，使井眼很容易失穩，井壁嚴重坍塌。為了平衡垮塌而提高鑽井液密度。導致機械鑽速大幅降低，如天東26井在沙溪廟組、自流井組地層鑽井中鑽井液密度提至1.35～1.63g/cm，由高液柱壓力產生的“壓持效應”使機械鑽速降至0.96m/h；二疊系的龍潭組、梁山組也極易垮塌。

3)地層傾角大，地層傾角8～55，最高達85，容易發生地層自然傾斜。

為了控制井斜往往採取輕壓吊打的措施，從而大大降低了鑽井速度。

4)地層壓力系統複雜，從負壓到異常高壓相互交錯，具有縱向上壓力系統的多樣性和橫向上壓力系統相對獨立性。

碳酸鹽岩氣藏有裂縫性、孔隙性和裂縫一孔隙性3類產層。孔隙性氣藏壓力規律性較清楚，基本表現為常壓，能實現平衡鑽井，如川東石炭系、長興生物礁等。而裂縫性氣層壓力依賴於地質運動的強弱及岩石本身的強度·規律性差，很難預測。鑽井時按有裂縫存在而採用高密度鑽井液鑽進。導致過平衡影響機械鑽速，但採用低密度鑽井液快速強鑽，突遇裂縫井噴的風險很大。陽新組、長興組兩個高壓產層，由於壓力梯度高，岩石硬度大，並且地層深度深，鑽井液密度通常為1.50g/cm；(雲安6井最高壓力梯度達2.45MPa/hm，鑽井液密度2.41g/cm)，致使鑽速長期徘徊在1.00m/h左右。

5)大尺寸井眼長。

川東地區大於 311.Imm井眼的井段約佔總進尺的1/2～3/4，由於井斜因素導致鑽壓加不上。 in頭鑽壓一般只能加到120～180kN，轉速一般為60r/min。大尺寸井眼鑽頭破岩體積大，如 in鑽頭的破岩體積為8Min鑽頭破岩體 積的4.24倍， in鑽頭的破岩體積為 in鑽頭的2.08倍。顯然鑽頭在井底的機械破岩能量嚴重不足，牙齒很難吃入地層。破岩方式主要以研磨為主，而不是體積破碎，導致鑽頭破岩效率很低。由於井眼尺寸大、井深，實際環空返速在0.8m/s以下，水力能量也嚴重不足，導致井底清洗效果差，岩屑重複破碎；同時，深井鑽井經驗表明，隨著大尺寸井段的加深。牙輪鑽頭的蹩跳現象尤為突出，鑽頭在井底的有效鑽進時間不到50%，也嚴重影響了機械鑽速的提高。