鉆頭工作過程

目前石油行業(yè)使用的鉆頭有很多種類，以不同的鉆進方式為根據(jù)對鉆頭進行分類，可以將其分為金剛石鉆頭、牙輪鉆頭與刮刀鉆頭，這三種鉆頭是最基本的鉆頭形式。在這三種鉆頭中，在石油鉆探工作中應(yīng)用最為普遍、最為廣泛的一種是牙輪鉆頭，其應(yīng)用程度也比較深。將這三種鉆頭進行對比，使用范圍最小的一種鉆頭是刮刀鉆頭。本文主要介紹的是金剛石鉆頭與牙輪鉆頭 。

鉆頭金剛石

切削刃使用的是金剛石材料的鉆進刀具就是金剛石鉆頭，金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢在于能夠適應(yīng)研磨性較高、地質(zhì)較硬的地層，切割性能也比較優(yōu)良。在高速鉆探方面具有非常顯著的優(yōu)勢。

以所適應(yīng)地層的差異為根據(jù)，可以將金剛石鉆頭分為普通金剛石鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭兩大類。在這兩大類之中，普通金剛石鉆頭適用于研磨性較高、地質(zhì)較硬、地質(zhì)復(fù)雜的地層；聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭能夠被廣泛的應(yīng)用于硬質(zhì)地層、軟質(zhì)地層、軟硬適中的地層，其應(yīng)用范圍十分廣泛。刀片的不同是這兩種金剛石鉆頭的主要差別所在。

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭主要有四個組成部分，即金剛石復(fù)合片、噴嘴、胎體以及鉆頭體；普通金剛石鉆頭主要有四個組成部分，即金剛石顆粒、噴嘴、胎體以及鉆頭體。因為金剛石鉆頭的切割性能比較優(yōu)良，因此在選擇金剛石鉆頭當(dāng)做石油鉆井工具時，能夠高速鉆探，也能夠在一定程度上擴大鉆深。在使用金剛石鉆頭進行石油鉆井作業(yè)的過程中，需要高度注意的有以下幾個方面：

第一，金剛石鉆頭的價格比較高，因此在使用時應(yīng)小心操作，降低損壞程度；

第二，金剛石鉆頭在熱穩(wěn)定性方面具有一定的缺陷，因此在使用時要保證鉆頭的冷卻性能、清洗情況；

第三，其質(zhì)地比較脆，因此金剛石鉆頭的抗沖擊性能會比較差，應(yīng)該嚴格按照金剛石鉆頭的相關(guān)規(guī)程來進行嚴格的、規(guī)范的操作 。

鉆頭牙輪

以牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，可以將其分為水眼、軸承、巴掌、牙輪以及鉆頭體這五個部分。如果是密封噴射式的牙輪鉆頭，在一般情況下還包括儲油補償系統(tǒng)這一部分。螺紋一般會在牙輪鉆頭的上部，鉆柱與螺紋進行相互連接，鉆頭下部會存在牙輪，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巖石工作。鉆井液的通道就是鉆頭的水眼。在進行石油鉆井工作的過程中，通過鉆進過程中的橫向剪切作用、縱向振動作用，牙輪鉆頭會實現(xiàn)破碎巖石的目的，從而能夠提升鉆井速度。

在選擇牙輪鉆頭當(dāng)做石油鉆井工具時，需要按照鉆井設(shè)備的實際情況、地層的實際條件以及相鄰油井的地質(zhì)資料、地層資料來進行牙輪鉆頭的選型。在進行選擇時，需要考慮的問題主要有以下幾點：

首先，應(yīng)考慮鉆井地層中的軟硬交錯情況是否存在；

其次，應(yīng)考慮在石油鉆井工作中是否需要防斜鉆進、曲線作業(yè)；

再次，應(yīng)考慮同一油井中的不同鉆進井段的實際深淺情況；

最后，應(yīng)考慮鉆井地質(zhì)、地層的可研磨性以及軟硬程度 。

鉆頭是鉆井設(shè)備的主要組成部分，其主要作用是破粹巖石、形成井眼。旋轉(zhuǎn)鉆頭是目前石油行業(yè)普遍使用的鉆頭，在機械的帶動下旋轉(zhuǎn)鉆頭會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個鉆頭產(chǎn)生向心運動，并通過侵削、研磨使巖石發(fā)生裂痕并破碎，起到向下鉆探的作用。鉆頭是主要的鉆井設(shè)備之一，根據(jù)工作環(huán)境、地域環(huán)境的不同，鉆頭的規(guī)格、形狀也應(yīng)當(dāng)有所不同，在進行石油鉆井工作時，應(yīng)當(dāng)以具體需要、具體設(shè)計方案為根據(jù)，合理地、科學(xué)地選擇鉆頭 。在具體的鉆井工作中科學(xué)選擇鉆頭、合理確定鉆井液，從而提高石油鉆井的工作效率、工作質(zhì)量，才能使石油鉆井更好地發(fā)揮自身的價值，為促進石油事業(yè)的發(fā)展作出一定的貢獻。

PDC鉆頭是當(dāng)今石油和天然氣勘探開發(fā)行業(yè)廣泛使用的一種破巖工具，它有效地提高了機械鉆具，縮短了鉆井周期 。

金剛石復(fù)合片（PDC—Polycrystalline DiamondCompact）是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金襯底為原料，在超高壓高溫條件下燒結(jié)而成的復(fù)合超硬材料，它既具有金剛石的硬度與耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的強度與抗沖擊韌性，是一種卓越的切削工具與耐磨工具材料，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于金屬與非金屬切削刀具、木材加工刀具、石油與天然氣鉆頭等許多領(lǐng)域。PDC研發(fā)及其在石油、天然氣鉆頭方面的應(yīng)用歷史已過去了35年，在這漫長的旅程中許多科學(xué)研究者為此作出了杰出的貢獻。

在PDC研發(fā)方面，GE公司1970年公布，1972～1973年正式進行商品化生產(chǎn)的Compax具有劃時代意義，而該公司1976年叉推出了專用于石油、天然氣的PDC系列產(chǎn)品——Stratapax鉆井鉆頭用PDC，為鉆頭的研制提供了良好的基礎(chǔ)。自此以后許多PDC制造公司在技術(shù)創(chuàng)新上也取得了重大進展，其中美國合成公司（US Synthetic）制造的金剛石層更厚、更耐沖擊的PDC于20世紀(jì)90年代中期進入鉆井市場后，使PDC鉆頭的鉆井效果顯著提高。1997年該公司即成為了市場份額的領(lǐng)頭羊。

我國鄭州三磨所于1987年研制成功PDC并逐步進入鉆井市場，雖然產(chǎn)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鉆頭制造業(yè)的青睞。

1992年鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司建成投產(chǎn)后，對PDC的制造技術(shù)作了持續(xù)不斷的改進，使PDC的性能有了長足的進步。

PDC石油、天然氣鉆頭的開發(fā)與應(yīng)用也可追溯到30多年前，1973年Tulsa大學(xué)鉆井研究中心與GE公司所進行的最初的平面PDC鉆頭設(shè)計以及在美國幾大油田進行的幾次現(xiàn)場鉆井試驗具有開創(chuàng)性、里程碑性的重大意義。自此以后，鉆頭制造商也不斷在鉆頭設(shè)計、制造與使用諸多方面作了不懈的努力和持續(xù)的改進，才得以使PDC鉆頭在石油、天然氣鉆井中廣泛推廣，并給PDC及其鉆頭制造業(yè)、石油與天然氣開采業(yè)帶來豐厚的經(jīng)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鉆頭公司。

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鉆頭工具公司，這兩家企業(yè)都利用了國外成熟的PDC鉆頭制造技術(shù)，有力地促進了我國PDC鉆頭的制造與應(yīng)用技術(shù)的進步、促進了PDC鉆頭在我國各大油田的推廣和普及 。

在PDC的生產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，或者說PDC鉆頭剛開始開發(fā)之前的一段時間，就有廠家用無硬質(zhì)合金襯底的聚晶人造金剛石取代天然大顆粒金剛石來制造表鑲鉆頭。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(wěn)定性，即耐1000℃～1100℃的高溫，可直接燒結(jié)到由碳化鎢粉未及粘結(jié)金屬組成的鉆頭胎體的冠部作為鉆齒，破碎與切削地層。

1969～1975年鄭州三磨所分別生產(chǎn)了幾種不同直徑的JR20SN-2聚晶體，首先用于保徑的孕鑲鉆頭和擴孔器的制造，鉆進礦山7級以下的地層，而后用6×6mm聚晶體制造石油刮刀鉆頭，在勝利油田進行試驗，以鉆進同一井深2400m為例，聚晶刮刀鉆頭與硬質(zhì)合金刮刀鉆頭相比，每口井可節(jié)約1.1～1.2萬元，并節(jié)省78%的時間；聚晶刮刀鉆頭與牙輪鉆頭相比，節(jié)省成本50%以上，鉆井時間減少5～8天。另外1.8×5mm聚晶體制造的地質(zhì)取芯鉆頭、擴孔器以及2.5×5mm聚晶體用于冶金、煤田及地質(zhì)孕鑲鉆頭的保徑，其效果也與天然金剛石相近。

在20世紀(jì)80年代初期我國自主研發(fā)的PDC尚未成功之前，6×6mm聚晶體曾大量用于石油、天然氣鉆井的取芯鉆頭和西瓜皮式的全面鉆進鉆頭。三角塊形聚晶也曾大量用于制造中硬至硬地層（如石灰?guī)r、白云巖）、輕微研磨性地層的取芯或全面鉆進鉆頭。自90年代國產(chǎn)PDC大規(guī)模生產(chǎn)之后，聚晶人造金剛石逐漸退出了鉆井市場，被PDC全面取代。

石油、天然氣鉆井用PDC鉆頭的研發(fā)與應(yīng)用經(jīng)歷了一個相當(dāng)長的時間，早期PDC的抗沖擊性不高、存在分層現(xiàn)象，加上鉆頭設(shè)計制造方面存在問題及石油、天然氣鉆井具有風(fēng)險性，占據(jù)鉆井市場較大份額的牙輪鉆頭制造廠商表現(xiàn)不是那么積極，因此PDC鉆頭的研發(fā)和應(yīng)用遇到了較大的困難與阻力。

美國在1973～1975年間采用GE公司生產(chǎn)的8.38×2.8mm、金剛石層為0.5mm厚的PDC（Compax）焊接到硬質(zhì)合金齒柱上再安裝到鋼體鉆頭上進行試驗，大量的原始試驗數(shù)據(jù)表明：PDC可取代用于鉆進最硬和磨蝕性很高的巖石的表鑲鉆頭上的天然金剛石。但考慮到PDC的結(jié)構(gòu)與性能特點以及石油、天然氣地層大都為軟一中硬地層，于是鉆頭制造廠商把PDC應(yīng)用重點放到了具有重大市場前景的石油鉆井市場。美國Tulsa大學(xué)鉆井研究中心參與了最初的平面PDC鉆頭設(shè)計，并對PDc本身進行了關(guān)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只PDC鉆頭的試驗，暴露了PDC柱齒、鉆頭設(shè)計與制造方面的一些問題。

初期試驗存在的問題解決后，1976年12月GE公司推出了鉆頭專用PDC系列產(chǎn)品Stratapax，其性能有所改進，更耐沖擊，也更有利于固定到鉆頭體上。與此同時Diamant B0art公司在波斯灣和北海鹽巖中、East.man Christensen公司在北海也進行了一些較為成功的PDC鉆頭試驗。

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

90年代起，從鉆頭水力學(xué)角度出發(fā)，通過完善鉆井泥漿以控制頁巖中鉆頭泥包現(xiàn)象獲得了成功，使解決鉆進頁巖夾層存在的問題獲得了突破性進展。PDC鉆頭的最大發(fā)展是Amoco公司發(fā)現(xiàn)了鉆頭損壞的最主要原因是鉆頭旋轉(zhuǎn)偏擺（回旋）造成的，隨之發(fā)展了防鉆頭偏擺設(shè)計技術(shù)，各鉆頭制造廠從鉆頭設(shè)計角度出發(fā)對布齒結(jié)構(gòu)、刀翼結(jié)構(gòu)、鉆頭剖面形狀等采用了一系列防偏擺設(shè)計技術(shù)，將旋轉(zhuǎn)偏擺程度降低到最小。此外，Eastman Christensen公司將Amoco的防偏擺產(chǎn)品實現(xiàn)了商品化，采用了穩(wěn)定鉆頭工作裝置，使PDC在鉆進時降低導(dǎo)致其破壞的劇烈偏擺載荷，正式推出了防旋轉(zhuǎn)偏擺鉆頭，這種鉆頭在多層（非均質(zhì)夾層）巖層鉆進中更為有利。此外，鉆頭冠部形狀也由平面狀變?yōu)?～8刀翼甚至更多刀翼（螺旋形）的西瓜皮狀。

PDC鉆頭不斷提高與創(chuàng)新的另一原因是開發(fā)與應(yīng)用了更為現(xiàn)代、更為復(fù)雜的計算機數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)（CAD/CAM），并與實驗室驗證相結(jié)合，增加了鉆頭成功應(yīng)用的把握。在我國，PDC鉆頭的開發(fā)因為受到PDC國產(chǎn)化的影響，相對美國要晚15年左右，在20世紀(jì)80年代中期，江漢鉆頭廠、大港總機廠鉆井研究所及北京石油大學(xué)等單位開始著手研發(fā)PDC鉆頭，1985年川石一克里斯坦森金剛石鉆頭公司與1990年新疆一帝陛艾斯鉆頭工具公司成立后分別引進了國外成熟的PDC鉆頭技術(shù)及后續(xù)新技術(shù)，并采用GE、DeBeers、USS公司生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定可靠的PDC，它們制造的鉆頭在鉆井中均有卓越的表現(xiàn)，為我國PDC鉆頭的開發(fā)與應(yīng)用迅速鋪平了道路，展現(xiàn)了PDC鉆頭在石油、天然氣鉆井市場的光明前景。但因鉆頭成本過高及售價昂貴，其應(yīng)用主要在新疆地區(qū)油田及海洋油田鉆井中推廣。

1988年鄭州三磨所自主研制的價格十分低廉的PDC投放市場后，加速了我國PDC鉆頭國產(chǎn)化的步伐，先后出現(xiàn)了江漢鉆頭廠鉆井研究所、大港石油總機廠、勝利油田鉆井院、大慶石油管理局鉆頭廠等一批PDC鉆頭制造廠，完全國產(chǎn)化的PDC鉆頭在大慶油田、中原油田、大港油田、勝利油田、遼河油田、吉林油田等地區(qū)得到了推廣和普及。

由于20世紀(jì)90年代初國產(chǎn)PDC的性能還不令人滿意以及部分鉆頭廠家鉆頭設(shè)計與制造水平相對較低，鉆井效果尚不太理想，直到鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司投產(chǎn)后，在PDC制造技術(shù)上堅持不懈地進行研究和創(chuàng)新，產(chǎn)品的規(guī)格與國外產(chǎn)品一致，產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性提高，才基本上滿足國內(nèi)外鉆頭客戶用于鉆進軟一中硬地層鉆頭的技術(shù)要求，目前該公司主要致力于開發(fā)適合于硬地層、夾層、深井等難攻地層鉆頭用的PDC。另外，在鉆頭制造方面，除川石一克里斯坦森金剛石鉆頭公司、新疆帝陛艾斯鉆頭工具公司外，又涌現(xiàn)了一批具有高質(zhì)量水平的鉆頭制造公司：如成都百施特金剛石鉆頭公司、武漢億斯達工具公司、成都迪普金剛石鉆頭公司及四川川石金剛石鉆頭公司等。可以相信，不久的將來，國產(chǎn)PDC鉆頭的使用效果及應(yīng)用領(lǐng)域會隨著PDC品質(zhì)的改善以及鉆頭設(shè)計、制造水平的提高而迅速進步。

當(dāng)今，在世界鉆井市場上，在鉆頭制造技術(shù)與生產(chǎn)數(shù)量上占主導(dǎo)地位的知名公司有休斯（Baker Hughes）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(zhì)，部分層段研磨性高。

厚度在500m以上的自流井組，泥頁巖，砂巖互層，砂泥巖致密，硬度高，須家河段為泥巖夾石英砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，巖石硬度達7級；二疊系陽新統(tǒng)地層巖石可鉆性級值為4.7～7.5，巖石軟硬變化大，因高圍壓作用，二疊系灰?guī)r硬度高出三疊系3倍以上，且央帶燧石結(jié)核，煤及黃鐵礦 。

2）井眼不穩(wěn)定。

川東高陡構(gòu)造井的上部沙溪廟組一珍珠沖組地層（井深0～2500m），巖性主要是砂，泥、頁巖互層。由于巖石水敏性強以及高陡構(gòu)造的地應(yīng)力聯(lián)合作用，使井眼很容易失穩(wěn)，井壁嚴重坍塌。為了平衡垮塌而提高鉆井液密度，導(dǎo)致機械鉆速大幅降低，如天東26井在沙溪廟組、自流井組地層鉆井中鉆井液密度提至1.35～1.63g/cm³，由高液柱壓力產(chǎn)生的“壓持效應(yīng)”使機械鉆速降至0.96m/h；二疊系的龍?zhí)督M、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(fā)生地層自然造斜。

為了控制井斜往往采取輕壓吊打的措施，從而大大降低了鉆井速度。

4）地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，從負壓到異常高壓相互交錯，具有縱向上壓力系統(tǒng)的多樣性和橫向上壓力系統(tǒng)相對獨立性。

碳酸鹽巖氣藏有裂縫性、孔隙性和裂縫一孔隙性3類產(chǎn)層?？紫缎詺獠貕毫σ?guī)律性較清楚，基本表現(xiàn)為常壓，能實現(xiàn)平衡鉆井，如川東石炭系、長興生物礁等。而裂縫性氣層壓力依賴于地質(zhì)運動的強弱及巖石本身的強度·規(guī)律性差，很難預(yù)測。鉆井時按有裂縫存在而采用高密度鉆井液鉆進。導(dǎo)致過平衡影響機械鉆速，但采用低密度鉆井液快速強鉆，突遇裂縫井噴的風(fēng)險很大。陽新組、長興組兩個高壓產(chǎn)層，由于壓力梯度高，巖石硬度大，并且地層深度深，鉆井液密度通常為1.50g/cm³；（云安6井最高壓力梯度達2.45MPa/hm，鉆井液密度2.41g/cm³），致使鉆速長期徘徊在1.00m/h左右。

5）大尺寸井眼長。

川東地區(qū)大于

當(dāng)取心方式、工具確定之后，通常根據(jù)取心鉆頭型號與技術(shù)規(guī)范及所對應(yīng)的地層類別確定取心鉆頭類型，然后參考地層可鉆性級值與鉆頭類型的對應(yīng)關(guān)系，進一步確定具體的取心鉆頭型號。

1．從巖心成形出發(fā)選擇鉆頭

從巖心成形來看，在軟而松散的非膠結(jié)地層取心，不宜選用多次成形的取心鉆頭。多次成形的取心鉆頭，當(dāng)鉆頭接觸井底平面，開始鉆進的時候，會在井底先形成直徑較大（大于鉆頭體內(nèi)徑）的巖心。它不能立即進入鉆頭體或內(nèi)巖心筒，只是在鉆壓的繼續(xù)作用下，連續(xù)切削較大直徑的巖心，最終形成所需直徑的巖心柱并進入鉆頭體或內(nèi)巖心筒。如果選用這類鉆頭，在多次成形的過程中，巖心必然受到鉆壓、鉆具擺動等外力的多次作用，極易發(fā)生巖心破碎，阻礙巖心入筒或造成巖心入口堵塞卡死。但是，在充分扶正鉆頭和取心工具以后，由于這類鉆頭的切削部分可以產(chǎn)生錐形井底，有助于保持井眼垂直；同時，在需要更大鉆壓的較硬地層中鉆進，鉆頭工作面逐漸過渡成圓形（或者有一個較大的頂部半徑），能保證有足夠的切削刃分擔(dān)負荷，以防止不正常的磨損和過熱。

近似于一次成形的取心鉆頭，由于其頂部圓半徑較大，可以將鉆進硬透鏡體夾層的影響減弱到最低限度。一次成形就是當(dāng)取心鉆頭接觸井底平面，開始鉆進的時候，巖心立即形成與鉆頭體內(nèi)徑相等或略小的巖心柱而進人內(nèi)巖心筒并受到保護的成形過程。

2．根據(jù)巖石性質(zhì)選擇鉆頭

松軟地層，由于巖石可鉆性好，機械鉆速高，一般可選用切削型取心鉆頭，包括切削刃較長、較稀的PDC取心鉆頭。中硬地層，由于巖心成柱性好，鉆速中等，是進行中長筒取心的有利地層，一般選用微切削型取心鉆頭，包括布齒較密的PDC取心鉆頭，圓柱形、三角形及片狀等熱穩(wěn)定聚晶人造金剛石取心鉆頭以及各種天然金剛石取心鉆頭。這類鉆頭多為胎體結(jié)構(gòu)，工作面呈單錐曲面、雙錐曲面，還有平頂、圓弧形、淺拋物面等形狀。硬地層取心，由于地層巖石硬度高，研磨性強，可選用胎體結(jié)構(gòu)、工作面多為半圓曲面、低出刃或孕鑲的研磨型取心鉆頭。根據(jù)地層硬度，布齒方式有格狀布齒、同心圓布齒及背鑲布齒三種方式，高低壓水道、輻射狀水道以及內(nèi)規(guī)徑處的水道均有利于鉆頭的清洗和冷卻。