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江蘇邱成機電有限公司

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以牙輪鉆頭的結構為依據，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。

在選擇牙輪鉆頭當做石油鉆井工具時，需要按照鉆井設備的實際情況、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，應考慮鉆井地層中的軟硬交錯情況是否存在；

其次，應考慮在石油鉆井工作中是否需要防斜鉆進、曲線作業；

再次，應考慮同一油井中的不同鉆進井段的實際深淺情況；

最后，應考慮鉆井地質、地層的可研磨性以及軟硬程度 [5]  。

金剛石復合片編輯 語音

金剛石微粉

金剛石微粉

PDC鉆頭是當今石油和天然氣勘探開發行業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 [2]  。

金剛石復合片（PDC—Polycrystalline DiamondCompact）是采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復合超硬材料，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沖擊韌性，是一種越的切削工具與耐磨工具材料，現已廣泛地應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域。PDC研發及其在石油、天然氣鉆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杰出的貢獻。

硬質合金

硬質合金

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年叉推出了專用于石油、天然氣的PDC系列產品——Stratapax鉆井鉆頭用PDC，為鉆頭的研制提供了良好的基礎。自此以后許多PDC制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）制造的金剛石層更厚、更耐沖擊的PDC于20世紀90年代中期進入鉆井市場后，使PDC鉆頭的鉆井顯著提高。1997年該公司即成為了*的頭羊。

我國鄭州三磨所于1987年研制成功PDC并逐步進入鉆井市場，雖然產品性能還不，但其卻以極低廉的價格贏得了我國剛起步的鉆頭制造業的青睞。

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

油田

油田

PDC石油、天然氣鉆頭的開發與應用也可追溯到30多年前，1973年Tulsa大學鉆井研究中心與GE公司所進行的最初的平面PDC鉆頭設計以及在美國幾大油田進行的幾次現場鉆井試驗具有開創性、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計、制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、石油與天然氣開采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，這兩家企業都利用了國外成熟的PDC鉆頭制造技術，有力地促進了我國PDC鉆頭的制造與應用技術的進步、促進了PDC鉆頭在我國各大油田的推廣和普及 [6]  。

鉆頭發展簡史編輯 語音

碳化鎢粉未

碳化鎢粉未

在PDC的生產技術尚未成熟，或者說PDC鉆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合金刮刀鉆頭相比，每口井可節約1.1～1.2萬元，并節省78%的時間；聚晶刮刀鉆頭與牙輪鉆頭相比，節省成本50%以上，鉆井時間減少5～8天。另外1.8×5mm聚晶體制造的地質取芯鉆頭、擴孔器以及2.5×5mm聚晶體用于冶金、煤田及地質孕鑲鉆頭的保徑，其效果也與天然金剛石相近。

金剛石

金剛石

在20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（如石灰巖、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PDC大規模生產之后，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鉆頭的研發與應用經歷了一個相當長的時間，早期PDC的抗沖擊性不高、存在分層現象，加上鉆頭設計制造方面存在問題及石油、天然氣鉆井具有風險性，占據鉆井市場較大份額的牙輪鉆頭制造廠商表現不是那么積極，因此PDC鉆頭的研發和應用遇到了較大的困難與阻力。

美國在1973～1975年間采用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鉆頭上進行試驗，大量的原始試驗數據表明：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的結構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大學鉆井研究中心參與了最初的平面PDC鉆頭設計，并對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只PDC鉆頭的試驗，暴露了PDC柱齒、鉆頭設計與制造方面的一些問題。

取芯鉆頭

取芯鉆頭

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

一直到現在，PDC制造廠對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，而各大鉆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鉆頭，改善了使用效果與擴大了使用領域。

90年代起，從鉆頭水力學角度出發，通過完善鉆井泥漿以控制頁巖中鉆頭泥包現象獲得了成功，使解決鉆進頁巖夾層存在的問題獲得了突破性進展。PDC鉆頭的發展是Amoco公司發現了鉆頭損壞的最主要原因是鉆頭旋轉偏擺（回旋）造成的，隨之發展了防鉆頭偏擺設計技術，各鉆頭制造廠從鉆頭設計角度出發對布齒結構、刀翼結構、鉆頭剖面形狀等采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，采用了穩定鉆頭工作裝置，使PDC在鉆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鉆頭，這種鉆頭在多層（非均質夾層）巖層鉆進中更為有利。此外，鉆頭冠部形狀也由平面狀變為3～8刀翼甚至更多刀翼（螺旋形）的西瓜皮狀。

原油

原油

PDC鉆頭不斷提高與創新的另一原因是開發與應用了更為現代、更為復雜的計算機數據模型系統（CAD/CAM），并與實驗室驗證相結合，增加了鉆頭成功應用的把握。在我國，PDC鉆頭的開發因為受到PDC國產化的影響，相對美國要晚15年左右，在20世紀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等單位開始著手研發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鉆頭技術及后續新技術，并采用GE、DeBeers、USS公司生產的質量穩定可靠的PDC，它們制造的鉆頭在鉆井中均有越的表現，為我國PDC鉆頭的開發與應用迅速鋪平了道路，展現了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，其應用主要在新疆地區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鉆頭國產化的步伐，先后出現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，*國產化的PDC鉆頭在大慶油田、中原油田、大港油田、勝利油田、遼河油田、吉林油田等地區得到了推廣和普及。

大慶油田

大慶油田

由于20世紀90年代初國產PDC的性能還不令人滿意以及部分鉆頭廠家鉆頭設計與制造水平相對較低，鉆井效果尚不太理想，直到鄭州新亞復合超硬材料有限公司投產后，在PDC制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鉆頭客戶用于鉆進軟一中硬地層鉆頭的技術要求，目前該公司主要致力于開發適合于硬地層、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，又涌現了一批具有高質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PDC鉆頭的使用效果及應用領域會隨著PDC品質的改善以及鉆頭設計、制造水平的提高而迅速進步。

當今，在世界鉆井市場上，在鉆頭制造技術與生產數量上占主導地位的名公司有休斯（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 [6]  。

鉆速影響因素編輯 語音

1）地層沉積年代遠，地層硬度高、不均質，部分層段研磨性高。

燧石結核

燧石結核

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，硅質膠結，巖石硬度達7級；二疊系陽新統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，二疊系灰巖硬度高出三疊系3倍以上，且央帶燧石結核，煤及黃鐵礦 [7] 

。

2）井眼不穩定。

井眼

井眼

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），巖性主要是砂，泥、頁巖互層。由于巖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鉆井液密度，導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，由高液柱壓力產生的“壓持效應"使機械鉆速降至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°，達85°，容易發生地層自然造斜。

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