新型金剛石鉆頭的發(fā)展①

趙永明

（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083）

1 前言

目前金剛石鉆頭無論在地質(zhì)、煤炭、冶金和石油等鉆探中，仍然是提高鉆探效率的主要手段。隨著鉆井工程向深井、深海、硬巖和復雜地層的發(fā)展，給金剛石鉆頭技術(shù)研究工作者提出了更高的要求。近年來，各研究單位、高等院校和部分企業(yè)都對金剛石鉆頭投入了一定的人力和資金進行了大量的研究工作，并與實際相結(jié)合，研制出許多新型金剛石鉆頭，解決了生產(chǎn)中的一些實際問題。本文擬將國內(nèi)近年來研制出的幾種新型金剛石鉆頭加以介紹：

2 幾種新型地質(zhì)鉆頭

近年來我國地質(zhì)鉆頭的研制有了較大的發(fā)展，新型鉆頭不斷出現(xiàn)，解決了生產(chǎn)中的許多難題，鉆頭壽命、時效和取芯率都有較大的提高。如主副水口鉆頭、橋式水口鉆頭、二次焊接式鉆頭、雙層水口鉆頭、多水口鉆頭等。下面分別作簡單介紹：

2.1 主副水口鉆頭（如圖1所示）

其特點為：

（1）水口多、冷卻好，副水路深入胎體中間，有利于鉆頭胎體中部冷卻，可防止鉆頭拉槽現(xiàn)象；

（2）副水路寬窄大小不同，外水口寬，內(nèi)水口較窄，使其內(nèi)外磨損均衡；

（3）減少鉆頭與巖石的接觸面積，有利于提高鉆進速度；

（4）適應于鉆進弱研磨性地層。

2.2 橋式水口鉆頭（如圖2所示）

其特點為：

圖1 主副水口鉆頭Fig.1 Drill bit with primary and secondary water slot

圖2 橋式水口鉆頭Fig.2 Drill bit with bridge type water slot

（1）胎體高約20～25mm，金剛石層10～16mm；

（2）相鄰胎塊間用“橋”式加固支撐，增強鉆頭胎體整體強度，同時不影響水流冷卻；

（3）水口面積大，約占總投影面積的50% 左右，鉆頭與巖石接觸面積小，有利于提高鉆進效率和排除巖粉；

（4）適應于復雜地層鉆進。

2.3 二次鑲嵌式鉆頭（如圖3）

其特點為：

圖3 二次鑲嵌式鉆頭Fig.3 Secondary inserted drill bit

（1）鉆頭體采用高溫浸漬法燒結(jié)而成，提高了胎體的耐磨性和硬度；

（2）鑲層選用低溫熱壓法燒結(jié)，有利于保護金剛石，提高鉆頭效率和壽命；

（3）釬焊金剛石孕鑲塊，使金剛石不受損傷，又保證了鉆頭整體強度；

（4）適應于鉆進打滑地層；

（5）在11級的石英磁鐵礦中鉆進，時效1.5米，平均壽命80米。

2.4 多水口鉆頭（如圖4所示）

其特點為：

圖4 多水口鉆頭Fig.4 Drill bit with multiple water slots

（1）將鉆頭孕鑲層由扇形改為矩形使其各部位水冷均衡，金剛石得到充分冷卻；

（2）金剛石層的面積低于水口面積，有利于提高鉆速；多水口鉆頭設計為深水口和淺水口，深水口有內(nèi)外水槽，而淺水口不帶內(nèi)外水槽；

（3）適應于鉆進弱研磨性打滑地層。

2.5 雙層水口鉆頭（如圖5所示）

其特點為：

圖5 雙層水口鉆頭Fig.5 Drill bit with double－layer water slot

（1）鉆頭胎體高（20～28mm），比常規(guī)高一倍；

（2）水口設計為開窗式，即2到3層，使用中磨去一層后會出現(xiàn)新的水口；

（3）水口相互交錯，能充分冷卻鉆頭，排除巖粉；

（4）水口數(shù)量少但開口較大，有高效排粉能力；

（5）適應于深孔鉆進；

（6）使用效果：壽命是常規(guī)鉆頭的2倍（常規(guī)鉆頭壽命29米，雙水口鉆頭為56米）。

3 幾種新型油井鉆頭

自1988年從美國引進兩套油井金剛石鉆頭生產(chǎn)線后，我國金剛石石油鉆頭生產(chǎn)水平大幅度提高，有關(guān)研究單位和高等院校與生產(chǎn)相結(jié)合，研究出許多高水平油井鉆頭，如抗沖擊鉆頭；雙排齒鉆頭；新型孕鑲鉆頭等，并解決了鉆井生產(chǎn)中的一些問題。下面介紹幾種新型石油金剛石鉆頭：

3.1 雙排齒PDC鉆頭（如圖6所示）

雙排齒PDC鉆頭的特點：

（1）在主切削齒后再增加一排切削齒，提高鉆頭的耐磨性，分擔部分主切削齒的工作量，提高鉆頭使用壽命；

（2）提高鉆頭抗振動能力，防止主切削齒過早損壞；

（3）適應于鉆進較硬的復雜地層；

（4）該種鉆頭在渤海北部油田成功穿過300米礫巖層，機械鉆速高達36米～58米。

圖6 雙排齒PDC鉆頭Fig.6 PDC drill bit with double－row teeth

圖7 抗沖擊式PDC鉆頭Fig.7 Impact PDC drill bit

3.2 抗沖擊式PDC鉆頭（如圖7所示）

其特點為：

（1）在主切削齒后增加一排硬質(zhì)合金契型齒，保護主切削齒，抑制沖擊振動；

（2）抵消振動負荷；

（3）限制主切削齒的吃入量；

（4）減小主切削齒所承受的交變應力；

（5）適應于鉆進有小粒度礫巖地層。

3.3 表孕鑲鉆頭（如圖8所示）

其特點為：

圖8 表孕鑲鉆頭Fig.8 Diamond impregnated bits

（1）在鉆頭表面鑲上大粒度的天然金剛石，以求下井就獲得較快的鉆進效果；表鑲金剛石下面設計一層孕鑲金剛石，可獲得鉆頭較長的壽命；

（2）設計一定量的底噴水眼，有利于排除巖粉和冷卻鉆頭，適應鉆進強研磨性地層；

（3）使用效果，在同種條件下，鉆速略高，壽命是牙輪鉆頭的2.8倍；

（4）牙輪壽命17.21米，鉆速0.58米／時；表孕鑲壽命71.27米，鉆速0.67米／時；

3.4 新型孕鑲油井鉆頭（如圖9所示）

其特點為：

圖9 新型孕鑲鉆頭Fig.9 New diamond impregnated bits

（1）設計若干個孕鑲金剛石柱齒，按一定的排序布置在鉆頭唇面；

（2）鉆頭設計刀翼多個（16個），優(yōu)化水力設計，最大限度防止鉆頭泥包；

（3）柱狀齒布置重疊有致，提高鉆井效能，消除了井底無法切削的盲區(qū)；

（4）對稱的鉆頭切削結(jié)構(gòu)，大粒度的巖屑從水槽返出；

（5）適應于鉆進堅硬的弱研磨性地層。

4 結(jié)論

從以上對各種新型金剛石鉆頭的介紹中可見，目前國內(nèi)鉆探中，可根據(jù)所鉆的地層選擇相應的鉆頭。結(jié)論如下：

（1）在深井地質(zhì)鉆探中，可選用金剛石層高的雙水口鉆頭或橋式水口鉆頭；

（2）在地質(zhì)鉆探中，若鉆進遇到堅硬的弱研磨性地層時，可選用多水口鉆頭或主副水口鉆頭；

（3）在地質(zhì)鉆探中，若鉆進遇到堅硬致密的打滑地層，可選用二次鑲焊式鉆頭或者多水口鉆頭；

（4）在石油鉆井中，若鉆進遇到礫巖、夾層等復雜地層，可選用雙排齒鉆頭或者抗沖擊型鉆頭；

（5）在石油鉆井中，若鉆進遇到堅硬的弱研磨性地層，可選用新型孕鑲金剛石鉆頭或者表孕鑲鉆頭。

［1］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊［M］.北京.地質(zhì)出版社.1991.

［2］江漢石油管理局鉆頭廠.江漢鉆頭使用手冊［M］.北京.石油出版社.1992.

［3］羅肇豐，等.鉆井技術(shù)手冊［M］.北京.石油出版社.1984.

［4］沈立娜，等.國內(nèi)外金剛石鉆頭的部分技術(shù)發(fā)展［J］.探礦工程.2011（5）.

［5］蔡家品，等.元壩地區(qū)新型金剛石鉆頭的研究與應用［J］.探礦工程.2010（11）.

［6］賈美玲，等.深孔鉆探金剛石鉆頭技術(shù)研究［J］.探礦工程.2010（12）.