金剛石鉆頭與牙輪鉆頭鉆井特點對比研究

■郭文珺

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局機械研究所 江西南昌 330031）

金剛石鉆頭與牙輪鉆頭鉆井特點對比研究

■郭文珺

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局機械研究所 江西南昌 330031）

在鉆井施工過程中，金剛石鉆頭與牙輪鉆頭各有自身顯著特點和優(yōu)勢，經(jīng)過對比分析，二者在結(jié)構(gòu)、性能、破巖機理、使用條件等方面存在差異。為取得更好的鉆井施工效果，應(yīng)綜合考慮兩種鉆頭的特征，應(yīng)用"銜接使用法"，將兩種鉆頭配合使用，提高破巖效果，促進鉆井施工綜合效益提升。

金剛石鉆頭牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)性能破巖機理

0 引言

以前在石油鉆井工程中，通常采用牙輪鉆頭鉆井。隨著技術(shù)發(fā)展與進步，20世紀80年代以來，金剛石鉆頭出現(xiàn)并在鉆井施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前這兩種鉆頭在施工中都得到應(yīng)用，各自發(fā)揮相應(yīng)的作用，下面將對二者的結(jié)構(gòu)、性能、破巖機理、使用條件等進行對比分析，希望能為更好應(yīng)用這兩種鉆頭，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢提供參考。

1 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)對比

1.1 金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)特征

金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有軸承之類的運行件，以耐沖蝕和耐磨損的碳化鎢為胎體，該結(jié)構(gòu)性良好，在硬及研磨性地層鉆進時使用壽命較長，有效保障鉆進工作需要。另外，這種碳化鎢胎體可以將冠部做成平頂、圓形、雙錐、拋物線等各種不同形狀，能夠讓切削刃任意排列，切削齒可排列成稀、中、密三種不同形式，根據(jù)具體需要合理選擇，促進其性能最佳發(fā)揮。硬質(zhì)合金、人造金剛石、天然金剛石切削刃燒結(jié)到碳化鎢胎體上，胎體本身形成高低壓水道。切削刃數(shù)量多，刃口鋒利，能以極低的鉆壓切入巖石。就直徑來看，金剛石鉆頭比牙輪鉆頭小1.5-2.0mm，鉆出后的井眼更加規(guī)則，確保牙輪鉆頭順利通過。整個鉆進施工過程中，還能形成不規(guī)則梳齒，能更好的對硬地層進行破碎。切削刃耐高溫，在軟、中硬、硬或研磨地層可以有效鉆進，從而更好完成鉆進施工任務(wù)，取得更好的效果。

1.2 牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)特征

就其結(jié)構(gòu)來看，牙輪鉆頭包括本體、牙輪、硬質(zhì)合金齒、軸承、油杯、噴嘴等，每個構(gòu)成部件發(fā)揮不同作用，促進鉆進施工順利進行。牙輪和本體通過軸承連接，在牙輪組裝過程中，它包括超頂、復(fù)錐、移軸三種不同形式。另外，牙輪還可以移動，有一定相對位移量，這也是鉆進施工需要注意的問題。

2 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭性能對比

2.1 破巖機理對比

由于二者的結(jié)構(gòu)和性能不一樣，兩種鉆頭的破巖機理也存在差異。

2.1.1 金剛石鉆頭破巖機理

就其對巖層的破碎方式而言，可以將其分解成單粒金剛石對地層破壞作用的結(jié)果，常用方式包括剪切、切削、壓碎、研磨等。對于表鑲式鉆頭，如果地層較軟或軸向壓力夠大，整個鉆進過程中吃入地層的深度相對較深，受鉆頭旋轉(zhuǎn)力的作用，地層出現(xiàn)剪切和切削破碎作用。地層較硬或軸向壓力小，金剛石粒刃吃入地層深度較淺，出現(xiàn)壓碎或研磨方式破碎地層。軸向壓力達到或超過所鉆地層抗壓強度時，被鉆地層會出現(xiàn)“體積破碎”方式，這種方式是最好的破碎方式，能實現(xiàn)對地層的有效破碎，鉆進中應(yīng)采取有效對策，力求實現(xiàn)這種鉆進方式，以取得最佳的效。

2.1.2 牙輪鉆頭破巖機理

在整個鉆進過程中，牙輪鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙齒作用在巖石上，除了靜載之外還有沖擊荷載。牙輪滾動時，單齒和雙齒交替與井底接觸，通過這種反復(fù)交替作用，鉆頭隨牙輪軸心高低的位移出現(xiàn)往復(fù)運動，發(fā)揮沖擊和壓碎作用，最終達到破碎巖層的目的。牙輪鉆頭也具有超頂、復(fù)錐、移軸等作用，使得牙輪能夠?qū)Φ貙影l(fā)揮滑動剪切和研磨作用，常見的破碎方式可以分解成單齒對地層破碎綜合作用的結(jié)果。

2.2 參數(shù)要求

要想促進鉆頭更好發(fā)揮作用，選擇合適的參數(shù)是十分必要的。牙輪鉆頭在鉆進施工中，依靠敲擊、壓碎破巖、輔以剪切破巖，金剛石鉆頭依靠剪切、切削破巖，輔以壓碎破巖，齒出露短，刃口鋒利。對比二者的參數(shù)要求可以得知，金剛石鉆頭的鉆壓小，轉(zhuǎn)速高，排量小，在一般鉆進過程中優(yōu)勢更為明顯，能更好滿足鉆進施工需要。

2.3 鉆進特征

由于兩種鉆頭的性質(zhì)不一樣，因而其鉆進特征也存在差異。金剛石鉆頭的鉆壓比較小，能更好預(yù)防傾斜現(xiàn)象發(fā)生。牙輪鉆頭具有移軸、超頂、復(fù)錐結(jié)構(gòu)，牙輪與本體存在一定相對位移量，就橫向移距來看，金剛石鉆頭要比牙輪鉆頭的小。由此可見，金剛石鉆頭克服不平衡的橫向力效果更優(yōu)，在預(yù)防傾斜問題發(fā)生方面具有自身顯著特點和優(yōu)勢。

3 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭使用對比

在使用條件上，兩種鉆頭存在差異，為促進其最佳效果發(fā)揮，應(yīng)該根據(jù)不同層段選擇合適類型的鉆頭。例如，一般在鉆井工程施工中，嘉陵江和飛仙關(guān)層段用BDC的S248鉆頭，高密度鉆井液盡量采用金剛石鉆頭。并且在金剛石鉆頭使用前要保證井眼暢通和干凈，調(diào)好鉆井液性能，對其它設(shè)備和鉆具做好選擇工作，并選取合適的參數(shù)。金剛石鉆頭壽命長，起下鉆時間少。但在含燧石、黃鐵礦、硅質(zhì)的不均質(zhì)堅硬底層，難以有效提高鉆進效果。為應(yīng)對這些問題，取得更好的鉆進效果，應(yīng)該采用“銜接使用法”，將金剛石鉆頭與牙輪鉆頭有效配合起來使用。

4 結(jié)束語

通過以上的對比分析，可以得出以下幾個結(jié)論，類似工作可從中得到啟示與借鑒。金剛石鉆頭與牙輪鉆頭各有自身顯著特點與優(yōu)勢，具體鉆進中選擇何種類型鉆頭時，應(yīng)該綜合考慮地層和鉆井液密度，促進兩種不同類型鉆頭優(yōu)勢的最佳發(fā)揮，優(yōu)化鉆頭和參數(shù)選擇，取得最佳破巖效果。金剛石鉆頭能剪切破巖，可以在高密度井段保持高機械鉆速，并且其輕鉆壓和高轉(zhuǎn)速能預(yù)防傾斜，使井眼規(guī)則，提高鉆井施工效果。而牙輪鉆頭具有超頂、復(fù)錐和移軸的特征，不利于防斜打直?？傊?，兩種鉆頭各有自己的特點和優(yōu)勢，鉆井施工中要結(jié)合具體需要合理選擇，應(yīng)用“銜接使用法”，將兩種鉆頭配合使用，促進最佳鉆井效果取得。

[1]姚云均.鉆頭合理選型和在鉆井中的分析判斷 [J].化工管理,2015(1),36.

[2]李太元.金剛石鉆頭與牙輪鉆頭鉆井特點對比分析 [J]鉆采工藝,1999(6),58-60.

[3]梁濤,趙義.金3井混鑲金剛石鉆頭的設(shè)計與應(yīng)用 [J].探礦工程 (巖土鉆掘工程), 2014(2),45-47.

[4]程敏,龐豐.高轉(zhuǎn)速/低鉆壓/大泵量的全面鉆進孕鑲金剛石鉆頭 [J].金剛石與磨料磨具工程,2015(1),61-82.

TE242[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-370-1