PDC鉆頭技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

楊金華 郭曉霞

中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院石油科技研究所

鉆頭性能直接關(guān)系到鉆井的效率、質(zhì)量、成本乃至安全。鉆頭雖小，卻是鉆井提速降本的第一利器。改進鉆頭往往能收到事半功倍的效果，對于水平井、深井、超深井來說尤為如此。如少用一只鉆頭，不僅可以直接節(jié)省鉆頭成本，還可縮短鉆井周期，效益十分可觀。因此，國內(nèi)外石油公司和油服公司都高度重視鉆頭技術(shù)的改進與創(chuàng)新。

1 PDC鉆頭技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鉆頭技術(shù)的改進和創(chuàng)新可歸納為集成創(chuàng)新和顛覆性創(chuàng)新兩大類。

1.1 PDC鉆頭居市場主導(dǎo)地位

PDC鉆頭（Polycrystalline Dlamond Compact Bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）早在10年前成為破巖主力，逐步取代了牙輪鉆頭，在鉆井提速降本中發(fā)揮著重要作用。近年來，中國和美國85%以上的鉆井進尺由PDC鉆頭完成，PDC鉆頭已在石油鉆頭市場占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.2 切削齒成為鉆頭創(chuàng)新主攻方向

切削齒的改進和創(chuàng)新是PDC鉆頭技術(shù)改進和創(chuàng)新的主攻方向，容易收到事半功倍的效果。

1.2.1 持續(xù)改進材質(zhì)，提升切削齒性能[1]

鈷元素是壓制PDC復(fù)合片時加入的結(jié)合劑，在人造金剛石內(nèi)呈現(xiàn)宏觀均勻分布狀態(tài)。由于碳元素（人造金剛石）與鈷元素的熱膨脹系數(shù)不同，工作時會伴隨溫度升高而體積變大，從而引起內(nèi)應(yīng)力的增加，造成PDC復(fù)合片的破壞。為此提出了復(fù)合片脫鈷的問題，PDC復(fù)合片脫鈷技術(shù)就是要去除金剛石層內(nèi)的鈷元素。國內(nèi)外鉆頭公司通過PDC復(fù)合片脫鈷技術(shù)來提高PDC切削齒的綜合性能，特別是熱穩(wěn)定性能。

1.2.2 創(chuàng)新形狀和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)切削齒多樣化[2]

（1）非平面PDC切削齒。

長期以來，PDC切削齒的切削面一直是平的。為進一步提高破巖效率和延長鉆頭使用壽命，近幾年國內(nèi)外鉆頭公司打破常規(guī)，顛覆傳統(tǒng)，相繼推出了多種非平面PDC 切削齒，例如斯倫貝謝Smith鉆頭公司的錐形切削齒（圖1）、貝克休斯公司的鑿形切削齒（圖2）和StayCool 多維切削齒（圖3），以及中國石油休斯敦研究中心的Tridon切削齒。

（2）活動式PDC切削齒[3]。

傳統(tǒng)的PDC切削齒是固定齒，近幾年創(chuàng)新研制出一些活動型PDC切削齒，例如斯倫貝謝的可旋轉(zhuǎn)PDC復(fù)合片（圖4）、貝克休斯的可自動調(diào)節(jié)切削深度的自適應(yīng)切削齒（圖5）。

（3）多樣化的復(fù)合片結(jié)合面。

PDC復(fù)合片與基柱的結(jié)合面直接關(guān)系到PDC切削齒的耐磨性、耐沖擊能力和熱穩(wěn)定性。為改善PDC切削齒性能，鉆頭廠家推出了花樣翻新的復(fù)合片結(jié)合面，例如Firestorm PDC切削齒（圖6）

圖1 帶錐形切削齒的PDC鉆頭

圖2 鑿形切削齒

圖3 StayCool 多維切削齒

1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)多樣化、集成化[4]

任何改進與創(chuàng)新都有利有弊，傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)的集成應(yīng)用可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，降低風(fēng)險，通常能取得“1+1＞2”的效果。集成創(chuàng)新成為近幾年國內(nèi)外鉆頭結(jié)構(gòu)改進與創(chuàng)新的熱點之一，破巖方式也趨于多樣化和集成化。

圖4 可旋轉(zhuǎn)PDC切削齒

圖5 TerrAdapt自適應(yīng)切削齒

圖6 Firestorm PDC切削齒

1.3.1 混合齒鉆頭

近幾年，國內(nèi)外持續(xù)推出一些新型切削齒，將傳統(tǒng)切削齒與新型切削齒集成應(yīng)用，即生產(chǎn)混合齒鉆頭，取得了意想不到的綜合效果。例如，貝克休斯公司新推出了一種集PDC切削齒和牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒于一身的PDC鉆頭；NOV公司開發(fā)出一種混合使用PDC切削齒和孕鑲金剛石材料的PDC鉆頭；斯倫貝謝則新推出了可旋轉(zhuǎn)PDC切削齒，并相應(yīng)推出了裝有固定PDC切削齒和多顆可旋轉(zhuǎn)PDC切削齒的PDC鉆頭?？尚D(zhuǎn)PDC切削齒有助于充分發(fā)揮PDC切削齒的潛能，提高鉆速并延長鉆頭使用壽命。

1.3.2 混合型鉆頭

近幾年在鉆頭集成創(chuàng)新方面取得的最大突破當(dāng)屬貝克休斯研制的Kymera鉆頭（圖7），它是集牙輪鉆頭與PDC鉆頭優(yōu)勢于一體的二合一鉆頭，拓寬了鉆頭的地層適應(yīng)性，提高機械鉆速。

圖7 Kymera混合型鉆頭

1.4 高新技術(shù)引入鉆頭設(shè)計與制造

為了提升鉆頭設(shè)計與制造的效率與質(zhì)量，國內(nèi)外鉆頭公司都在利用大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字化仿真技術(shù)、3D打印技術(shù)等現(xiàn)代化手段，不斷提高信息化、數(shù)字化、自動化水平。如斯倫貝謝Smith鉆頭公司推出了IDEAS鉆頭設(shè)計與模擬平臺。

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，被越來越多的鉆頭公司引入應(yīng)用，以優(yōu)化鉆頭設(shè)計與制造，實現(xiàn)快速、小批量、個性化。例如，BlueFire公司利用Solid Works軟件開發(fā)設(shè)計出高度復(fù)雜的鉆頭，下一步將通過一家得克薩斯的3D打印公司進行制造。為了使鉆頭在頁巖、砂巖、石灰?guī)r及黏土中都具有較高的破巖效率，采用了較大的PDC切削面，并在鉆頭體上設(shè)計橫向水眼，以提高鉆頭的清潔和冷卻效率。試驗證實，這些設(shè)計使切削結(jié)構(gòu)表面的溫度降低30%以上，大大減少了切削片的熱磨損，延長了鉆頭壽命。為提高鉆井液的噴射速率，BlueFire鉆頭采用特殊設(shè)計的噴嘴排列方式，強化高壓噴射效果，還大幅提升了鉆頭的潤滑及排屑能力。新穎的設(shè)計使鉆頭的制造難度大幅增加，3D打印技術(shù)有助于完美實現(xiàn)這些高復(fù)雜度的設(shè)計，同時也節(jié)約了制造成本。此外，通過一次成型的制造工藝，鉆頭應(yīng)對極端環(huán)境的能力顯著增強。

目前國內(nèi)也有多家單位在鉆頭設(shè)計與制造中應(yīng)用3D打印技術(shù)，如中國石油寶雞石油械有限責(zé)任公司鉆頭公司、中國石油集團川慶鉆探工程有限公司等。川慶鉆探公司設(shè)計制造的個性化“川慶”牌PDC鉆頭，主要是利用3D打印機打印胎體鉆頭的母模，顯著提高母模的制作精度與效率，做到設(shè)計快、制造快、更具針對性，定制PDC鉆頭的時間從先前的30d縮短到3～5d。

1.5 強調(diào)個性化設(shè)計

一是針對不同地區(qū)、井段、地層設(shè)計個性化鉆頭。例如，一些大的鉆頭制造商針對美國頁巖地層開發(fā)了個性化PDC鉆頭，包括斯倫貝謝的Spear PDC鉆頭、貝克休斯的Talon 3D PDC鉆頭、哈里伯頓的SteelForce PDC鉆頭等。

二是針對不同用途設(shè)計個性化鉆頭。例如，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)開發(fā)了可導(dǎo)向性好的PDC鉆頭，為旋沖鉆井開發(fā)了旋沖鉆頭，為調(diào)查天然氣水合物開發(fā)了天然氣水合物隨鉆取樣器等。

1.6 鉆頭優(yōu)選及使用持續(xù)進展

1.6.1 利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化鉆頭選型

數(shù)字化仿真和大數(shù)據(jù)分析、專家系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)不僅用于鉆頭設(shè)計，還越來越多地用于優(yōu)化鉆頭選型，以期實現(xiàn)最佳的應(yīng)用效果。例如，西南石油大學(xué)開發(fā)的PDC鉆頭數(shù)字化鉆進仿真分析系統(tǒng)，能夠針對包括導(dǎo)向鉆進在內(nèi)的各種復(fù)雜鉆頭運動條件、復(fù)雜鉆頭切削結(jié)構(gòu)以及變化的地層條件開展模擬鉆進分析，評價鉆頭工作性能，已獲國內(nèi)多家鉆頭企業(yè)認(rèn)可。

1.6.2 優(yōu)選并強化參數(shù)鉆井

為提高鉆井效率，減少鉆頭振動，充分發(fā)揮鉆頭潛力，國外油公司和油服公司都高度重視優(yōu)選參數(shù)鉆井和強化參數(shù)鉆井，相繼更新或升級了優(yōu)化鉆井系統(tǒng)，如貝克休斯的CoPilot系統(tǒng)、斯倫貝謝的OptiDrill實時鉆井智能化系統(tǒng)，威德福建立了全球鉆井工程與鉆井參數(shù)優(yōu)化中心，哈里伯頓建設(shè)了DrilSaver振動監(jiān)測系統(tǒng)，以及NOV公司的eVolve鉆井參數(shù)優(yōu)化服務(wù)等。

1.6.3 鉆頭工況實時監(jiān)測

圖8 NOV公司鉆頭黑匣子

NOV公司推出了鉆頭黑匣子（圖8），它是一種井下動態(tài)記錄儀，直接連接在鉆頭上方，用于實時監(jiān)測鉆頭振動、載荷、扭矩、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。哈里伯頓、貝克休斯公司均也研制了儀表化鉆頭。

1.7 提速降本效果顯著

隨著鉆頭技術(shù)的不斷進步，PDC鉆頭提速降本效果日益顯著，主要表現(xiàn)在如下方面。

1.7.1 PDC鉆頭紀(jì)錄不斷刷新

目前，國外一次下井鉆井進尺紀(jì)錄早已突破5000m，日進尺紀(jì)錄突破2500m，單只鉆頭累計進尺紀(jì)錄突破17900m。國內(nèi)PDC鉆頭紀(jì)錄也在不斷被刷新，例如：2017年中國石油西南油氣田公司在長寧頁巖氣示范區(qū)完成了一口水平井（H19-4井），其水平段長度1500m，完鉆井深4630m。一趟鉆完成了水平段鉆進，用時9.1d，鉆遇率100%，刷新了四川油氣田頁巖氣水平井水平段鉆井用時最短紀(jì)錄。全井鉆井周期僅16d，創(chuàng)造了我國頁巖氣水平井鉆井周期的新紀(jì)錄，為我國頁巖氣水平井鉆井提速樹立了新的榜樣。

1.7.2 水平井一趟鉆助力非常規(guī)油氣效益開發(fā)[5]

隨著鉆頭、鉆井液、導(dǎo)向鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù)組合的持續(xù)創(chuàng)新，以及作業(yè)經(jīng)驗的不斷積累，一趟鉆被越來越多地應(yīng)用于水平井鉆井。尤其是在美國頁巖油氣水平井鉆井中，單一井段的一趟鉆已成常態(tài)，兩個井段的一趟鉆正在推廣應(yīng)用，3個井段的一趟鉆時有出現(xiàn)，為鉆井提速降本提供了有力支撐，美國頁巖油氣開發(fā)在低油價下依然熱度不減，實現(xiàn)效益開發(fā)。

例如，2017年一季度，美國懷俄明州DJ 盆地一口頁巖水平井井深為5405.02m，水平段長度為2895.6m，一開和二開均為一趟鉆，鉆井周期僅為3.5d。二開應(yīng)用貝克休斯的φ215.9mm（81/2in）Talon Force高轉(zhuǎn)速PDC鉆頭、φ171.45mm（63/4in）高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)AutoTrak Curve、φ177.8mm（7in）Navi-Drill Ultra XL45螺桿鉆具，一趟鉆鉆至總井深5405.02m，實現(xiàn)了二開3個井段（直井段+斜井段+水平段）的一趟鉆，創(chuàng)造了該盆地兩項鉆井新紀(jì)錄：1.95d鉆進4651.55m（含2895.6m水平段），最快日進尺達(dá)2519.78m（圖9）。鉆至造斜點后，將水基鉆井液換成油基鉆井液，造斜段的設(shè)計造斜率為10°/100ft。該井一開一趟鉆，二開一趟鉆，鉆井周期僅為3.5d，比鄰井平均鉆井周期縮短33%。先前作業(yè)者曾用常規(guī)導(dǎo)向螺桿鉆具從二開開始一趟鉆鉆到完鉆井深，平均用時5.2d，平均日進尺為973.53m。

圖9 二開3個井段（直井段+斜井段+水平段）一趟鉆

1.7.3 深井鉆井周期持續(xù)縮短，推動深層油氣高效開發(fā)

隨著鉆頭、鉆井液等技術(shù)組合的不斷進步，深井鉆井周期持續(xù)縮短。例如，中國石油集團的深井平均鉆井周期已從2000年約180d縮短至當(dāng)前100d以內(nèi)，有力地推動了我國深層油氣的高效開發(fā)。

2 鉆頭技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

綜合分析鉆頭技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，今后總的發(fā)展趨勢需要在“更”字上下功夫、顯身手。

（1）地層適應(yīng)性更強。井下地層和巖性復(fù)雜多變，甚至可能鉆遇高溫高壓層。為減少起下鉆次數(shù)，必須不斷增強鉆頭的地層適應(yīng)性，增強鉆頭的抗高溫、抗高壓能力。

（2）鉆得更快。提速是鉆井永恒的主題，也是降低鉆井成本的最有效途徑，提速無止境。

（3）壽命更長。鉆頭只是鉆得快還不夠，必須擁有長壽命才能保證一次下井取得長進尺。

（4）導(dǎo)向更容易。水平井應(yīng)用越來越多，對鉆頭的可導(dǎo)向性提出了更高要求。

（5）單位進尺成本更低。鉆頭不是越貴越好，單位進尺成本低的鉆頭才是好鉆頭。

（6）更加聰明。為了實測鉆頭工況、探測井底地質(zhì)及工程參數(shù)，國外正在研發(fā)儀表化鉆頭與智能鉆頭。

在大量的專利分析和文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合高新技術(shù)和高新材料的發(fā)展情況，對未來鉆頭技術(shù)進行了展望。

2.1 PDC鉆頭市場份額進一步擴大

當(dāng)前，在美國和中國兩大鉆井市場，PDC鉆頭的鉆井進尺占年度鉆井總進尺的85%以上，未來份額還有上升空間。據(jù)Varel國際公司預(yù)測，今后5～10年P(guān)DC鉆頭的鉆井進尺占全球年度鉆井總進尺的份額，將增至90%以上。

2.2 高新技術(shù)持續(xù)優(yōu)化鉆頭設(shè)計與制造，加快集成創(chuàng)新和顛覆性創(chuàng)新

大數(shù)據(jù)、云計算、3D打印、虛擬現(xiàn)實、人工智能等高新技術(shù)，將越來越多地引入鉆頭的優(yōu)化設(shè)計、制造與選型，加快個性化鉆頭的發(fā)展。這些高新技術(shù)的應(yīng)用也將進一步加快鉆頭的集成創(chuàng)新和顛覆性創(chuàng)新速度，推動鉆頭切削齒和鉆頭結(jié)構(gòu)的個性化、多元化、集成化。

2.3 智能鉆頭將更好地引導(dǎo)鉆頭在甜點中鉆進，提高機械鉆速

貝克休斯、哈里伯頓、NOV公司等都在研制或推出了儀表化鉆頭。展望未來，自帶傳感器的智能鉆頭可直接測量鉆頭工況、井底地質(zhì)及工程參數(shù)，有利于：（1）更好地引導(dǎo)鉆頭在甜點中鉆進，提高儲層鉆遇率；（2）及時調(diào)整鉆井工程參數(shù)，最大限度地減少鉆頭振動和回旋，改善鉆頭工況，提高機械鉆速，延長鉆頭使用壽命；（3）準(zhǔn)確判斷鉆頭磨損情況，選擇最佳的起鉆時間。

2.4 高新材料打造新一代鉆頭

全球正掀起石墨烯研究熱潮，中國成為石墨烯研究的引領(lǐng)者。石墨烯將帶來一次材料革命，深刻影響人類生活和生產(chǎn)的方方面面。國內(nèi)外都有公司申請了石墨烯鉆頭專利。隨著石墨烯技術(shù)的不斷發(fā)展，基于石墨烯等高新材料有望打造新一代鉆頭，其破巖效率更高、耐溫能力更強、使用壽命更長。

2.5 水平井推廣應(yīng)用超級一趟鉆

對于定向井、水平井、大位移井、多分支井而言，改進鉆頭設(shè)計和發(fā)展鉆頭新技術(shù)的總目標(biāo)是確保實現(xiàn)一趟鉆，尤其是水平井多個井段的一趟鉆。當(dāng)前，在美國頁巖油氣水平井鉆井中，3個井段一趟鉆尚屬個案。在未來新一代鉆頭、自動化鉆井和初級智能鉆井的支持下，預(yù)計2025年美國將會在頁巖油氣開發(fā)中推廣應(yīng)用水平井超級一趟鉆，其核心是：（1）二開一趟鉆鉆至完鉆井深，即一次下井完成多個井段（從表層套管鞋到完鉆井深的任何三維井眼）；（2）井身結(jié)構(gòu)簡化為只有兩個開次；（3）水平井單井鉆頭用量最多兩只。

3 中國石油PDC鉆頭技術(shù)現(xiàn)狀與建議

3.1 PDC鉆頭技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

中國石油集團及各鉆探公司高度重視鉆頭技術(shù)的發(fā)展，鉆頭技術(shù)快速發(fā)展，與國外基本保持同步，技術(shù)總體上能夠滿足國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)的需要，應(yīng)用效果日益顯著，2017年刷新了一系列鉆頭及鉆井紀(jì)錄，比如：

（1）中國石油集團陸上深井井深紀(jì)錄8038m。

（2）2017年塔里木油田使用休斯敦中心研發(fā)的高效非平面齒PDC鉆頭在庫車山前博孜103井鉆井中，創(chuàng)下單日進尺78m、單只鉆頭總進尺429m、平均機械鉆速每小時3m的3項紀(jì)錄。

（3）2017年10月，塔里木油田克深241井鉆至鹽底中完井，井深6477.9m，比設(shè)計周期提前42d，創(chuàng)造了單支鉆頭進尺紀(jì)錄。

（4）2017年11月，吐哈油田玉西1-102H井用時39.2d鉆至4251m順利完井，鉆井周期比周圍鄰井縮短53.4%，機械鉆速提高251.1%，刷新了玉西深層稠油水平井鉆井新紀(jì)錄。

（5）2017年8月，中國石油集團西部鉆探工程有限公司青海鉆井公司40520鉆井隊在扎11-11-11定向井二開井段鉆探中，日進尺首破千米大關(guān)，創(chuàng)青海鉆井隊日進尺新紀(jì)錄。

綜合來看，中國石油集團鉆頭技術(shù)近年雖取得長足進步，但與國際一流水平相比還存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）鉆頭平均機械鉆速、使用壽命還有較大的提升空間，難以保障一趟鉆；（2）平均單井鉆頭用量多，導(dǎo)致平均單井起下鉆次數(shù)多、起下鉆時間多，鉆井周期長；（3）部分高端鉆頭仍然依賴進口。

導(dǎo)致這些差距的主要根源在于：（1）鉆頭研發(fā)資源分散，研發(fā)人員少；（2）研發(fā)投入相對不足；（3）重復(fù)研究現(xiàn)象嚴(yán)重；（4）鉆頭個性化設(shè)計能力有待提升；（5）原始創(chuàng)新能力不足。

3.2 啟示與建議

（1）持續(xù)開展鉆頭全方位的改進，著力進行顛覆性創(chuàng)新，不斷提升中國石油集團鉆頭技術(shù)水平，力爭用5～10年的時間達(dá)到國際一流水平。

（2）增強鉆頭個性化設(shè)計能力，提升快速反應(yīng)能力，保障“一井一策、一層一策”。

（3）將一趟鉆作為低油價下水平井降本增效的重要抓手，在頁巖氣開發(fā)中大力推行和激勵使用，并制定相應(yīng)獎勵辦法。將鉆頭改進與創(chuàng)新的目標(biāo)定位于保障一趟鉆，以保障一個井段的一趟鉆為先期目標(biāo)，以保障兩個井段、3個井段的一趟鉆為后續(xù)目標(biāo)，分步推進。

（4）持續(xù)支持鉆頭技術(shù)研發(fā)。通過中國石油集團重大專項等多種形式持續(xù)支持鉆頭技術(shù)研發(fā)，盡快縮短與國際先進水平的差距，更好地滿足公司國內(nèi)外鉆井需要，尤其是頁巖氣水平井一趟鉆的需要。

（5）創(chuàng)新深井鉆頭使用的激勵模式，推動深井鉆井提速降本。

（6）進一步強調(diào)強化參數(shù)鉆井，助力優(yōu)質(zhì)鉆頭提速降本。

（7）借中國石油集團工程技術(shù)公司成立和鉆井研究院所重組之機，整合公司鉆頭研發(fā)資源，打造國內(nèi)一流的鉆頭研發(fā)團隊。

（8）委托相關(guān)研究機構(gòu)開展石墨烯鉆頭的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，同時將大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實、3D打印、人工智能等高新技術(shù)引入鉆頭的設(shè)計、制造與選型，以期早日實現(xiàn)鉆頭技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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