金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)新進(jìn)展

沈立娜， 賈美玲， 蔡家品， 吳海霞， 李 春， 劉海龍

（北京探礦工程研究所, 北京 100083）

自20世紀(jì)70年代以來，發(fā)達(dá)國家陸續(xù)啟動了深部探測和超深鉆探計劃，如在科拉半島波羅地盾結(jié)晶巖中鉆成世界第一的12 262 m特深井，德國大陸深鉆計劃（kontinentales tiefborh program der bundesrepublik deutschland，KTB）等。近年來，中國陸續(xù)實施了CCSD-1井、松科二井、塔深1井、川科1井、馬深1井、順北評1井、順北評2井、川深1井、高探1井、元深1井等一系列超深井[1-5]，這些深井或超深井的鉆探使用了大量鉆頭。鉆頭是鉆進(jìn)破巖的主要工具，對提高鉆進(jìn)速度、降低鉆井綜合成本起著重要作用，而金剛石鉆頭是其中重要的組成部分。近些年來，隨著新型復(fù)合材料的應(yīng)用及精密加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，結(jié)合鉆井裝備不斷創(chuàng)新，金剛石鉆頭取得了迅速發(fā)展，金剛石鉆頭新產(chǎn)品層出不窮，金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)得到不斷發(fā)展。

1 地質(zhì)巖心鉆探金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)進(jìn)展

在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域，所鉆遇的地層通常比較堅硬，因此主要應(yīng)用的是孕鑲金剛石鉆頭，部分煤系類地層也會選用金剛石復(fù)合片鉆頭。

引領(lǐng)小口徑鉆探前沿技術(shù)的美國寶長年公司，其鉆頭如圖1所示。鉆頭的胎體高度由常規(guī)的16 mm提高至25 mm，鉆頭胎體已實現(xiàn)了鐵代替鈷的配方升級。通過專有工藝，可實現(xiàn)金剛石與胎體的化學(xué)鍵結(jié)合，使金剛石出露量高達(dá)80%[6]。

Fodia公司研發(fā)的金剛石鉆頭提供了16 mm，20 mm和26 mm等3種胎體高度。根據(jù)巖石莫氏硬度，該公司將鉆頭分為多個系列，其中Vulcan系列鉆頭（圖2）設(shè)計有輔助支撐結(jié)構(gòu)以提高鉆頭強(qiáng)度[7]。

高科等[8]研制了仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭（圖3），在單齒的齒單元間采用加強(qiáng)筋方式強(qiáng)化單齒強(qiáng)度，鉆頭齒的工作唇面會產(chǎn)生多個超過巖石極限破壞強(qiáng)度但遠(yuǎn)低于鉆頭胎體強(qiáng)度的應(yīng)力集中區(qū)，鉆頭的整體性更好、受力均勻，切削巖石時效率更高，壽命更長。

圖3 仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭Fig.3 Bionic self-compensating integrated high-matrix impregnated diamond coring bit

北京探礦工程研究所研制的高胎體鉆頭從最初的雙水口鉆頭不斷發(fā)展到高頻鑲焊高胎體鉆頭，已將N規(guī)格取芯鉆頭胎高增加至27 mm，在山東金礦等礦區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果[9-10]。最新研制的特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭如圖4所示，通過交錯高差及隔水片設(shè)計實現(xiàn)了多層胎體工作層間的有效切削過渡，胎體高度增加到68 mm，可大幅提高鉆頭使用壽命[11]。

圖4 特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭Fig.4 Multi-layer bit with extra-high matrix

WU等[12]采用智能化金屬3D打印激光燒結(jié)技術(shù)，制造了復(fù)雜柵格狀金剛石鉆頭，如圖5所示，該鉆頭更適用于礦物粒度較大的硬巖層，可以充分發(fā)揮鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

圖5 3D 打印柵格鉆頭工作層示意圖Fig.5 Profile of IDBGM and 3D-printed IDBGM working layer

在胎體改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，也有學(xué)者做了研究。LOGINOV等[13]研究了納米WC、六方氮化硼和碳納米管混合納米改性Fe-Ni-Mo合金鉆頭胎體，在同等鉆進(jìn)條件下，耐磨性可提高一倍。LIU等[14]通過定制球形碳化鎢，將鉆頭胎體耐磨性提高了近5倍。劉寶昌等[15]研發(fā)了納米碳化鈮和碳納米管強(qiáng)化鉆頭，提高了胎體硬度、抗彎強(qiáng)度、耐磨性等，利于鉆頭在深孔和強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)。董召悅[16]在鐵基胎體中摻入碳納米管，將胎體洛氏硬度提升10%，抗彎強(qiáng)度提高220%。高科等[17]研究了雙孕鑲金剛石取芯鉆頭的自平衡鉆進(jìn)，在近鉆頭使用動力電機(jī)內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子同時驅(qū)動內(nèi)、外鉆頭逆向回轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)扭矩平衡，同等條件下可更好地破碎巖石從而提高破巖效率。高玉彬等[18]針對堅硬致密巖石研制了復(fù)合型結(jié)構(gòu)熱壓金剛石取芯鉆頭，每個鉆頭的扇形工作體由不同性能的主、輔兩部分組成，與普通鉆頭相比，鉆進(jìn)時效提高0.30 m/h，鉆頭的平均壽命提高10.75 m。孫吉偉[19]針對堅硬致密地層，提出大體積破碎鉆頭唇面結(jié)構(gòu)，通過掏槽式超前齒和低位齒實現(xiàn)拉壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換的大體積破碎，提高了鉆進(jìn)速度。阮海龍等[20]等研制了一種新型超高胎體偏心齒鉆頭，通過偏心斜齒及扭面支撐設(shè)計，實現(xiàn)超高胎體硬巖高效鉆進(jìn)。

由此可見，地質(zhì)巖心鉆探孕鑲金剛石高效破巖技術(shù)主要針對堅硬地層鉆探開展相應(yīng)研究，近年來有諸多進(jìn)展。研發(fā)的各類新型孕鑲金剛石鉆頭向著更高胎體方向發(fā)展；同時，通過胎體改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)高效長時鉆進(jìn)。

2 PDC 鉆頭高效破巖技術(shù)進(jìn)展

PDC鉆頭（polycrystalline diamond 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(jìn)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[21]。隨著非平面以及濾鈷熱穩(wěn)定PDC切削齒的研制成功，通過改善聚晶金剛石復(fù)合片的應(yīng)力狀態(tài)、改善切削齒交界面的結(jié)合強(qiáng)度等研發(fā)出一系列高效PDC切削齒，使PDC鉆頭的破巖性能迅速提升。

Smith公司的Blade系列鉆頭，具有多種齒形，如圖6所示。Strata錐脊齒（圖6a）同時具有凹面和錐形結(jié)構(gòu)特征，獨特的凹面特征減小了后傾角，從而可以更深地切割巖石，且錐形幾何體具有較厚的金剛石層，可顯著提高切割效率，并在相同的輸入能量下維持較高的瞬時機(jī)械鉆速。Hyper馬鞍齒（圖6b）為雙曲線內(nèi)凹形式設(shè)計，在切削刃處增加前角，從而提高松軟及塑性地層的鉆進(jìn)效率。Axe斧形齒（圖6c）帶有圓弧齒頂及與之相切的兩個圓弧面結(jié)構(gòu)，使得該齒在切削時形成巖屑導(dǎo)流面，受力從點向面擴(kuò)大，提高了攻擊性。Stinger錐形齒（圖6d）可比常規(guī)柱齒施加更高的點載荷，以犁刮和剪切的聯(lián)合破巖機(jī)理更有效地破碎高抗壓強(qiáng)度地層。Enduro360旋轉(zhuǎn)齒（圖6e）可實現(xiàn)復(fù)合片360°旋轉(zhuǎn)，顯著延長了鉆頭的使用壽命[22-24]。這些非平面齒使PDC鉆頭可在多種復(fù)雜地層實現(xiàn)高效鉆進(jìn)。

圖6 Smith 公司多種切削齒系列Fig.6 Smith blade family

貝克休斯公司也研發(fā)有類似Axe斧形齒，為StayTrueTM，更多用于鉆頭肩部副齒。而針對鉆遇硬地層時鉆頭切削齒溫度升高快和磨損嚴(yán)重的問題，該公司研制了StayCoolTM2.0多維切削齒，集成了波狀輪廓的金剛石頂面和耐磨金剛石材料等設(shè)計，可有效減小復(fù)合片表面的摩擦力。Dynamus蛟龍系列鉆頭綜合采用多種切削齒（圖7），StayTrueTM齒用以減輕橫向振動提高穩(wěn)定性，StayCoolTM2.0 切削齒用以降低金剛石

圖7 Dynamus-蛟龍系列鉆頭Fig.7 Dynamus extended-life drill bit

切削齒的工作溫度、減小切削齒磨損，結(jié)合高強(qiáng)度基體材料，鉆頭綜合性能得到大幅提高[25]。除此之外，貝克休斯公司還研發(fā)出Stabilis雙倒角切削齒（圖8），引入第2個倒角，降低了切削刃上的應(yīng)力梯度，能有效防止崩齒。與常規(guī)幾何形狀切削齒相比，該種切削齒的抗沖擊強(qiáng)度提高了近2倍[25-26]。

圖8 Stabilis 雙倒角切削齒Fig.8 Stabilis reinforced cutters

此外，還有NOV公司的ION3D/4D非平面齒，Halliburton的4D Shapes切削齒等等。國外各大油田公司在PDC切削齒上投入了大量的研究工作，使得PDC鉆頭破巖技術(shù)得到迅猛發(fā)展。國內(nèi)研究人員也研制了新型切削齒，如中國石油休斯敦研究中心的Tridon切削齒，鄭州新亞公司研發(fā)的石油鉆頭用脊型復(fù)合片和鋼盔型復(fù)合片等異形結(jié)構(gòu)齒等等。但國內(nèi)PDC切削齒的設(shè)計、性能和國外先進(jìn)水平相差較大，種類少，更新?lián)Q代慢。進(jìn)一步研究開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的性能優(yōu)異的PDC是實現(xiàn)PDC高效破巖技術(shù)突破的關(guān)鍵。

3 孕鑲金剛石鉆頭與井底動力組合高效破巖技術(shù)進(jìn)展

在高抗壓強(qiáng)度和高研磨性的地層中，牙輪和PDC鉆頭無法鉆進(jìn)或鉆進(jìn)效率極低。隨著鉆頭和井下工具技術(shù)的發(fā)展和實踐，國內(nèi)外相繼提出用特殊設(shè)計的金剛石孕鑲鉆頭與井底動力（高速螺桿或高速渦輪）組合，依靠強(qiáng)化鉆井參數(shù)的辦法提高鉆速。該套鉆進(jìn)組合在礫石層、火成巖、高研磨性砂巖等地層中鉆進(jìn)，鉆速可提高80%～300%，壽命提高近20倍，表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

以美國Smith公司孕鑲金剛石鉆頭K705（圖9a）、貝克休斯公司IRev鉆頭（圖9b）和北京探礦工程研究所的NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭（圖9c）為作業(yè)典型，在國內(nèi)各大油田區(qū)塊有相應(yīng)使用。國內(nèi)NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭配合渦輪鉆具，在新疆博孜、四川元壩區(qū)塊實現(xiàn)成功應(yīng)用。圖10是國內(nèi)外孕鑲金剛石鉆頭在新疆博孜區(qū)塊巨厚礫石層的使用情況對比圖[27]。圖10的國產(chǎn)Φ333金剛石全面鉆頭的平均時效是進(jìn)口牙輪鉆頭的2.7倍，是進(jìn)口孕鑲金剛石鉆頭的1.2倍?？梢姡琋R826M系列孕鑲金剛石鉆頭技術(shù)水平及性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖9 井底動力適配用孕鑲金剛石鉆頭Fig.9 Impregnated diamond bits for bottom hole dynamic drill tools

圖10 3種鉆頭在博孜區(qū)塊巨厚礫石層使用情況對比Fig.10 Comparison of three kinds of bits used in the massive gravel layer in the Bozi Block

四 結(jié)論與展望

金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)經(jīng)多年理論攻關(guān)及現(xiàn)場實踐，已趨于成熟并廣泛應(yīng)用于鉆探現(xiàn)場，在孕鑲金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)方面，尤其是與井底動力組合用孕鑲金剛石鉆頭水平已比肩國外。但在PDC鉆頭高效破巖技術(shù)方面，國內(nèi)PDC切削齒性能和國外還有較大程度的差距，須從理論設(shè)計、新材料、新工藝等方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。此外，近些年來，混合鉆頭得到廣泛應(yīng)用，尋求切削材料、破巖方式等的有效組合，將可能成為金剛石鉆頭高效破巖技術(shù)新的發(fā)展方向。