難鉆進(jìn)地層金剛石鉆頭的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

蔡家品, 賈美玲, 沈立娜, 歐陽(yáng)志勇, 阮海龍, 張建元, 趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

難鉆進(jìn)地層金剛石鉆頭的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

蔡家品, 賈美玲, 沈立娜, 歐陽(yáng)志勇, 阮海龍, 張建元, 趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

近年來(lái)，針對(duì)堅(jiān)硬致密地層、堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層以及堅(jiān)硬致密泥巖地層這3類地質(zhì)勘探的難鉆進(jìn)地層，開(kāi)展了金剛石鉆頭相關(guān)的研究與攻關(guān)，取得了重大進(jìn)步。針對(duì)堅(jiān)硬致密地層，通過(guò)在胎體中添加稀土和自銳材料、低壓鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在可鉆性小于11級(jí)的堅(jiān)硬致密“打滑”地層中，鉆進(jìn)速度可達(dá)1.5～2.0 m/h，鉆頭壽命達(dá)30～300 m；針對(duì)堅(jiān)硬研磨性地層，通過(guò)超高金剛石工作層和優(yōu)化的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超細(xì)預(yù)合金化粉末以及超耐磨胎體性能，使機(jī)械鉆速同比提高20%～70%，鉆頭壽命同比提高1.4～10倍；針對(duì)堅(jiān)硬致密泥巖地層，對(duì)尖齒復(fù)合片和巴拉斯鉆頭進(jìn)行了深入的研究，鉆進(jìn)效率提高了50%左右。在油氣田深井硬巖鉆探領(lǐng)域，NR826系列金剛石孕鑲鉆頭配合螺桿鉆具同比牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速提高18%～85%，鉆頭壽命提高5～8倍。此外，我國(guó)在海洋深水鉆探復(fù)合片鉆頭方面的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

金剛石鉆頭；地質(zhì)鉆探；油氣井鉆探；金剛石復(fù)合片鉆頭；孕鑲金剛石鉆頭；海洋深水鉆探

0 引言

我國(guó)地質(zhì)鉆探、油氣井鉆探、海洋深水鉆探及科學(xué)鉆探等眾多領(lǐng)域，皆需要大量的金剛石鉆頭，鉆探的成本與鉆頭的鉆進(jìn)效率和壽命密切相關(guān)，金剛石鉆頭是鉆探提速尤其是難鉆進(jìn)地層的關(guān)鍵因素之一，創(chuàng)新研究新型高效鉆頭的結(jié)構(gòu)、性能、制造工藝是迫切需要的。近年來(lái)，隨著能源礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究對(duì)金剛石鉆頭的需求，金剛石鉆頭在品種、結(jié)構(gòu)和性能上都有了較大的發(fā)展，較好地滿足了上述領(lǐng)域的工作需要，某些方面鉆頭性能達(dá)國(guó)際一流水平，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，同時(shí)也存在需進(jìn)一步提高改進(jìn)的方面。本文對(duì)近年來(lái)鉆頭的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，主要針對(duì)地質(zhì)、油井及海洋鉆探領(lǐng)域難鉆進(jìn)地層歸納了一些效果突出的鉆頭品種，并提出金剛石鉆頭要緊跟材料科學(xué)發(fā)展步伐，提出并研制新材料，不斷研究新技術(shù)、新工藝，走創(chuàng)新和領(lǐng)跑世界先進(jìn)水平的道路[1,9-13]。

1 地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭主要為聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，這2種鉆頭基本可以滿足大多數(shù)地質(zhì)鉆探巖層的快速鉆進(jìn)需求。然而長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外地質(zhì)鉆探在堅(jiān)硬致密地層、堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層以及堅(jiān)硬致密泥巖地層存在鉆探效率低的技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)近些年的研究，三大技術(shù)難題基本解決，但尚有提升的空間，例如致密石英巖、燧石巖等，鉆進(jìn)效率仍較低、壽命較短。

1.1 堅(jiān)硬致密“打滑”地層用鉆頭的研究

針對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆探界長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題之一——堅(jiān)硬致密地層的鉆進(jìn)效率低，甚至打滑的問(wèn)題，相關(guān)單位技術(shù)人員、學(xué)者等投入了大量的人力和物力，近幾年通過(guò)創(chuàng)新型研究，取得了顯著的效果。

1.1.1 堅(jiān)硬致密地層的特點(diǎn)

(1)巖石的造巖礦物硬度大。石英含量高，其巖石壓入硬度可達(dá)5000 MPa，個(gè)別甚至可達(dá)7000 MPa。

(2)抗壓強(qiáng)度強(qiáng)。造巖礦物顆粒細(xì)致，粒度多為0.01～0.2 mm，硅質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，顆粒間結(jié)合力大，整體強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa或更高，在金剛石的尖角被磨損形成一個(gè)極小的光滑平面時(shí)，就產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。

(3)研磨性弱。由于金剛石克取巖石困難破碎方式屬表面疲勞磨損，未能有效產(chǎn)生體積破碎，產(chǎn)生的巖粉顆粒細(xì)，對(duì)鉆頭胎體的磨蝕輕微，鉆頭上金剛石難以出刃，也易發(fā)生鉆頭與地層之間打滑不進(jìn)尺。

1.1.2 堅(jiān)硬致密“打滑”地層用鉆頭的研究

1.1.2.1 常用的解決鉆頭打滑的方法存在的問(wèn)題

為了讓金剛石鉆頭出刃，目前解決鉆頭打滑問(wèn)題的方法及存在的問(wèn)題如下：

(1)軟胎體鉆頭法：胎體軟且不耐磨，鉆頭壽命低；

(2)人工投砂研磨法：隨意性大，研磨時(shí)間不好掌握導(dǎo)致鉆頭加快磨損，降低鉆頭壽命；

(3)異形唇面結(jié)構(gòu)鉆頭：異形唇面磨平后效率迅速降低，優(yōu)勢(shì)不再存在；

(4)弱包鑲金剛石鉆頭：對(duì)金剛石采用弱包鑲工藝導(dǎo)致金剛石容易脫落，超前磨損胎體，雖提高了鉆進(jìn)時(shí)效，但同樣降低了鉆頭壽命；

(5)主輔磨料鉆頭[1]：即在鉆進(jìn)過(guò)程中，輔磨料破碎或脫落，在鉆頭唇面形成許多凹坑，增大鉆進(jìn)比壓，從而有利于快速鉆進(jìn)。這種方法具有一定效果，但由于輔磨料是實(shí)體添加，在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中并不能如理想全部脫落形成微坑，大多擠壓破碎后仍留在胎體凹坑內(nèi)部，影響鉆頭的出刃效果。另一方面，輔磨料非球形，加入胎體中后會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，降低胎體整體的強(qiáng)度，但確實(shí)起到了一定的效果。

1.1.2.2 針對(duì)堅(jiān)硬致密“打滑”地層進(jìn)行的研究

(1)胎體中添加稀土材料的研究[2]。在鉆頭胎體中添加不同比例的稀土La，發(fā)現(xiàn)可提高胎體燒結(jié)后的抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性等力學(xué)性能，改善了胎體材料的均勻度，提高了金屬胎體對(duì)金剛石的把持力。添加適量稀土La以后，胎體表面硬度低、抗沖擊能力強(qiáng)，金剛石易于出刃，且不易脫落，有利于金剛石的快速切削和長(zhǎng)工作壽命。

(2)低壓鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)減少鉆頭唇面與巖石的接觸面積的低壓鉆頭，在同樣的鉆壓下，提高單位面積上的比壓，即增加了金剛石壓入巖石的深度，形成相對(duì)大的體積破碎(相對(duì)于巖石表面的疲勞破碎)。此類型鉆頭有齒輪形鉆頭及寬水口齒形鉆頭。

(3)胎體中自銳材料的合理添加[3-4]。主要通過(guò)2種方式進(jìn)行胎體自銳化處理。對(duì)于8～10級(jí)硬的地層，通過(guò)SYS自銳材料的添加，在胎體內(nèi)部預(yù)制磨損“微坑”，從而改善金剛石鉆頭的自銳效果；對(duì)于10～12級(jí)的堅(jiān)硬地層，通過(guò)引入一定比例應(yīng)力集中系數(shù)最小的圓孔孔隙結(jié)構(gòu)，增加了胎體工作面的粗糙度，從而提高鉆進(jìn)效率。研制的自銳鉆頭如圖1所示。

圖1 堅(jiān)硬致密“打滑”地層自銳胎塊鉆頭

1.1.3 堅(jiān)硬致密“打滑”地層鉆頭典型應(yīng)用效果

表1是近年來(lái)一些礦區(qū)鉆遇堅(jiān)硬致密“打滑”地層的鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 堅(jiān)硬致密“打滑”地層鉆頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果匯總表

由表1可以看出，對(duì)于可鉆性8級(jí)及以下致密“打滑”地層，機(jī)械鉆速可達(dá)1.5～2.0 m/h，鉆頭壽命最高可超過(guò)300 m；對(duì)于9～11級(jí)地層，機(jī)械鉆速亦可達(dá)1.5～2.0 m/h，壽命30～70 m；而對(duì)于可鉆性12級(jí)的致密石英巖，機(jī)械鉆速僅能達(dá)到0.5～0.6 m/h,鉆頭壽命很難超過(guò)30 m，對(duì)于可鉆性12級(jí)的燧石巖地層，鉆頭壽命甚至難以超過(guò)3 m。這類少數(shù)地層可稱為是世界性的難題，也是我國(guó)“十三五”應(yīng)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1.2 堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層用鉆頭的研究

該類地層是國(guó)內(nèi)外鉆探界長(zhǎng)期存在的另一技術(shù)難題，鉆進(jìn)效率較高但鉆頭壽命很短，一般小于10 m，一個(gè)2000 m深的鉆孔將消耗200個(gè)鉆頭，而且要花費(fèi)大量的提下鉆更換鉆頭的時(shí)間，大幅度提高鉆探成本，增加工人的體力勞動(dòng)。

1.2.1 堅(jiān)硬強(qiáng)研磨地層的特點(diǎn)

(1)巖石中造巖礦物石英、長(zhǎng)石含量高，巖石硬度較大；

(2)巖石中造巖礦物顆粒較粗，膠結(jié)物為鈣質(zhì)或泥質(zhì)；

(3)巖石抗壓強(qiáng)度中等在130～160 MPa；

(4)巖石可鉆性為8～10級(jí)。

在上述巖石鉆進(jìn)中，鉆頭上的金剛石能壓入巖石，并形成較大的巖粉顆粒，表現(xiàn)出較強(qiáng)的研磨性，對(duì)鉆頭胎體磨蝕嚴(yán)重，相應(yīng)金剛石脫落較快，鉆頭工作壽命較短。

1.2.2 堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層鉆頭的研究

無(wú)論是完整堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層，還是中硬—堅(jiān)硬破碎地層，通常對(duì)鉆頭胎體磨損十分嚴(yán)重，即使采用硬胎體鉆頭，壽命有時(shí)也不足20 m。然而由于地層研磨性強(qiáng)，金剛石出刃狀態(tài)良好，因此鉆頭的時(shí)效較高，通常可達(dá)4～5 m。針對(duì)這種地層，主要解決胎體過(guò)快磨損的問(wèn)題。

對(duì)于強(qiáng)研磨性地層，主要從以下幾方面進(jìn)行了研究。

(1)超高金剛石工作層設(shè)計(jì)，金剛石層高18～20 mm，保證鉆頭使用壽命；

(2)優(yōu)化的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證金剛石鉆頭的冷卻和排屑效果，設(shè)計(jì)了雙水口及交替水口鉆頭；

(3)超細(xì)預(yù)合金化粉末，大幅度降低燒結(jié)溫度，保護(hù)了金剛石原始的強(qiáng)度和硬度，從而提高金剛石的切削能力；

(4)超耐磨胎體性能，保證鉆頭更多的作業(yè)時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有我所的雙水口金剛石鉆頭、R10型高耐磨鉆頭(見(jiàn)圖2)，唐山金石的高硬度金剛石鉆頭等等。

1.2.3 堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層或硬脆碎地層典型應(yīng)用實(shí)例

圖2 強(qiáng)研磨性地層用鉆頭

表2是某些礦區(qū)完整堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層的鉆頭使用情況。

由表2可以看出，鉆進(jìn)這類巖層，機(jī)械鉆速普遍較高，就這幾個(gè)礦區(qū)而言，我所R10型高耐磨鉆頭表現(xiàn)優(yōu)異，其機(jī)械鉆速同比提高20%～70%，壽命同比提高1.4～10倍。此外，該鉆頭在山東乳山實(shí)施的“2000米地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目配套試驗(yàn)中，鉆進(jìn)中粗?；◢弾r，單只最高進(jìn)尺115 m，安徽省霍邱周集鐵礦區(qū)深部勘查項(xiàng)目鉆進(jìn)9～10級(jí)的片麻巖地層，最高壽命達(dá)123m?？梢?jiàn)，針對(duì)

表2 堅(jiān)硬強(qiáng)研磨地層鉆頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果匯總表

這種堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層，國(guó)內(nèi)鉆頭已經(jīng)基本能夠解決鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn),隨著今后鉆頭技術(shù)的不斷創(chuàng)新，有望將鉆頭壽命提至200 m。

1.3 致密彈塑性泥巖地層鉆頭的研究

該類地層硬度不算高，但鉆進(jìn)效率極低，一般僅為0.3～0.4 m/h，現(xiàn)場(chǎng)鉆探工人形象地稱為“橡皮層”，其彈塑性吸收壓入的深度，克取巖石的深度極小，形成巖粉顆粒很細(xì)，極易吸附在鉆頭上形成泥包，使鉆頭難以進(jìn)尺，這是第三大鉆探技術(shù)難題。

1.3.1 致密彈塑性泥巖地層的特點(diǎn)

(1)泥巖中除含蒙脫石以外，還含有大量的石英成分(一般有40%～60%)；

(2)泥巖組成的成分中，顆粒特細(xì)，大多以200目粒度為主，由于該種地層具有一定層理和硬度，且顆粒細(xì)小甚至粉質(zhì)，研磨性??；

(3)泥巖結(jié)構(gòu)致密，密度大，地層彈塑性強(qiáng)，切削齒難以切入或壓入形成體積破碎，壓入深度小。

1.3.2 致密彈塑性泥巖鉆頭的研究

針對(duì)這類地層，我所做了大量的研究，曾針對(duì)不同可鉆性級(jí)別研制過(guò)肋骨復(fù)合片鉆頭、尖齒復(fù)合片鉆頭以及巴拉斯金剛石鉆頭[5-6]。目前煤田勘探中應(yīng)用最普遍的主要是尖齒復(fù)合片鉆頭和巴拉斯金剛石鉆頭，其中，尖齒復(fù)合片鉆頭主要進(jìn)行了以下幾方面的研究：

(1)三高(高耐磨、高沖擊韌性、高熱穩(wěn)定性)尖齒復(fù)合片的研究；

(2)尖齒復(fù)合片在鉆頭上的交錯(cuò)排列；

(3)尖齒復(fù)合片的碎巖機(jī)理研究等。

尖齒復(fù)合片以鋒利的尖刃切削泥巖，不同于金剛石以壓入方式破碎泥巖，因此，切削效果顯著，我們稱這種方式為犁削。其鉆進(jìn)效果不僅優(yōu)于金剛石的壓入破碎，同時(shí)也優(yōu)于牙輪鉆頭的碾壓破碎。圖3為尖齒復(fù)合片鉆頭實(shí)物圖片。

1.3.3 致密彈塑性泥巖地層鉆頭典型應(yīng)用實(shí)例

表3是鉆進(jìn)彈塑性泥巖地層不同礦區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

由表3可知，采用尖齒復(fù)合片鉆頭大幅度提高了鈾礦和煤炭鉆探效率，特別是彈塑性致密泥巖的鉆探效率，提高效率50%左右，大幅度加快了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展急需的鈾礦資源勘探的速度。

圖3 尖齒復(fù)合片取心鉆頭

然而，當(dāng)彈塑性泥巖地層中的石英含量達(dá)到30%～50%時(shí)，尖齒復(fù)合片鉆頭容易發(fā)生崩齒現(xiàn)象從而導(dǎo)致壽命降低。此時(shí)，宜選用巴拉斯鉆頭(如圖4所示)。由于這種鉆頭三角聚晶是鑲嵌在孕鑲基體內(nèi)部的，其前后均有基體包鑲，相對(duì)于裸露的復(fù)合片工作狀態(tài)而言，不易發(fā)生崩裂，具有更高的抗沖擊壽命[6]。

1.4 地質(zhì)鉆探金剛石鉆頭的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

綜上所述，地質(zhì)鉆探中所鉆遇的世界性的三大技術(shù)難題已基本解決，鉆頭水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在堅(jiān)硬致密“打滑”地層中尚需研究石英含量>90%的巖層所用的鉆頭，力爭(zhēng)在“十三五”繼續(xù)努力，爭(zhēng)取在這方面領(lǐng)跑世界先進(jìn)水平。

表3 致密泥巖或類似地層鉆頭適用情況

圖4 巴拉斯取心鉆頭

2 油氣井鉆探金剛石鉆頭的現(xiàn)狀

目前油氣井鉆探金剛石鉆頭已經(jīng)能做到按地層選擇鉆頭，一般在軟巖層中選用復(fù)合片鉆頭，在軟—中硬地層中用復(fù)合片鉆頭和牙輪鉆頭，在硬地層中選用鑲齒的牙輪鉆頭，例如J77和J99型號(hào)的牙輪鉆頭，但真正鉆遇到硬砂礫巖，硅化白云巖、花崗巖時(shí)，牙輪鉆頭亦無(wú)能為力。國(guó)內(nèi)外都在攻克此類地層的技術(shù)難關(guān)，并已取得良好的效果。

2.1 油氣井鉆探硬地層的特點(diǎn)

在川東北自流井底部珍珠沖含礫地層、高研磨性須家河地層，川西高研磨性須家河地層，高石梯區(qū)塊和磨溪區(qū)塊的滄浪鋪地層，準(zhǔn)噶爾盆地哈山山前構(gòu)造玄武巖地層，玉東區(qū)塊開(kāi)派茲雷克組玄武巖地層以及松遼盆地梨樹斷陷中央構(gòu)造帶營(yíng)城組砂泥巖地層，這些區(qū)塊的地層特點(diǎn)為：(1)石英含量高研磨性強(qiáng)；(2)地層中含砂礫石成分；(3)常遇到火成巖硬地層；(4)隨著井深增加在上部壓力作用下，地層愈加致密，可鉆性變差[7,14-15]。

2.2 油氣井硬地層鉆頭的研究

2.2.1 二次鑲齒式金剛石鉆頭NR826M系列鉆頭的研究

針對(duì)油氣田硬地層的鉆進(jìn)特點(diǎn)，我所技術(shù)人員從以下幾方面進(jìn)行了研究：(1)胎體預(yù)合金粉的研制，使胎體粉末中包孕了構(gòu)成合金粉末的各種金屬元素，胎體合金化程度高；(2)采用了微米級(jí)的粉末，并且粉末顆粒呈開(kāi)口結(jié)構(gòu)，使粉末具有較高的燒結(jié)活性，燒結(jié)溫度較低，較好的保護(hù)了金剛石的強(qiáng)度(3)優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)及水路設(shè)計(jì)；(4)金剛石粒度選用25～30目，濃度適當(dāng)增高，金剛石工作層高度增高，以提高鉆頭的工作壽命；(5)采用表、孕鑲混合布置的結(jié)構(gòu)；(6)鉆頭中心位置安放有高耐磨和高抗沖擊韌性的復(fù)合片，以防鉆頭中心過(guò)早形成O形圈，形成鉆頭早期磨損[7,14-15]。研制的NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭如圖5所示。

2.2.2 柱狀孕鑲金剛石鉆頭的研制

國(guó)內(nèi)也有廠家研制了柱狀孕鑲金剛石鉆頭主要用于油氣井中硬的、研磨性地層，例如砂礫石地層。鉆頭制造過(guò)程：首先制造柱狀金剛石燒結(jié)體，然后將燒結(jié)體用中溫焊接于鉆頭的母體上，可依據(jù)地層進(jìn)行調(diào)節(jié)。其鉆頭結(jié)構(gòu)和配方都有一定發(fā)展，但效果一般，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用很少(圖6)。

圖5 NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭 圖6 油氣井用柱狀孕鑲金剛石鉆頭

2.3 硬地層油井鉆頭的典型應(yīng)用效果

針對(duì)上述地區(qū)的地層特性和鉆探提速要求，鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。渦輪+孕鑲金剛石鉆頭和螺桿+孕鑲金剛石鉆頭的鉆進(jìn)工藝方法有效解決了自流井組、須家河組等研磨性強(qiáng)、可鉆性差的地層的鉆進(jìn)難題。

以四川元壩氣田元陸702井為例，該井位難鉆進(jìn)地層主要為自流井組珍珠沖段，細(xì)砂巖、泥巖，井深4180～4245.7 m，使用國(guó)產(chǎn)牙輪鉆進(jìn)效率為0.33 m/h，進(jìn)尺為7.32 m，而使用NR826M金剛石鑲塊鉆頭，鉆進(jìn)效率為0.61 m/h，鉆頭壽命為65.7 m，鉆進(jìn)效率提高85%，鉆頭壽命提高了8倍，其效果極其顯著。鉆頭使用前、后的對(duì)比見(jiàn)圖7。

圖7 NR826M鉆頭入井前后照片

此外，該系列鉆頭在松遼盆地金3井砂礫巖鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)效1.02 m，鉆頭壽命261.88 m，較國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭，鉆進(jìn)效率提高44%，鉆頭進(jìn)尺提高了5.5倍。NR826M系列孕鑲鉆頭在國(guó)內(nèi)其他井位的使用效果見(jiàn)表4。

表4 部分NR826M系列油井硬地層鉆頭使用情況

綜上所述，針對(duì)油氣勘探中的火成巖、高研磨性砂巖及砂礫巖等難鉆進(jìn)硬地層，采用常規(guī)的牙輪鉆頭、復(fù)合片鉆頭皆難以順利鉆進(jìn)，而采用我所研制的新型鑲齒式金剛石孕鑲鉆頭鉆進(jìn)效率提高18%～85%，鉆頭壽命提高5～8倍，其綜合性能達(dá)到國(guó)際一流水平，性價(jià)比高，已成為國(guó)內(nèi)硬地層鉆探提速的首選。上述金剛石鉆頭技術(shù)的突破，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，大幅度提高了鉆進(jìn)效率，縮短了鉆探施工周期，降低了鉆探成本。

2.4 國(guó)內(nèi)外油氣井鉆探現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

除上述鉆頭外，近幾年國(guó)外針對(duì)油氣井鉆探的難鉆進(jìn)地層研制了多種新型金剛石鉆頭，結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)合理、思路正確，可以借鑒為國(guó)內(nèi)油氣田鉆探難鉆進(jìn)地層所用。

2.4.1 復(fù)合片與牙輪組合鉆頭(圖8)

圖8 牙輪與復(fù)合片組合式鉆頭

眾所周知，牙輪鉆頭主要以牙齒對(duì)巖石的沖擊、壓碎作用和剪切作用來(lái)破碎巖石。硬和極硬地層主要依靠牙齒的沖擊、壓碎作用來(lái)破碎；極軟和軟地層主要是靠牙齒的剪切作用，中硬地層靠?jī)煞N作用同時(shí)破碎地層，復(fù)合片鉆頭主要是刮削破碎巖石。復(fù)合片與牙輪組合鉆頭，正好將沖擊、剪切、壓碎和刮削作用結(jié)合在一起，充分發(fā)揮兩種切削具的作用，達(dá)到組合式鉆頭高效長(zhǎng)壽的目的。

該組合式鉆頭的特點(diǎn)：(1)在軟硬互層地層中提供更快的機(jī)械鉆速；(2)與傳統(tǒng)牙輪鉆頭相比，鉆進(jìn)過(guò)程更加平穩(wěn)；(3)在定向鉆進(jìn)過(guò)程中側(cè)向切削力強(qiáng)及更好控制工具面，定向能力強(qiáng)；(4)在難鉆進(jìn)地層中，能減小鉆頭的扭矩[8]。

2.4.2 復(fù)合片鉆頭中心帶滾動(dòng)牙輪鉆頭的組合式鉆頭(圖9)

圖9 中心滾動(dòng)的復(fù)合片鉆頭

在油氣井鉆探中，經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)合片鉆頭中心部位提前磨損，導(dǎo)致整體復(fù)合片鉆頭失效，減少了鉆頭的工作壽命，同時(shí)也影響鉆探效率。現(xiàn)設(shè)計(jì)的復(fù)合片鉆頭中心部位安置雙牙輪，用牙輪滾動(dòng)方式，取代了鉆頭中心旋轉(zhuǎn)速度為零的死點(diǎn)，有效達(dá)到中心部位與其他部位同步磨損的機(jī)理[8]。

3 海洋深水鉆探用新型抗熱耐磨長(zhǎng)壽命鉆頭(圖10)

圖10 海洋深水用抗熱耐磨鉆頭

2012-2015年,中海油服公司在南海油田水深200～1390 m海底以下鉆進(jìn)沉積層和基巖，井深從100～300多米，取出不擾動(dòng)樣品，實(shí)現(xiàn)海上一個(gè)鉆頭、一個(gè)回次一個(gè)孔的圓滿效果[16]。

該鉆頭采用隔水底噴式圓弧唇面切削結(jié)構(gòu)，既保證了鉆頭具有較高的進(jìn)尺效率，同時(shí)又保證了樣品尤其是軟泥樣品的原狀性。所采用的復(fù)合片是經(jīng)過(guò)二次涂覆處理，在表面噴涂一層隔熱耐磨涂層，進(jìn)一步增強(qiáng)了鉆頭的耐磨性、耐熱性，使得這種新型抗熱耐磨長(zhǎng)壽命鉆頭在鉆進(jìn)海底沉積巖和中硬基巖時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果優(yōu)異。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)難鉆進(jìn)地層用金剛石鉆頭的研究，取得了如下成果。

(1)針對(duì)堅(jiān)硬致密地層，通過(guò)在胎體中添加稀土和自銳材料、低壓鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在可鉆性小于11級(jí)的堅(jiān)硬致密“打滑”地層中，鉆進(jìn)速度可達(dá)1.5～2.0 m/h，鉆頭壽命達(dá)30～300 m。

(2)針對(duì)堅(jiān)硬研磨性地層，通過(guò)超高金剛石工作層和優(yōu)化的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超細(xì)預(yù)合金化粉末以及超耐磨胎體性能，使機(jī)械鉆速同比提高20%～70%，鉆頭壽命同比提高1.4～10倍。

(3)針對(duì)堅(jiān)硬致密泥巖地層，對(duì)尖齒復(fù)合片和巴拉斯鉆頭進(jìn)行了深入的研究，鉆進(jìn)效率提高了50%左右。

(4)在油氣田深井硬巖鉆探領(lǐng)域，NR826系列金剛石孕鑲鉆頭配合螺桿鉆具同比牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速提高18%～85%，鉆頭壽命提高5～8倍。

(5)新型抗熱耐磨長(zhǎng)壽命鉆頭，實(shí)現(xiàn)了海上深水鉆探300 m井深內(nèi)“一孔一回次一鉆頭”的良好效果。

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Present Situation of Diamond Bit Used in Difficult Drilling Formations and the Development Trend/

CAIJia-pin,JIAMei-ling,SHENLi-na,OUYANGZhi-yong,RUANHai-long,ZHANGJian-yuan,ZHAOEr-xin

(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

Great progress has been made in the research and efforts on diamond bits used in hard and compact, strong abrasive and mudstone formations. In hard and compact formation, by adding rare earth and self-sharpening materials in bit matrix and with low pressure bit structure design, the drilling speed can be up to 1.5-2.0m/h in hard and compact slipping formation with drillability less than grade 11 and the bit service life reaches 30-300m; in hard and abrasive formation, with the ultra high diamond working layer and optimized hydraulic structure design, ultra-fine pre-alloyed powder and ultra wear-resistant matrix performance, the POP and bit service life are increased by 20%-70% and 1.4-10 times respectively; in hard and compact mudstone formation, by the study on sharp-teeth PDC bit and Baras bit, the drilling efficiency is increased by about 50%. For deep hard rock drilling in oil and gas field, compared with cone bit, NR826 series of impregnated diamond bit is used with screw drill, the ROP and bit service life are increased by 18%-85% and 5-8 times respectively. In addition, good progress has also been made in the research on PDC bit for offshore deep drilling in China.

diamond bit; geological drilling; oil and gas well drilling; diamond compact bit; impregnated diamond bit; offshore deep drilling

2016-05-11；

2016-07-20

蔡家品，男，漢族，1967年生，金剛石鉆頭研發(fā)中心主任，教授級(jí)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事金剛石鉆頭和取心工具的研發(fā)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓207室，caijp@bjiee.com.cn。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)02-0067-07